DOĞA YASALARI ZAMANLA DEĞİŞİYOR MU? Uzak kuasarlardan gelen ışığın duyarlı ölçümleri, ince yapı sabitinin evrenin geçmişi boyunca değişmiş olabileceğini akla getiriyor. Bu doğrulanırsa, sonuçları fiziğin temelleri bakımından çok önemli olacak.
								Bir bilimsel kuram her zaman, da­ha önce doyurucu bir açıklaması ol­mayan bir gözlemi anlama İsteğimizin sonucunda gelişir. Yeni kuramlar ge­liştirirken fizikçiler, kütleçekim kuvve­ti, ışığın boşlukta hızı ya da bir elekt-
						dir. Doğa yasaları dediğimizde kastet­tiğimiz, gerçekte, son derece yalın bir­takım fikirler. Bilimsel bir kuramın bir doğa yasası olduğuna karar verenler, sonuçta insanlar ve İnsanlar da sık sık yanılır.
			"Doğa yasaları" dediğimizde kastet­tiğimiz ne? Bu deyim, "burada ve şim­dinin ötesinde, evrende her zaman ve her yerde geçerli olan ilahi ve değiş­mez birtakım kuralları çağrıştırır. Ne var ki, gerçek bu denli görkemli değil» BİLİM ve TEKNİK 66 Nisan 2004

İnce yapı sabiti "a" elektromanye­tik etkileşimin gücünün bir ölçüsü­dür; elektronların atom ve moleküller İçinde çekirdeklere bağlandıkları gü­cün derecesini belirtir. İnce yapı sabitinin boyutsuz olması, onu özellikle ilginç kılar. Bu onu küt­leçekim kuvveti, ışığın hızı ya da elekt­ronun yükü gibi öteki sabitlerden da­ha da temel bir konuma sokar. Çünkü kütle, hız, elektrik yükü vb'nin sayısal değerleri, kullanılan birim sistemlerine bağımlıdır. Bu nedenle, örneğin, farklı İki zamanda yapılan gözlem ve deney sonuçlarını kıyaslarken, temel alınan ölçütlerin o zaman süresinde değişme­diğinden emin olmak gerekir, ki bu da başka sorunlara yol açar. alfa'nın ve boyutsuz öteki sabitlerin zamanla değişebileceklerine işaret eden kuramsal nedenler var. Kuram­sal fiziğin 'kutsal meselesi', dört temel kuvvet olan kütleçekimi, elektroman­yetik kuvvet, güçlü ve zayıf çekirdek kuvvetlerini betimleyen tek bir birle­şik kuramdır. Bu dört kuvvetin güçle-' ri ve etkime uzaklıkları farklı olduğu halde, fizikçilerin çoğu böyle bir birle-

ronun yükü gibi temel niceliklerin sa­bit olduğunu kabul ederler. Yeni ku­ramlar, yeni gözlemleri öngördükleri zaman, bu niceliklerin gerçekten te­mel doğa sabitleri olduğu inancımız daha da kuvvetlenir. Ayrıca, son 20-30 yıldır teknolojide gerçekleşen hızlı değişimlere karşın, fizik alanındaki temel keşiflerin za­man Ölçütü, genellikle insanın yaşam süresiyle kıyaslanabilir. Yani, onlarca yıl önce geliştirilmiş kuramlar granite kazınmış gibi görünebilirler. Bunun sonucu, bizim dünya anlayı­şımızı değiştirmeye karşı duyduğu­muz doğal isteksizlik. Ancak, varsa­yımları sınama sürecinde karşılaşılan sınırlamaları anımsamak, can alıcı Önem taşıyor. Çünkü kuramları sına­mak için yapılan deneylerin çoğu, "bu­rada ve şimdi" koşullarında olan "bu Dünya'nın" araştırma laboratuvarları ya da uzayın teleskopla gözlemleyebil­diğimiz küçük bir bölümüyle sınırlı. Deneylerimizi farklı bir yerde ya da zamanda yapabilseydik, sonuçlar fark­lı olabilirdi. İnce yapı sabiti denen ni­celiği çok uzak geçmişte ölçtüğümüz­de, tam da böyle olduğu görülüyor.

