Garett Lisi'nin her şeyin teorisi üzerine

Vay, dostum. Şu can alıcı denklemlere bir göze atın. Ne tatlı. Aslında, önümüzdeki 18 dakikada parçacık fiziğinin güzelliğini denklemsiz anlatmak için elimden geleni yapacağım. Anlaşılan, mercanlardan öğrenebileceğimiz çok şey var. Mercan güzel ve tuhaf bir hayvandır. Her mercan başı binlerce bağımsız yumrudan oluşur. Bu yumrular sürekli tomurcuklanarak ve dallanarak genetik olarak özdeş komşular oluştururlar. Eğer bunu üstün-zekalı bir mercan olarak hayal edersek, bu bireylerden birini ayırıp, ona mantıklı bir soru sorabiliriz. Ona, komşularıyla kıyasla bulunduğu noktaya nasıl geldiğini sorabiliriz. Sadece şans mı, kader mi, yoksa başka birşey mi?

Ve o, sıcaklığı çok artırdığımız için bizi azarladıktan sonra, sorumuzun tamamen aptalca olduğunu bize söylerdi. Görebileceğiniz gibi bu mercanlar cidden kaba olabiliyorlar ve bunu kanıtlayacak sörf yaralarım var. Fakat bu yumru devam eder ve bize komşularının kendisiyle birebir aynı kopyalar olduğunu söyler. Öyle ki, kendisi bu noktaların hepsinde bulunmaktadır aynı zamanda. ama diğerlerini ayrı bireyler olarak hissetmektedirler. Bir mercan için farklı kopyalar şeklinde dallanmak dünyadaki en doğal şeydir.

Bizim aksimize, üstün-zekalı bir mercan kuantum mekaniğini anlamaya hazır olacaktır. Kuantum mekaniğinin matematiği, evrenin nasıl işlediğini oldukça kesin bir şekilde betimlemektedir. Ve bize, gerçekliğimizin sürekli olarak bir mercan gibi farklı olasılıklara dallandığını söyler. Sadece tek bir olasılığı yaşamak biz insanların aklının alamayacağı, tuhaf bir şeydir. Bu kuantum tuhaflık ilk olarak Erwin Schrödinger ve kedisi tarafından betimlendi. Kedi bu şekildeki anlatımı daha çok seviyor. (Gülmeler) Bu düzenekte, Schrödinger radyoaktif bir madde ile birlikte bir kutunun içindedir ve bu madde, kuantum mekaniğinin kanunları gereği, ışıma yaptığı ve yapmadığı iki duruma ayrılır. (Gülmeler) Maddenin ışıma yaptığı dalda, zehir yayan bir düzeneği tetikler ve Schrödinger ölür. Fakat diğer gerçeklik dalında, hala hayattadır. Bu gerçeklikler her birey tarafından ayrı ayrı deneyimlenir. Herhangi birine göre, diğer gerçeklik mevcut değildir.

Bu bize tuhaf geliyor, çünkü her birimiz bireysel varlığımızı hissederiz, ve diğer dalları görmeyiz. Sanki her birimiz, buradaki Schrödinger gibi, bir çeşit farklı olasılıklara dallanan bir mercanız. Kuantum mekaniğinin matematiği bize küçük ölçeklerde dünyanın böyle işlediğini anlatır. Tek bir cümleyle şöyle özetlenebilir: Olabilecek birşey varsa, olur. İşte bu, kuantum mekaniğidir. Fakat bu, her şey olur, demek değildir. Fiziğin geri kalanı neyin olabileceğini ve neyin olamayacağını anlatmaktadır. Fiziğin bize söylediği şey, herşeyin temel parçacıkların geometrisi ve etkileşimlerinden oluştuğunu söylüyor. Ancak bu etkileşimler mükemmel bir şekilde dengeli ise o zaman bir şeyler olur.

