Evren 2B hologram mı? Kütleçekim dalgaları gösterecek

Evren büyük patlamada iki boyutlu yassı bir hologram olarak başlayıp üçüncü boyutu sonradan kazanmış olabilir mi? Bilim insanları evren 2B hologram durumundan üç boyuta geçerken şiddetli kütleçekim dalgaları yayıldığını düşünüyor. Büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları çok zayıfladı ama gelecekte LIGO gözlemevine uygulanacak yükseltmelerle bunları saptayacağız. Fizikçiler büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgalarına ve kara deliklerle nötron yıldızı çarpışmalarının ürettiği kütleçekim dalgalarına bakarak holografik evren teorisini test edecek.

2B hologram evren ve kütleçekim dalgaları

Nitekim görelilik teorisinde iki boyutlu uzaya kütle ekleyince yerçekimi ve üçüncü uzay boyutu ortaya çıkarak zaman akmaya başlıyor. Sicim teorisi de 5 boyutlu bir evreni yerçekimi olmayan 4B evren modeliyle tanımlayabileceğimizi gösteriyor. Bu da görelilik teorisiyle ile kuantum fiziği arasında (ikisinin bir türlü bağdaşmamasına rağmen) bir ilişki olduğunu gösteriyor. Peki evren büyük patlamada içi boş 2B hologram olarak mı oluştu? Üçüncü uzay boyutu ve yerçekimi sonradan mı ortaya çıktı? Zaman büyük patlamadan sonra mı akmaya başladı? İlkin kütleçekim dalgalarıyla görelim.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Evren 2B hologram mı?

Evren 2B hologram olarak başladıysa derinlik kazanması tıpkı suyun donup buz olması gibi bir faz geçişidir. Zaman akıyor mu yazısında evrenin büyük patlamayla oluşmasını açıklamak için uzay içeren ama zaman olmayan statik teoriler geliştirebileceğimizi gördük. Statik teoriler yaşadığımız evrenin başlangıcı olsa da (büyük patlama) evrenden önce gelen ezeli kuantum alanları olabileceğini gösteriyor. Ne de olsa bu teorilerde büyük patlama öncesinde zaman akmıyor! Evrenin 2B olarak başladığını öne süren holografik evren teorileri de bu sınıfa giriyor ve LIGO’nun göreceği kütleçekim dalgalarıyla bunu test edeceğiz. Peki kütleçekim dalgaları nedir ve nasıl oluşur?

Kütleçekim dalgalarının kökeni

Görelilik teorisinde kütle enerjiden türer ve kuantum fiziği bunu destekler. Boş uzayı dolduran kuantum alanları belirsizlik ilkesi nedeniyle rastgele titreşir. Bu da boş uzayın sıfırdan büyük enerjisi olduğunu gösterir. Görelilik ve kuantum fiziği bağdaşmaz ama bu iki önermeyi birleştirdiğinizde çarpışan kara deliklerle nötron yıldızları gibi küçük bir hacimde muazzam kütleye sahip gökcisimlerinin kütleçekim dalgaları ürettiğini görürsünüz.

Kara delik ve nötron yıldızı çarpışmalarında kütle enerjiye dönüşür. Bu enerji evrendeki herhangi bir fizik kuvveti olarak görülebilir. Yerçekimi de bir enerji alanıdır. Dolasıyla çarpışan ya da teknik adıyla birleşen kara deliklerin kütlesinin bir kısmının kütleçekim dalgalarına, yani enerjiye dönüşerek uzaya yayılması gerekir. Yapılan hesaplamalar kara delik kütlesinin üçte birinin kütleçekim dalgalarına dönüşeceğini gösteriyor ve gözlemler bunu destekliyor.

Evet, yerçekimi değil, kütleçekim dalgaları diyoruz; çünkü yerçekimi dalgaları su moleküllerinin titremesiyle oluşan mekanik deniz dalgaları veya havadaki dalgalanmalar gibi olup bu terim fizikte zaten kullanılmaktadır. Oysa kütleçekim dalgaları su kabındaki suyu dalgalandırmakla kalmaz. Bizzat kabı dalgalandırır; yani kütleçekim dalgaları boş uzayın dalgalanmasına yol açar.

Evreni oluşturan büyük patlama da bugün evreni dolduran 10⁸⁸ protonu ve diğer çok sayıda parçacığı oluşturmuştur. Kütle büyük patlama anında ortaya çıkmış ve dolayısıyla büyük patlama kara delik çarpışmalarından çok daha şiddetli olan kozmik kütleçekim dalgaları yaymıştır. Bunlara ilkin kütleçekim dalgaları diyoruz. İlkin kütleçekim dalgalarını görmek için nötron yıldızlarını kozmik saatler olarak kullanabiliriz.