şik kuramın bulunacağına inanıyor. Eğer bulunamazsa, temel fizik zerafet ve güzelliğinden çok kaybedecek. Einstein'ın kütleçekimi kuramı, ya­ni genel görelilik kuramı İçin üç uzay-sal boyuta gerek vardır. Ancak, birle­şik kuramın önde gelen adayı, bildiği­miz üç boyut dışında fazladan boyutla­ra gerek duyuyor. Birleşik kuramların doğru olup olmadıklarını bilmiyoruz; ama fazladan boyutlar varsa, bunlar, bizim uzaysal boyutlarımıza kıyasla çok, çok küçük olsalar gerek. Bir boyuta büyüklük atfetmek tu­haf görünse de bu önemlidir. Evrenin şimdiki büyüklüğü, ışığın Büyük Pat­lama'dan bu yana aldığı yol (yani, yak­laşık 13,5 milyar ışık yılı) ve o zaman­dan bu yana ne kadar genişlediğiyle belirlenir. Bu, evrenin gerçek büyük­lüğünün 40 milyar ışık yılı olduğu ve büyümeye de devam ettiği anlamına geliyor. Birleşik kuramların öngördüğü faz­ladan boyutlar da evrenle aynı hızla mı genişliyor? Yanıt "hayır". Eğer bu küçücük fazladan boyutlar bu hızla genişleseydi, kütleçekim kuvveti de çok büyük hızla değişirdi; ama bunun için elimizde hiç bir kanıt yok. Ne var ki, bu fazladan boyutlar, eğer gerçek­ten varlarsa, kütleçekimi ya da öteki temel kuvvetlerin gücündeki ufak de­ğişimlerden yola çıkılarak da dolaylı olarak saptanabilir. "Büyük" fazladan boyutların, örne­ğin, 1 mm'den küçük uzaklıklarda kütleçekiminin ters kare yasasından ufak sapmalara yol açabilecekleri Ön­görülmüş bulunuyor. Ancak Colorado Üniversitesi'nden John Price ve ekibi, yaptıkları ölçümlerde yaklaşık 100 mikrometre uzaklıklar İçin bunun herhangi bir doğrulamasını elde edebilmiş değiller. Buysa, son yıllarda doğa sabitleri, kuv­vetleri ve temel simetriler üzerinde yü­rütülen yüksek duyarlıklı birçok dene­meden yalnızca bir tanesi. İnce-yapı sabiti alfa'nın zamanla ola­sı değişimini ölçmenin birkaç yolu var:Farklı kırmızıya kayma düzeyle­rinde kuazarlann soğurum tayflarını ölçebiliriz; ya da farklı maddelerden yapılmış atom saatlerinin tıklama hız­larını kıyaslayabiliriz. Bir başka yön­tem de, kozmik mikrodalga fon ışını­mını, evrenin ilk zamanlarında ele­mentlerin oluşumunu İncelemek, alfa'nın son iki milyar yılda nasıl değiş-

İnce Yapı Sabiti Nedir? Doğa yasaları, 13,5 milyar yıl önce­ki Büyük Patlama'dan bu yana hiç de­ğişmeden, oldukları gibi mi kaldılar? Bu soruyu ilk defa 1937'de Paul Dirac sormuştu ve 1975'te, Sydney'deki New South West Üniversitesi'ni ziya­reti sırasında kafası hâlâ bu konuyla ilgiliydi. Dirac, evrenin büyük ölçekli özelliklerini belirleyen kütleçekim kuvveti ile evrenin küçük ölçekteki ni­teliklerini belirleyen çeşitli sabitler arasında bir bağlantı bulmaya çalışı­yordu. Bunu yaparken, doğa sabitle­rinden biri olan kütleçekim kuvveti­nin zamanla değişmesi gerektiğini id­dia etti. Daha sonraki gözlemlerin bu savı geçersiz kılmasına karşın, fizik ve gök­bilimin birçok alanlarındaki İlerleme­ler, doğa sabitlerinin değişmesine iliş­kin yeni araştırma olanaklarına da yol açtı. Yanıtlanmaya çalışılan temel soru şu: İnce yapı sabiti gerçekten bir sabit midir; yoksa değeri evrenin başlangı­cından bu yana değişmiş midir?

