Görelilik Teorisi ve Kuantum Fiziği : İki Ayrı Dünya

Bir yanda Kuantum Fiziğinin kurucusu Max Planck, diğer yanda Görelilik Teorisini geliştiren Albert Einstein, mikroskobik alemi tanımlayan kuantum fiziği ile yıldızlar ve galaksiler gibi astronomik dünyayı açıklayan görelilik fiziğini tek bir bilimsel teoride birleştirmek mümkün mü?

Tüm evreni tek bir fizik teorisiyle açıklamak isteyen bilim adamları, yaklaşık 100 yıldır görelilik teorisi ve kuantum fiziğini birleştirmek istiyor. Ancak biri mikroskobik, diğeri makroskobik dünyayı açıklayan iki teoriyi tek bir geçerli kuantum kütleçekim teorisiyle birleştirme çabaları şimdilik sonuç vermedi.

Kuantum fiziği ile görelilik teorisinin birleştirilmesi gereken üç temel nokta var:

1) Kütleçekim dalgaları ve kütleçekim kuvvetini ilettiği varsayılan graviton parçacığının keşfedilmesi.

2) Kuantum dolaşıklık olgusu ve buna bağlı olarak ışık hızı sınırını ihlal ediyor gibi görünen uzaktan etkinin açıklanması.

3) Kara delikler ve Büyük Patlama bağlamında, “tekilliğin” olmadığını göstermek üzere kuantum kütleçekimin tanımlanması.

Beyaz Cüceler

Birbirinin etrafında hızla dönen beyaz cüceler, nötron yıldızları ve kara delikler bizzat uzay zaman dolgusunu dalgalandırarak kütleçekim dalgalarına yol açıyor.

KÜTLEÇEKİM DALGALARI VE GRAVITON PARÇACIĞI

Evrende kütleçekim dalgaları yayan gökcisimleri var mı? ABD Fermilab parçacık hızlandırıcısında astrofizik alanında çalışmalarını sürdüren Kurt Riesselmann’a göre, henüz cevaplanmamış olan bu soru, fizikteki en popüler ve en zor araştırma konularının merkezinde yer alıyor.

Dünya’nın Güneş’in etrafında dönmesi ve elmanın yere düşmesini sağlayan kütleçekim kuvveti, günlük yaşamın büyük ölçeklerinde iyi anlaşılmış bulunuyor. Bununla birlikte fizikçiler kütleçekimi mikroskobik düzeyde, yani kuantum fiziği düzeyinde tanımlamayı başaramadılar. Elimizde birçok “kuantum kütleçekim” teorisi var ama bunların hangisinin doğru olduğunu bilmiyoruz. Evrende kütleçekim dalgalarının varlığını gözlemlemek bu açıdan büyük önem taşıyor. Uzaydan dünyaya doğru yol alan kütleçekim dalgalarını saptarsak, kuantum kütleçekim kuramları arasında hangisinin doğru olduğunu anlayabileceğiz.

KÜTLEÇEKİMİN GİZEMİ

Kütleçekim, milyonlarca ışık yılı uzaktan bile Dünya ile galaksileri birbirine bağlayan uzun mesafeli bir fizik kuvveti, fakat kütleçekimi birkaç milimetrelik kısa mesafelerde tanımlamak kolay değil: Bilim insanları elektromanyetik kuvvet, zayıf çekirdek kuvveti ve güçlü çekirdek kuvvetini taşıyan parçacıkları kuantum düzeyinde tanımlamayı başardılar. Örneğin ışığın foton olarak adlandırılan parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz. Bu parçacıklar hem çocukların oynadığı misketler gibi tanecik özelliği gösteriyor hem de taş atılan havuzdaki su gibi uzayda dalgalar halinde yayılıyor.

