Albert Einstein’ın kuantum alan teorisi üzerine
araştırmalar yapmakta olan fizikçi Eric Davis, uzay-zamanı şöyle açıklıyor:
“Einstein’ın 1905’te yayınlanan özel görelilik teorisi, Alman Matematikçi
Hermann Minkowski’nin zamanın tıpkı günlük hayatımızda da tecrübe ettiğimiz
gibi diğer–uzunluk, yükseklik ve genişlik- üç fiziksel boyut kadar uzay için
önemli olduğunu gösteren, uzayın birleştirilmiş uzay-zaman modelinden
uyarlanmıştır. Fizikte uzay-zaman, evren boyunca iç içe geçmiş, süreklilik
gösteren uzay ve zamanın matematiksel modellemesidir.”
Almanya Heidelberg Üniversitesi’nden Profesör Luca Ammendola, Davis’e ek
olarak şunları söylüyor:
“Uzay-zaman, bir olgunun sahnesi. Yalnızca durağan şeylerden oluşmuş, değişmez
bir sahne değil; gezegenlerin hareket edişi, parçacıkların etkileşimi,
hücrelerin yeniden üremesi gibi olaylarla değişen bir sahne.”
Uzay-zamanda ağır bir cisim, uzay-zaman bükülmesi yaratarak yakınındaki
cisimleri kendine çekebilir.
Uzay-zamanda büyük kütleli (ağır) bir cisim, uzay-zaman bükülmesi yaratarak
yakınındaki cisimleri kendine çekebilir.
Uzay-Zaman Fikrinin Tarihi
Uzay ve zamanın birleşik ve ilişkili olduğu fikri bilim tarihinde oldukça
yakın bir zamanda kabul görmeye ve geliştirilmeye başlanmış bir teori. Öyle ki
1900’lerin başında Minkowski, Flemenk fizikçi Hendrik Lorentz ve Fransız
teorik fizikçi Henri Poincare’ın çalışmalarına dayalı olarak birleşik
uzay-zaman modelini oluşturmuştu. Daha sonra Minkowski’nin öğrencisi olan
Einstein, 1905’te Minkowski’nin modelini uyarlayarak kendi özel görelilik
kuramını oluşturdu.
Amendola bu konuyla ilgili şunları söylüyor:
“Uzay ile ilgili görüşler, içinde maddenin hareket ettiği değişmez bir sahne
fikri, 20. yüzyılın başına kadar ilk Yunan filozoflarının fikirlerinin pratiğe
dökülmüş halini yansıtıyordu. Zaman, bu dönemde değişmez kabul ediliyordu
çünkü siz uzayda yolculuk ederken, zamanda da serbestçe seyahat edemezsiniz.
Zaman bu sırada herkes için aynı akar.”
Eric Davis ise şöyle diyor;
“Einstein Poincare’ın, Lorentz’in ve Minkowski’nin farklı teorik çalışmalarını
bir araya getirerek kendi kapsayıcı, elektromanyetik kuvvet ve gücün
davranışını etraflıca ve ayrıntılı olarak işleyen bir şaheser niteliğindeki
genel göreliliği ortaya çıkarmıştır.”
Uzay-Zaman Atılımı
Özel görelilikte, uzay-zaman geometrisi sabittir ama gözlemciler kendi göreli
hızlarına bağlı olarak farklı uzaklıklar veya zaman aralıkları ölçerler. Genel
görelilikte, uzay-zaman geometrisi maddenin hareketine ve bu hareketin
etkilerine göre değişir.
“Einstein’ın genel görelilik teorisi birleşik uzay-zaman modeli ile ilgili ilk
ve en büyük teorik atılımdır. Uzay-zaman modeli evrenimizin oluşması ve var
oluşu konusunda fikir sahibi olmamızı sağlamıştır” diyor Davis.
