Kütle uzayzaman dokusunda deformasyona yol açar.
Uzay ile ilgilenince uzayzamanla ilgilenmemek olmaz. Bu sitede, zaman zaman, hatırlatmaktayız.
Joshua Carrol, universetoday.com’da, 10 Eylül 2019’da yayımlanan kapsamlı yazısında, uzayzamanın acayipliğine bir defa daha dikkat çekti.
Albert Einstein, 1910’lu yıllarda, uzay ve zamanın niteliği hususunda, o zamanki bilim dünyasını sarsan bir kuram geliştirmişti. Bu kurama göre, İngiliz bilim insanı Newton kütleçekimi, uzay ve zaman hakkında yanılıyordu ! Einstein, bu dönemde, ‘ışık nedir‘ sorusuna da cevap aradı. Einstein sonunda anladı ki, uzay, zaman ve ışık ilişkili varlıklardı !
Eistein’a göre, bir cismin gravitasyonel kütlesi onun ataletsel kütlesi ile sahip olduğu enerji toplamına eşittir. Cisim üzerine gravitasyon alanında etki eden kuvvet belirli bir referans çerçevesinde ivmelenmiş olan kütleye etki eden kuvvete eşittir. Buna, Einstain’ın ‘eşdeğerlilik prensibi’ denir.
Fırlatma rampasında fırlatılmayı bekleyen ve uzaya çıkmayı başarmış olan (SpaceX !) füzelerini düşünelim. Yerde sabit olarak bekleyen füzenin kabinindeki bir oyuncak topa etki eden yerçekimi (gravitasyon) ivmesi 9.8 m\s^2’dir. Yani, kabin içinde serbest düşmeye bırakılan top zemine 9.8 m/s^2’lik bir ivme ile düşer.
Eşdeğerlilik Prensibi
(Kaynak: E. Otwell; universetoday.com)
Top düşürme deneyi uzaydaki bir füze kabininde gerçekleştirilirse, bu topun havada yüzdüğü (zemine düşmeye çalışmadığı) görülür. (ISS’de astronotların yüzer-gibi hareketi,…) Bu füzenin yukarı doğru, 9.8 m\s^2’lik bir ivme ile hızlandırıldığı düşünüldüğünde, içindeki cisimlerin zemine (Dünyadaki gibi) bastırıldığı görülür. Kabin içinde serbest düşmeye bırakılacak top, Dünyadaki gibi zemine düşecektir.
Penceresi mevcut olmayan bir kabinde gerçekleştirilecek testlerde, uzay yolcusu, vücuduna uygulanan ivmelenmeye bakarak, Dünyada sabit durumda mı, yoksa, uzayda ivmelenmekte olan bir araç içinde mi olduğunu ayırdedemez. Einstein, gravitasyonun yol açtığı etki ile ivmenin yani akselerasyonun yol açtığı etkinin aynı (şey) olduğunu ileri sürdü.
Bu uzay aracını duvarında küçük bir pencere mevcut olsun ve bu pencereden içeriye bir lazer ışık palsi gönderilsin. Uzayda sabit hızda hareket eden bir uzay aracında bu ışık palsi düz bir çizgi içinde ilerleyerek, aracın karşı duvarına çarpar. Şimdi, uzay aracı yukarı doğru hızlandırılsın. Lazer ışığının karşı duvara çarptığı nokta duvar üzerinde aşağıya kayacaktır. (Işığın duvara ulaşabilmesi için, çok kısa da olsa, bir zaman geçeceğinden ve aracın yukarıya doğru hareketi sebebiyle.)
Işık ışını, akselerasyon sebebiyle, aşağıya eğilir.
(Kaynak: Matthew Gelata; universetoday.com)
Araç içindeki bir gözlemci ışığın aşağıya göre eğildiğini görecektir. Kısaca, uzayda 9.8 m\s^2’lik bir ivmeyle yukarıya doğru tırmanan bir uzay aracı içindeki gözlemci Dünya yüzeyindeki bir gözlemciyle aynı fizik durumunu algılayacaktır. (Biraz, Müzeyyen Senar’ın Elveda Meyhaneci’de dediği gibi: ‘Ne gökte ne yerdeyim, bir garip seherdeyim’…durumu !)
