Uzay-Zamanı Yöneten Kuvvet: Gravitasyon!

Isaac Newton, klasik fiziğin öncülerinden biridir ve Kütle Çekim Teorisi’ni geliştirmiş önemli bir bilim insanıdır. Newton’a göre, iki kütle birbirini görünmez bir çekimle çeker ve bu çekim anında gerçekleşir. Örneğin, güneş aniden kaybolsa -ki bu mümkün değildir- tüm gezegenler hemen yörüngelerinden sapardı.

Newton’un Kütle Çekim Teorisi, dünya yüzeyindeki olayları açıklamada hala kullanılır. Ancak, büyük kütleler ve yüksek hızlarla ilgili konulara geldiğimizde, bu teori yetersiz kalır. Örneğin, en yakın gezegen Merkür’ün yörüngesindeki sapmaları açıklamak için yetersizdi. İşte burada Einstein devreye girdi ve Genel Görelilik kuramını geliştirdi.

Einstein’a göre uzay ve zaman birleşerek uzay-zaman dokusunu oluşturur ve evrenin olayları bu dokuda gerçekleşir. Uzay-zaman da sabit değildir; genişler, eğrilir ve döner. Kütle çekimi, uzay-zamanı büken cisimlerin etrafında dönen gezegenler gibi olaylardan kaynaklanır. Bu nedenle, Einstein’ın Genel Görelilik kuramı, evrenin işleyişini daha doğru bir şekilde açıklar ve Newton’un eski teorisini geçersiz kılar.

Bu olguyu sıkça, bir çarşafın üzerine yerleştirilmiş ağır bir cisim ve etrafında düz bir yol izlemeye çalışan nesnelerle açıklarız. Ancak, bu yöntem uzay-zamanın eğriliğini güzel bir şekilde anlatmasına rağmen bazı zorluklar içerir. En büyük sorunlardan biri, kütle çekiminin uzayı sadece iki boyut yerine üç boyutta bükmesidir. Bunu, bir mıknatısı metal tozlarla dolu bir jöle içinde hareket ettirmeye benzetebiliriz. Mıknatısın hareketine göre jöle, farklı şekillerde eğrilir ve bükülür. Bu nedenle, uzay-zamanın karmaşıklığı, sadece basit bir çarşaf benzetmesiyle tam olarak ifade edilemez.

Başka bir önemli hata ise bu çarşafın ortasındaki ağır cismin, aslında Dünya’nın kütle çekimi etkisiyle çarşafı bükmesi olarak açıklanır. Ancak gerçekte, büyük kütleli cisimler, uzay-zaman dokusunu kendi etraflarında bükerler.

Başka bir sorun ise bu modeldeki küçük kürelerin, en fazla 5 tur attıktan sonra merkezdeki cisme çarpmalarıdır. Peki, neden kendi Güneş Sistemimizdeki gezegenler Güneş’e veya bütün bir galaksi, merkezdeki süper kütleli kara deliğe doğru çökmüyorlar?

Bu durumun nedeni, Dünya üzerinde hava sürtünmesi ve küçük cisim ile çarşaf arasındaki sürtünmedir. Bu kuvvetler cismin hareketine karşı yönde etki eder, yavaşlatır ve sonunda cisim merkeze çarpar. Ancak uzaydaki sürtünme o kadar küçüktür ki ihmal edilebilir. Bu nedenle, Dünya ve diğer gezegenler Güneş etrafında dönerken Güneş’e çarpmazlar. Ayrıca, Güneş’in sonsuz yaşamayacağını düşünsek bile, uzayın sürtünme kuvveti Dünya’nın hızını yavaşlatıp Güneş’e çarpması için trilyonlarca yıl süre gerektirir. Ancak bu senaryo, Güneş’in yaklaşık 2.5 milyar yıl içinde öleceği gerçeğiyle çelişir.

Albert Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi 20. yüzyılın başlarında bir Güneş Tutulması sırasında yapılan bir gözlem sonucunda doğrulandı ve bu, fizik dünyasında onu bir dahi olarak yükseltti. Şimdi, bu gözlem neydi?

Dünya, Güneş ve bir yıldız doğru hizalandığında, arkadaki yıldızın görünmesi genellikle mümkün değildir. Ancak Ay, Güneş’i geçip Güneş’ten gelen ışığı engellediğinde arkadaki yıldız parlak hale gelir. 1900’lerdeki bir gözlemde, yıldızın orijinal konumundan biraz daha uzakta görünmesinin nedeni, Genel Görelilik Teorisi’nin öngördüğü bir etki olan ışığın mercekleme etkisiydi. Güneş, uzaktaki yıldızın ışığını bir mercek gibi bükerek etkiledi.

