Yerçekimi holografik görünüyor ama kanıt bizim evrenimizde tıkanıyor

Neden sadece kara delikleri değil, her yeri ilgilendiriyor

Argümanın kritik adımı şu: uzayın herhangi bir bölgesine yeterince kütle tıkarsanız, orası bir kara deliğe dönüşür. Yani kara deliğin entropi tavanı, aslında o hacmin taşıyabileceği en yüksek bilgi miktarıdır. Sonuç: uzayın her parçasının bilgi kapasitesi, o parçanın hacmiyle değil, onu saran yüzeyle sınırlıdır.

Bu genellemeye holografi ilkesi deniyor. Adı yanıltıcı olabiliyor: burada söylenen "gerçeklik sahte" değil. Söylenen şu — üç boyutlu bir bölgedeki bütün fizik, bir boyut eksik bir yüzey üzerindeki başka bir fizikle tam olarak eşleştirilebilir. İki tarifin ikisi de eksiksiz, ikisi de aynı yanıtları veriyor.

Leonard Susskind, fikri 1990'larda kara deliklerin birer hologram olarak okunabileceği noktasına taşıdı. Susskind, ilk tepkisini Quanta Magazine'e şöyle anlattı: "Biraz çılgınca olduğunu düşünüyordum ama bütün ihtimaller içinde en az çılgın olanıydı." Aynı dönemde Gerard 't Hooft ve Charles Thorn birbirinden bağımsız olarak benzer sonuçlara vardı.

Fikrin kısa künyesi

Yerçekimini ayrıcalıklı kılan şey: eksi kütle yok

Peki neden bu numara elektrik ya da manyetizmayla değil de yerçekimiyle çalışıyor? Perimeter Enstitüsü'nden Laurent Freidel'in Quanta Magazine'de aktarılan gerekçesi basit ve güçlü: elektrik yükünün artısı ve eksisi var, bir kutunun içindeki yükler birbirini götürebilir, dışarıdan bakan hiçbir şey göremez. Kütlenin eksisi yok. Bir bölgede ne kadar kütle varsa, dışarıdaki uzay-zaman eğriliği bunu ele veriyor. Freidel bu yüzden "Sezgisel olarak, holografinin akla yatkın olmasının nedeni bu" diyor.

Benzetmeyi şöyle kurabiliriz: kapalı bir kasanın içinde ne olduğunu tartarak öğrenemezsiniz, eğer içine hem artı hem eksi ağırlıklar koyabiliyorsanız. Yerçekiminde eksi ağırlık yok. Kasanın dış yüzeyindeki minik bükülmeler, içerideki her şeyin faturasını tutuyor.

Kar küresindeki evren: AdS/CFT

Fikir 1997'de bulanık bir sezgi olmaktan çıkıp somut matematiğe dönüştü. Juan Maldacena, iki tarifin birebir eşleştiği bir örnek kurdu ve bu eşleşme AdS/CFT kısaltmasıyla anılır oldu.

Kısaltmanın iki yarısı iki ayrı dünya: AdS (anti-de Sitter uzayı) içeride yer alan hacimdir — yerçekimi vardır, madde vardır, ama uzay kendi üzerine öyle kıvrılmıştır ki sonsuz genişlik sonlu bir kar küresinin içine sığar. CFT (konform alan kuramı) ise o kürenin dış yüzeyinde yaşayan, bir boyut eksik, yerçekimi olmayan bir kuantum kuramıdır. Maldacena'nın gösterdiği şey, bu ikisinin aynı fiziği anlatıyor olması.

Bu eşleşmenin ne kadar tuhaf olduğunu anlatmak için sık kullanılan benzetme, "damayı satranca çevirmek" gibi bir şeydir. Columbia Üniversitesi'nden Sebastian Mizera, Quanta Magazine'e bunun bile yetersiz kaldığını söylüyor: ona göre durum "daha çok dama ile basketbol gibi". İki oyunun kuralları, tahtası, amacı ortak hiçbir şey taşımıyor; yine de aynı maçı anlatıyorlar.

Brandeis Üniversitesi'nden Brian Swingle ise bu eşleşmenin yerçekimi ile kuantum mekaniği arasındaki eski gerilime ne yaptığını özetliyor. Swingle'ın Quanta Magazine'e söylediğine göre bu iki kuram "karşıt olmak şöyle dursun, aslında iç içeler. Biri diğerinden doğuyor."

Asıl mesele: bu bir kanıt mı?

