Fizikteki cevaplanmamış soruları nasıl keşfediyoruz?

James Beacham bu zamana kadar yapılan en büyük bilim deneyini yani CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısını (LHC) kullanarak fizikteki en önemli cevapsız sorulara cevap arıyor. Bilimin nasıl işlediğiyle ilgili bu eğlenceli ve anlaşılması kolay konuşmada, Beacham bizleri ilave-uzamsal boyutlar üzerinden, keşfedilmemiş temel parçacıkların (ve yer çekiminin sırlarının açıklamasının) arayışında bir yolculuğa çıkarıyor ve araştırmaya devam etme dürtüsünü ayrıntılarıyla anlatıyor.

Çocukluğumdan beri

fizik hakkında

kafamı gerçekten kurcalayan
bir şeyler var.

Bu, bilim adamlarının
neredeyse 100 senedir sorduğu

cevapsız bir soru ile ilgili.

Doğadaki en küçük şeyler,

kuantum dünyasındaki parçacıklar,

doğadaki en büyük şeylerle
nasıl örtüşüyor?

Gezegenler, yıldızlar ve galaksiler
yer çekimiyle nasıl bir arada tutuluyor?

Çocukken, bunun gibi sorular
üzerine kafa yorardım.

Mikroskoplar ve elektromıktanıstarla
oynayıp durur

küçük şeylerin kuvveti ve
kuantum mekaniği hakkında

yazılar okurdum.

Betimlemelerin gözlemlerimizle nasıl
bu kadar iyi örtüştüğüne hayret ederdim.

Sonra yıldızlara bakar

yer çekimini ne kadar anladığmız
hakkında yazılar okurdum.

Bu iki sistemin kesiştiği
zarif bir yöntemin

kesinlikle var olması
gerektiğini düşünürdüm.

Fakat böyle bir şey yok.

Kitaplar, bu iki alanı da ayrı ayrı
çok iyi anladıklarını yazardı.

Fakat, ikisini matematiksel
olarak ilişkilendirmeye çalıştığımızda

her şey bozulur.

Yüz yıldır,

bu fizik faciasını çözmek
için ürettiğimiz fikirlerin hiçbiri

kanıtlarla desteklenmedi.

Bu benim için,

--küçük,meraklı, şüpheci James için--

son derece yetersiz bir cevaptı.

Bu yüzden, ben

hâlâ şüpheci,küçük bir çocuğum.

Şimdi 2015'in Aralık ayına,

kendimi, baş aşağı olan fizik dünyasının

tam ortasında tokat yemiş gibi
bulduğum zamana gidelim.

Her şey, CERN'de, verilerimizde ilgimizi
çeken bir şey görmemizle başladı.

Bu, yeni bir parçacığın belirtisi,

cevaplanamayan bu soruya belki de
sıra dışı bir cevap için ipucuydu.

Sanırım hala şüpheci küçük
bir çocuğum ama şimdi

aynı zamanda bir parçacık avcısıyım.

Ben CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC)

şimdiye kadar yapılmış en büyük
bilim deneyinde, fizikçiyim.

Bu Fransa ve İsviçre sınırında

yerin 100 metre altında

27 kilometrelik bir tünel.

Bu tünelde, protonları

neredeyse ışık hızı kadar
hızlandırıp

saniyede milyonlarca defa
birbirine çarptırmak,

bu çarpışmaların kalıntılarını toplayarak

yeni, keşfedilmemiş önemli
parçacıkları araştırmak için

uzay boşluğundan daha soğuk
süper iletkenli mıknatıslar kullandık.

Tasarımı ve inşaası dünyanın her yerinden

binlerce fizikçinin onlarca yılını aldı.

2015'in yazında, yorulmadan

LHC'yi insanoğlunun
çarpıştırıcı deneylerinde

şimdiye kadar kullandığı en yüksek
enerjide çalıştırmaya çalışıyorduk.

Daha yüksek enerji önemli

çünkü parçacıklar için
enerji ve parçacık kütlesi arasında

bir eşitlik var ve

kütle sadece doğa tarafından
koyulmuş bir sayıdır.

