Uzayzaman’ın acayip  gerçekliği…! ( Strange  reality  of  ‘spacetime’…!)

 

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)