Fizikte parçacıkların bazı şartlarda ve belirli bir bakış açısından tanecik özelliği göstermesi, diğer açılardan ise dalga gibi davranması “ikilik” olarak adlandırılıyor (ikilik aynı zamanda yazının devamında değineceğimiz kuantum dolaşıklığı ve uzaktan etki olguları için de geçerli bir özellik). Ancak, kütleçekimi atomaltı parçacıklarla açıklama girişimleri şimdilik başarılı olamadı. Oysa ışığın fotonlardan oluştuğunu gösteren fizikçiler, aynı mantıktan yola çıkarak kütleçekimi de graviton denilen parçacıkların meydana getirdiğine inanıyorlar.

İkilik prensibi gereği, bilim insanları gravitonların bazen dalga, bazen de parçacık gibi davranmasını bekliyor. Bu nedenle “kütleçekim dalgalarının” graviton parçacıklarının dalgalanmasından kaynaklandığı ve gerçek bir kuantum kütleçekim kuramının yerçekimini sadece milyonlarca kilometrelik mesafelerde değil, aynı zamanda milimetre ve mikrometre ölçeğinde de tanımlayacağı düşünülüyor.

KÜTLEÇEKİM DALGALARINI BULMAK ZOR, GRAVİTONU BULMAK DAHA ZOR

Fizikçiler graviton parçacığını henüz gözlemleyemediler, ancak gravitonları dolaylı yoldan tespit etmek için İtalya’da 2007 yılında faaliyete geçen VIRGO lazer girişimölçer detektörü gibi sofistike aygıtlar geliştirdiler. Bu sistemde, teknisyenler birbiriyle kesişen lazer ışınları kullanıyor ve kütleçekim dalgalarının uzay zamanı dalgalandırmasından hareketle, lazer ışınlarının da bükülmesini bekliyorlar. Lazer ışınlarının kütleçekim dalgaları geçerken bükülmesi, görelilik teorisinde öngörülen bu olgunun kanıtlanmasını sağlayacak.

Kurt Riesselmann, kütleçekim dalgalarının saptanmasının bu dalgaları oluşturduğu düşünülen gravitonlar için dolaylı bir kanıt oluşturacağını belirtiyor. Her şeye rağmen, Dünya’dan gözlemlenebilecek kadar güçlü kütleçekim dalgaları üretmek kolay bir iş değil. Bunun için birbirinin çevresinde büyük kütleli yıldızlar, özellikle çarpışan nötron yıldızları veya kara delikler gerekiyor ve bunlar evrende nadir görülen, gözlemlenmesi zor olaylar.
Einstein’ın genel görelilik teorisi, kütleçekimi uzay-zaman dokusunun, tıpkı oturduğumuzda çöken koltuk minderi gibi bükülmesi olarak tanımlıyor. Dolayısıyla uzay-zamanı kütle ve enerji büküyor: Örneğin yıldızlar, uzay-zamanı büküp bir tür “çekim kuyusu” oluşturarak gezegenlerin güneşin etrafında dönmesini sağlıyor.

Büyük kütleli yıldızlar ve kara delikler ise uzayı çok daha şiddetli bir şekilde büküp çarpıtarak, uzay boşluğunun fırtınalı deniz yüzeyi gibi dalgalanmasına yol açabiliyor. Kütleçekim dalgalarını öngören görelilik teorisi 2015 yılında 100 yaşına girecek ve bugüne kadar fizikçilerin geliştirdiği bütün testlerde doğruluğunu kanıtladı. Bununla birlikte görelilik teorisinin açıklayamadığı özel durumlar var.

KARA DELİKLER VE BÜYÜK PATLAMA

Görelilik teorisine göre, içinden ışığın bile kaçamayacağı kadar güçlü bir kütleçekime sahip olan kara deliklerin merkezindeki “tekillikte” kütleçekim sonsuz değere ulaşıyor. Oysa sonsuz kütleçekim, görelilik teorisiyle kuantum fiziğinin iflas etmesine yol açıyor, aslında tekillikte bütün fizik yasaları işlemez hale geliyor. Öyleyse görelilik teorisi tekilliği nasıl öngörebiliyor? Bu bir çelişki… Aynı mantık evreni oluşturan Büyük Patlama için de geçerli. Görelilik teorisine göre, Büyük Patlamadan hemen önce, uzayın sonsuz kütleçekime sahip bir tekilliğe sıkışmış olduğunu kabul etmemiz gerekiyor!

