Yerçekiminin Gerçek Kaynağı Nedir?

Yerçekimi nedir? Cisimler birbirini mıknatıs gibi çeker mi? Yoksa Dünya’nın yerçekimi alanı evrenin dokusu olan uzay-zamanda 4 boyutlu bir çukur mu açar? Ay Dünya’nın uzaydaki çukuruna düştüğü için mi gezegenimiz çevresinde dönüyor? Sahi kütle boş uzayı kumaş gibi nasıl bükebiliyor? Boş uzayın büküldüğünü hayal etmek sağduyuya aykırı görünüyor. Geleceğimiz önceden belirli yazısında Einstein’ın görelilik teorisinde uzay ve zamanı birbirine nasıl bağladığını gördük ama neden bağladığını görmedik. Bu yazıda yerçekiminin gerçek kaynağını göstereceğiz.

Yerçekiminin nasıl anlaşılması gerekir?

250 yıl boyunca yerçekimini sıradan bir fizik kuvveti gibi düşündük. Newton’ın evrensel yerçekimi yasasına dayalı bu klasik model hem cisimlerin Dünya’ya düşüşünü hem de gezegenlerin Güneş çevresinde dönüşünü açıklıyordu. Adından anlaşıldığı gibi yerçekimi yasası evrenseldi ama 115 yıl önce bunun yanlış olduğunu anladık. Einstein’ın görelilik teorisinde yerçekimi uzay-zamanın bükülmesiyle oluşuyor. Örneğin uydumuz Ay Dünya çevresinde uzayın bükülmesiyle dönmüyor.

Bunun yerine uzay-zamanın bükülmesiyle oluşan 4 boyutlu çukurun içinde dönüyor. Uzay-zamanın bükülmesi zamanın da büküldüğünü gösteriyor. Kütle uzay-zamanı büker ve bükülen uzay-zaman kütleye nasıl yol alacağını gösterir. Birazdan göreceğimiz gibi cisimler hem uzayda hem zamanda hareket eder. Yerinde kımıldamadan duran Ağrı Dağı bile zamanda ışık hızıyla ileri hareket etmektedir.

Zamanın bükülmesini kavramakta zorlanmanızı anlıyorum. Yine de uzayın bükülmesini engebeli arazi veya buruşuk kumaş gibi düşünebilirsiniz değil mi? Her ne kadar 4B yerçekimi kuyularını gözümüzde canlandırmamız imkansız olsa da uzay-zamanın bükülmesini dalgalı bir deniz gibi hayal edebilirsiniz. Yine de zamanın nasıl büküldüğünü anlamak için bir düşünce deneyi yapalım:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Uzay gökdeleni Analemma

Dünya’nın en prestijli mimarlık bürolarından birinin tasarladığı 600 km yükseklikteki uzay gökdeleni Analemma’yı birkaç yıl önce anlattım ama şimdi daha ileri gidelim. Diyelim ki uzaydan Dünya’ya çekül gibi sarkan bu gökdelenin yüksekliği 300 bin km olsun! 😮 Öyle ki yerden yollayacağımız ışık ışınlarının gökdelenin tavanındaki aynaya ulaşması 1 saniye sürsün. Bunun için uzay asansöründeki mühendislik sınırlamalarını bir yana, her şeyin gerçek dünyadaki gibi olduğunu düşünün.

Şimdi yerden tavana foton ateşlemeye başlayalım. Öyle ki gökdelenin tepesine gönderdiğimiz ışık ışınları tek tek fotonlardan oluşsun. Ne göreceğiz? Fotonlar tepeye ne kadar sürede ulaşacak? Aslında 1 saniyede değil, daha uzun bir süre sonra ulaşacak. Yaklaşık 1,00000000001 saniyelik gecikmeyle, yani bir nanosaniyenin yüzde 1’i kadar; çünkü Dünyamızın kütlesi var uzay zamanı büküyor.

Küçücük bir fark ama bu da gökdelenin tepesindeki saatlerin yeryüzünden biraz daha hızlı çalıştığı ve zamanın daha hızlı aktığını gösteriyor. Görelilikte buna zaman genleşmesi deriz ama ben zaman değişmesi olarak adlandırmayı yeğlerdim. Zaman genleşmesi terimi uzay-zamanın bükülmesinden ve bu ikisinin geometrik olarak uzay gibi çizilip ölçülmesinden kaynaklanıyor. Bu durumda zamanın yavaşlamasını uzayın gerilerek ışığın aldığı yolu uzatması olarak düşünebiliriz.