İşin garip tarafı, ivmeli hareket yapan uzay aracında gözlenen ışık eğilmesinin, rampasında fırlatılmayı bekleyen diğer uzay aracında da gözlenmesi gerekir. (Bahçe fıskiyesinden yatay olarak fışkırtılacak suyun izleyeceği y örünge !)
Bir gravitasyon alanında ışık gerçekten eğilir mi ? Cevap: Evet ! Bunun sebebini açıklamadan önce, uzayzamana biraz yakından bakmak gerekir. Einstein, zamanının ötesinde bir kişiydi. Başka bilim insanlarının düşünemediği şeyleri düşünebildi. Hocası matematikçi Hermann Minkowski’nin vardığı bir sonuç olan uzay-zaman ilişkisini geliştirerek, uzay ve zamanın ilişkili olduğunu ortaya koydu. ‘Uzayzaman (spacetime) sözcüğünü ilk olarak kullanan kişi Minkowsky’di !)
Bilim dünyası uzayzamanı eğen / büken şeyi gravitasyon (kütleçekimi) olarak adlandırıldı. (Einstein ‘kütleçekimi’nin varlığını reddetti !)
Bilim Müzelerinde, genelde, gravitasyon etkisi, gergin bir esnek-zemin (trambolin) üzerinde ağırca bir top yuvarlanarak gösterilir. Bu zeminde bir misket yuvarlanırsa, bu misketin doğru bir çizgi izlediği gözlenir. Ancak, yuvarlanan şey ağırca bir top (bowling topu) olursa, durum biraz değişir !
Ağır top ilerlerken zeminde (uzayzamanda) deformansyona (çökmeye) yol açar. Meydana gelen bu çökme gravitasyon sebebiyledir. Bu pozisyondayken, merkeze doğru ve yeterli hızla, bir misket yuvarlanırsa, bu misket, düz bir çizgi izlemek yerine, merkezdeki ağır-topa yaklaşacak şekilde saparak (eğilmiş) yoluna devam eder. Misketin izleyeceği yolda gözlenecek eğilme miktarı misketin fırlatılma hızına ve merkezdeki kürenin kütlesine bağlıdır.
Işık da gravitasyon alanında benzer şekilde, uzayzamandaki eğilmeyi (deformasyonu) izleyerek, eğilir.
Işığın gravitasyon çukuru sebebiyle yolundan sapması.
(Kaynak: Physics Stack Exchange; universetoday.com)
Dünyanın kütlesinin etkisiyle, ışıkta gerçekleşen eğilme çıplak gözle gözlenemeyecek kadar küçüktür. Işıkta meydana gelen eğilmeyi gözleyebilmek için, çok çok büyük gravitasyon alanı (gravitasyon çukuru) gerekir. Einstein, Güneşin, mevcut kütlesiyle ışığı yeterince eğecek bu çok güçlü alanı oluşturacağını düşündü. Gerçekleştirilecek bir deneyde, çok uzaktaki yıldızlardan istifade edilebilirdi. Ayrıca, bir Güneş tutulması da gerekti.
İngiliz astronom Arthur Eddington (kusura bakmasın, ‘Sör’ diyemedik !) bu deneyde, gereken gözlemi gerçekleştirerek, Einstein’in aradığı kanıtı sundu. Güneş tutulmasından istifade ederek, Güneşe yakın konumdaki yoldızların görünen pozisyonlarının gerçek pozisyonlarından sapmış olduğunu fotoğraflayarak (göstererek) ! Sonuç olarak, Güneşin yıldız ışığını (kütleçekimi etkisiyle veya uzayzamanı bükerek), Einstein tarafından hesaplanan oranda, saptırabildiği gösterildi.
Zamanda gecikme ve uzayzamanda kısalma (contractiona) gerçekten olur mu ?
1900’lü yılların başlarına kadar, fizikte iki büyük düşünce ön plandaydı. Bunlardan bir Isaac Newton’a, diğeri de James Maxwell’e aitti. Newton, gravitasyon ve hareket teorisini oluştururken, zamanın ve uzayın mutlak olduğunu, tüm gözlemciler için değişmez olduğunu ileri sürdü. Ünlü kitabı olan ‘Principia Mathematica’da, her şey için zamanın eşit olarak geçeceğini, ölçme yöntemlerinden bağımsız (değişmez ) olacağını ileri sürdü.