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

 

Kütleçekim dalgaları ve görelilik

Kütleçekim dalgaları bu bağlamda hem evren içi boş bir hologram mı sorusunun yanıtını bulmamızı sağlayabilir hem de görelilik ile kuantum fiziğini bağdaştırabilir. İki teoriyi 100 yılda bir türlü birleştiremedik ama görelilik teorisinde öngörülüp 5 yıldır gözlenen kütleçekim dalgaları ve kuantum fiziğinde öngörüldüğü gibi boş uzayın bile enerjisinin olması (Casimir etkisi) bu kuramların birbiriyle ilişkili olduğunu gösteriyor. Peki iki teoriyi kütleçekim dalgalarını kullanarak birleştirebilir miyiz?

Bu yazıda neden bir “kuantum kütleçekim” kuramı geliştirmemiz gerektiğini de göreceğiz. Sonuçta görelik teorisi kara deliklerin merkezindeki tekilliği ve kuantum fiziği de zamanın nasıl aktığını açıklayamıyor. Buna karşın ikisi el ele verirse tüm evreni tek denklemle açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemizi sağlayabilir. Biz de LIGO’nun göreceği kütleçekim dalgalarıyla holografik evren teorisini nasıl test edeceğimize geçmeden önce görelilik ile kuantum fiziğini birleştirmenin yollarını görelim:

Görelilik teorisinin eksik olduğunu biliyoruz. Görelilik kara deliklerin merkezinde yerçekiminin sonsuza (?) ulaştığı tekilliği açıklamıyor ve evrenin büyük patlamayla nasıl oluştuğunu göstermiyor. Dahası milimetrenin onda birinden kısa mesafelerde, moleküler ve atomik ölçekte, temel parçacıkların arasında yerçekiminin nasıl işlediğini bilmiyoruz. Peki çarpışan nötron yıldızları ve kara deliklerin ürettiği kütleçekim dalgaları ile görelilik teorisini nasıl test ediyoruz?

Göreliliğin sınırlarını zorlayarak kuantum fiziğiyle yerçekimini birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirebilir miyiz? Evreni tek denklemle açıklayan her şeyin teorisini geliştirmek için kuantum kütleçekim kuramını kullanabilir miyiz? Sahi yerçekimi ile kuantum fiziği birleştirmek mümkün mü? Yoksa doğanın temelinde ikisinin asla bağdaşmayacağı daha derin bir gerçeklik mi var? Kütleçekim dalgaları bütün bunları bize gösterebilir. Nasıl mı?

İlgili yazı: Kepler Dünya’ya En Çok Benzeyen Gezegeni Buldu

 

Kütleçekim dalgaları ve kara delikler

Bilim insanları 2015’te gökbilimi kökten değiştirdi. Artık optik teleskop, radyo teleskop, kızılötesi teleskop, X ve gama ışını teleskopu ya da elektromanyetik radyasyonu alan diğer antenlerle evrendeki ışık kaynaklarına bakmakla yetinmiyorlar. Çarpışan nötron yıldızı ve kara deliklerin ürettiği kütleçekim dalgalarını da gözlemliyorlar.

Astrofizikçiler 14 Eylül 2015’te teknik adıyla bir kara delik birleşmesinin yaydığı kütleçekim dalgalarını önce ışık ve ardından da ses dalgalarına çevirip ilk kez kaydettiler. İlk kütleçekim dalgalarının saptanmasından sonra yaklaşık 60 kütleçekim dalgası kaynağı daha tespit ettiler. Böylece nötron yıldızları ve kara deliklerle ilgili yepyeni bilgiler edindik. Oysa kütleçekim dalgaları asıl görelilik teorisini test etmek için önemlidir; çünkü bu teorinin eksik olduğunu biliyoruz:

• Görelilik teorisi yerçekiminin milimetrenin onda birinden kısa mesafelerde nasıl davrandığını göstermiyor.
• Atomlar, moleküller ve temel parçacıklar arasında yerçekiminin nasıl davrandığını bilmiyoruz (özel görelilikte ışık hızına yaklaşan kütleli parçacıkların kütlesinin artması dışında).
• Evreni oluşturan büyük patlamada ve kara deliklerin merkezinde yerçekiminin sonsuz olduğu ya da sonsuza yaklaştığı durumlarda yerçekiminin davranışını hesaplayamıyoruz.
• Yerçekimi kütlenin uzay-zamanı bükmesidir diyoruz ama bu da yerçekiminin elektromanyetik kuvveti taşıyan fotonlar gibi kendine özgü bir parçacığı olmadığı anlamına geliyor.
• Süpersicim teorilerinde öngörülen ve yerçekimini kuantumlaştırarak kütleçekim kuvvetine çevirecek olan graviton parçacığını görmedik. Tersine süpersicim teorileri yanlış çıktı.