Burada dikkatli olmak gerekiyor, çünkü popüler anlatımda en çok atlanan yer burası. AdS/CFT, belirli bir kurgu evrende matematiksel olarak son derece sağlam. Yirmi küsur yıldır sayısız hesap iki taraftan ayrı ayrı yapıldı ve tuttu. Ama bu, "bizim evrenimiz bir hologramdır" cümlesinin kanıtlandığı anlamına gelmiyor.

Çünkü anti-de Sitter uzayı bizim evrenimiz değil. Bizimki genişliyor; geometrisi tam tersi işaretli, yani de Sitter türü. Kar küresinin camı yok. Quanta Magazine'in yazısında bu şöyle özetleniyor: uzayımız kendi üzerine kıvrılmadığı için hologramı yansıtabileceğin bir sınır yüzeyi yok, dolayısıyla AdS/CFT'nin gerçek dünyayla ilgisi olduğunu düşünmek için pek bir neden yok.

Susskind ve başka gruplar, sınırı olmayan genişleyen bir evren için holografik modeller üzerinde çalışıyor. Bunlar AdS/CFT'den kökten farklı: bilgiyi bir yüzeye yaymak yerine bütün boyutları tek bir kuantum noktasına tıkıyorlar. Quanta'nın kaydettiği sınır net — fizikçiler bu biçimde işleyen çalışır bir kuram kurmaya yaklaşmış bile değil, evrenimizin böyle işlediğine dair somut kanıt bulmak şöyle dursun.

Bir de itiraz var: belki iki ayrı hesap vardır

Holografi yorumu tartışmasız da değil. Edinburgh Üniversitesi'nden Latham Boyle, entropinin alanla büyümesine daha sade bir açıklama öneriyor: ortada tek bir entropi değil iki ayrı entropi olabilir. Parçacık entropisi hacimle büyür — bir bölgeye kaç parçacık sığdığıyla ilgilidir. Dolanıklık entropisi ise alanla büyür, çünkü onu belirleyen şey sınırı kesen kuantum bağlarıdır. Boyle'un Quanta Magazine'e söylediği gibi, bu "daha az mistik, daha ayağı yere basan bir yorum gibi görünüyor".

Yine de Boyle'un kendisi işin tamamını böyle kapatmıyor. Kara delik entropisinin neden tam da olay ufkunun alanına oturduğu konusunda, "Bunu açıklayacak sıradan bir yol bilmiyorum" diyor.

Gerçek olan hangisi: yüzey mi, hacim mi?

Diyelim ki eşleşme sağlam. O zaman kaçınılmaz soru geliyor: iki tarif de doğruysa, hangisi gerçekten var? Pennsylvania Üniversitesi'nden Vijay Balasubramanian'ın Quanta Magazine'de sıraladığı üç seçenek şöyle özetlenebilir:

• Yüzey gerçek. Üç boyutlu dünya, alttaki kuantum kuramından çıkan bir görüntü. Virginia Tech'ten Charles Cao'nun Quanta Magazine'e söylediği gibi: "Evrende olduğundan daha fazla şey olduğunu sanmaya kandırılıyoruz."
• Hacim gerçek. Yerçekimli üç boyutlu evren asıl olandır; holografi onu tarif eden şaşırtıcı ama tesadüfi bir matematik eşleşmesidir.
• İkisi de değil. Asıl kuram bambaşka bir şeydir; hem yerçekimi hem kuantum mekaniği onun kaba yaklaşımlarıdır, holografi de yalnızca iki yaklaşımın birbirine çevrilebildiğini söyler.

Susskind'in bu soruya yanıtı, alanın olgunluğu hakkında belki de en dürüst işaret. Quanta Magazine'e "Ben o soruyu yanıtlamaya çalışmıyorum" diyor ve ekliyor: "Bu benim boyumu aşar."

Sırada ne var

Holografi, fizikte nadir görülen bir konumda duruyor: bir yandan somut, hesaplanabilir, defalarca sınanmış bir matematik eşleşmesi; öte yandan gerçek evrenimize dair hiçbir gözlemsel dayanağı olmayan bir fikir. İkisi aynı anda doğru.

Önümüzdeki soru da bu yüzden "evren hologram mı" değil. Daha dar ve daha yanıtlanabilir bir soru: kar küresinin camı olmayan, genişleyen bir evren için de böyle bir eşleşme yazılabilir mi? Yazılabilirse, bilgi nereye kaydediliyor — bir yüzeye mi, yoksa tek bir noktaya mı? Bu soru yanıtlanana kadar holografi, evrenin tarifi değil, evrenin tarifini arayanların elindeki en iyi ipucu olarak kalıyor.

Fotoğraf: Event Horizon Telescope, uploader cropped and converted TIF to JPG, CC BY 4.0, Wikimedia Commons