Karanlık madde kâbusu: Ya denklemler yanlışsa?

Doğrusal olmayan denklemlerin ortalamasını bulmanın zor olması tabii ki yalnızca kozmolojiye has bir sorun değil. Bu, yoğun madde fizikçilerinin daima uğraşmaları gereken bir zorluk; aynı zamanda iklim bilimciler için de büyük bir baş ağrısı. Bu bilim insanları doğru denklemlere ulaşmak için çeşitli teknikler kullanırlar; fakat maalesef bilinen yöntemler, Einstein’ın teorisinin simetrileriyle uyumsuz olduğu için genel göreliliğe kolayca aktarılamazlar.
Bilgisayarda görselleştirilen karanlık madde lifleri. Görsel: John Dubinski / Toronto Üniversitesi.

Sabine Hossenfelder

Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi son derece sağlam biçimde doğrulanmış bir teori. Yapılan sayısız deney, güneş sistemimizle ilgili tahminlerinin aşırı hassas gözlemlerle uyuştuğunu ortaya koyuyor. Yine de teleskoplarımızı daha uzak mesafelere doğrulttuğumuzda, bir şeyler yanlış gibi görünüyor. Galaksiler beklenenden daha hızlı biçimde dönüyorlar. Galaksi kümelerindeki galaksiler de gerekenden daha hızlı hareket ediyorlar. Evrenin genişlemesi gittikçe hızlanıyor.

Genel görelilik ise bize neler olup bittiğini söylemiyor.

Fizikçiler, bu şaşırtıcı gözlemleri yakın dönemde ortaya atılan iki maddenin varlığıyla ilişkilendiriyorlar: karanlık madde ve karanlık enerji. Bu iki isim yalnızca Einstein’ın orijinal denklemlerinde yer tutucu (boşluk doldurucu / ç.n.) faktörler; onların yegâne işlevi, tahminler ile gözlemler arasında yaşanan uyuşmazlığı ortadan kaldırmak.

ÇÖZÜLEMEYEN BİR MUAMMA

Aslında bu yeni bir hikâye değil. 1930’lardan bu yana karanlık madde hakkında elimizde kanıtlar mevcuttu ve karanlık enerji de 1990’larda radarımıza yakalanmıştı. Her ikisi de o zamandan beri binlerce fizikçiyi, neyle uğraştığımızı açıklamayı amaçlayan teşebbüslerle meşgul etti: Karanlık madde bir parçacık mı, eğer öyleyse hangi türden ve onu nasıl ölçebiliriz? Şayet bir parçacık değilse, o zaman ölçümlerdeki tutarsızlığı ortadan kaldırmak için genel görelilikle ilgili neyi değiştirebiliriz? Karanlık enerji yeni bir alan türü olabilir mi? O da parçacıklardan mı meydana gelmiş? Karanlık madde ile karanlık enerjinin bir bağlantısı var mı, yoksa ikisi de bağımsız olgular mı?

Bu sorulara yanıt bulmak için yüzlerce hipotez önerildi, konferanslar düzenlendi, nice meslek yaşamı bunlara adandı ama gelin görün ki 2019 yılındayız ve hâlâ bunları bilmiyoruz.

Durum epey kötü diyebilirsiniz ama beni geceleri uykusuz bırakan şey aslında şu: Belki de bu binlerce fizikçinin tamamı sadece yanlış denklemleri kullanıyor. Sözlerim genel göreliliğin değiştirilmesi gerektiği anlamına gelmiyor. Kastettiğim şey şu; genel görelilik denklemlerini yanlış bir şekilde kullanıyoruz.

Temel mesele budur. Genel görelilik, uzay ve zamanın eğriliğini (kıvrımlı ve esnek yapısını / ç.n) madde ve enerji kaynaklarıyla ilişkilendirir. Herhangi bir andaki madde ve enerji dağılımını eklediğinizde, denklemler size yanıt olarak hangi alan ve zamanın ne olduğunu ve eldeki yanıta göre maddenin nasıl davranması gerektiğini söyleyecektir.