Şimdi size bu parçacıkları nasıl bildiğimizi, ne olduklarını ve bu dengenin nasıl işlediğini anlatacağım. Bu makinede, proton ve anti-proton ışınları ışık hızına çok yakın bir hıza kadar ivmelendirilip birbiriyle çarpıştırılarak saf enerji patlaması elde ediliyor. Bu enerji, anında yarı-atomsal parçacık filizlerine dönüşüyor ve algılayıcılar ve bilgisayarlar yardımıyla özelliklerini çıkartılıyor. Bu devasa makine, yani Cenevre'de bulunan CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, 17 millik bir çevreye sahip ve çalışırken Monterey şehrinin beş katı elektrik enerjisi çeker. Herhangi bir çarpışmada, tam olarak hangi parçacıkların üretileceğini kestiremeyiz. Kuantum mekaniği tüm olasılıkların gerçekleştiğini söylüyor. Fakat fizik, hangi parçacıkların oluşabileceğini söylüyor. Bu parçacıklar, proton ve anti-proton çiftinin taşıdığı kadar kütle ve enerji taşımalı. Bu enerji sınırından daha kütleli parçacıklar oluşmazlar ve bizim için görünmezdirler. İşte bu yüzden yeni parçacık hızlandırıcı çok heyecan verici. Daha önce ulaşılmış enerji sınırının yedi kat üstüne çıkartacak, böylece yeni parçacıkları çok yakında görme şansımız olacak.

Ancak şimdi, görebileceklerimiz hakkında konuşmadan önce zaten hakkında bilgimiz olan parçacıkları tarif edeyim. Atomaltı parçacıklardan oluşan bir hayvanat bahçesi mevcut. Çoğumuz elektronlara aşinayız. Bu salonda bulunan birçok insan bu elektronları iterek iyi bir yaşam kazanıyor. (Gülmeler) Ayrıca elektronlar, nötrino adında, yüksüz ve çok küçük kütlede nötr çiftlerine sahip. Bunun aksine üst-alt kuarklar çok büyük kütleye sahip olup üçerli gruplar halinde birleşerek atom içindeki proton ve nötronları oluşturur. Tüm bu parçacıklar sağlak ve solak çeşitlerine ve de ters yük taşıyan zıt-parçacık çiftleriyle var olurlar. Bu tanıdık parçacıklar daha az tanıdığımız birinci nesille aynı yüklü olmakla birlikte çok daha büyük kütleli ikinci ve üçüncü nesillere sahipler. Bu madde parçacıklarının hepsi çeşitli kuvvet parçacıklarıyla etkileşime girer. Elektromanyetik kuvvet, elektrik yüklü maddeyle, foton adı verilen parçacıklar vasıtasıyla etkileşime girer. Bir de pek hayal gücü gerektirmeyen zayıf kuvvetler vardır ki bu kuvvet sadece solak madde ile etkileşir. Renk yükü adında kırmızı, yeşil ve mavi renk çeşitleriyle değişik bir çeşit yük taşıyan bu kuarklar arasında kuvvetli bir güç bulunur. Bu isimler için Murray Gell-Mann'ı suçlayabilirsiniz. bunlar onun suçu. Son olarak, maddeye, kütlesi ve dönüşü vasıtasıyla etkiyen yerçekimi gücü vardır.

Burda anlamamız gereken şey bu kuvvetlerin her biri için değişik bir yük olduğudur. Bu dört çeşit güç, her bir parçacığın sahip olduğu yükler vasıtasıyla etkileşir. Hanüz göremediğimiz ama varlığından oldukça emin olduğumuz Higgs parçacığı diğer tüm parçacıklara kütle sağlar. Büyük Hadron Çarpıştırıcısının asıl amacı bu Higgs parçacığını görmektir ve biz de olacağından nerdeyse eminiz. Ama asıl gizem daha başka neler göreceğimizdir. Ve ben, size güzel bir ihtimali bu konuşmanın sonuna doğru göstereceğim.

Şimdi, eğer dönüşlerini ve yüklerini bakımından tüm değişik parçacıkları sayarsak, bu 226 eder. Takip etmemiz gereken çok parçacık var. Ve doğada bu kadar çok temel parçacık olması size tuhaf görünebilir. Ama eğer parçacıkları yüklerine göre çizdirirsek birkaç güzel model belirecektir. En bilindik yük elektrik yüküdür. Elektronlar negatif bir elektrik yüküne sahiptir, ve kuarklar da üçte birine sahiptirler. O zaman iki yukarı ve bir aşağı kuark bir proton oluşturmak için bir araya gelirse, toplam elektrik yükü artı bir olur. Bu parçacıkların bir de ters yükü olan zıt-parçacıkları vardır. O zaman, elektrik yükleri aslında diğer iki yükün bir kominasyonudur: kuvvetli yük ve zayıf yük. Eğer kuvvetli ve zayıf yükleri birbirinden ayrırır ve iki boyutlu yük uzayında bu parçacıkların grafiğini çizdirirsek, elektrik yüklerinin bulunduğu yer dikey yönde bulunacaktır. Elektromanyetik ve zayıf kuvvetler madde ile kuvvetli ve zayıf yüklerin etkileşimi bu motifin oluşturur. Bu Birleşmiş Elektrozayıf Model denilir, ve 1967'de bir araya getirilmiştir.