2B Hologram ve yerçekimi

Kısacası elimizde kuantum fiziğiyle görelilik teorisini birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı yok ve yerçekiminin ne olduğunu bilmiyoruz. Oysa evrenin ve kara deliklerin nasıl oluştuğunu açıklamamız gerekiyor ki her ikisinde de yerçekimi önemli bir rol oynuyor. Hatta evreni oluşturan büyük patlama anında tüm fizik kuvvetlerinin yerçekimiyle birleştiğini düşünüyoruz. Yerçekimi evrende ortaya çıkan ilk şey gibi görünüyor ama gerçekten öyle mi? Kütleçekim dalgaları bu soruları da yanıtlamamızı sağlayabilir.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

2B hologram ve birleşen kuvvetler

Zaman Akıyor mu, Yoksa bir Yanılsama mı? yazısında zamanın sonradan türemiş gibi göründüğü ve uzayın zamandan önce gelen bir olgu olabileceğini gördük. Dört Temel Fizik Kuvveti Nedir ve Nasıl Çalışır? yazısında ise büyük patlama anında bugünkü 4 fizik kuvvetinin (muazzam yüksek sıcaklık, basınç, enerji ve yoğunluk altında) tek kuvvet olarak birleşebileceğini gördük.

Nitekim fizikçiler bugüne dek tüm fizik kuvvetlerinin yerçekimi altında birleştiğini varsaydılar. Oysa zaman akıyor mu yazısında belirttiğim gibi yerçekimi bile büyük patlamada oluşan bir kuvvet olabilir. Fizik kuvvetlerinin yerçekimi altında birleşmesi yerçekiminin büyük patlamadan önce hüküm sürdüğünü göstermez. Bu durumda ya büyük patlama anında uzaydan başka bir bir şey yoksa? Düşünün! Boyut ne demek? Madde, enerji ve parçacıkların içinde hareket edebildiği yönler demek.

Bu durumda evrenin temeli her şeyin içinde hareket ettiği uzay boyutları olabilir. Dahası görelilik teorisinde zaman, yerçekimi ve üçüncü boyutun yalnızca 2B uzaya kütle eklendiği zaman ortaya çıktığını gördük. Demek ki 2B uzay evrenden önce var olabilir. İşte evrenin büyük patlamada 2B hologram olduğunu öne süren holografik evren teorisi buradan türüyor:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

2B hologram için ne yapabiliriz?

Bunun için üç şeye ihtiyacımız var: 1) Evrenin 2B içi boş bir hologram olarak başlayıp bildiğimiz 3B evrene nasıl dönüştüğünü göstermeliyiz. 2) Bu yeni holografik evren teorisi hem evreni diğer teoriler kadar iyi açıklamalı hem de onların açıklayamadığı diğer bazı noktaları açıklamalı ve 3) Yeni teorinin öngörüleri deneyler ve gözlemlerle test edilip doğru çıkmalı. İşte bilim böyle işler. 1 ve 2. maddeler yetmez. Mutlaka üçüncü maddenin kanıtlanması gerekir.

2B evren ve sicim teorisi

Sicim teorisi burada devreye giriyor. Detaylarını o kadar çok yazdım ki burada sadece ilgili noktaya değineceğim: 5 farklı sicim teorisini tek çatı altında birleştiren zar teorisi, diğer adıyla M teorisi (bir süpersicim teorisidir) gösterdi ki zamanla birlikte dört boyutlu evreni (en azından prensipte) bir uzay boyutu eksik olan holografik bir teoriyle tanımlamak mümkündür. Bunu kısaca görelim:

Arjantinli sicim teorisyeni Juan Maldacena bunu 5B anti-de Sitter uzayında başardı. At eyeri şeklinde bir uzaya sahip olan 5B hiperbolik bir evrenin nasıl oluştuğunu, zaman olmayan 4B evrende göstermeyi başardı ama dikkat edin: Bu evren yaşadığımız 4B evren değildir; çünkü bizim evrenimizde uzay düzdür, negatif eğriye sahip hiperbolik uzay değildir ve sadece üç uzay boyutu vardır. Bu yüzden zar teorisi holografik evren kuramını kanıtladı diyemeyiz ama Maldacena’nın fikrini yaşadığımız evrene uyarlayabiliriz. Oysa bugüne dek başaramadık! Bu da yeni 2B hologram teorisine esin kaynağı oldu.

