Anasayfa / Güncel Haber / Bilim / İzafiyet Kuramı ve Kara Delikler

İzafiyet Kuramı ve Kara Delikler

İzafiyet YAazar semih dündar 1Einstein 1905 yılında izafiyet kuramını, bugün özel görelilik adıyla bilinen şekliyle, ortaya attı. Temel ilke ışık hızının herkesçe aynı miktarda gözlemlenmesiydi.

Bu kuramın insan içgüdülerine göre garip sonuçlar doğurduğu fark edildi. Bunlardan başlıcası zamanın genleşmesi olgusu. İki kişi olsun, birisi hava alanında duruyor diğeri de yüksek hızla seyreden bir uçakta bulunuyor olsun. Özel görelilik bize uçaktaki zamanın yerdekine göre daha yavaş aktığını söylüyor. Tabi ki fizikte bir kuram ne kadar çılgın olursa olsun, geçerli olabilmesi için deney sonuçlarıyla doğrulanması gerek. Zaman genleşmesi de her ne kadar garip gelse de deneyle doğrulandı. Bunun için biri yerde duran diğeriyse bir uçakta bulunan iki atom saati kullanıldı. Uçak dünya üzerinde seferlerine başladı ve bir süre sonra iki saati karşılaştırdılar. Sonuç ise beklendiği gibi uçaktaki zamanın yerdekine göre daha yavaş aktığıydı, saat küçük bir miktar da olsa geri kalmıştı.

Buna benzer diğer bir deney CERN’de müon adı verilen elektrona benzer bir temel parçacıkla yapıldı. Müonlar normalde 2.2 mikro saniye sonra yüklerine bağlı olarak nötrino-elektron ya da nötrino-pozitron çiflerine bozunuyorlar. Nötrino kütlesi çok çok küçük ve elektrik olarak yüksüz bir temel parçacıktır, pozitron ise elektronun pozitif yüklü halidir. Daha sonra müonlar ışık hızının binde biri yakınına kadar hızlandırıldı. Müon bozunması üzerine deneyler yapıldı ve görüldü ki müonlar 2.2 mikro saniye (mikro saniye: saniyenin milyonda biri) yerine 64.4 mikro saniye sonra bozunmaya başladılar. Yani onlar için zaman, yerdekine göre daha yavaş akıyordu! Tabi ki müonlarla beraber ışık hızına yakın hızlarda seyreden bir deney aleti olsaydı onların yine 2.2 mikro saniye sonra bozunduklarını görecekti ama kendi saatine göre. Özel göreliliğin güzel yanı burada. Fizik gözlemciye göre değişiyor, yani izafi.

Özel göreliliğin diğer bir garip sonucu da uzunlukların genleşmesi. Hızlı giden cismin boyu yerde duran birine göre kısalıyor. Bu kısalma miktarı da cismin hızıyla alakalı. Ne kadar hızlıysa o kadar fazla kısalıyor. Tabi hızla giden bir uzay aracında bulunan metreler de araçla beraber kısaldığı için uzay aracının kaptanı uzay aracının boyunu yine aynı olarak ölçüyor. Fakat yerde duran birisine göre uzay aracının boyu kısalmış oluyor. Herhangi bir tutarsızlık yok, çünkü fizik gözlemciye göre bir hal alıyor. Yani artık deney sonucunu bildirirken bir de bunun kime göre olduğunu ifade etmek gerekiyor. Özel görelilik bu şekilde.

Einstein bir çok farklı denemeden sonra, özel görelilikten on yıl sonra, 1915 yılında, genel göreliliği buldu. Genel göreliliğe izafiyet kuramı diyoruz. İzafiyet kuramı fizikteki en şık ve latif kuramdır. Matematiği ayrı bir güzel, tüm parçaların uyumu daha ayrı bir güzeldir.

swirling-clockGenel görelilik kuramındaki yenilik, özel göreliliği kütle çekim kuvvetini kapsayacak şekilde genişletmek oldu. Özel ve genel görelilik arasındaki matematiksel fark geometride yatar. Minkowski özel görelilik için uzay ve zamanın birleştiği dört boyutlu bir geometri ortaya attı. Buna uzay-zaman diyoruz. Uzay-zaman her türlü vakanın içinde yer aldığı bir çeşit kap gibidir. Matematiksel olarak ise düz bir geometridir. Genel görelilikte ise bu uzay-zaman bambaşka bir hal alır ve artık eğridir. Kütle çekimi adı verilen kuvvet kaynağını bu eğrilikten alır. Uzaydaki cisimler izafiyet kuramına göre uzay-zamanı bükerler. Diğer cisimler bu bükülmüş uzay zaman içinde hareket ettiklerinde kütle çekimi ortaya çıkar. Geometri bir bölgede ne kadar eğriyse oradaki kütle çekimi o denli yüksektir.