Bu iki yük yerine sadece elektrik yüküne aşina olmamızın nedeni de bu Higgs parçacığıdır. Higgs, işte burda soldaki, büyük kütleye sahiptir ve bu elektrozayıf deseni de bozmaktadır. Zayıf parçacıklara büyük kütleler vererek zayıf kuvvetleri daha çok zayıf yapmaktadır. Bu yüksek kütleli Higgs yatay yönde bulunduğundan bu diyagramda elektromagnetizm fotonları kütlesiz kalmaktadır ve yük uzayında elektrik yükleriyle dikey yönde etkileşmektedir. Bu yüzden elektromagnetik ve zayıf kuvvetler bu iki boyutlu uzaydaki yüklü parçacıkların deseni ile tanımlanır. Güçlü kuvvetleri iki yük yününde ayırarak ve kuark içindeki kuvvet parçacıklarının yüklerini bu yönde çizdirerek dahil ediyoruz. Bilinen tüm parçacıklar dört boyutlu yük uzayında böyle çizdirilebilir ve iki boyuta izdüşümü yapılırsa, bu şekilde görebiliriz.

Parçacıklar ne zaman etkileşime girecek olsa, doğa bu dört yük yönünde onları denge içinde koyuyor.® Eğer bir parçacık ve zıt-parçacık çarpışırsa, büyük bir enerji açığa çıkar ve toplam yük tüm dört yönde de sıfır olur. Bu durumda, aynı enerji değerinde olan ve toplam yükleri sıfır olan her türlü parçacık meydana gelebilir. Mesela, bu zayıf kuvvet parçacığı ve zıt-parçacığı bir çarpışmada üretilebilir. Sonraki etkileşimlerinde, yükler dengede kalmalı. Zayıf parçacıkların bir tanesi bir elektron ve bir de zıt-nötrinoya bozunabilir ve hala toplam yük sıfır kalır. Doğa her zaman mükemmel bir denge sağlar. Bu yüzden, bu yük desenleri sadece güzel değildir. Bize ne tür etkileşimlerin olabileceğini de söyler. Ve şimdi bu yük uzayını dört boyutta döndürüp kuvvetli etkileşimlere daha iyi bakabiliriz, bu güzel bir altıgen simetrisi oluşturur. Kuvvetli etkileşimler, bir kuvvetli yük parçacığı, mesela şu, renk kuarkları ile etkileşirler, mesela yeşil olanla, bu sayede farklı renk yükü verirler -- bu kırmızı olanı. Ve bu kuvvetli etkileşimler vücudumuzdaki her saniyede her atomda milyonlarca kez olurlar böylece atomik çekirdek bir arada kalır.

Ama bu dört yükün üç kuvvete denk gelmesi hikayenin sonu değil. Yerçekimi kuvvetine karşılık gelen iki tane daha yük ekleyebiliriz. Bunları eklediğimiz zaman, her madde parçacığı iki farklı spin yükü içerir: aşağı spin ve yukarı spin. Bunları ayırdığımızda, bize altı boyutlu yük uzayında güzel bir desen verir. Bu şekli altı boyutta çevirdiğimizde oldukça güzel şekil görüyoruz. Şimdi, bu desen şu an bildiğimiz bu küçük temel parçacıkların evreni oluşturma tanımıyla eşleşiyor. Bu bizim emin olduğumuz şey. Bu parçacıkların bazıları şu ana kadar yapabildiğimiz deneylerin tam sınır noktasında. Bu desenden, biz zaten parçacık fiziğinin küçük boyutlarını biliyoruz. Evrenin işleyişi bu küçük parçacıklarla çok güzel bir şekle bürünmüştür.