Yeni parçacıklar keşfetmek için

bu daha büyük sayılara erişmemiz gerek.

Bunun için daha yüksek enerjili
çarpıştırıcı inşa edilmeliyiz,

ve dünyanın en büyük,
en yüksek enerjili çarpıştırıcısı

Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır. (LHC)

Daha sonra, protonları
katrilyonlarca kez çarpıştırır,

ve bu verileri aylarca
çok yavaş bir şekilde toplarız.

Daha sonra yeni parçacıklar verilerimizde
çıkıntılar olarak belirebilir.

Umduğunuzdan daha hafif sapmalar,

pürüzsüz bir çizgiyi pek de pürüzsüz
yapmayan küçük veri noktaları kümeleri.

Mesela bu çıkıntı,

2012'de aylarca veri topladıktan sonra

Higgs parçacığının -Higgs bozonu -
keşfedilmesinin ve

onun varlığının teyiti olduğu olarak

Nobel ödülünün yolunu açmıştır.

2015'te enerjideki sıçrama,

yeni parçacıklar keşfetmek ve
bu sorulara yeni cevaplar bulmak için

insanoğlunun eline geçen

en iyi şansı temsil ediyordu.

Çünkü Higgs bozonunu keşfettiğimizde
kullandığımız enerjinin

neredeyse iki katını kullanmıştık.

Çok sayıda meslektaşım
tüm kariyerleri boyunca

bu an için çalışmışlardı
ve bu benim için de

tüm hayatım boyunca beklediğim andı.

Bu yüzden, 2015 harekete geçme zamanıydı.

Böylece, 2015'in Haziran ayında

LHC tekrar çalışmaya başladı.

İş arkadaşlarım ve ben
neseflerimizi tuttuk

ve sonunda bu gelmiş geçmiş
en yüksek enerjide

ilk proton çarpışmalarını gördük.

Alkışlar, şampanyalar, kutlamalar.

Bu bilim için bir dönüm noktasıydı

ve bu yepyeni verilerde ne bulacağımıza
dair hiçbir fikrimiz yoktu.

Ve birkaç hafta sonra
bir çıkıntı keşfettik.

Bu çok büyük bir çıkıntı değildi ama

yine de gözlerimizi fal taşı
gibi açtıracak kadar büyüktü.

Eğer sizi şaşırtacak şeyleri
10 üzerinden puanlarsak ve 10,

yeni bir parçacık keşfettiğinizi
gösteriyorsa

bu, 4 puan alır.

(Gülüşmeler)

Saatlerimi, günlerimi, haftalarımı
meslektaşlarımla gizli toplantılarda

bu küçük çıkıntı üzerine
tartışmak için harcadım.

İncelemelere dayanıp
dayanamayacağını görmek için

onu, en deneysel
çubuklarımızla dürtükledik.

Fakat, aylarca süren ateşli
çalışmanın ardından bile

- ofislerde sabahlayıp, eve gitmeyerek,

akşam yemeği için gofret yiyip

kovalarca kahve içerek -

ki fizikçiler kahveyi
grafiğe döken makinalardır.

(Gülüşmeler)

Bu küçük çıkıntı bir türlü kaybolmadı.

Böylece, birkaç ay sonra

bu küçük çıkıntıyı şu şekilde açık
bir mesajla dünyaya sunduk:

"Bu küçük çıkıntı ilginç ama sabit değil

bu yüzden biz daha fazla veri toplarken
gözünüz üzerinde olsun."

Bu konuyla ilgii aşırı sakin
olmaya çalışıyorduk.

Fakat dünya bu bilgiyle
aşırı heyecanlandı.

Haberler bu bilgiye bayıldı.

İnsanlar, bunun onlara
Higgs bozonunun keşfine doğru beliren

çıkıntıyı hatırlattığını söyledi.

Dahası, benim kuramcı meslektaşlarım

-ki kuramcı meslektaşlarımı çok severim-

bu küçük çıkıntıyla ilgili
500 sayfalık yazı yazdılar.

