Zamanın Yavaşladığı Yer: Karadeliklerin Evrene Attığı Saat Çelmesi

Evreni çoğu zaman dev bir sahne gibi hayal ederiz: Gezegenler, yıldızlar ve galaksiler bu sahnede dolaşır; zaman da arka planda tıkır tıkır işleyen görünmez bir metronomdur. Newtoncu sezgimiz bize bunu fısıldar: Mekân ayrı, zaman ayrı; cisimler de bu ikisinin içinde uslu uslu hareket eder. Fakat Einstein sahneye çıkıp ışıkları kapatınca durum değişti. Meğer sahne sabit değilmiş; oyuncular sahneyi eğiyor, sahne de oyunculara nasıl hareket edeceklerini söylüyormuş. Üstelik bükülen yalnızca mekân değil, zamanın akış hızı da.

Genel göreliliğin kalbinde şaşırtıcı derecede sade bir fikir vardır: Kütle ve enerji, uzay-zamanın geometrisini değiştirir. Buradaki kritik kelime uzay-zamandır. Yani üç boyutlu mekân ile zaman tek bir dokunun farklı yönleri gibidir. Ağır bir yıldız, bu dokuda bir çukur oluşturur; gezegenler bu çukurun kenarında dönüyormuş gibi görünür. Ancak bu benzetme eksiktir, çünkü çukur sadece sağa sola, yukarı aşağı bükülmez; saatlerin çalışma hızını da değiştirir.

Kütle, saate nasıl dokunur?

Bir kütleye ne kadar yakınsanız, zaman sizin için o kadar yavaş akar. Bu kulağa fantastik gelir ama ölçülmüş, hesaplanmış ve teknolojide kullanılan bir gerçektir. Dünya yüzeyindeki bir saat, yüksek irtifadaki bir saate göre azıcık daha yavaş çalışır. Fark gündelik hayatımızda hissedilmez; kahveniz soğumadan yaşlanma krizine girmezsiniz. Ama GPS uyduları için bu fark hayatidir. Uydulardaki saatler, Dünya’nın kütleçekim alanında daha zayıf bir bölgede oldukları için farklı hızda akar. Bu düzeltmeler yapılmasa, konum hesapları kısa sürede kilometrelerce sapar. Yani cebinizdeki harita uygulaması, farkında olmadan Einstein’a teşekkür eder.

Peki neden böyle olur? Genel görelilikte kütleçekim, görünmez bir kuvvet olmaktan çok geometrik bir zorunluluktur. Serbest düşen bir cisim, aslında kendince en düz yolu izler; fakat uzay-zaman eğri olduğu için bu yol bize eğri görünür. Zamanın yavaşlaması da bu geometrinin parçasıdır. Büyük kütlelerin yakınında geleceğe giden yollar sıkışır, saatlerin adımları ağırlaşır. Evren, kütlenin yanında ağır konuşur.

Karadelik: Zamanın uçurumu

Karadelikler bu etkinin en radikal hâlidir. Bir yıldız kendi kütleçekimi altında çöktüğünde, belirli bir sınırın içine sıkışırsa kaçış hızı ışık hızını aşar. Bu sınıra olay ufku denir. Olay ufku, fiziksel bir duvar değildir; oradan geçerken uzay geminizin camına dramatik bir çatlak düşmez. Ama dışarıdaki evren açısından geri dönüşsüz bir eşiktir. Işık bile kaçamadığı için içeriden haber alamayız.

Olay ufkuna yaklaşan bir astronotu dışarıdan izlediğimizi düşünelim. Astronotun saati bize giderek yavaşlar gibi görünür. Hareketleri ağırlaşır, gönderdiği ışık kırmızıya kayar, sinyalleri zayıflar. Bizim gözümüzde olay ufkuna hiç tam olarak ulaşamadan donar gibi olur. Fakat astronotun kendi deneyiminde saati normal çalışır; kalbi olağan ritminde atar, düşünceleri kendi zamanında akar. Eğer karadelik yeterince büyükse olay ufkunu geçtiğini yerel olarak hemen fark etmeyebilir bile. İşte göreliliğin zekâ yakan zarafeti burada: Zaman, kimin nerede olduğuna bağlı olarak farklı hikâyeler anlatır.