Ama şimdi, bizim bilmediğimiz şeylerin eski ve yeni fikirleri hakkında konuşacağım. Sadece matematikle, bu şekli genişletmek istersek, bakalım herşeyi görebiliyor muyuz? Evrenin tüm resmini yapan tüm parçacık ve kuvvetleri görmek istiyoruz. Bu resmi daha yüksek enerjili deneyler esnasında göreceğimiz yeni parçacıkları tahmin için kullanacağız.

Parçacık fiziğinde eski bir düşünce vardır, yüklerin çok da simetrik olmayan bu bilindik şekli daha kusursuz şekillerde ortaya çıkabilir, ki bu Higgs parçacığının elektromanyetizma vermek için yaptığı elektrozayıf bozulma modeline benzerdir. Bunu yapmak için, yeni yük yönünü de da hesaba katmamız gerek. Yeni bir yön tanımlarken, hangi yük parçacıklarının bu yönde olması gerektiğini tahmin etmeli ve diğerlerini bu yönde çevirebilmeliyiz. Zekice düşünürsek, yedinci boyutta oluşan daha düzgün şekildeki oluşan kırık simetriye bakarak altıncı boyuttaki standart yükleri oluşturabiliriz.

Bu önemli seçim Pati ve Salam'ın 1973'te bulduğu büyük birlik teorisine paralellik gösterir. Bu birleşmiş şekle baktığımızda, hala parçacıkların bulunması gereken yerde birkaç boşluk görüyoruz. Bu, birlik teorilerinin çalışma şeklidir. Bir fizikçi daha geniş ve simetrik olan ve bu şekildeki alt kümelerin bulunduğu desenleri bulmaya çalışır. Daha geniş bir desen bize daha önceden görmediğimiz parçacıkları tahmin imkanı sağlar. Bu birleşim modeli zayıf, sadece daha zayıf kuvvet bulunduran bu iki yeni parçacıkların varlığını tahmin etmede yardımcı oluyor.

Şimdi bu yük kümelerini yedi boyutta çevirirsek ve madde parçacıklarının tuhaf gerçeklerini de hesaba katarsak, maddenin ikinci ve üçüncü nesli 6 boyutlu yük uzayındaki yüklerin ilk nesli ile tamamen aynı yükleri bulundurur. Bu parçacıklar yalnızca bulundurduğu altı yük ile belirlenmezler. Standart yük uzayında birbirlerinin üstünde bulunurlar. Fakat, bu işi sekiz boyutlu yük uzayında yaparsak, o zaman her parçacığa yeni bir yük daha belirleyebiliriz. Sonrasında, bunları sekiz boyutta çevirir ve karşımızdaki şekli görürürüz. Burda, "üçlü" adindaki simetri sayesinde maddenin ikinci ve üçüncü nesilini birinci nesille bağlantılı olarak görebiliriz.

Yüklerin bu özel sekiz boyutlu şekli, aslında, matematiğin geometrik yapısından kaynaklanır. Bu şekil en geniş harici Lie grubunun E8 şeklidir. Lie grubu 248 boyutta pürüzsüz ve kıvrımlı bir şekle sahiptir. Bu şekildeki her nokta çok karmaşık ve güzel şeklin simetrisine tekabül eder. Bu E8 şeklinin küçük bir parçası yerçekimini açıklayan Einstein'in genel relativite kuramını tarif etmede kullanılır. Quantum mekaniği ile birlikte, bu şeklin geometrisi evrenin küçük ölçeklerde nasıl işlediğini bize anlatabilir. Sekiz boyutlu yük uzayında yaşayan bu desenin yapısı zarif bir güzelliğe sahiptir ve bu karmaşık şeklin yüzeyinde bulunan bu temel parçacıkların birbirleri ile mümkün olan yüzlerce etkileşimi özetler.

