Kozmolojideki bir kriz, gizli boyutların gerçekten var olduğu anlamına gelebilir

Fizikçiler karanlık enerjinin neden zayıfladığını anlamak için çabalıyorlar. Şaşırtıcı bir şekilde, artık gerçekliğimizin ekstra boyutlar içermesi ihtimalini yeniden düşünmeliyiz.

Geçtiğimiz yıl, Karanlık Enerji Spektroskopik Aleti (DESI) üzerinde çalışan kozmologlar, evrenin genişlemesine neden olduğu düşünülen gizemli karanlık enerjinin zamanla zayıflayabileceğine dair ipuçları bildirdiler. Eğer bu şaşırtıcı bulgular doğru çıkarsa, o zaman karanlık enerji kozmolojik bir sabit (denklemlerimizde boş uzayın enerjisini temsil eden sabit bir terim) olamaz. Bu bomba patladığında, söylentilerin çoğu bunun, evrenin evrimini açıklamaya yönelik en iyi girişimimiz olan lambda-CDM olarak bilinen standart kozmoloji modeli açısından ne anlama geldiğine odaklandı.

Sonuçlar kesinleşirse, daha iyi bir teori oluşturmak için gerekli ipuçlarını sonunda elde edebiliriz. Araştırmacılar şimdiden karanlık enerjiyi, muhtemelen karanlık maddeyi ve yerçekimini yeniden düşünmeye çalışmakla meşguller.

Ancak eğer karanlık enerjinin gücü kozmik zaman içinde gerçekten azalıyorsa bunun sonuçları çok daha geniş ve derin olabilir. Daha geniş, yani evrenin kaderine dair anlayışımızı değiştiren alternatif kozmolojilerin savunucularına yeni bir ivme kazandırabilir. Ve daha da derin, çünkü bize uzay-zamanın en derin yapısı hakkında derin bir şeyler anlatıyor olabilir. Berkeley’deki California Üniversitesi’nden fizikçi ve kozmolog Eric Linder, “Fiziğin çoğunu değiştirmeye yönelik kesinlikle çok ama çok ilginç olasılıklar var” diyor.

Lambda-CDM’ye göre, evren ilk anlarında saniyelik bir üstel genişleme büyüsüne maruz kaldı. Enflasyon olarak bilinen bu açıklama, evrenin neden bu kadar pürüzsüz, düz ve en büyük ölçeklerde homojen olduğuna dair bir neden sağlıyor gibi görünüyor. Ancak enflasyonun eleştirmenleri var; bunların arasında en önde gelenleri Princeton Üniversitesi’nden fizikçi Paul Steinhardt’tır. Açıkça “Enflasyon işe yaramıyor” diyor ve beklenmedik başlangıç ​​koşulları gerektirdiğini, çok esnek olduğunu ve çoğu kişinin mantıksız bulduğu çoklu evren senaryosuna yol açtığını ekliyor.

Döngüsel bir evren

Steinhardt, evrenin sonsuz bir şekilde genişlediği, büzüldüğü ve geri döndüğü döngüsel evren olarak bilinen alternatif bir hipotezi uzun süredir öne sürüyor. Ancak bu tür modellerin işe yaraması için karanlık enerjinin gelişmesi gerekiyor.

Steinhardt, “Evrenin genişlemesini hızlandırmayı durduran, yavaşlatmaya başlayan ve sonunda daralmaya neden olan, bir sıçramaya ve yeni bir döngüye yol açan, çürüyen bir tür karanlık enerji olmalı” diyor. Bunun en azından ilk kısmı (genişlemenin hızlanmasının yavaşlaması) tam olarak DESI verilerinde gördüğümüz şey.

Bu, DESI sonuçlarının döngüsel kozmolojiler için kanıt sağladığı anlamına gelmiyor. Ölçümlerde ve analizlerde yine de sistemik hatalar bulabiliriz ve karanlık enerjinin hiçbir daralma veya sıçrama yaratmadan zayıflaması tamamen mümkündür. Ancak karanlık enerjinin çürüdüğüne dair ipuçları güçlenirse bu, Steinhardt’ın uzun süredir devam eden argümanına güven kazandırabilir. “Çok muhafazakar ve çok sabırlı olma eğilimindeyim” diyor. “Ancak şunu söyleyebilirim ki oyun artık devam ediyor.”

Aynı şey, DESI sonuçları nedeniyle kolundan vurulan başka bir tartışmalı fikir için de söylenebilir. Genel olarak konuşursak, sicim teorisi, her şeyin nihayetinde, titreşimleri fark ettiğimiz çeşitli parçacıklar ve kuvvetler olarak ortaya çıkan, gizli ekstra boyutlara sıkıştırılmış, kaybolacak kadar küçük sicimlerden oluştuğunu söylüyor. 1980’lerde ön plana çıktı çünkü kuantum yerçekimi teorisine doğru bir yol sunuyor gibi görünüyordu, kuantum teorisini ve genel göreliliği bazılarının her şeyin teorisi olarak adlandırdığı şeyle uzlaştırıyordu.

