M Teorisi

Fizikte M-teorisi, doğadaki tüm temel kuvvetleri ve madde biçimlerini tek bir matematiksel çatı altında birleştiren, kuantum mekaniği ile genel görelilik kuramını uyumlu hale getiren on bir boyutlu bir fizik teorisidir. Evrenin en temel yapı taşlarını noktasal parçacıklar yerine titreşen tek boyutlu sicimler ve çok boyutlu zarlar (membranlar) olarak tanımlayan bu kuram, modern fizikte "Her Şeyin Teorisi" için en güçlü aday olarak kabul edilmiştir. Teorinin henüz tam bir matematiksel formülasyonu tamamlanmamış olsa da, düşük enerji limitlerinde on bir boyutlu süperkütleçekimi (supergravity) yasalarıyla örtüştüğü saptanmıştır.

Tarihsel Gelişim ve Ortaya Çıkışı

M-teorisinin temelleri, 20. yüzyılın başlarında fizikçilerin kütleçekimi ile elektromanyetizmayı birleştirme çabalarına kadar uzanmıştır. İlk olarak 1919'da Theodor Kaluza ve 1926'da Oskar Klein, evrenin dört boyutlu değil, beş boyutlu olabileceğini öne sürmüşlerdir (Kaluza-Klein Teorisi). Bu fazladan boyutun, gözle görülemeyecek kadar küçük bir çember şeklinde kıvrıldığı varsayılmıştır.

1980'li yıllara gelindiğinde, sicim teorisi üzerine yapılan çalışmalar hız kazanmış ve "Birinci Süpersicim Devrimi" yaşanmıştır. Bu süreçte fizikçiler, doğayı açıklayabilecek matematiksel olarak tutarlı beş farklı sicim teorisi geliştirmişlerdir: Tip I, Tip IIA, Tip IIB, Heterotik-O ve Heterotik-E. Ancak tek bir evren için beş ayrı "her şeyin teorisi" olması durumu, fizikçiler arasında kavramsal bir tutarsızlık olarak görülmüştür.

Teorinin dönüm noktası, 1995 yılında Güney Kaliforniya Üniversitesi'nde düzenlenen bir sicim teorisi konferansında yaşanmıştır. Teorik fizikçi Edward Witten, bu beş farklı teorinin aslında birbirinden bağımsız olmadığını, daha büyük ve temel bir teorinin farklı fiziksel koşullardaki (limitlerdeki) yansımaları olduğunu öne sürmüştür. Witten'ın bu önerisi, fizik dünyasında "İkinci Süpersicim Devrimi"ni başlatmış ve bu birleştirici yapıya "M-teorisi" adı verilmiştir. Witten'ın çalışmaları, beş sicim teorisinin ve 11 boyutlu süperkütleçekimi teorisinin, birbirine "ikilik" (duality) adı verilen matematiksel ağlarla bağlı olduğunu kanıtlamıştır.

Kuramsal Özellikler ve Boyutlar

M-teorisi, önceki sicim teorilerinin öngördüğü 10 boyutlu evren modeline bir uzay boyutu daha ekleyerek toplam boyut sayısını 11'e çıkarmıştır. Bu 11. boyut, teorinin tutarlılığı için zorunlu kılınmış ve sicimlerin aslında daha yüksek boyutlu yapıların kesitleri olduğunu ortaya koymuştur.

Teorinin en belirgin bileşeni, sadece 1 boyutlu sicimlerin değil, "p-bran" (p-branes) adı verilen çok boyutlu nesnelerin de temel yapı taşı olarak kabul edilmesidir. Buradaki "p" değeri nesnenin uzaysal boyutunu temsil etmiştir:

1-bran: Sicim

2-bran: Zar (Membrane)

3-bran: Üç boyutlu bir hacim

Bu yapılar, 11 boyutlu uzay-zaman (bulk) içinde hareket eden ve titreşen enerji formları olarak tanımlanmıştır. Bizim algıladığımız 4 boyutlu evrenin, aslında bu yüksek boyutlu uzayda süzülen 3 boyutlu bir zar (3-bran) üzerinde yer aldığı düşünülmüştür.

İkilik (Duality) Simetrileri

Farklı sicim teorilerinin M-teorisi çatısı altında birleşmesi, "dualite" adı verilen simetri prensipleri sayesinde mümkün olmuştur. Bu prensipler, görünüşte tamamen farklı fiziksel sistemlerin aslında aynı olguyu tanımladığını göstermiştir:

S-İkiliği (S-Duality)

Bir teorideki parçacıkların güçlü bir şekilde etkileşime girdiği durumun, başka bir teoride zayıf etkileşime giren parçacıklarla matematiksel olarak eşdeğer olduğunu göstermiştir.

T-İkilik (T-Duality)

Ek boyutların geometrisiyle ilgilidir. Bir boyutun yarıçapı (R) ile tersi (1/R) fiziksel olarak ayırt edilemez kabul edilmiştir; yani çok küçük bir boyutta sıkışmış bir sicim ile çok büyük bir boyutta yayılan bir sicim aynı fiziği üretmiştir.

Terminoloji ve "M" Harfinin Anlamı

Teoriye ismini veren Edward Witten, "M" harfinin neyi temsil ettiği konusunda kesin bir tanım yapmaktan kaçınmıştır. Harfin anlamı bağlama göre "Membrane" (Zar), "Magic" (Büyü), "Mystery" (Gizem) veya "Matrix" (Matris) olarak yorumlanmıştır. Witten, teorinin daha temel bir formülasyonu bulunduğunda bu harfin gerçek anlamının da netleşeceğini belirtmiştir.