(Gülüşmeler)

Parçacık fiziği dünyası
tepe taklak olmuştu.

Peki, binlerce fizikçinin toplu olarak
bu özel parçacıkla ilgili

aşırı heycanlanmasına
sebep olan şey neydi?

Bu küçük çıkıntı eşsizdi.

Bu küçük çıkıntı bize,

kalıntısı yalnızca iki fotondan
yani iki ışık biriminden oluşan

beklenmedik sayıda çok çarpışmaya
tanık olduğumuzu

gösteriyordu,

ki bu çok nadirdir.

Parçacık çarpışmaları araba
çarpışmalarına benzemez.

Farklı kuralları vardır.

İki parçacık, ışık hızı kadar
bir hızla çarpıştığında

kuantum dünyası devreye girer.

Kuantum dünyasında,

bu iki parçacık çarpıştığında

dedektörümüze çarpan diğer
parçacıklara bölünmenden önce

çok kısa bir anlığına yaşayan
yeni bir parçacık yaratabilir.

Çarpışmanın etkisiyle iki arabanın da
ortadan kaybolup bir bisikletin oluştuğu

bir kaza düşünün.

(Gülüşmeler)

Sonra bisiklet patlıyor
ve dedektörümüze çarpan

iki kaykaya dönüşüyor.

(Gülüşmeler)

Tabi umarım böyle bir şey olmaz.

Çünkü dedektörlerimiz çok pahalı.

Dedektörlerimize yalnızca iki fotonun
çarptığı olaylar çok nadirdir.

Fotonların özel kuantum
özellikleri nedeniyle de

yalnızca iki fotonun
ortaya çıkmasını sağlayacak

çok az sayıda olası yeni parçacıklar

- yani şu hayali bisikletler - mecvut.

Ama bu olasılıklardan
bir tanesi çok büyük

ve bu olasılık küçücük bir
çocukken kafama takılan

yer çekimiyle ilgili o uzun
soluklu soruyla alakalı.

Yer çekimi size olağanüstü
güçlü görünebilir.

Fakat, aslında doğanın diğer
güçleriyle karşılaştırıldığında

inanılmaz derecede zayıf.

Zıpladığım zaman kısa bir
süreliğine yer çekimini yenebilirim

ama bir protonu elimden çıkaramam.

Doğadaki diğer güçlerle karşılaştırıldığında
yer çekiminin gücü ne midir?

10 üzeri -39'dur.

Yani sorasında 39 tane
0 olan ondalık bir sayıdır.

Daha da kötüsü,

doğanın bilinen bütün güçleri,

Standard Model dediğimiz şeyle
mükemmel bir şekilde tanımlanmış

ki bu doğanın, en küçük ölçülerde,
mevcut olan en iyi tanımıdır ve

açık yüreklilikle söyleyebilirim ki, bu

- Standart Modelin dışında
kalan yer çekimi hariç -

insanoğlunun en büyük, en önemli
başarılarından biridir.

Bu çılgınca bir şey.

Neredeyse yer çekiminin çoğu
kaybolmuş gibi bir şey.

Onun birazını hissedebiliyoruz ama

geri kalanı nerede?

Kimse bilmiyor.

Ancak, kuramsal bir açıklama
çılgınca bir fikir ortaya atıyor.

Sen ve ben --

hatta sen arkadaki --

biz, uzayın üç boyutunda yaşıyoruz.

Umarım bu tartışmaya açık
bir ifade olmamıştır.

(Gülüşmeler)

Bilinen parçacıkların tümü de
uzayın üç boyutunda yaşıyor.

Aslında, parçacık,
üç boyutlu alandaki uyarımın,

yani uzaydaki bölgesel bir sallantının

başka bir adıdır.

Daha da önemlisi, bütün bunları
tanımlamak için kullandığımız

bütün matematik uzayda sadece
üç boyutun var olduğunu varsayıyor.

Ama matematik matematiktir,onunla
istediğimiz şekilde oynayabiliriz.

İnsanlar da uzun zamandır uzayın
ilave boyutlarıyla oynuyordu

fakat bu her zaman

soyut bir matematiksel
kavram olarak kaldı.

