Her şeyin teorisi

Her şeyin kuramı (HŞK), bilinen tüm fizik fenomenlerini bağlayan, onları tümüyle açıklayan ve yürütülen herhangi bir deneyin sonucunu prensipte tahmin edebilen kuramsal fizikte farazi bir kuramdır. Kuram; kuvvetli etkileşim, elektromanyetik etkileşim, zayıf etkileşim ve kütleçekim etkileşimi olmak üzere dört temel etkileşimden hareket ederek bu etkileşimler için gerekli olan değiş tokuş bozonlarını da her bir etkileşim türü için farklı özellikleri ile söz konusu sınıflandırmaya dahil eden standart modelin aslında ortak bir çatı altında toplanabileceği fikrinden yola çıkmıştır. Elektromanyetik ve zayıf etkileşimin Abdus Salam, Sheldon Glashow ve Steven Weinberg tarafından kısmen birleştirilmesi bazı umutlar doğurduysa da, aradan geçen zamana rağmen deneyleri ve kuramları tatmin edecek nitelikte yeni birleştirimler henüz sağlanamamıştır.

Bu kuram, "son kuram" olarak da adlandırılır. Yirminci yüzyıl boyunca kuramsal fizikçiler tarafından, evrendeki her şeyi açıklayabilecek birçok kuram önerilmesine rağmen, bunların hiçbirisi şimdiye kadar deneylerle doğrulanmamıştır ya da doğrulanamamıştır. HŞK'yi oluşturmakta başlıca sorun, fizikte çözülememiş problemlerden biri olan; genel görelilik ve kuantum mekaniğinin birleştirilmesindeki zorluktur. Kısaca klasik fiziğin sonsuza uzanımı ve parçacıklar ile açıklanan kuantum dünyasının birleşmesi yeniden normalizasyon problemlerini de beraberinde getiriyor.

Başlangıçta, "her şeyin kuramı" terimi, değişik genelleştirilmiş kuramları ifade etmek için kullanılan alaycı bir anlam taşıyordu. Mesela, 1960'lı yıllarda Stanislaw Lem tarafından yazılan bilimkurgu hikâyelerinin bir kısmında yer alan Ijon Tichy karakterinin büyük dedesi, "Her şeyin genel kuramı" üzerinde çalışmış bir kişi olarak biliniyordu. İddiaya göre, bu terimin teknik literatüre girişi, fizikçi John Ellis tarafından 1986 yılında Nature dergisinde yayınlanan makalesi ile gerçekleşmiştir. Zamanla bu terim kuantum mekaniğinin popüler konuları arasına girmiş, tabiattaki temel tüm etkileşim ve parçacık kuramlarını (yerçekimi için genel görelilik, elektromanyetizma için temel parçacık fiziğindeki standart model, iki çekirdek etkileşimi ve bilinen temel parçacıklar) birleştiren ve açıklayan tek bir kuramı tanımlamak için kullanılmıştır.

Her şeyi birleştirme çabalarının tarihi

Arşimed bazı ilkeler veya aksiyomlar ışığında doğayı tanımlayan ve bu ilkeleri kullanarak yeni sonuçlara ulaşan ilk bilim adamı sayılabilir. Bu şekilde, birkaç aksiyomdan yola çıkarak "her şeyi" açıklamaya çalışmıştır. Bunun gibi, "her şeyin kuramı"nın da aksiyomlara dayalı olması ve bu aksiyomlarla tüm gözlemlenebilir olayları açıklaması beklenmektedir.

Democritus tarafından ortaya atılan atom kavramı de birleştirme fikrinin bir ürünüdür. Öyle ki, doğada gözlemlenebilir tüm olaylar atomun hareketinden kaynaklanmaktadır. Doğayı tanımlamak için kullanılan atomculuk modelinin bir parçası olarak, eski yunan felsefecileri doğada gözlemlenen olayların çeşitliliğini, atomların çarpışmasından ibaret olan tek bir çeşit etkileşime bağlamışlardır. 17. yüzyılda, atomculuktan sonra gelen mekanikçi felsefe ise kainattaki tüm kuvvetlerin atomlar arasındaki kuvvetlere indirgenebileceğini savunmuştur.

Tarihsel olarak ilk "birleştirme" diyebileceğimiz çalışma, Newton tarafından yapıldı. Kütleçekim yasasıyla Newton, yeryüzünde dalından düşen bir elmanın hareketiyle gökyüzündeki yıldızların hareketinin aynı fizik yasasıyla açıklanabildiğini gösterdi. Newton'in yaşadığı çağda, bilinen tek bir kuvvet vardı: Kütleçekim kuvveti.

19. yüzyılın başında Oersted, Weber, Ohm, Ampere ve Faraday, elektrik (kehribar kuvveti) ve mıknatıslarla yaptıkları çalışmalarla bu iki yeni kuvvetin doğasını bir miktar aydınlattılar. Elektrik ve manyetizma üzerine yaptığı çalışmalardan sonra Faraday, bir süre bu kuvvetleri tanımlayan denklemlerle mekanik yasalarının birleştirilip birleştirilemeyeceğini inceledi. Ancak bu araştırmasında başarısız oldu. Bu türden radikal bir kuram için henüz çok erkendi. Faraday'ın bu çalışmalarından kısa bir süre sonra bir başka İngiliz fizikçi, James Clerk Maxwell, farklı gibi görünen elektrik ve manyetik kuvvetlerin aslında aynı kuvvetin farklı görünümleri olduklarını gösterdi. Elektrik ve manyetik kuvvetleri birleştirerek elde edilen “elektromanyetizma” kuramı, modern anlamda ilk birleşik kuramdır: Elektromanyetik kuvvet.