Bu durum, genellikle kütle çekiminin iki cismin birbirini çekmesi veya itmesi olarak düşünüldüğü yaygın kanıya meydan okur. Çünkü ışığı taşıyan parçacıklar yani fotonlar, kütleye sahip değillerdir. Ancak aslında kütle çekimi, bir cismin uzay-zaman’ı kendi etrafında büktüğü bir olgudur.

Kütleçekim, uzay-zaman’ı büktüğünde, bu bükülen uzay-zamanda hareket eden ışığın yolu da bükülür ve yönü değişir. Bu durum, kütle çekiminin diğer üç temel kuvvet gibi olmadığını gösterir.

Özetle diğer üç temel kuvvet olan güçlü ve zayıf nükleer kuvvet ile elektromanyetizma, iki cisim arasında etkileşirken kütle çekimi, uzay-zamanın kendi içindeki büküldüğü bir olgudur. Ayrıca bu kuvvetler arasındaki bir başka fark, kütle çekiminin diğerlerine göre çok daha zayıf olmasıdır. Güçlü nükleer kuvvetten yaklaşık olarak 10³⁷, elektromanyetik kuvvetten 10³⁶ ve zayıf nükleer kuvvetten 10²⁹ kat daha zayıftır. Bu büyük zayıflık nedeniyle, Kütle çekimi, atom altı düzeyde hesaba katılmaz. Basitçe düşünün, bir elma alıp havaya kaldırırsınız – işte bu, Dünya’nın elmaya uyguladığı kütle çekimini aştığınız anlamına gelir.

Kütle Çekimi, diğer üç temel kuvvetten oldukça farklıdır ve bu nedenle “Her şeyin teorisi”ne ulaşmak hala bir zorluk taşır. Günümüzde, Standart Model diğer üç kuvveti başarıyla açıklarken, Kütle Çekimi gibi temel bir kuvveti açıklamada yetersiz kalır. Standart Model, bu kuvvetlerin ne olduğunu belirtir, ancak bu kuvvetlerin nasıl işlediğine dair ayrıntılı bir açıklama sunamaz. Bu yüzden “bitmemiş bir teori” olarak kabul edilir. Bu konuda Sicim Teorisi gibi teoriler, bu iki farklı fiziksel modeli birleştirmeye çalışır, ancak henüz kesin kanıtlarla desteklenmemişlerdir.

Kütle çekimi, sonsuz uzaklıklarda bile etkili olan bir kuvvettir. Bu, evrenin sınırlarında bulunan bir cismin bile kütle çekiminin, çok uzun bir süre boyunca, Dünya’ya ulaşabileceği anlamına gelir. Ancak bu etki, genellikle ihmal edilebilir derecede zayıf olduğundan, pratikte hissedilmez ve genellikle göz ardı edilebilir.

Kütle çekimi, ilginç bir özellik taşır: Eğer kütle çekimi etkisi altındaki iki cisimden birinin kütlesini iki katına çıkarırsanız, Kütle Çekimi kuvveti doğru orantılı olarak iki katına çıkar. Ancak, aralarındaki mesafeyi iki kat azaltırsanız, Kütle Çekimi kuvveti tamı tamına dört kat artar. Bu kurala “Ters Kare Yasası” denir. Yani, Kütle Çekimi, cisimler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır.

Evren, içinde büyük miktarda madde barındırmasına rağmen hala genişlemeye devam etmektedir. Bu genişlemeyi tetikleyen ve hala çok fazla bilinmeyen bir fenomen, “Karanlık enerji”dir.

Karanlık enerji, bilim dünyasının hala büyük bir gizemi olan bir olgudur. Einstein, Görelilik Teorisi’ni geliştirirken evrenin genişlemesi gerektiğini öne sürdü, ancak bu genişlemeyi durdurmak için “Kozmolojik Sabit” adı verilen bir değeri denklemlerine ekledi. Ancak Hubble, evrenin gerçekten genişlediğini kanıtladığında, Einstein bu kararından döndü ve “Kozmolojik Sabit benim en büyük hatamdı” dedi. Karanlık enerjinin etkisi, normal Kütle Çekimi’nin tersine işler; Kütle Çekimi evreni bükerken, karanlık enerji tam tersi yönde çalışır, evreni dışarıya doğru genişletmeye çalışır. Bu karmaşık fenomen hala büyük bir sırdır.

Karanlık enerjinin adı, bilimsel anlamda neredeyse hiçbir şey bilmediğimiz ve hiçbir şekilde ışıkla etkileşime girmeyen bu gizemli enerjiye verilmiştir. Evrenimizde gözlem yapabilmek için genellikle ışıkla etkileşime ihtiyaç vardır, ancak karanlık enerji, ışık dahil bildiğimiz herhangi bir şeyle etkileşmez. Bu yüzden ona “Karanlık” denir.

Kaynaklar

1. ^WEBSITE Bakırcı, Ç. M. (2013, March 15). Gravitasyon. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]