Yani, sadece etrafınıza bakın --
sen arkadaki, etrafına bak --

uzayın sadece üç boyutunun olduğu apaçık.

Peki ya bu doğru değilse?

Ya kayıp yer çekimi bize görünmeyen

uzay dışı bir boyuta sızıyorsa?

Ya yer çekimi en az diğer
güçler kadar güçlüyse ve

bunu sadece uzay dışı
boyutta gözlemleyebiiyorsan ve

bizim deneyimlediğimiz yer çekiminin
onu çok güçsüz gösteren

sadece ufacık bir kısmıysa?

Eğer bunlar doğruysa,

parçacıkların Standart Modelini,

ilave bir boyutu kapsayacak şekilde

yani yer çekiminin
hiperboyutlu parçacığı olan

uzay dışı boyutlarda yaşayan
özel uzaysal gravitonu

kapsayacak şekilde genişletmeliyiz.

Yüz ifadelerinizi görebiliyorum.

Muhtemelen bana "Üç boyutta
sıkışıp kalmış olarak

nasıl bu çılgın bilim kurgu
fikrini test edeceğiz?"

sorusunu soruyorsunuzdur.

Her zaman yaptığımız gibi,

iki protonu birbirine çarptırarak --

(Gülüşmeler)

Çarpışmanın,

tekrar LHC'nin üç boyutuna geri dönen,

iki foton yani iki ışık parçacığı
tüketen bu hiperboyutlu gravitonu,

anlık olarak yaratarak

mevcut olabilecek herhangi bir

ilave-uzamsal boyutta yankılanması

oldukça zordur.

Bu varsayımsal ilave boyutlu graviton,

bizim ufak, iki-fotonluk
çıkıntımıza sebep olabilecek

özel kuantum özelliklerine sahip

tek olası varsayımsal yeni
parçacıklardan biridir.

Yani, yer çekiminin gizemini açıklama ve

uzayın ilave boyutlarını
keşfetme olasılığı --

belki şimdi neden binlerce
fizikçinin hep beraber

bizim ufak iki fotonluk çıkıntımız
için aşırı heyecanlandığını

birazcık anlayabilmişsinizdir.

Bu tür bir keşif

ders kitaplarını baştan yazdırır.

Ama unutmayın,

bizim, yani o zaman bu işle uğraşan
deneyselcilerin mesajı oldukça açıktı:

Daha fazla veriye ihtiyacımız var.

Daha fazla veriyle,

küçük çıkıntı ya gıcır gıcır bir
Nobel Ödülüne dönüşecek

(Gülüşmeler)

ya da fazla veri çıkıntının
etrafındaki boşluğu doldurup

onu güzel pürüzsüz bir
çizgiye dönüştürecekti.

Böylece, daha fazla veri topladık ve

birkaç ay sonra, beş kat fazla veriyle

küçük çıkıntımız

pürüzsüz bir çizgiye dönüştü.

Gazeteler "büyük hayal kırıklığı",
"sönen umutlar" ve

parçacık fizikçilerinin "ne kadar
üzgün oldukları" ile ilgili yazılar yazdı.

Gazetelerde yazılanlara bakınca,

bizim LHC'yi kapatıp eve gitmeye
karar verdiğimizi düşünürdünüz.

(Gülüşmeler)

Ama biz öyle yapmadık.

Peki

neden öyle yapmadık?

Yani, eğer bir parçacık keşfetmediysem
- ki keşfetmedim -

neden burada sizinle konuşuyorum?

Neden sadece utançla başımı eğip

eve gitmedim?

Parçacık fizikçileri

araştırmacıdır.

Bizim yaptığımız daha çok harita çizimi.

Şöyle anlatayım:
bir saniyeliğine LHC'yi unutun.

Uzak bir gezegene varmakta olan,

uzaylı arayan bir uzay araştırmacısı
olduğunuzu hayal edin.

İlk göreviniz nedir?

Hemen gezegenin yörüngesinde
dönmek, iniş yapmak,

bariz yaşam belirtileri için
hızlıca etrafa göz atmak

ve ana üsse raporlamak.