Benzer şekilde, uzayın da hareket ettirilemez ve değişmez olduğunu, ölçülecek pozisyonlardan bağımsız olacağını ileri sürdü. Büyük kütleli cisimlerin gravitasyonel olarak birbirini etkilemesini açıklamada bu varsayımlar çok önemliydi.
James Maxwell, elektriğin ve manyetizmanın açıklanmasında çok önemli bir bilim insanıydı. Onun yaklaşımında etkileşen alanlar, elektromanyetik dalgalar, aynı sürecin parçalarıydı; ışık hızıyla etkileşmekte / hareket etmekteydiler. Maxwell daha sonra, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu gösterdi; kaynağın hareketinden bağımsız olarak, sadece ışık hızıyla hareket eden bir dalga !
Einstein’ın vardığı bu sonuç, Newton’un ‘objelerin hızlarının onların izafi hareketlerine bağlı olduğu’ görüşüne tersti. Einstein’ın geliştirdiği özel görecelik kuramı bu farklılığa bir çözüm getirdi.
Yağmurlu bir havada, X ve Y adındaki iki arkadaştan ‘X’ trenle gelirken, ‘Y’nin onu görebilmek için, durakta beklediğini varsayalım; tren çok yüksek bir hızla gelmekte, ve tam da ‘Y’nin önünden geçtiği bir an; X ve Y’nin karşı karşıya olduğu anda, Trenin arkasında ve önünde kalan bölgede, aynı anda, iki şimşek çakmış olsun.
‘Y’nin bakışından, eşit uzaklıktaki şimşekler A ve B aynı anda yere düşsün. Işıkları da, ‘Y’ye ulaşmak için eşit yol katetsin. Trendeki ‘X’ şimşek ‘B’den uzaklaşırken, şimşek ‘A’ya yaklaşmakta. Bu sebeple, şimşek ‘B’nin ışığının ‘Y’ ye ulaşabilmesi için, şimşek ‘A’nın ışığından daha uzun bir yol katetmesi gerekecektir. Bu sebeple, Yolcu ‘X’ şimşek çakmalarını farklı zamanlarda görecektir (algılayacaktır).
Şimşekler aynı zamanda mı çaktı, farklı zamanlarda mı çaktı ?
Newton’a göre zaman ve uzay mutlaktı. Maxwell’e göre ise, ışık hızı, göreceli harekete bağlı olmadan, her gözlemci için tekti; sabitti. Gözlemci ‘Y’ her iki şimşeğin de aynı anda çaktığını gözleyecekti. Eğer zaman ve uzay mutlaksa, ‘X’in de, şimşeklerin aynı anda (saniyede) çaktığını görmesi gerekecektir. Eğer ışığın hızı, hareketten bağımsız olarak, tüm gözlemciler için aynı ise, ‘X’in şimşek ‘A’nın çakışını, aynı anda çakan şimşek ’B’den daha önce görmesi gerekir.
Newton’un, ‘zaman ve uzay’ın tüm referans çerçeveleri için mutlak olduğu’ görüşüne göre, ışık hızının değişken olması gerekirdi. Işık hızının tüm referans çerçeveleri için sabit (aynı) olması durumunda, Maxwell’in kuramına göre, zamanın ve uzayın değişebilir olması gerekirdi.
Einstein, bu anlaşmazlığı gidermek için ‘Eşzamanlılığın Göreliliği’ni (Relativity of Simultaneity) ileri sürdü. Işık hızının sabit olduğu varsayıldığında, her iki gözlemcinin gerçekleştirdiği gözlem de doğru olmaktaydı. Gözlem sonucu gözlemcinin referans çerçevesine bağlı olarak, farklı olarak ortaya çıkmaktaydı ! Şimşek A ve B’nin gözlemci ‘Y’ye ulaşabilmek için eşit yol gitmeleri sebebiyle, aynı anda gözlenmişlerdi. Gözlemci ‘X’, ‘Y’ye göre sahip olduğu izafi hızı sebebiyle, şimşeklerin farklı zamanlarda çaktığını gözleyecekti. Şimşek A şimşek B’den daha önce çakmış olarak gözlenecekti.
Bern’deki (İsviçre) Saat Kulesi; Einstein’in zamanın tabiatı üzerine düşünmesini sağlayan kule.