Çevirdiğimizde, bunu deseni de içeren pek çok karışık şekli görebiliriz. Ve bu özel dönüş ile, sekiz boyutlu simetri aksisinden aşağı doğru bakabliriz ve tüm parçacıkları aynı anda görebiliriz. Bu çok güzel bir nesne ve herhangi bir birleşimde bu desende, yeni parçacıklara ihtiyaç duyduğumuz boşlukları görebiliyoruz. İki tanesinin Pati ve Salam parçacıkları ile doldurulmuş olan 20 tane boşluk görüyoruz. Bu şekildeki yerlerinden biliyoruz ki bu yeni parçacıklar, Higgs parçacıkları gibi skaler alanlar olmalı ama renk yükü bulnmalı ve kuvvetli güçler ile etkileşmeli. Bu şekli yeni parçacıklarda doldurmak bize dolu E8'i verecektir.

Bu E8 şekli çok derin matematiksel köklere sahiptir. Çok kişi tarafından matematikteki en güzel yapı olarak kabul edilir. Parçacıkların tahmin edilebilecek en küçük boyuttaki etkileşimi gibi bir gerçeği, bu güzel matematiksel şekille anlatabilme fantastik bir beklentidir. Matematikle doğayı tanımlama fikri yeni bir fikir değil. 1623'te Galileo yazdığı gibi : "Doğanın sürekli göz önünde duran bu muazzam kitabı, matematik dilinde yazılmıştır. Karakterleri üçgenler, çemberler ve diğer geometrik şekillerdir, insanların anlaması mümkün olmayan bir tek kelime yoktur; bunlar olmadan, bir insan karanlık bir labirentte dolanır."

Bunun doğruluğuna inanıyorum, ve ben de parçacık fiziğinin matematiğini Galileo'nun rehberliğinde sadece üçgen, çember ve diğer geometrik şekiller takip etmeye çalıştım. Tabi ki, diğer fizikçiler ve ben bu tür şeylerde çalışırken, matematik karanlık labirente benzetilebilir. Ama, matematiğin kalbinın saf ve güzel geometri olması bizi rahatlatıyor. Quantum mekaniğinin de katılmasıyla, matemetik evrenimizi, güzel bir desene göre parçacıkların olabilecek her yerde her şekilde etkileştiği bir E8 mercanı gibi tarif eder. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi yeni makineleri, yeni yöntemleri kullanarak, doğanın bu E8 şeklini mi yoksa başka bir şekli mi kullandığını anlayabiliyoruz.

Bu keşif süreci, katılmamız gereken harika bir maceradır. Eğer BHÇ (LHC) bu E8 şekline uygun parçacıklar bulursa, bu mükemmel olacaktır. Şayet LHC bu şekle uymayan yeni parçacıklar bulacak olursa, -- şey, çok enteresan olur ama E8 teorisi için kötü olacaktır. Ve, tabiki, benim için de kötü olacak. (Gülmeler) Peki ne kadar kötü olabilir ki? Şey, oldukça kötü. (Gülmeler)

Ama doğanın nasıl işlediğini tahmin etmek riskli bir oyun. Bu ve bunun gibi teoriler zor işlerdir. Belki de doğada doğru sonlanmayacak bir fikir için bile çok emek sarfedilir. İşte teorik fizik böyle bir şeydir : birçok fikir yok olmaya makhumdur. Bu açıdan, yeni fizik teorileri daha çok, yeni açılmış bir şirket gibidir. Ne kadar çok yatırım yapılırsa, işler yolunda gitmediğinde o konuda yapılan araştırmaları bırakmak o kadar zor gelir. Ama bilimde, birşeylerde yanlışlık varsa, onu bırakıp yerine başka birşey denersin.

İşte bu belirsizlikte ruh sağlığını korumanın ve mutlu olmanın tek yolu, hayata olan bakış açısını ve dengeyi korumaktır. Ben, dengeli hayat için elimden gelenin en iyisini yaptım. (Gülmeler) Hayatımı fizik, aşk ve sörf olarak kendi üç yüküm yönünde dengede tutmaya çalıştım. (Gülmeler) Bu yol, yaptığım fizik bir işe yaramasa da, bilirim ki iyi bir yaşam geçirdim. Ve güzel yerlerde yaşamaya çalıştım. Geçtiğimiz 10 yılı çok güzel bir yer olan Maui adasında geçirdim. Aileme göre evrenin en büyük gizemlerinde birisi tam zamanlı işe benzer herhangi bir görevde nasıl hayatta kalmayı başardığımdır. (Gülmeler)