Şu anda biz bu aşamadayız.

LHC'ye, yeni, gözle açık bir
şekilde görülebilen parçacıklar

var mı diye bir baktık ve
şimdi olmadığını raporlayabiliriz.

Uzaktaki bir dağda tuhaf
görünümlü uzaylı bir çıkıntı gördük

fakat yakınlaştığımızda onun
bir kaya olduğunu anladık.

Peki sonra ne yaparız?
Pes edip geri mi döneriz?

Tabi ki hayır.

Eğer öyle yaparsak berbat
birer bilim adamı oluruz.

Hayır, bir sonraki birkaç on yılı,

keşfederek, bölgenin haritasını çıkararak,

toprağı ince aralıklı aletlerle
dikkatle inceleyerek,

her taşın altına bakarak,

yüzeyin altını kazarak geçiririz.

Yeni parçacılar

büyük, gözle görülebilecek kadar
bariz çıkıntılar halinde

ya hemen belirir ya da

kendilerini yıllarca süren veri
toplamanın ardından gösterir.

İnsanlık, yüksek yoğunluktaki enerjideki

yani LHC'deki keşfine daha yeni başladı

ve daha yapılacak çok araştırmamız var.

Peki, ya 10 ya da 20 yıl
geçtikten sonra bile

yeni bir parçacık keşfedemezsek?

Daha büyük bir makine inşa ederiz.

(Gülüşmeler)

Daha yüksek enerjilerde
araştırmalar yaparız.

Parçacıkları LHC'nin enerjisinin

10 katı enerjide çarpıştırabileceğimiz

100 km'lik tünelin
planlaması devam ediyor.

Doğanın yeni parçacıkları
nereye koyacağına biz karar vermiyoruz.

Biz sadece araştırmaya
devam etmeye karar veriyoruz.

Peki, ya 100 km'lik
ya da 500 km'lik tünel

ya da Dünya ve Ay arasında
uzayda süzülen

10.000 km'lik çarpıştırıcıdan sonra bile

yeni parçacıklar bulamazsak?

O zaman, belki de parçacık
fiziğini yanlış yapıyoruzdur.

(Gülüşmeler)

Belki bir şeyleri yeniden düşünmeliyizdir.

Belki şu anda sahip olduğumuzdan
daha fazla kaynağa,

teknolojiye, uzmanlığa ihtiyacımız vardır.

Zaten yapay zeka ve LHC'de makine
öğrenme tekniklerini kullanıyoruz ama

kendine hiperboyutlu graviton
keşfetmeyi öğretebilen,

böyle ileri teknoloji ürünü
algoritmaları kullanarak

parçacık fiziği deneyi
tasarladığınızı hayal edin.

Peki ya yapay zeka bile sorularımızı
cevaplamada bize yardımcı olamazsa?

Ya bu yüzyıllarca cevaplanamamış sorular

öngörülebilir gelecekte de
cevaplanamamaya mahkumsa?

Ya küçüklüğümden beri
aklımı kurcalayan şeyler

hayatım boyunca
cevaplanamamaya mahkumsa?

İşte o zaman,

daha da büyüleyici olacak.

Tamamen yeni şekillerde
düşünmek zorunda kalacağız.

Varsayımlarımıza geri gidip

bir yerde kusur olup
olmadığını saptayacağız.

Yüzyıllık sorularda yeni bakışlara
ihtiyaç duyduğumuzdan

bilim araştırmalarında
bize katılmaları için

daha çok insanı
cesaretlendirmemiz gerekecek.

Bunların cevaplarını ben de
bilmiyorum ama hala arıyorum.

Ama biri

- belki şimdi ilkokulda
belki de henüz doğmadı -

fiziği, en sonunda

tamamen yeni bir bakış açısıyla
görmemizi sağlayacak ve

belki de yanlış soruları
sorduğumuzu bize gösterecek.

Ki bu fiziğin sonu değil

yeni ve farklı bir başlangıcı olacak.

Teşekkürler.

(Alkışlar)