Kaynak: universetoday.com)
Eşzamanlılığın göreliliği gösterdi ki, farklı referans çerçevelerinin (reference frame) kendilerine özgü zaman ve uzay ölçüleri vardı. Bir referans çerçevesinde gerçekleşen eşzamanlı olaylar, bu referans çerçeveleri arasında hız farkı olduğunda, bir başkasında aynı anda gerçekleşmeyebilirdi. Einstein, Maxweel denklemlerinin sonuçlarından olan ışık hızının doğru olduğunu gösterdi. Birbirine göre farklı hızlarda hareket eden gözlemcilerin gerçekleştireceği zaman ve uzay ölçümleri farklı olmak zorundaydı.
Einstein, zamanın değişebildiğini gösterdi; zaman mutlak (absolute) bir varlık değildi. Buna bağlı olarak, uzay da, referans çerçevesiyle ilişkili olarak, değişebilen bir varlıktı. Zaman ve uzaydaki değişme miktarı, birbirine göre hareket eden cisimlerin hızlarına bağlıydı. Evren için, tüm ölçümlerin yapılabileceği sabit bir referans çerçevesi mevcut değildi. Işık hızı, tüm referans çerçevelerinde sabitti. Bu durum zamanın ve uzayın değişken olmasını zorunlu kılmaktaydı.
Kütlenin uzayzamanı bükmesi (wrapping), aynı zamanda, zamanın da ilişkili olarak bükülmesi demek ! (Söylemesi bile zor bir önerme.)
Kütle uzayzamanı büker, ve:
E=mc^2
Einstein’in tasarımı olan bu eşitlikten kütle ve enerjinin aynı şey (denk) olduğu anlaşılır. Bu eşitlik, kütle ve enerjinin uzayzaman bükülmesine (gravitasyona) katkıda bulunduğu anlamına gelir. Bir kütle hızlandırıldığında (ivmelendirildiğinde), ivmelenme ile orantılı seviyede enerji kazanır. Bu ivmelenme uzayzamanın bükülmesine katkıda bulunur.
Uzayzamanın bükülmesinin rölativistik etkileri zaman ve uzayın değişebilmesi ve ışığın kütle tarafından saptırılabilmesidir. Bunların tümü ilişkili hususlar. Özel görelilikte ortaya çıkan paradokslar genel görelilik kuramında anlamlı sonuçlara dönüştürülebilir; paradokslar ortadan kalkar.
İlk bakışta, rölativistik etkiler gerçek-dışı gibi görünse de, gündelik hayatta birçoğuna tanık olunmakta. Sıkça verilen bir örnek, GPS uydularının sağladığı verinin doğruluğunun, bu rölativistik etkilerin (uydunun hızı ve Dünyadan uzaklığı sebebiyle, üzerindeki saatin Dünyadakinden farklı hızla ‘tik’lemesi; kısaca, mekanik olsun, elektronik olsun, saatlerin farklı hızda çalışması) hesaba katılmasıyla mümkün olabilmesi. Bu husus dikkate alınmamış olsa, gündelik hayatı sıkıntıya sokacak mesafe hataları yaşanırdı. (Gerçi, sık sık trafiğe kapatılan yollar, yollara gerekli yönlendirme levhalarının konmaması,… bu sıkıntıyı yine de yaşatmakta !)
GPS uydusunun ölçtüğü zaman, yazılımda alınan tedbirlerle, dönüştürülerek kullanılmakta.
‘Uzay Göçebesi’ taşıyan bir aracın, en yakın gökada olan Andromeda’nın banliyösüne ulaşmak için ışık hızına yakın bir hızla yola çıkarıldığı ve oraya ulaşabildiği düşünüldüğünde, Dünyada-kabaca-2.5 milyon yıl geçmişken, uzay aracında sadece 655 yıl kadar bir süre geçmiş olacağı hesaplanır ! (Dolayısıyla, uzun uzay yolculukları sanıldığı kadar sıkıcı olmayacaktır !) Uzay aracının Andromeda’ya 655 yılda ulaşabilmesi için, Dünya-Andromeda mesafesinin, bu uzay aracı için, kısalmış olması gerekir ! Bilim insanları, bu önermenin doğruluğnu atom-altı parçacıklardan olan ‘muon’ları kullanarak gösterdi; uzay daralabilir ! Dünyanın üst atmosfer katmanında ortaya çıkan muon’ların yeryüzüne ulaşabilmesi bu koşulda mümkün olabilmekte.