Nisan 2004 67 BİLİM ve TEKNİK

miş olabileceğini anlamak için yapı­lan ilk araştırmalardan biri, Orta Afri-ka'daki Oklo doğal nükleer reaktörü­ne dayanıyor. Bu, fizikçilerin şimdiye dek inceledikleri en sıra dışı süreçler­den biri olsa gerek.

Oklo Reaktörünün Öyküsü Doğal uranyumun iki izotopu var­dır: nükleer enerji için yararlı olan U 235 (% 0,7) ve daha az radyoaktif olan U 238 (% 99,3). 1972'de Fransız atom enerjisi komisyonundan bazı bi­limciler, Orta Afrika ülkelerinden Ga­bon'daki bir uranyum madenindeki toprak örneklerinde U 235'in bekle­nenin yarısı kadar olmasına çok şaşır­dılar. Bunun en akla yakın açıklama­sı, bir zamanlar Oklo'da "doğal" bir reaktörün var olmuş olmasıydı. Ar­kansas Üniversitesinden Paul Kuro-da, daha 1956'da doğal reaktörlerin varlığını öngörmüş olsa da, Oklo'daki reaktör, bunun bilinen tek örneği. Görünen o ki, yaklaşık 2 milyar yıl önce kaya yüzeylerinde depolanmış uranyum-235, oksijenli suda yavaş ya­vaş erimiş, zamanla suyun yosunlar üzerinde bıraktığı uranyum-235 kritik kütleye ulaşarak doğal bir reaktör oluşturmuş ve bu reaktör de uran-yum-235'i 'yakarak' olması gerektiği düzeyin altına düşürmüştü. 1976'da, Oklo reaktörünün keşfin­den 4 yıl sonra Leningrad Nükleer Fi­zik Enstitüsü'nden Alexander Shlyakhter, sözettiğimiz bu süreç ve a arasında bir bağlantı kurdu. Ok-lo'dan alınan örneklerde samaryum-149, dünyadaki öteki örneklerde bu­lunanın neredeyse yarısı kadardı. Shlyakhter, yakındaki nötronların, enerji düzeyleri belirli bir noktaya ulaştığında samaryum-149'u samar-yum-15.0'ye dönüştürebildiğini göster­di. Bu dönüşüm samaryumdaki güçlü nükleer kuvvet İle İtici elektromanye­tik kuvvet arasındaki duyarlı denge­nin bir sonucuydu ve enerji de alfa'ya bağımlıydı. Eğer alfa'nın değeri 2 mil­yar yıl önce farklı idiyse, samaryum-149'un tükenimi de farklı olacaktı. Karmaşık bazı hesaplamalar Ok-lo'nun aktif olduğu zamandan bu ya­na alfa'daki değişimin oranının 10"7 'den büyük olamayacağını gösteriyor.

Oklo doğal nükleer reaktörü. Sağ sayfadaki resimde görülen sarımsı kayalar, uranyum oksit kalıntıları içeriyor. Günümüzde bu Oklo yan-ürünleri, kozmolojik zaman ölçekleri içinde temel fiziksel sabitlerin kararlılıklarının incelenmesine hizmet ediyor.

Daha yakın zamanlarda "renyum tarihlendirmesi" denilen yeni bir je­olojik ölçme tekniğiyle yapılan ölçüm­ler gösterdi ki, alfa'nın 4,6 milyar yılda­ki değişim oranı 107'den büyük ola­mazdı. Güneş Sistemi'nin yaşı olan bu 4,6 milyar yıl, çok uzun bir süre; an­cak evrenin yaşı olan 13,5 milyar yıl daha da uzun. Evrenin daha erken dönemleri için alfa'daki değişmeyi ölçe­bilir miyiz? Yanıt "evet": kuazarların yardımıyla. İnce Yapı Sabiti ve Kuasarlar Kuasarlar, küçük ama çok parlak cisimler. Hatta, yer teleskoplarından bile ayrıntılı İncelemelere izin vere­cek ölçüde parlaklar. Merkezlerinde süperdev karadelikler olduğu, bunla­rın çok büyük kütleçekim kuvvetleri­nin de çevrelerindeki maddeyi ışığa dönüştürdüğü düşünülüyor. Gökyü­zünde her doğrultuda var oldukların­dan, neredeyse bütün evreni haritala-mamıza olanak sağlıyorlar. Bir kuasa-ra baktığımızda gördüğümüz, diğer gökbilimsel nesnelerde olduğu gibi, onun geçmişteki durumu. Bundan yararlanarak, evreni tarihini bir mil­yar yaşından günümüze gözlemleye­biliriz. Ancak alfa'nın değişimini saptamak için yapılan duyarlı incelemelerde,