Bu durum, zamanın mutlak bir nehir olmadığı anlamına gelir. Zaman daha çok arazinin eğimine göre hızlanan veya yavaşlayan bir akış gibidir. Kütle arttıkça ve merkeze yaklaştıkça eğim sertleşir. Karadeliğin merkezine, yani klasik kurama göre tekilliğe doğru gidildikçe bildiğimiz fizik dilini kaybetmeye başlarız. Denklemler sonsuz yoğunluklar fısıldar; bu da bize doğanın gerçekten sonsuz olduğunu değil, elimizdeki teorilerin orada yetersiz kaldığını söyler. Kuantum kütleçekimi denen büyük arayış tam da bu uçurumun kenarında başlar.

Evrenin en derin dersi

Uzay-zaman eğriliği bize yalnızca astrofizik anlatmaz; gerçeklik sezgimizin ne kadar yerel ve kırılgan olduğunu gösterir. Günlük hayatımızda zamanın herkes için aynı aktığını sanırız çünkü düşük hızlarda ve zayıf kütleçekim alanlarında yaşarız. Evrenin konforlu mahallesinde oturduğumuz için kozmik kuralları mahalle adabı sanırız. Oysa karadelikler bize şunu hatırlatır: Doğa, sağduyumuza sadık kalmak zorunda değildir.

Kütle, mekânı büker; evet. Ama daha sarsıcı olan, zamanı da eğip bükmesidir. Bir yıldızın ölümü, evrende sadece karanlık bir delik açmaz; zamanın davranışına dair en derin soruları da ortaya çıkarır. Karadelikler bu yüzden yalnızca yutan canavarlar değildir. Onlar, evrenin kendi dilinde yazdığı en keskin dipnotlardır: Saat dediğin şey, sandığın kadar masum değildir.

Tekillik ve Ötesi

Evrenin genişleme sürecini tersten düşünelim. Evren tek bir taneciğe doğru büzülürken, maddesel içeriği de sıkıştırılmış ve sıcak bir duruma geçer. Aslına bakılacak olursa, bu sürecin bir sınırı yok. Evren, genişlemesinin başladığı an olan doğum anında, sonsuz derecede yoğun ve sıcaktı. Fizikçiler herhangi bir değerin sonsuzluğa doğru fırladığı noktaya tekillik demektedir. Standart Büyük Patlama projeksiyonuna göre, evren bir tekillik içinde doğmuştur.

Einstein’ın kütleçekim teorisinin tekillik öngördüğü diğer yer, bir kara deliğin kalbidir. Bu durumda, düşünülemeyecek bir şekilde büzülen bir yıldızın maddesi, en sonunda sıfır hacme sıkışarak sonsuz yoğun ve sıcak bir hale gelir. Zamanında dendiği gibi, “kara delikler, Tanrı’nın sıfıra bölme işlemini yaptığı yerdir.”

Devamını oku “Tekillik ve Ötesi” →

Kara Enerji nedir?

İki ayrı ekip, uzak galaksilerdeki “süpernovaları” gözlemliyordu. Ekiplerden biri Amerikalı Saul Perlmutter, diğeri ise Avusturalyalı Nick Suntzeff ve Brian Schınidt yönetimindeydi. Süpernovalar, içinde bulundukları galaksiden bile daha parlak bir ışık yayarak patlayan yıldızlar olduğundan, çok uzak mesafelerden görülebilirler. İki ekibe ayrılmış astronomların gözlemlediği tür ise “Type la” süpernovaları olarak biliniyordu. Bu türden süpernovaların özelliği, patladıklarında hep aynı parlaklık düzeyine çıkıyor olmalarıdır. Bu yüzden, bir diğerine göre daha soluk olan bir süpernovanın daha uzakta olduğunu saptayabiliriz.

Oysa, astronomların gözlemlediği, daha uzakta olan süpernovaların (Dünyaya olan mesafeleri göz önüne alındığında) olması gerekenden daha soluk olduklarıydı. Bunu açıklamanın tek yolu, yıldızın patlamasından itibaren evrenin genişleme sürecinin hızlandığı ve böylelikle gözlemlenen süpernovanın daha uzakta kalarak beklenenden daha soluk göründüğü olabilirdi.

Bu gözlem bilim dünyasında şok etkisi yarattı. O güne dek, galaksileri etkileyen tek unsurun, ortak kütleçekimsel kuvvet olduğu düşünülüyordu. Bu da genişlemeyi yavaşlatan bir şeydi, hızlandıran değil.

Cisimleri ivmelendiren şey yalnızca uzayın kendisi olabilirdi. Sanılanın aksine, uzay boş olamazdı. Bu durumda uzay, henüz bilimin keşfedemediği, evren üzerinde bir tür kozmik geri tepme gücü uygulayan bir “kara enerji” içermeliydi. Bu kuvvet kütleçekimine karşılık gelerek galaksileri birbirinden uzaklaştırıyordu.