Bilim insanları bu çelişkileri aşmak için farklı kütleçekim teorileri geliştirdiler. Ancak görelilik teorisi, kuantum fiziğiyle veya kütleçekimi farklı şekillerde açıklayan Sicim Teorisi gibi diğer kuramlarla uyumlu değil. Dünya’nın Güneş’in etrafında nasıl döndüğünü mükemmel bir şekilde açıklayan görelilik teorisi ile atomaltı parçacıkların dünyasını tanımlayan kuantum fiziğini birleştirmek bu yüzden önem taşıyor.

Büyük Patlama’yı geriye sararken veya kara deliğin merkezindeki tekilliğe yaklaşırken, uzay hidrojen atomundan çok daha küçük bir hacme sıkışıyor. Tabii atomaltı parçacıklar kuantum fiziğinin alanına giriyor. Kuantum kütleçekim teorisi, görelilik teorisini mikroskobik ölçekte yeniden formüle ederek kara deliklerin merkezinde tekillik olmadığını gösterebilir.

NÖTRON YILDIZLARI GÖRELİLİĞİ BİR KEZ DAHA KANITLADI

Gökbilimciler, Nisan ayında şimdiye kadar gözlemlenen en büyük kütleli nötron yıldızını keşfettiler ve bu yıldızın etrafında dönen bir “beyaz cüce” saptadılar. Eski güneşlere hayat veren nükleer tepkimelerin gerçekleştiği yıldız çekirdeklerinin kalıntıları olan nötron yıldızları ve beyaz cüceler, evrendeki en sıra dışı gökcisimleri arasında yer alıyor:

Büyük kütleli yıldızlar ömrünü tamamladığında, sadece 20 km çapındaki süper yoğun nötron yıldızlarına ya da ışığın bile içinden kaçamayacağı kadar güçlü bir çekim alanı olan kara deliklere dönüşüyor. Güneşimiz gibi nispeten küçük yıldızlar ise dış gaz katmanlarını uzaya üfledikten sonra küçülerek, yaklaşık Dünya büyüklüğündeki birer beyaz cüceye dönüşüyor. Görelilik teorisine göre, büyük kütleli bir nötron yıldızı ve onun kadar kütleli olmasa da süper yoğun bir beyaz cüce birbirinin çevresinde dönerken kütleçekim dalgaları oluşturuyor (nötron yıldızı daha kütleli olduğu için, pratikte beyaz cücenin nötron yıldızının etrafında döndüğünü söyleyebiliriz).

Avrupa Güney Gözlemevi’ne ait (ESO) “Çok Büyük Teleskop” sistemini kullanan uluslararası bir araştırma ekibi; dünyadaki radyo teleskoplarının sağladığı ek verilerin de yardımıyla, Nisan ayında keşfedilen nötron yıldızının kendi etrafında saniyede 25 kez döndüğünü tespit etti. Astrofizikçiler bu kadar yüksek bir hızda dönen ve periyodik olarak yayınladığı radyo sinyalleriyle gökyüzünde nabız gibi atan nötron yıldızlarını “atarca” (pulsar) olarak adlandırıyor.

Kendi çevresinde tıpkı bir atom saati gibi hiç şaşmadan, son derece dakik ve düzenli olarak saniyede yüzlerce kez dönebilen atarcalar çok güçlü bir manyetik alan üretiyor ve bu nedenle kutuplarından şiddetli elektromanyetik radyasyon dalgaları yayıyorlar. Yıldızın kutuplarından biri dünyaya dönük olduğunda, biz bu radyasyonu düzenli aralıklarla yayınlanan radyo dalgaları olarak algılıyoruz.