kuasar ışınlarını doğrudan değil, onunla Dünya arasındaki bir gökada­dan geçtikten sonra incelemek daha duyarlı sonuçlar verir. Kuasarlar, ge­niş bir dalgaboyu aralığında ışık ya­yarlar. Ancak bu ışık, gökada çevre­sindeki gazdan geçince, soğurum çiz­gileri özel bir düzen içinde ortaya çı­kar. Belirli bir dalgaboyundaki bir so­ğurum çizgisinin varlığı, gaz bulutu­nun içinde de belirli bir elementin varlığını; çizginin kalınlığıysa o ele­mentin miktarını gösterir. Dahası, so­ğurum çizgilerinin oluşturduğu bu 'barkod', ışık gazdan geçerken neler olup bittiğini de açıklar. (Geriye doğ­ru gidersek, Büyük Patlama'dan 1 milyar yıl sonrasına kadar.) Sonuçta, kuasar soğurum tayfında bulunan bu barkodlarını, laboratuvar koşullarında aynı atom ve iyonlar için ölçtüğümüz barkodlarıyla kıyas­larsak, ışığın atomlar tarafından emil­mesinden sorumlu fiziksel olayların, evrenin tarihi içinde değişip değişme­diğini; bir başka deyişle alfa'nın değişip değişmediğini saptayabiliriz. Avustralya'daki South Wales Üni­versitesi' nden John Webb ve ekibinin yürüttüğü ve 1998'de başlayan bir proje kapsamında, Hawaii'deki 10 metrelik Keck 1 teleskopuyla 13 mil­yar ışık yılı uzaklıklara kadar yer alan 75 kuasar için ölçümler yapılmış bulunuyor. Araştırmacılar, sonuçla­rın oldukça şaşırtıcı olduğunu söylü-