BİR YAKLAŞIM SORUNU

Fakat genel görelilik doğrusal olmayan bir teoridir. Bu, genel hatlarıyla ifade edersek, kütle çekiminin, çekme işini gerçekleştirdiği manasına gelir. Daha somut bir ifadeyle, denklemlere iki çözümünüz varsa ve toplamlarını alırsanız, bu toplam da bir çözüm olmayacaktır.

Şu anda, bir galaksinin ya da galaksi kümesinin ve hatta tüm evrenin ne yaptığını açıklamak istediğimizde yaptığımız şey her bir gezegenin ve yıldızın sahip olduğu madde ve enerji miktarını denklemlere eklemek değil. Bu yaklaşım, hesaplama açısından olanaksız bir girişim olur. Bunun yerine, (denkleme/ç.n.) ortalama bir madde ve enerji miktarı ekliyor ve bunu da kütle çekim kaynağı olarak kullanıyoruz.

Söylemeye gerek yok ama denklemin bir tarafında ortalama almak, diğer tarafta da ortalama almanızı gerektirir. Fakat kütle çekimi tarafı doğrusal olmadığından, bu size Güneş Sistemi için kullandığımız denklemleri vermeyecektir; zira bir değişkenin bir fonksiyonunun ortalaması, değişkenin ortalamasının işleviyle aynı değildir. Aynı olmadığını biliyoruz; ancak genel göreliliği büyük ölçeklerde kullandığımızda, bunun böyle olduğunu varsayıyoruz.

Bu nedenle, kullandığımız denklemlerin kesin olduğunu söylemenin yanlış olduğunu biliyoruz. O halde büyük soru şu; ne kadar yanlışlar?

YANIT ARAYAN SORULAR

Bu soruyu soran meraklı öğrencilere genelde bu denklemlerin çok da yanlış olmadığı ve yeterince kullanışlı olduğu söylenir. İddia, kullandığımız denklem ile kullanmamız gereken denklem arasındaki farkın ihmal edilebilir olduğunu, çünkü tüm bu durumlarda kütle çekiminin zayıf olduğunu ileri sürüyor.

Buna karşın, literatüre biraz daha yakından baktığınızda, bu iddianın sorgulandığını görürsünüz. Ve bu sorular da sorgulandı. Hatta sorgulama soruları da sorgulandı. Ve tartışma bugüne dek sürüp gitti.

Doğrusal olmayan denklemlerin ortalamasını bulmanın zor olması tabii ki yalnızca kozmolojiye has bir sorun değil. Bu, yoğun madde fizikçilerinin daima uğraşmaları gereken bir zorluk; aynı zamanda iklim bilimciler için de büyük bir baş ağrısı. Bu bilim insanları doğru denklemlere ulaşmak için çeşitli teknikler kullanırlar; fakat maalesef bilinen yöntemler, Einstein’ın teorisinin simetrileriyle uyumsuz olduğu için genel göreliliğe kolayca aktarılamazlar.

Bu, hiç şüphesiz cazip görünmeyen bir araştırma konusu. Çok teknik ve yorucu olması yüzünden birçok fizikçi bunu görmezden geliyor. Ve hâl böyleyken, ortalamayı düzeltmeyle ilgili ifadelerin ihmal edilebilir olduğunu düşünen binlerce fizikçinin karşısında bu varsayımın gerçekten doğruluğundan emin olmaya çalışan yalnızca iki düzine insan var.

Akıllı fizikçilerin karanlık maddenin ve karanlık enerjinin ne olduğunu anlamaya çalışırken ne kadar çaba sarf ettikleri düşünüldüğünde, bunun bir anlam taşıyıp taşımadığı sorusunu kesin biçimde çözmenin iyi bir fikir olduğunu düşünüyorum. En azından, bu sayede daha rahat uyurum.

* Yazının aslı Backreaction sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)