Güneşten iki kat büyük kütleye sahip olan PSR J0348+0432 atarcası yalnızca 20 km çapında ve İstanbul’un üzerinde dursaydı, 31 km uzunluğundaki İstanbul Boğazını bile boydan boya kapatamazdı. Ancak, iki Güneş kütlesini bir şehir boyuna sıkıştırdığı için Dünya’dan 100 milyar kat daha kuvvetli bir çekime sahip olan bu radyoaktif yıldız kalıntısından alınan bir çay kaşığı madde, dünyada yaklaşık 1 milyar ton gelirdi (Tabii çay kaşığındaki süper yoğun maddenin dünyanın zayıf yerçekimi ve düşük atmosfer basıncı nedeniyle aniden genleşerek, daha biz tartmadan nükleer bomba gibi patlayacağını hesaba katmazsak).

Güneş Sistemi’nden 6800 ışık yılı uzakta bulunan PSR J0348+0432 atarcası, aslında süpernova halinde patlayan eski bir yıldızın dejenere kalıntısı olarak, uzaya Dünya’daki hayatı sona erdirecek kadar şiddetli bir radyasyon yayıyor. Ancak gezegenimize ulaşana dek binlerce ışık yılı yol alan radyasyonun dalga boyu zamanla uzuyor, frekansı azalıyor ve ölümcül ışınlar gittikçe zayıflayarak Dünya’ya zararsız radyo dalgaları halinde ulaşıyor. Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü’nden doktora öğrencisi John Antoniadis ve ekibi işte bu atarca ile yoldaşı beyaz cüceyi kütleçekim dalgaları için gözlemlediler:

Nötron yıldızı ve beyaz cüce birbirinin çevresinde dönerken kütleçekim dalgaları yayıyor ve böylece enerji kaybederek beyaz cücenin yörüngede dönme hızının değişmesine yol açıyor. Kütleçekim dalgaları görünmez olsa da, bilim insanları beyaz cücenin dönüş hızındaki değişikliği gözlemleyerek, bu dalgaların varlığını dolaylı olarak gösterebiliyor.

1. Bölümün Sonu

Yazar : Kozan Demircanwww.khosann.com Merhaba sevgili okur, İtalyan Lisesi ve İstanbul Üniversitesi Felsefe mezunuyum. Halkla İlişkiler sektöründe Bilgi Teknolojileri şirketleri için içerik editörü ve iletişim danışmanı olarak çalışıyorum. Profesyonel çevirmenim ve dergicilik sektöründen geliyorum ama çevirmeyi değil, Türkçe söylemeyi severim. Türk İnternet sitesinde yazıyorum, Sergio Bonelli’nin İtalyanca Nathan Never çizgi romanlarını çeviriyorum. Uzun yılların Barbar Conan çevirmeniyim. Kitap kurduyum, video oyunlarını, kitap okumayı, çeviri yapmayı, roman yazmayı seviyorum… Bilimkurgu, epik fantezi, çizgi roman, heavy metal, Yıldız Savaşları, Uzay Yolu, felsefe ilgi alanlarım… Popüler bilim, kuantum fiziği, astrofizik, astronomi, genetik, askeri teknoloji, mobil dünya, bilişim sektörü ise diğer ilgi alanlarım… Tablette kitap okuyan ama eski kitapların baskı kokusunu seven, aksiyon figürleri biriktiren, Mass Effect video oyunundaki teknolojileri ya da Baldur’s Gate’teki Ortaçağ silahlarını Türkçeleştirmeyi seven bir adamım… Bununla birlike gezmeyi, yemeği ve arkadaşlarla eğlenmeye de bayılırım. Bazen vakit bulmakta zorlanırım, bazen de sahilde tek başıma yürümeyi tercih ederim. Ve yazmadan, konuşmadan, anlatmadan, sorgulamadan duramam. Bu blog da ilgilendiğim konular bağlamında içimden gelenleri paylaştığım bir ortam. Kariyer bilgilerime LinkedIn’den ulaşabilirsin ama bu yazının ve sitenin hakkımda bir fikir verdiğini sanıyorum. Siteyi okurken keyif alıyorsan benim için yeterli… Bilginin, paylaşım ve internet özgürlüğünün; insanları ortak paydada buluşturarak, insanların kendisini gerçekleştirmesi ve kendini ifade etmesinin dışında özel bir misyonu olduğuna inanmıyorum. Keyifli okumalar dileriz.

View the Original article