BİLİM ve TEKNİK 68 Nisan 2004

								ğundan, kütleçekimi nedeniyle aşağı­ya doğru inerken de geçer. Bu süreç, sonra tekrarlanır. Atomların ışıması için de başka bir lazer ışını kullanılır; bu ışınım ölçülerek mikrodalga fre­kansına göre "rezonans" eğrisi çizi­lir. Rezonans eğrisinin tepe noktasın­daki frekans ölçülerek de, zamanın çok çok duyarlı bir ölçümü elde edi­lebilir. Tüm bunların ince yapı sabitiyle il­gisine gelince: Rezonans frekansı a'ya bağımlıdır. Eğer a zamanla de­ğişiyorsa, farklı elementler kullana­rak yapılan saatler, biraz farklı hızlar­la tıklayacaktır. Dolayısıyla, farklı ele­mentlerden yapılmış iki saatin karar­lılıklarını kıyaslayarak, a'nın zaman içindeki herhangi bir değişimine bir üst sınır koymak mümkündür. Bu yöntem, Oklo ve kuazar yön­temleri gibi a'nın değişimini milyar­larca yıl öncesinde değil, günümüzde incelemeye yarıyor. En son deneyler­de a'nın 5 yılda değişim oranı yılda 0,4 ± 16 x 10-16 olarak bulunmuştur ki, bu Oklo ya da kuasar sonuçlarıyla çelişkili değil. Bütün Bunların Anlamı Ne? Bütün bu deneylerin ortaya koy­duğu şey, şimdilik sonuçlardaki tu­tarlılık. Örneğin jeolojik sonuçlar, kuazar ya da atomik saatlerin sonuç­larıyla çelişmiyor; çünkü, deneylerin her biri evrenin geçmişindeki farklı dönemleri araştırıyor. Büyük Patla­ma'dan sonraki ilk birkaç milyar yıl­da a'nın değeri görece daha hızlı de­ğişmiş (1/105), iki milyar önceki Ok­lo reaktörü dönemindeyse değişim oranı 100 kat daha küçülmüş olabi­lir. Oklo deneyini yineleyemeyiz; ama birkaç yıl içinde öteki sonuçlar çok daha duyarlı olacak. İnce yapı sabiti­nin değerinin değiştiği doğrulanırsa, bunun fizik için çok önemli açılımlar getireceği kesin, özellikle kuasar so­nuçlarının doğrulanmasıyla, uzay ve zaman kavramlarımızın köklü deği­şim geçirmesi kaçınılmaz olacak. Asıl büyük soruysa, bunun evren anlayışı­mızın temelini nasıl değiştireceği. Webb, J. "Are the Laws of Nature Changing With Time?" Physics World. Nisan 2003 Çeviri: Nermin Arık
			yorlar. İstatistiksel kanıtlar, geçmişte alfa'nın 1/105 oranında daha küçük ol­duğunu gösteriyor. Araştırılan olası birçok hata kaynağıysa, anlamlı her­hangi bir sonuç vermemiş durumda. Şili'deki 8 metrelik dört teleskoptan oluşan Çok Büyük Teleskop'tan (Very Large Telescope - VLT) gelen verilerden de aynı sonuç elde edilir-se, çağdaş fiziğin önemli bir bölümü­nü yeniden yazmamız gerekebilir! Evrenin Başlangıç Dönemi İnce-yapı sabiti alfa'nın evrenin ilk dönemlerindeki değişimlerini de ara-yabiliriz. alfa'yı değiştirirsek, o dönem­de elektronlar ve protonların birleşe­rek nötr hidrojen atomları oluşturdu­ğu sıcaklığı da değiştirmiş oluruz. Büyük Patlama'dan 380.000 yıl son­ra kozmik mikrodalga fon ışınımının oluşumunu tanımlayan, bu süreçtir, alfa'daki bir değişimin bu birleşmenin yer aldığı zamanı da değiştirmesi ge­rekir ve bu da kozmik fonun uydu öl­çümlerinden saptanabilir. Ayrıca, alfa'nın zamanla değişmesi, helyum, döteryum ve lityum gibi ha­fif elementlerin Büyük Patlama'dan sonraki birkaç dakika İçinde oluşu­munu da etkilerdi. Sonuçta, a za­manla değişiyorsa, hafif elementlerin oluşum hızını tanımlayan denklemler de farklı yollarla değiştirilir. Bu de­mektir ki, bu elementlerin göreli ni­celiklerinin duyarlı ölçümleri Büyük
					Patlama'nın ilk dakikalarından günü­müze, evrenin bütün tarihi boyunca a'nın herhangi bir değişiminin sınırı­nı bulmak için kullanılabilir. Bu yöntemlerin ikisi de henüz ye­terince kesin değerler vermiyor; ama a'nın değişimleri konusunda önemli ek sınırlar getiriyorlar ve onun, her İki durumda da %10'dan fazla değişe­meyeceğini gösteriyor. Değişimin Atom Saatleriyle Aranması 1714'de İngiliz Boylam Kuru-lu'nun denizde boylam bulma soru­nunun çözümü için koyduğu 20.000 sterlinlik ödülü, mekanik dahisi John Harrison, çarklar ve yaylarla yaptığı ve 47 günde 39 saniye, ya da 1/105 oranda sapmayla, oldukça duyarlı de­nebilecek saatiyle kazandı. Günü­müzde 50 milyon yılda 1 saniye, ya da 1/1015 ölçüsünde duyarlı atomik saatleri duysa acaba ne derdi? Böyle bir duyarlılık düzeyi, ince yapı sabi­tinde yıllar ölçeğinde gerçekleşmiş olabilecek herhangi bir değişimi ara­mayı olanaklı kılıyor. Dünyanın en duyarlı saatleri, atom fıskiyesiyle yapılır. Havasız bir bölme­de atomlardan oluşan bir gaz, kesi­şen bir lazerler sistemiyle engellene­rek mutlak sıfıra yakın bir ısıya soğu­tulur. Bu atom topu, lazerlerin fre­kansını değiştirerek dikey olarak ha­vaya fırlatılır ve yukarıya doğru gi­derken geçtiği bir mikrodalga kovu-
									Nisan 2004 69 BİLİM ve TEKNİK