Genel göreliliğin de insan içgüdülerine aykırı duran farklı özellikleri var. Bunlardan birisi ağır cisimlerin yakınında zamanın oradan uzakta duran birine göre daha yavaş aktığı. Bu kuram genelde matematiksel olarak ileri olması nedeniyle günlük yaşamımızda etkisi olmadığı yönünde eleştiriler alır, fakat bu eleştiriler kısmen yanlıştır. Arabalarda kullandığımız navigasyon sistemleri konumumuzu belirlemek için sinyalleri dünya çevresindeki uydulardan alırlar. Her uydu belirli zaman aralıklarıyla konumlarını ve saatlerini bu sinyal içinde gönderirler. Bunu alan navigasyon cihazı bunların geliş süreleri arasındaki farktan yararlanarak bulabilir. Fakat uydular Dünya’nın kütle çekim alanında kaldıklarından dolayı ve belli bir hızla seyrettiklerinden dolayı kendi zamanları Dünya’da bulunan birisine göre daha farklı bir hızda akar. Konumu birkaç metre hatayla bilebilmek için nano saniyelerin (saniyenin milyarda biri) önemi vardır. İzafiyet teorisinin zamanın akışına katkısı bu seviyede olduğundan dolayı genel görelilik sağlıklı çalışan bir navigasyon sistemi için elzemdir.

Şimdi izafiyet kuramının hem matematiksel olarak hem de bilim kurgu yazarları için en ilgi çekici olan kısmına gelelim: kara delikler.

Kara delik uzay-zamandaki bir yırtılmadır, bir deliktir. Kara deliğin içinden dışarısıyla iletişim kurmak imkansızdır, ışık dahi kaçamaz. Kara deliğin kara olması bu yüzdendir. Kara delikler çok basit cisimlerdir. Elektrik yükleri, ağırlıkları ve belli bir yönde dönme özellikleri vardır. Ayrıca etraflarında olay ufku adını verdiğimiz hayali bir yüzey vardır. Burası geri dönüşün mümkün olduğu son sınırdır. Bu sınırı geçen ne olursa olsun geri dönemez ve kara deliğin merkezindeki sonsuz kütle çekim alanı olan tekilliğe düşer. Oradaki fizik şuan için bilinmiyor ve gizemi Dünya çapında yüzlerce araştırmacının merakını körüklüyor.

Olay ufku etrafında zaman inanılmaz derecede yavaş akar. Orada geçirilen bir saat Dünya üzerinde asırlara hatta milyon yıllara denk gelebilir! Kara deliklerle ilgili bir diğer ilginç özellikse önünden bakınca arkasının görülmesi. Yandaki resimde kara deliğin etrafında halka şeklinde maddenin görüntüsü oluşturulmuş. Dikkat edilirse olay ufkunun üstünden ve altında bir ışık halesi görülüyor. İşte bu ışık kara deliğin arkasından geliyor!

KaraDelik_Kara delikler 1916 yılında ilk olarak Schwarzschild tarafından bulunduktan sonra uzunca bir süre matematiksel bir merak olarak kaldı. Gerçeklikle ilgisi olduğu düşünülmedi. Fakat yeni astronomi gözlemleri hemen her büyük kütleli gökadanın merkezinde bir tane devasa kara delik olduğu yönünde. Samanyolu gökadamızın merkezindeyse 3.8 milyon Güneş kütlesinde dev bir kara delik var. UCLA’den Andrea Ghez ve ekibi Samanyolu merkezindeki yıldızların yörüngelerini Hawai’de bulunan Keck teleskoplarını kullanarak incelediler. Fizik kanunlarına göre yıldızlar bir elips (üstten bastırılmış çember) üzerinde hareket ederler. Etrafında döndüklerin nesne ise bu elipsin odak noktalarından birinde olmak zorundadır. Bu şekilde yıldızların yörüngelerinden elde ettikleri odak noktalarını kesiştirerek yıldızların devasa kütleli bir şey etrafında döndüklerini gördüler. Fakat o nesneden ışık gelmiyordu ve çok yoğundu öyle ki bu kadar maddeyi bu kadar küçük bir yere bilinen fizik dahilinde koyabilme imkanı yok. Dolayısıyla o nesnenin bir kara delik olduğu sonucuna vardılar.

Kara delikler konusunda son söz henüz söylenmedi. Fizik camiasının önünde kuantum kuramı ve izafiyet kuramını birleştirmek gibi azımsanmayacak bir görev var. Bu açıdan kara deliklerin kuantum yapısını anlamak önem kazanıyor. Fakat fizik ve felsefe arasındaki alışveriş son yarım asırda pek nadir olduğundan dolayı araştırmacılar bu konularda bir rehberden yoksunlar. Dolayısıyla hemen her fikir fazlaca spekülatif.

2012 yılında ateşten set paradoksu adında bir sorun bulundu. Buna göre en olmadık yerde, yani olay ufkunda izafiyet kuramı çöküyor. Paradoks hala çözülemedi ve pek çözülecek gibi de durmuyor. Daha başka kuramlar kara deliğin merkezinde bir yırtılma olmadığı yönünde sonuçlar buluyor. Anlayacağınız üzere işler çok karışık. Kuantum kütle çekiminin akıbeti üzerine bir söz söylemek için çok erken fakat o kadar ilgi çekici bir alan ki gücü yeten fizikçiler bu alanda çalışmaktan geri durmuyorlar. Zaten bilimin temel yakıtı da işte bu saf merak duygusudur.

Furkan Semih DÜNDAR

Sakarya Üniversitesi Fizik Bölümü, Doktora Öğrencisi

sa

Cevapla

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar işaretlenmelidir *

*