Tüy yumağı

Tüy yumakları birtakım süpersicim teoristleri tarafından, kara delikleri kuantumsal açıdan doğru tanımlamak amacıyla ortaya atılmış bir teoridir. Bu teori, modern fiziğin kara deliklere bakışındaki iki inatçı problemi çözmektedir.

1. Karadeliğe düşen maddeler ve enerjiler, tekilliğin içerisinde kaybolurlar, dolayısıyla karadelik içine ne düşerse düşsün hiçbir fiziksel değişim geçirmezler, buna bilgi paradoksu denir.
2. Klasik karadelik teorisine göre, karadeliğin kalbi sonsuz uzay zaman eğrilikleriyle doludur, bunun sebebi sonsuz yer çekimi ve sıfır hacimdir. Modern fizik ise sıfır ve sonsuz gibi parametreler işin içine girdiğinde bozulmaktadır.

Tüy yumağı teorisi, karadeliğin olay ufku sayılabilecek her yerin aslında birtakım sicimlerden oluştuğunu ve bu sicimlerin madde ve enerjiyi oluşturduğunu söyler. Bu teoriye göre bu sicimler, uzayın üç boyutu arasında salınım ve titreşim yapan enerjilerdir.

2002'de, Ohio Devlet Üniversitesi’nden Samir D. Mathur ve araştırmacı Oleg Lunin, karadeliklerin sonlu hacimli sicimlerden oluştuğunu söyleyen iki makale yayınladılar. Bu makalelere göre karadeliklerde tekillik söz konusu değildi, sıfır boyutlu ve sıfır hacimli bir noktada tüm kütleleri toplanmıştı.

Sicim teorisi, atomaltı parçacıklarının temel bileşenlerinin (leptonlar, foton ve gluonlar…) tek boyutlu bir enerji siciminden oluştuklarını, bu parçacıkların türlerini sahip oldukları titreşimce belirlendiklerini savunur. Kara deliğe tekillik olarak bakan görüşün aksine, küçük bir tüy yumağı ekstra yoğun bir nötron yıldızı olarak düşünülebilir, bu yıldızın nötronları ayrışmıştır ya da “erimiştir”. Yani, tüy yumakları bozulmuş maddenin en ekstrem formu olarak düşünülebilir.

Klasik kara deliklerde, olay ufkunu geçip tekilliğe, uzay zaman eğriliğine giden bir maddenin geri dönüşü imkânsızdır çünkü kaçış için gereken ivme ışık hızından fazladır. Merkezdeki tekillik bütün yapısal şekillerden yoksun bir alandır. Daha fazlası, tekillikte –kara deliğin merkezinde- uzay zaman eğriliğinin sınırsız olduğu düşünülmektedir (yerçekiminin sonsuz güce sahip olması), bunun sebebi bütün kütlenin sıfır hacimli bir yerde toplanmasıdır. Bunun gibi sonsuz bileşenli durumlar bilinen fizikle problemlidir çünkü hesaplamaya geçildiğinde çökmektedir. Ancak bir tüy yumağı söz konusu olduğunda, sicimlerden oluşan bir obje karadeliğe düştüğünde, karadeliğin olay ufkunda dağılır ve olay ufkunun o noktada kaçış ivmesi ışık hızıyla aynıdır.

Bir tüy yumağı bir karadeliktir; uzay zaman, fotonlar ve geri kalan her şey, klasik kara delik teorisindeki gibi merkezinde tekilliği oluşturur. Tüy yumakları ve karadelikler sadece kuantum seviyesinde ayrışırlar. O da şudur, tüy yumakları ve kara deliklerin olay ufukları, sanal partiküllere farklı davranırlar. Bu teoriyi ortaya atanlar, tüy yumaklarının kara deliklerinin kuantumsal açıdan en doğru tanımı olduğunu iddia ediyorlar.

Tüy yumaklarının hacmi bir Schwarzschild radiusunun bir parçası olduğu için, farklı tüy yumaklarının farklı kütleleri vardır. Örnek olarak, tipik bir 6.8 M☉ tüy yumağının yoğunluğu 4.0×10^17 kg/m³ olur. Bu, bir su damlası boyutundaki tüy yumağının yirmi milyon metrik ton olması demektir. Bu kütleler hayal edilemez derece ekstremdir, matematiksel olarak konuşacak olursak, sonsuz yoğunluktan epeyce uzaktadırlar.