Ancak sicim teorisyenleri, küçük, pozitif kozmolojik sabite sahip evren modellerini oluşturmak için uzun süre uğraştılar. Harvard Üniversitesi’nden teorik fizikçi Cumrun Vafa ve meslektaşları, 2018 ve 2019’da yayınlanan bir dizi makalede, Swampland varsayımları olarak bilinen ve tutarlı bir kuantum yerçekimi teorisinden ortaya çıkabilecek parçacıklar, kuvvetler ve uzay-zaman teorilerini, bunu yapamayanlardan ayırmayı amaçlayan bir dizi öneri üzerine inşa ettiler. Bu çerçeveyi kullanarak, karanlık enerjinin kozmolojik bir sabit olamayacağını, bunun yerine enerjisi zamanla değişen, enflasyonu tetiklediği düşünülen alana benzer bir tür alan olması gerektiğini ileri sürdüler.

O zamanlar böyle bir öneri, karanlık enerjinin kozmik zaman boyunca aynı kaldığı yönündeki uzun süredir inanılan inançla çelişiyordu. Vafa, “İnsanlar şunu söylüyordu: ‘Karanlık enerji sabit olduğu için sicim teorisi geçersizdir'” diyor.

Gizli boyutlar

Ancak kendisi ve meslektaşları ısrar etti. 2022’de, uzay-zamanın muhtemelen bir mikrometre kadar büyük, gizli bir ekstra boyuta sahip olduğu ve boyutunun kozmik zaman içinde kademeli olarak değiştiği bir model önerdiler. Bu boyutun geometrisi değiştikçe evrende gözlemlediğimiz enerji miktarı da değişir. Araştırmacılar bunun yavaş yavaş zayıflayan bir karanlık enerji olarak ortaya çıkacağını savundu. Vafa, “Sicim teorisi açısından bakıldığında (burada) egzotik hiçbir şey yok” diyor. “Ekstra boyut değişiyor ve hem karanlık enerji hem de karanlık madde buna yanıt veriyor.”

DESI sonuçlarının sicim teorisyenleri için neden ilgi çekici olduğunu anlamak kolaydır: Vafa ve meslektaşları karanlık enerjinin giderek zayıflaması gerektiğini öngörmüştü ve şimdi de gördüğümüz şey bu gibi görünüyor. Gerçekten de, Vafa ve ekibi 2025 yılında DESI verilerini diğer kozmolojik veri kümeleriyle birlikte analiz ettiğinde, modellerinin lambda-CDM’den çok daha iyi ve karanlık enerjinin gelişmesine izin veren en iyi geleneksel modellerle aynı seviyede olduğunu buldular. Buradaki fark, modellerinin gördüklerimiz için fiziksel bir açıklama içermesi olduğunu söylüyor. “İşte bu yüzden bu kadar heyecanlıyım” diyor. “Çok tatmin edici.”

Açık olmak gerekirse, DESI sonuçları sicim teorisi için somut kanıtlar sunmuyor. Başlangıç ​​olarak, karanlık enerjinin evrimleşmesini kozmolojik bir sabite tercih etme derecesi hâlâ hangi kozmolojik veri kümeleriyle birleştirildiğine bağlı. Dahası, gizli ekstra boyutlar gerektirmeyen, lifli olmayan modeller mevcut verilere eşit derecede iyi uyum sağlar.

Ancak bir an için DESI verilerinin geçerli olduğunu ve istatistiksel anlamlılığın keşif seviyesine yükseldiğini varsayarsak, zayıflamanın kanıtı yalnızca sicim teorisinin önündeki ampirik engeli ortadan kaldırmakla kalmayacak, aynı zamanda sicim teorisinin test edilebilir tahminler sunmadığı argümanını da zayıflatacaktır. Vafa, “Bu modeli yıllar önce bulduk” diyor. “Şimdi onu gözlemliyorlar ve tam da beklediğimiz gibi görünüyor.”

Bununla birlikte, bunun sicim teorisini destekleyen gözlemsel kanıtlar sağlayabileceği fikrini geliştirmek için Vafa gibi teorisyenlerin, sicimsiz alternatiflerden farklı, daha kesin tahminler yapan ve kozmolojik verilerin tüm aralığına diğer seçeneklerden daha iyi uyduğunu gösteren daha keskin bir model oluşturmaları gerekecek. Şaşırtıcı bir şekilde, çerçeve, karanlık maddenin nasıl geliştiğine dair standart resimden sapmalar ve mikrometre ölçeklerinde genel görelilikten sapmalar da dahil olmak üzere, test edilebilir ilave imzalara işaret ediyor.

Bazı kozmologlar, DESI sonuçlarının, kesinleşseler bile, temel fizikle herhangi bir ilgisi olduğuna ikna olmuyor. Oxford Üniversitesi’nden kozmolog ve astrofizikçi Pedro Ferreira, “Karanlık enerji belirli ölçeklerde faaliyet gösteriyor ve bundan bahsedebiliriz” diyor. “Kuantum düzeylerinde ne olduğuna gelince, oraya gidebileceğimizi sanmıyorum.”

Ancak diğerleri, bu ipuçlarının kozmolojinin çok ötesinde dalgalanmalara sahip olabileceği ihtimaline açık; özellikle de uzay-zamanın derin kuantum yapısına dair bize ilk bakışı sunabilecekleri için. Illinois’deki Chicago Üniversitesi’nden kozmolog Mike Turner, “Cumrun Vafa’nın ortaya çıkardığı şey, gördüğüm en ilginç şey” diyor. “Burası kozmoloji ile parçacık fiziğinin bir araya geldiği yerdir. Gerçekten temel şeyleri araştırıyoruz, dolayısıyla zincirleme etkiler muazzam olabilir.”