Newton'un yasaları, her gün karşılaştığımız olaylardaki hızlar için doğru sonuçlar veriyor; ancak ışık hızına yakın hızlarda, ışığın evrendeki en büyük hız olma ilkesiyle çelişiyordu. Einstein bunun üzerine Newton'ın yasalarını genelleştirerek özel görelilik kuramını oluşturdu. Ardından kütleçekim yasasına el atan Einstein bunu da genel görelilik kuramıyla açıkladı. Böylece genel görelilik kuramı özel görelilik kuramıyla birlikte, evrendeki büyük ölçekli yapıları en başarılı şekilde açıklayan kuram olarak kabul edildi.

1927 yılında Brüksel'de toplanan konferansta "kuantum mekaniğinin matematiksel temelleri atıldı. Bu konferansta Niels Bohr ve Werner Heisenberg “dalga-parçacık ikilemi” fikrini ve "belirsizlik ilkesini" ortaya attılar. Böylece 1930'lu yıllara gelindiğinde fizikte iki önemli kuram vardı: Genel görelilik kuramı evrendeki büyük ölçekli yapılarla, kuantum kuramıysa evrendeki küçük ölçekli yapılarla ilgiliydi. Bu iki kuram da birçok gözlem ve deneylerle desteklenmiş olmalarına karşın hâlâ tam olarak anlaşılamamış özelliklere sahiptiler. Karl Schwarzschild ve daha sonra birçokları, genel görelilik kuramının fiziksel olarak kabul edilemez tekil çözümler içerdiğini göstermişlerdi. Kuantum kuramı da atom ölçeğinde çok başarılı olmasına karşın, daha büyük ölçeklerde, gözlemlerle çelişen sonuçlar veriyordu.

Paul Dirac, elektronun hareketini tanımlayan ünlü denklemini yazdı. Bu denklem aynı zamanda özel görelilik kuramının kuantum mekaniğinde kullanıldığı ilk örnekti. Enrico Fermi ve çalışma arkadaşları, atomun çekirdeğinde proton ve nötronların birbirleriyle sadece kütleçekimsel ve elektromanyetik kuvvetlerle değil, aynı zamanda "zayıf" ve “şiddetli” diye adlandırılan çekirdek kuvvetleriyle de etkileştiklerini öne sürdüler.

Ardından temel parçacıkların ortak özelliklerine göre sınıflandırılması çalışmaları oldu. Murray Gell-Mann şiddetli çekirdek kuvvetini bir kuantum alan olarak tanımladı. Gell-Mann'ın bu kuramından sonra kuantum alan kuramı olarak yazılmamış yalnızca iki kuvvet kalmıştı: zayıf çekirdek kuvveti ve kütleçekim kuvveti. Zayıf çekirdek kuvvetinin kuantum alan kuramı şeklinde ifadesi, 60'lı yılların sonunda Steven Weinberg ve Abdus Salam tarafından yapıldı. Ardından kuvvet taşıyıcı parçacıklara kütle kazandıran mekanizma, Peter Higgs ve Thomas Kibble tarafından geliştirildi.

Higgs mekanizması Weinberg ve Salam tarafından kullanıldı. Weinberg ve Salam elektromanyetik ve zayıf çekirdek kuvvetlerinin kuantum ifadelerini aynı kuramda birleştirdiler. Bu nedenle bu kurama “elektrozayıf kuramı” adı verildi. Elektrozayıf kuramı ve kuantum renk dinamiği kuramı beraberce doğada gözlenen üç kuvveti (kütleçekim dışındakiler) ve maddeyi oluşturan temel parçacıkları başarıyla açıklar. Bu iki kurama birlikte "standart model” deniyor.

Standart model deneylerle başarıyla sınanmış ve Higgs parçacığı dışında kuramın öngördüğü bütün parçacıklar gözlenmiş durumda. Bu nedenle standart model, parçacık fiziğinde ve birleşik kuramlarda gelinen en başarılı nokta. Ancak, standart model kütleçekimi kuramını içermiyor. Bu durum fizikçileri yeni arayışlara ve süpersimetri, süper kütleçekimi, süpersicim, süperzar ve M-kuramı gibi daha büyük simetriler içeren, -bazılarında- temel konusu parçacık olmayan kuramlar geliştirmeye itti.

Günümüzde en yakın ve akla uygun açıklama efektif teoriden bekleniyor, sonsuza uzanımın sonlu bir redüksiyonu da denebilecek temel formasyon peşi sıra entropi, Einstein Rosenberg köprüsü ile bağ kuran açısal kuantum momenti ve koordinatlarının Planck ölçeğinde kodlanması ve hata ayıklama protokollerinin yerçekimi ile olan ilişkisini dört boyutlu uzay zaman içerisinde önermesi (fırıl-spin teorisi altında) bu beklentinin esas nedenini oluşturmaktadır.