Einstein, Genel Göreliliğinde kara delikler ve beyaz delikler gibi fenomenleri
öngörüyordu. Aynı zamanda bir olay ufku olduğunu, kütle çekiminin sonsuz
olduğu bir boyut ve içinden hiçbir şeyin kaçamayacağı bir merkeze sahip
olduklarını da öngörmüştür. Genel Görelilik aynı zamanda astronomik cisimlerin
uzay-zamanı sürükleyerek dönmelerini, Büyük Patlama’yı, uzayın enflasyonist
genişlemesini, kütle çekim dalgalarını, zaman ve uzayın bükülmüş uzay-zamanla
ilişkili bir biçimde açılmasını, büyük kütleli galaksiler sebebiyle oluşan
kütle çekimsel kırılmayı, Merkür yörüngesindeki kaymayı ve diğer gezegen
şekillerini, bilimin doğru olduğunu gösterdiği her şeyi, ayrıca ışık hızından
hızlı motorların itki gücüne sahip olabileceğini, solucan deliklerinde
seyahati ve zaman makinelerini öngörmüştür. Ayrıca genel görelilik, birleşik
uzay-zaman modeli için ikinci büyük atılım olan kozmolojinin ortaya çıkmasına
yol açmıştır.
Uzay-zaman kavramının anlaşılması kuantum alan teorisininde anlaşılmasına yol
açtı. Atomların ve fotonların hareketiyle ilgili bir teori olan Kuantum
Mekaniği ilk olarak 1925’te yayımlandı. İlk başta fikir uzay ve zamanı ayrı ve
birbirinden bağımsız kabul ediyordu. 2. Dünya Savaşı’ndan sonra teorik
fizikçiler Einstein’ın özel göreliği ile kuantum mekaniğini matematiksel
olarak birleştirmenin bir yolunu buldular ve Kuantum Alan Teorisi doğmuş oldu.
Bu teori, elektromanyetik radyasyonun kuantum teorisi ve elektriksel yüklerin
parçalarına ayrılması gibi konuları içeren ve Kuantum Elektrodinamik Teorisi (QED
Theory)’nin 1950’lerde gelişmesine ön ayak oldu. 1970’lerde QED teorisi zayıf
nükleer kuvvet teorisiyle birleşerek aynı kuvvetleri farklı bakış açılarıyla
tanımlayan zayıf elektrik teorisini oluşturdu. 1973’te bilim insanları Kuantum
Kromodinamik Teori (QCD Theory) olarak bilinen, temel parçacıklar olan
kuarklar ve gluonlar üzerindeki güçlü nükleer kuvveti açıklayan teoriyi
geliştirdiler.
1980’lerde ve 1990’larda fizikçiler QED teorisini, QCD teorisini ve Zayıf
Elektrik teorisini birleştirerek “Parçacık Fiziğinin Standart Modeli” olarak
bilinen bu mega teoriyi oluşturdular. Bu teori şu an için bilen tüm temel
parçacıkların doğasını, üzerlerindeki dış kuvvetleri, kendileri ve diğer
parçacıklarla tüm etkileşimlerini açıklar. Daha sonraları 1960’larda Peter
Higgs’in varolduğunu öngördüğü, “Higgs Bozonu”
olarak adlandırılan parçacık da 2012’de CERN’deki Büyük Hardon Çarpıştırıcısı
tarafından bulundu.
1964’te Peter Higgs tarafından öngörülen Higgs Bozonu, 2012’de keşfedilmişti.
Deneysel atılımlar sayesinde birçok temel parçacık elde edildiğini ve onların
etkileşimlerinin bugün bilindiğini de açıklıyor Davis. Bu deneysel atılımlar
yoğunlaşmış madde teorisinin ilerlemelerinden kaynaklanan ve bazı ders
kitaplarında da yer alan iki yeni madde halini de öngörüyor. Yoğunlaşmış madde
teorisi kullanarak keşfedilmiş maddenin hallerinden çoğu,
Kuantum Alan Teorisi’nin matematiksel mekanizması
kullanılarak keşfedilmiştir.
“Yoğunlaşmış maddeler metalik gaz, fotonik kristal, metamalzeme, nanomateryal,
yarı iletken, kristal, sıvı kristal, yalıtkan, iletken, süperiletken,
süperiletken sıvı gibi maddenin egzotik hallerini içerir. Ve hepsi birleşik
uzay-zaman modelini temel alır” diye açıklıyor Davis.
Uzay-Zaman Fikrinin Geleceği
Bilim insanları belirli uzay görevleri ve uzay-zamanla ilgili gözlemleri
içeren deneyleri kullanarak uzay-zaman algılarını geliştirmeye devam
ediyorlar. Uzayın genişleme ivmesini ölçen Hubble Uzay Teleskobu bu gelişimi
sağlayan ölçüm araçlarından biri. 2004’te başlatılan NASA’nın Kütle Çekim
İnceleme B Görevi, Dünya’nın dönüşünün uzay-zamandaki bükülmeye etkisi
üzerinde çalışıyor. 2012’de başlayan NuSTAR görevi kara delikler üzerine
çalışıyor. Birçok diğer teleskop ve görev de bu fenomenler üzerinde
çalışılmasına yardımcı oluyor.