Andromeda gibi uzak mesafelere yolculukların acayip sonuçları olabilir.
(Kaynak: NASA; universetoday.com)
Bir uzay aracının hızı ışık hızına ne kadar yaklaşırsa, araç üzerindeki saatin ölçeceği zaman sürekli kısalır; yani, zaman sürekli yavaşlar. Dünyadaki gözlemci aracın gökadaya varması için 2.5 milyon yıl geçtiğini gözlerken, araç içinde ölçülen zamanın hız artışıyla orantılı olarak yavaşladığını gözler. Ancak, uzay aracı içindekiler için saatin ölçtüğü zamanda bir değişiklik olmaz, gündelik yaşamda bir farklılık hissedilmez; videodan izledikleri filmlerin süresinde bir değişiklik olmaz. (Şüphesiz, TV’den izledikleri pragramların arasına ‘itelenen’ reklamların, ekran altında gösterilen ‘kalan-süreleri’ ile gerçekleşen süreleri her zaman farklı olacaktır !)
Araç hızlanırken, açuş ekibi, aracın önünde görünen uzayın içe çökmekte olduğunu (collapsing) gözler.
Aracın hızı ışık hızına ulaşabilseydi ne gözlenecekti ?
Bu senaryo, bir ışık taneciği (fotonu) üzerinde yolculuk yapmakla eşdeğer. Hemen, bu da nereden çıktı demeyin. Stephen Hawking’in en son hayallerinden biri, insanoğlunu (veya insankızını !) ışık fotonlarına bindirerek yolculuğa çıkarmaktı ! Ancak, ömrü buna yetmedi ! (Belki, kendisi, bu yolculuğu deniyordur; Einstein’dan gerekli fonu alabildiyse !)
Büyük Patlamadan (Big bang) yola çıkmış bir foton gözümüze 13.82 milyar yılda ulaşabildi. Geçen zaman ‘foton’a sorulabilseydi, herhalde, cevabı şu olurdu: ‘Hangi zaman…?’ Bilim insanları, foton üzerindeki saatte bir ilerlemenin olmayacağını; zamanın geçmeyeceğini söylüyor. Saate gerek olmayacak bir dünya ! (Saat imalatçılarının %70 indirimli (!) satışlar yapamayacağı; koleksiyoncuların yaygın olacağı bir dünya. Her yerin sadece, ‘uzay’ göründüğü bir dünya… Rengi hakkında bir fikrimiz, şimdilik, yok !)
Bilim insanları, ışık hızında, evrenin boyunun (derinliğinin) sıfır olacağını, kısaca, gidilecek yolun da sıfır olacağını söylüyor. Uzayın sıfır boya kısalması, bir anlamda, uzayın yok olması durumu. Yaratılan fotonun anında yok olması durumu; ya da, hiç bir şeyin var olmaması durumu ! Foton yoksa, görme olayı da yok. (Mağara yaşamına geri döndük !)
Bir Kara Deliğin (Madde toplama diskinin; Accretion Disc) ilk fotoğrafı.
(Kaynak: Event Horizon Telescope Collaboration; universetoday.com)
Dünyada kalanlar, uzay yolculuğuna çıkanları, geçecek zaman dikkate alındığında, unutacaktır. Bunda, Dünyada kalanların geçireceği evrim-değişimler de katkıda bulunacaktır. Bir astronotun Ay yürüyüşü esnasında, yüzeye bıraktığı aile fotoğrafını kaçımız hatırlıyoruz ?
Uzay yolculuğuna çıkacaklar açısından, Dünyada kalanlar, daha sonra ziyaret edecekler için fosil olarak hizmet edebilecek.
Uzay yolculuklarında hız ve gidilecek mesafeler arttıkça, insanlık birbirinden çok daha fazla ayrılmış olacak. Bu da, bir anlamda, insanlığın bölünerek yok olma olasılığını da artıracak !
Hangisini tercih ederdiniz ?
Bugünkü gibi, ‘birbirini yok saymayı’ mı, yoksa, uzaya dağılarak ‘yok olmayı’ mı ?
Yararlanılan Kaynaklar:
https://www.universetoday.com/135196/time-and-space-the-strange-reality-of-reality/
(Günün seçimi)