Tüy yumakları kütleleri arttıkça, fraksiyonel gerginlikten dolayı daha az yoğun hale gelirler. Bir madde ya da enerji sicimi tüy yumağına düştüğünde, tüy yumağına birkaç sicim daha eklenmez, bunun yerine yeni eklenen sicim, var olan sicimlerle yeni bir biçimlenim alıp daha karmaşık bir yapı haline gelir. Fraksiyonel gerilimden dolayı, daha karmaşık bir yapı haline geldikçe, titreşim arttığı için, sicim gerilimi katlanarak düşer.

Kütle-hacmin ters kare kuralından dolayı tüm tüy yumakları hayal edilemez yoğunluğa sahiptirler. Bunun yanı sıra olağanüstü büyük karadelikler vardır ve bunlar galaksilerin merkezinde yer alırlar. Sagitarius A Samanyolu Galaksisi’nin merkezinde yer alan devasa karadeliktir, çapı 3.9 milyar Güneş kütlesidir. Bu büyüklükte bir tüy yumağı 77 astronomik birime sahip olurdu, bu, aynı yoğunlukta Dünya’nın atmosferi deniz seviyesine eşittir. (1.2 kg/metreküp)

Tüy yumağının kütlesi ve dolaylı olarak yoğunluğuna bakılmaksızın, bir tüy yumağından kurtulma hızı ışık hızıyla eşdeğerdir. Kurtulma hızı, adından da anlaşılacağı gibi, bir objenin kendine kıyasla daha büyük bir objeden (Dünya’dan ayrılmaya çalışan uzay mekikleri gibi) kurtulmak için gereken hızdır. Bu, Dünya için saniyede 11.2 kilometredir. Olay ufkunun da bir kurtulma hızı vardır –kara delikler için de, tüy yumakları için de- ve bu hız ışık hızıyla aynıdır. Albert Einstein’ın özel görelelik teorisine göre ışık hızı, uzay-zaman’da ulaşılabilecek maksimum hızdır. Bu hızda düşen bir madde, tüy yumağının kütlesine katkı yapar çünkü hız arttıkça kütle de artacaktır.

Klasik kara delikler, fizik için “kara delik bilgi paradoksu” denen bir paradoks üretirler. Bu soruna ilk olarak 1972’de Jacob Bekenstein değinmiştir ve daha sonra Stephen Hawking ile ünlü olmuştur. Herhangi bir madde, buna bir maddenin bilgisi diyelim, kara deliğe düştüğünde şeklini kaybeder ve tekilliğe yani sıfır hacme ulaştığında tamamen yok olur. Bu problem buradan doğmuştur çünkü enerji asla yok edilemez, sadece dönüştürülür. Ancak bir maddenin bilgisi kara deliğin kalbine geldiğinde tamamen yok olur, öyleyse bilgi ya da enerji yok edilebilir. Örnek olarak yakınındaki bir yıldızdan beslenen bir karadelik düşünelim, kara delik yıldızın enerjisini ve ışığını sonuna kadar sömürecektir ve sonunda iki adet kara delik olacaktır. Daha sonra bu kara delikler de birleşecektir, bilinen kuantum teorilerine göre, yıldızdan beslenen kara delik birtakım değişiklikler geçirecektir ancak kara delikler değişemez çünkü tekillikte bir madde formu yoktur, dolayısıyla yeni bir şekil alamazlar. Bekenstein bu olayın tersine çevrilebilirliği ihlal ettiğini söylemiştir ve kuantum bilgilerinde herhangi bir bilginin kaybolmaması gerektiğini iddia etmiştir. Bu alanda yapılan çalışmalar kara delik termodinamiği adı altında incelenebilir.

Kuantum bilgisi bir şekilde tekillikte bozulmamış olsa bile, tekrar olay ufkuna çıkmak için sonsuz çekim gücüne karşı koyması gerekmektedir, bu yüzden kuantum bilgisi olay ufkuna tırmanamaz ve dolayısıyla kaçamaz. Hawking radyasyonu bilgi paradoksunu atlatamaz, sadece klasik kara deliklerin kütlesi, açısal momentumunu ve elektriksel yükünü belirleyebilir. Hawking radyasyonunun olay ufkuna oldukça yakın sanal parçacıklar oluşturduğu düşünülmektedir.

Tüy yumağı teorisi Mathur ve Lunin tarafından geri çevrilebilirlik kuralını ihlal etmeyecek şekilde güncellenmiştir çünkü bir tüy yumağına düşen herhangi bir sicim, tüy yumağının yeni haline göre şekillenmektedir, hiçbir kuantum bilgisi yok olmamaktadır. Teoriye göre, bu test edilebilir bir şeydir çünkü bilgi tüy yumağının merkezinde değildir, yukarıdaki yüzeydedir ve Hawking radyasyonu bu bilgiyi uzaklara taşımaktadır.