Yeryüzünde, parçacık hızlandırıcılar on yıllardır çok hızlı hareket eden
parçacıklar üzerine çalışıyor.
“Göreliliğin onaylanmasının en iyi yolu belli bir zamanda bozunan parçacıkları
gözlemlemek. Bu bozunmanın süresi, parçacıklar çok hızlı hareket edip ivmeleri
arttıkça giderek uzuyor. Çünkü zaman aralığı, göreceli hız arttıkça uzuyor”
diyor Amendola.
İlerideki görevler ve deneyler uzay-zamanı daha derinlemesine incelemek için
devam edecek. ESA ve NASA’nın ortak uydusu Euclide, 2020 için hazırlanıyor
evrenin büyümesine neden olan karanlık madde ve karanlık enerjiyle ilgili
fikirleri test etmek ve astronomik ölçekte haritalandırmak için çalışacak.
Yeryüzünde ise LIGO ve VIRGO gözlemevleri kütle çekim dalgalarını, uzay-zaman
eğriliğindeki küçük dalgaları incelemeye devam edecek.
“Eğer kara deliklerle başa çıkabilirsek, aynı yolla ivmeli parçacıklarla da
başa çıkabiliriz. Uzay-zaman hakkında bir çok şey öğrenebiliriz” diyor
Amendola.
Uzay-Zamanı Anlamak
Bilim insanları uzay-zaman sorunlarıyla başa çıkabilecek mi? Aslında bu, ne
açıdan sorduğunza bağlı.
Birleşen karadeliklerin uzay-zamanda yarattığı dalgalanmaları gösteren bir
sanatçı tasviri.
“Fizikçiler uzay-zamanla ilgili en şahane teori olan Einstein’ın Genel
Görelilik ve Özel Görelilik kuramlarıyla uzay-zaman meselesinin en temel
kısımlarını kavramış durumdalar. Buna rağmen, uzay-zaman ve kütle çekim
üzerindeki kuantum etkisini henüz tam olarak kavrayabilmiş değiller” diye
açıklıyor Davis.
Amendola da Davis’e katılıyor. Amendola, bilim insanlarının büyük
uzaklıklardaki uzay-zaman kavramının, basit parçacıkların mikroskobik
dünyalarındaki uzay-zaman kavramından daha kolay anlaşıldığı görüşünde.
“Belki de kısa mesafelerde uzay-zaman kavramı henüz yeni bir forma bürünmüştür
veya sürekli değildir. Buna rağmen, biz bu sınırdan hala çok uzağız” diyor
Amendola.
Bugünün fizikçileri kara deliklerle doğrudan deneyler yapamıyor veya yeni
fenomenlerin ortaya çıkmasına sebep olabilecek kadar yüksek enerjilere
çıkamıyorlar. “Hatta kara delikler üzerindeki astronomik gözlemler dahi tatmin
edici değil çünkü ışığı tamamen emen bir madde üzerinde çalışmak hiç kolay
değil” diye ekliyor Amendola. Yani bilim insanları kara delikleri incelemek
için dolaylı yollar kullanmak zorunda.
Davis bu durumu şöyle açıklıyor; “Uzay-zamanın kuantum doğasını anlamak 21.
yüzyıl fiziğinin kutsal kasesi. Bu sorunları çözebilecekmiş gibi görünmeyen
ortaya atılmış teoriler bataklığının içinde çakılı kalmış durumdayız”.
Amendola ise iyimser tutumuyla şöyle söylüyor; “Bizi hiç bir şey durduramaz.
Uzay-zamanı anlamak yalnızca biraz zaman alacak.”
Çeviren: Ece Özen
Özel görelilik yazı dizimizin önceki bölümlerini okumak için:
1) Referans Sistemleri
2) Lorentz Dönüşümleri
3) Michelson – Morley Deneyi
4) Zaman Genişlemesi ve İkizler Paradoksu
5) Boy Kısalması
6) Kütlenin ve Momentumun Göreliliği