Yerçekiminin detayları önemli değil

Zamanın bükülmesi derken dikkat etmemiz gereken zamanın farklı yerlerde farklı hızlarda akmasıdır. Örneğin Yeryüzünde zaman daha yavaş akar. Kara deliğin dış sınırı olan (ama yüzeyi olmayan) olay ufkunda zamanın akışı tümüyle donar (dışarıdan bakan size göre). Öyleyse Dünya’yı saran küresel bir zaman kozası var gibidir. Bizim de bunu küresel konumlandırma uydularında hesaba katmamız gerekir. GPS uydularında zaman daha hızlı geçer ve dikkate almazsak Instagram check-in’leriniz günde 11,2 km kayacaktır! İyi de zaman dokunabileceğimiz cismani bir şey değil ki? Öyleyse asıl bükülüyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Yerçekiminin kökeni

Bunu anlamak için görelilik teorisinde zamanın akışının nasıl yavaşladığına dikkat edin. Işık hızına yaklaşan cisimlerin boyu neden kısalır yazısında anlattığım gibi zaman iki türlü yavaşlar: Ya gezegen, yıldız, kara delik gibi kütleli cisimlerin yanında ya da ışık hızına yaklaşan cisimlerde yavaşlar. Oysa her ikisinde de dışarıdan bakan birine göre yavaşlar. Örneğin ışık hızının yüzde 99’uyla giden sarmal motorlu bir yıldız gemisindeki astronotlar Dünya’da zamanın yavaşladığını görür. Dünyadakiler de yıldız gemisinde yavaşladığını görür. Hatta bu ikizler paradoksuna yol açar.

Burada aklınızda tutmanızı istediğin tek şey zamanın yavaşlamasının göreli olmasıdır. Analemma uzay gökdelenine geri dönecek olursak. Yerden bakınca gökdelenin tepesinde zaman daha hızlı akacaktır. Gökdelenin tepesinden bakınca da tersi olacaktır. Uzay-zaman bir bütün olduğu için zamanın bükülmesi uzayın bükülmesine yol açacak ve tersi de geçerli olacaktır. Peki bu ne demektir? Bu uzayın değil, zamanın bükülmesinin yerçekimine yol açması demektir!

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Yerçekiminin en sevdiği sincap

Tamam, kafamız daha fazla karışmadan basit bir sincap örneği verelim. 😊 Görelilik teorisi ve yerçekimi hakkında ilkokuldan beri bildiklerinizi unutun. Yerçekiminin olmadığı bir dünya hayal edelim. Bu dünyada havada yüzen bir sincap olsun. Yerçekimi olmadığı için balon gibi olduğu yerde kalıyor, hiç düşmüyor. Newton’ın yerçekimi yasasına göre sincabı etkileyen hiçbir kuvvet yoktur.

Sincap hızlanmayacak, hareket etmeyecek, yön ve yer değiştirmeyecektir. Dışarıdan kuvvet uygulanana dek kımıldamadan duracaktır (şaşkın sincap!). Şimdi dünyada yerçekimi olmadığı halde sincabın kütlesinin olduğunu veya sincabın boş uzayda yüzdüğünü düşünelim. Sincabın kütlesi daha çok gövdesinde toplandığına göre ayaklarında zaman daha yavaş ve başında daha hızlı geçecektir.

Gerçek dünyaya geri döndüğümüzde sincabın yere düştüğünü göreceğiz. Bu kez Dünya’nın yerçekimi yüzünden ayaklarında zaman daha yavaş geçecektir. Sincabın ayaklarında zaman saniyenin katrilyonda birinin yüzde 4’ü kadar yavaş geçer. Uzayın bükülmesi ve zamanın akışı arasındaki ilişkiyi görmeye başladık mı? Biliyorum daha tam anlamadınız ama sorun yok. Son bir grafik ekleyelim:

Resimde Uzay Yolu’ndaki yıldız gemilerinin ne kadar hızlı gittiğini görüyorsunuz. Hızlı gidenler önde ve yavaş olanlar geride… Şimdi Hızlı gemilerle yavaş giden gemileri bir çizgiyle birleştirsek ne görürdük? Düz çizgi değil, eğri bir çizgi görürdük. İşte görelilik teorisinde zamanın bükülmesini böyle hayal etmeniz lazım. Zamanın akışındaki bükülme yerçekiminin uzayı bükmesine karşılık gelir. Yuvarlak Dünyamızın neredeyse küresel yerçekimi alanı uzayı bükerken zamanı da bükmüş olacaktır.

İlgili yazı: Yıldızlar Ne Kadar Yaşar ve Nasıl Ölür?