Size bir sır vereceğim. Bu benim Maui'deki ofisimden bir manzara. Bu bir diğeri, ve bu da başka bir tanesi. Ve farketmişsinizdir ki bu güzel manzaralar benzerdir fakat biraz değişik mekanlardandır. İşte bu yğzden bura benim Maui'deki işim ve ofisim olmuştur. (Gülmeler) Sıradan olmayan bir hayat seçtim. Ama sevdiğim işte harcadığım zamanda, hesap kaygısı çekmeden. Göçebe hayat her devirde zor olmuştur, fakat bana güzel yerlerde yaşama ve mutlu olduğum hayatı yaşama fırsatı vermiştir. Bana üstün zekalı mercanlarla takılma imkanı tanımıştır. Ve üstün zekalı insanlarla da eğlenceli vakitler geçirdim. Burdaya davet edilmiş olmaktan dolayı çok mutluyum. Çok teşekkür ederim. (Alkışlamalar)

Chris Anderson: Anlatılanın herhalde yüzde ikisini anladım, yine de çok sevdim. O yüzden de aptalca şeyler söyleyeceğim. Senin Herşeyin Teorin

Garrett Lisi: ben mercana demeye alışığım.

CA: Doğru, çok az insanın bu teoride heycanlı olmasının nedeni, eğer yanılmıyorsan, yer çekimi ve quantum teorisini bir araya getirmesidir. Evrenin kalbindeki bu küçük parçacıkların E8 nesnesi gibi bir ihtimalde buldunduğunu düşünmemiz gerektiğini mi söylüyorsun? Yani, zihnindeki en küçük ölçü bu kadar mıdır yoksa.. ?

GL: Aslında, daha yeni gösterdiğim desenler temel parçacıklar hakkında ne kadar şey bildiğimizi gösteriyor, aynı zamanda da çok güzel şekiller oluşturuyor. Ve emin olarak bildiğimizi söylediğim tek şey budur. Ve bu şekil dikkate değer benzerliklere sahiptir ve E8 desenine uyması resmin devamının da gelebileceğini gösterir. Size gösterdiğim bu şekiller aslında yüksek boyutlu nesnelerin simetrilerini temsil eder. Bu bizim hissettiğimiz uzayda bükülerek, hareket ederek, dans ederek olabilir. Tüm bu bizim bildiğimiz temel parçacıkları anlatabilcek bir şey olabilir.

CA: Ama bir sicim teorisyeni, anladığım kadarıyla, elektronları içinde titreşen sicimler ile tanımlar -- Biliyorum sen sicim teorisini sevmiyorsun -- Bir elektronun E8 ile bağlantısını nasıl düşünebiliriz?

GL: Hayır, elektron da E8 şeklinin bir simetrisidir. Bu şeklin uzay zamanda hareket edip, bükülmesi işin özüdür. Hareket sırasındaki bükülme yönü bize gördüğümüz parçacağı verir. Bu yüzden, bu --

CA: E8 şeklinin büyüklüğü, nasıl bir elektronla bağdaştırılabilir? Hayal edebilmem için bu şeyi anlamam gerek. Büyük müdür, küçük müdür?

GL: Şey, bildiğimiz kadarıyla elektronlar noktasal parçacıklardır, bu da mümkün olan ölçülerden daha derinlere iner. Bu şeylerin kuantum alan teorisi ile açıklanabilmesinin bir yolu tüm ihtimallerin bir kerede genişleme ve gelişmesidir. Mercanı benzetmemin nedeni de budur. Bu bakımdan, E8'in ortaya çıkma şekli de uzay zamanda her noktanın bu düzende bir araya gelmesidir. Ve, söylediğim gibi, şeklin bükülme yöntemi, bu bükülmüş yüzey üzerinde hareket ederken desenin nasıl büküldüğü ne tür temel parçacıkların kendiliğinden oluşacağını belirler. Kuantum alan teorisiyle, parçacıklar kendilerini bir nokta ve etkileşim yolu olarak ortaya koyarlar. Daha da açıklığa kavuşturdum mu bilemiyorum. (Gülmeler)

CA: Aslında çok önemli de değil. Bu konu insanda hayret uyandırıyor ve kesinlikle, bunun hakkında daha çok şey anlamak istiyorum. Ama geldiğiniz için çok teşekkür ederim. Bu gerçekten büyüleyiciydi. (Alkışlamalar)