Fizikçiler, iş kara enerjinin ne olabileceğini anlamaya geldiğinde, ciddi bir kafa karışıklığı yaşamaktadır. Çıkarabildikleri en iyi teori olan kuantum mekaniği, boş uzayla bağıntılı bir enerji öngörmekteydi. Fakat bu enerji miktarı, Perlmutter’in gözlemlediğinden, 123 sıfırın takip ettiği 1 kadar daha büyüktü! Nobel ödülü adaylarından Steven Weinberg bu durumu, “bilim tarihindeki en büyük başarısızlık” olarak nitelendirmiştir.

Utanç verici bu duruma rağmen, kara enerjinin olumlu bir çıkanını bulunuyor. Şişme kuramının, evrenin kritik kütlede olmasını gerektirdiğini, ancak evrendeki tüm maddelerin toplamının bu kritik kütlenin ancak üçte birini oluşturabildiğini anımsayın. Diğer taraftan Einstein’ın ortaya koyduğu gibi, tüm enerji türlerinin etkili bir kütlesi vardır. Ve kara enerji de buna dahildir. Aslında bu kütlenin, kritik kütlenin üçte ikisine tekabül etmesi mümkündür. Bu durumda, evren kritik kütleye tam olarak sahip demektir, tıpkı şişme kuramının öngördüğü gibi.

Hiç kimse kara enerjinin ne olduğunu bilmese de, olasılıklardan biri, Einstein tarafından öne sürülen boş uzayın geri tepme gücüdür. Bilim dünyasında her şey Einstein’la başlayıp Einstein’la bitiyormuş gibi görünüyor. Ve Einstein’ın en büyük hatasının, aslında en büyük başarısı olduğu anlaşılıyor.

Getirdiği bütün başarılı çıkarım ve açıklamalarına rağmen, Büyük Patlama’nın yalnızca, evrenin süper-yoğun ve süper-sıcak ilk halinden, galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin var olduğu şu anki haline nasıl geldiğinin bir açıklaması olduğunu belirtmekte fayda var. Her şeyin nasıl başladığı ise halen gizemini koruyor.

Evrenin Bilimi

Einstein’ın kütleçekim, yani genel görelilik teorisi kütlelerin nasıl diğer kütlelere çekildiğini açıklamaktadır. Bildiğimiz en büyük madde bileşimi, evrenin kendisidir. Hiçbir zaman bilimin can sıkıcı ciddi sorunlarından kaçmayan bir bilim adamı olarak, Einstein 1916 yılında kütleçekim teorisini evrenin tümü için geçerli olacak şekilde yeniden ortaya koydu. Böylece evrenin kökeni, evrimi ve nihai kaderi üzerine yoğunlaşan evrenbilim alanının da (bir diğer ifadeyle, her şeyin biliminin) kapıları açılmış oldu.

Her ne kadar Einstein’ın kütleçekim teorisinin ardındaki fikirler insanı aldatacak ölçüde basit olsa da, teorinin matematiksel karşılığı kesinlikle basit sayılamaz. Maddenin belli bir dağılımının uzay-zamanı tam olarak nasıl büktüğü konusu üzerinde çalışmak aslında ciddi anlamda zordur. Mesela uzay-zamanda, dönmekte olan bir kara deliğin neden olduğu çarpılmanın hesaplanması, ancak Einstein’ın genel görelilik teorisini yayımlamasından bir yarım yüzyıl sonra, 1962 yılında, Yeni Zelandalı fizikçi Roy Kerr tarafından gerçekleştirilebildi.

Tüm evrenin uzay-zamanı nasıl büktüğü hakkında fikir yürütmek, maddenin uzayda nasıl dağıldığına yönelik basitleştirici varsayımlar yapmaksızın imkansız olurdu. Einstein, gözlemcinin evrenin neresinde bulunduğunun bir önemi olmadığını varsaydı. Diğer bir ifadeyle, nerede bulunursanız bulunun evrenin aynı özelliklere sahip olduğunu ve nereden bakarsanız bakın, her yönden az çok aynı görüneceğini.

Devamını oku “Evrenin Bilimi” →

Genel Göreliliğin Tuhaflıkları

Genel görelilik inanılmaz ölçüde şık bir teoridir. Bununla birlikte, teorinin, belli bir kütlenin dağılımının neden olduğu uzay-zamandaki bükülmeyi saptamak gibi bazı durumlara uygulanması da aynı ölçüde zordur. Bunun nedeni teorinin döngüsel olmasıdır. Madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler. Bükülen uzay-zaman da maddeye nasıl hareket edeceğini. Hareket eden madde, uzay-zamana bükülmesini nasıl değiştireceğini söyler ve bu durum sonsuza dek sürer. Yani teorinin merkezinde bir tür yumurta-tavuk paradoksu bulunmaktadır. Fizikçiler bu durumu nonlineerlik olarak adlandırıyor ve nonlineerlik teorisyenler için ciddi bir sıkıntı kaynağı.