 

Yerçekiminin sebebi zamanın akışıdır

Buraya dek zamanın bükülmesinin uzayı bükerek yerçekimine nasıl yol açtığını eğri çizgiler mantığıyla gördük. Şimdi de termodinamik enerji akışıyla görelim. Sonuçta kuantum fiziği de görelilik teorisi de zamanda simetriktir. Zaman geçmişten geleceğe de aksa gelecekten geçmişe de aksa aynı şekilde işler. Bu da fizik yasalarının eskiden beri aynı olması anlamında iyidir ama fizik yasalarının zamanın neden ileri aktığını göstermemesi açısından kötüdür.

Aslında zamanın okunun geleceği göstermesini açıklayan bir yasa var: Termodinamik yasası. Isı hep sıcaktan soğuğa akar ve zaman da hep geleceğe akar. Yere düşüp kırılan yumurta kendiliğinden masaya sıçrayıp birleşmez; çünkü bu olasılık 1 trilyon yıl beklesek bile gerçekleşmeyecek kadar düşüktür. Öte yandan ısının sıcaktan soğuğa akması ancak evrende birbirine göre sıcak ve soğuk bölgeler olmasıyla mümkündür. Dünyamız ve sincabın kütlesi olmasaydı birbirini çekmesi de imkansız olacaktı.

Diyebiliriz ki evrenin yaşamı doğurmak, insan türünün evrim geçirmesini sağlamak ve elektrikli sobaları ısıtmak gibi yararlı bir iş yapabilmesi için uzayın farklı bölgelerinde enerji farkı olması gerekiyor. Enerji bir yerden başka yere akarken içinden geçtiği cisimleri de ister insan bünyesi ister nükleer reaktör olsun çalıştırıyor.

Evrende bir cismin yönü ve hızındaki değişiklikler de uzayın farklı bölgelerinde zamanın farklı hızda akmasıyla ortaya çıkıyor. Zamanın akışındaki farklılık hareket etme, devinme, değişme ve dönüşme imkanını doğuruyor. Bu nedenle yerçekimi söz konusu olduğunda temel olan zamandır. Zaman da kütlenin varlığıyla ortaya çıkar. İki boyutlu boş uzaya kütle koyduğunuz anda onu üç boyutlu uzaya dönüştürmüş olursunuz ve zaman akmaya başlar.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Peki ya fotonlar?

Fotonların kütlesi yoktur ve onlar için zaman akmaz. Uzayda bize göre hareket ederler ve uzak bir yıldızdan gelen ışığın bize ulaşması milyarlarca yıl alabilir fakat fotonlar için zaman geçmez. Onlar evrenin var oluşu ile yok oluşunu bir arada, anında ve yerinden hiç kımıldamadan algılar. Gördüğünüz gibi ışığın hareket etmesi bile kütleli cisimlerin için zamanın akmasına, yani kütlenin uzayı bükmesine bağlıdır. Böylece kütlenin zamanın akışı ve yerçekimine nasıl yol açtığını gördük.

Oysa elimizde kuantum kütleçekim kuramı olmadığı için zamanın akmasının tam olarak ne olduğu ve nasıl gerçekleştiğini bilmiyoruz. Yine de geleceğimiz önceden belirli mi yazısında anlattığım gibi en azından görelilikteki blok evren konseptine göre zamanın ırmak gibi akmadığını biliyoruz. Uzayın da kara deliğin içinde ışıktan hızlı akmadığını, bunun da uzayla zamanın yer değiştirmesine bağlı olduğunu biliyoruz. Kara deliklerin içinde oluşan zamanuzay bize zamanın uzayı nasıl büktüğünü gösteriyor.

Peki kara delikler evremizin içinde ondan bağımsız birer cep evreni olduğu halde kara deliğin içinde evrenimiz kadar büyük, belki de sonsuz büyüklükte bir evren nasıl oluşuyor? Onu da kara deliklerden başka evrenlere geçiş var mı, kara delikler yeni evrenler oluşturur mu ve nötronun ömrü ayna evren yüzünden mi kısa yazılarında görebilirsiniz. Paralel evrenlere göz atarak kuantum çoklu dünyalar yorumu neden doğru olabilir diye sorabilir ve hızını alamayarak paralel evrenlerin neden yanlış olabileceğini de sorgulayabilirsiniz. Güzel gelişmelerle dolu enerjik ve aydınlık bir hafta dilerim. 😊

Yerçekiminin doğası

¹Gravitation: from Newton to Einstein
²Gauge Theories of Gravitation
³Gravitation in flat spacetime from entanglement