Nonlineerliğin ortaya çıktığı durumlardan birini, kütleçekiminin de bir kütleçekimi kaynağı olduğu gerçeğinde gördük. Eğer kütleçekimi daha fazla kütleçekimi üretebiliyorsa, üretilen bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturabilir ve bu böyle devam eder. Ancak üretilen ilave kütleçekimleri aslında o kadar zayıftır ki, bu artış bir yerde durur. Neyse ki kütleli bir cisim tarafından üretilen kütleçekimi genellikle iyi huyludur. Genellikle ama her zaman değil.

Bazı büyük kütleli yıldızlar yaşamlarını harikulade bir şekilde tamamlar. Yıldız kendi kütleçekimiyle çökmeye yönelimini, içindeki sıcak gazın dışarı doğru uyguladığı basınçla dengeler. Fakat bu basınç ancak yıldız ısı ürettiği sürece geçerli olacaktır. Isı üretmede kullandığı yakıt tümüyle tükendiğinde, yıldız da büzülmeye başlar. Bir sonraki aşama ise genellikle başka bir tür basıncın devreye girerek yıldızı bir beyaz cüceye ya da nötron yıldızına çevirmesidir – yani aşırı yoğunluğa sahip yıldız korlarına. Fakat yıldız çok büyük bir kütleye sahipse ve kütleçekimi de çok kuvvetliyse, hiçbir kuvvet yıldızın tek bir noktaya dönüşene dek büzülmesini engelleyemez. Fizikçilerin bildiği kadarıyla, bu türden yıldızlar kelimenin tam anlamıyla mevcudiyetten silinir. Ancak arkalarında bir hatıra bırakmayı da ihmal etmezler: kütleçekimlerini.

Şu anda bahsettiğimiz şey, yani kara delikler genel göreliliğin tüm öngörüleri içinde belki de en tuhaf olanıdır. Kara delik, ışığın bile kaçamayacağı kadar kuvvetli bir kütleçekiminin geçerli olduğu uzay-zaman kesimidir. Zaten ışık yaymıyor oluşları nedeniyle kara delik olarak adlandırılırlar. “Uzay-zaman kesimi” dememizin sebebi ise yıldızın kütlesinin tamamen ortadan kaybolmuş olmasıdır.

Kütle olmadan kütleçekimi nasıl olabilir? Durum şu ki, kütleçekimine yol açan sadece kütle değil, aynı zamanda enerjidir de. Kara delik için konuşacak olursak, kendi kütleçekimi daha fazla kütleçekiminin oluşmasına neden olur, bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturur ve kara delik, kendisini ayakkabı bağlarından çekerek havada duran bir adam gibi, varlığını sürdürür. Uzay-zaman açısından, kara delik kelimenin somut anlamıyla bir deliktir. Güneş gibi bir yıldız kendisini çevreleyen uzayzamanda yalnızca ufak bir çukur oluştururken, kara delik, bir kez içine düşen cismin bir daha asla kurtulamadığı dipsiz bir kuyu meydana getirir.

Nobel ödüllü fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar kara deliklerle ilgili olarak, “Doğanın kara delikleri evrendeki en mükemmel makroskopik cisimlerdir, kara delikleri oluşturan elementler yalnızca uzay ve zaman kavramlarımızdır,” demiştir.

Ultra-büyük kütleçekimleri nedeniyle, kara delikler genel göreliliğin en dramatik etkilerini göstermektedir. Çevrelerinde “olay ufku” (event horizon) olarak bilinen bir yüzey bulunur. Bu yüzey, kara deliğe yaklaşan cisimlerin kurtulma şansının kalmadığı sınırdır. Olay ufkuna yaklaştığınızda, ardınızdan gelen ışık gözlerinize ulaşmadan önce kara deliğin içinde eğrileceğinden dolayı, kafanızın arkasını görebilirsiniz. Eğer bir şekilde olay ufkunun hemen dışında asılı kalma şansımız olsaydı, zaman bizim için öylesine yavaş akardı ki, teoride evrenin tüm geleceğini, gözlerimizin önünden hızlı çekim geçen bir film gibi seyredebilirdik.

Devamını oku “Genel Göreliliğin Tuhaflıkları” →