Fizikçi Sabine Hossenfelder’in belirttiği gibi evren büyük patlama anında faz geçişi yaşamış olabilir. Zaten 2B evrenin 3B olması bir faz geçişidir ama faz geçişlerinin bir dezavantajı vardır. Evrenin bugünkü hali büyük patlamayla ilgili pek az ipucu içerecektir. Örneğin sadece buza bakarak sıvı suyu tanımlayan bir akışkanlar mekaniği geliştiremezsiniz. Sıvı suya bakarak buz halinin nasıl olacağını da bilemezsiniz. Bu ikisini ayrı ayrı incelememiz gerekir fakat zamanı geri sararak büyük patlamaya geri dönemeyiz ve laboratuarda yeni bir evren yaratamayız. Oysa kütleçekim dalgalarıyla geçmişe yolculuk edebiliriz:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

2B hologram ve kütleçekim kuramı

Zaman akıyor mu yazısında kuantum fiziğini yerçekimine eklemenin veya yerçekimini kuantum fiziğine eklemenin sonuçsuz bir kısır döngü olabileceğini gördük. Belki de görelilik ve kuantum fiziğini birleştirmek imkansızdır. Belki bir kuantum kütleçekim kuramı yoktur ama bunun yerine tüm fizik kuvvetlerinin yerçekimi altında birleştiği bir faz geçişi vardır. Belki de yerçekimi, yerçekimi olmayan 2B hologram evrenin (zaman dahil) bildiğimiz 4B evrene dönüşmesiyle ortaya çıkmıştır.

Geçmişe gitmek bildiğimiz kadarıyla imkansızdır (siz yine de zamanda yolculuk etmenin 9 olası yolunu okuyun 😊) ama büyük patlamadan kalan kütleçekim dalgaları bize büyük patlamada neler olup bittiğini gösterebilir. Bunlar yerçekimiyle oluşur ve yerçekimi kronolojik olarak tüm fizik kuvvetlerinden önce gelir gibidir. Kısacası kütleçekim dalgaları uzayı dalgalandırır ve elbette ki 2B evrende farklı dalgalanır. Evren 2B başladıysa ilkin kütleçekim dalgaları bunu bize gösterecektir.

Bugün farklı bir yol izledik ve kütleçekim dalgaları, holografik evren teorisi, kuantum kütleçekim kuramı, görelilik, kuantum fiziği ve sicim teorisi arasındaki ilişkiyi birçok açıdan ele aldık. Aslında çok geniş bir çerçeve çizdik ama artık büyük resmi görüyor, tüm soruların yanıtının kütleçekim dalgalarında yattığını anlıyoruz. Oysa kütleçekim dalgalarını görmek çok zordur. Bunu elimizdeki tek kütleçekim gözlemevi LGO ile görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Görelilik teorisine göre

1) Zaten bükülmüş uzayda hızlanan kütle (örneğin kara delik yörüngesine giren uzay aracı) veya 2) uzayın bükülmesinin sürekli değiştiği bir bölgede sabit hızla giden kütle (örneğin kendi çevresinde dönen kara deliğin uzayı puding karıştırır gibi girdaplandırması) kütleçekim dalgaları üretir. Bunlar suya damlayan bir damlanın havuzda yarattığı dalgalanmalar gibi uzaya yayılır.

• Kütleçekim dalgaları aslında uzayın dalgalanmasıdır.
• Kütleçekim dalgaları üreten cisimlerin enerji kaybetmesine neden olur (çarpışan kara deliklerin kütlesinin üçte biri kütleçekim dalgası enerjisine dönüşerek uzayda kaybolur)
• Kütleçekim dalgaları (yerçekiminde olduğu gibi) uzaya ışık hızında yayılır. Şimdi LIGO’nun bunları nasıl gördüğüne geçelim:

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Peki LIGO bunları nasıl görüyor?

Kütleçekim dalgalarının menzili sonsuzdur ve bunlar asla yatışmaz. Nasıl ki ışık ışınları evren genişledikçe kırmızıya kaysa da (frekansın azalması dalga boyunun uzaması) sonsuza dek uzayda gitmeye devam edecektir, kütleçekim dalgaları da zayıflasa da sonsuza dek yayılmayı sürdürecektir. Bunlar Dünya’nın içinden geçer ama şansımıza bizler çarpışan kara deliklerin yanında değiliz.

Bu yüzden uzayı şiddetle dalgalandıran enerjilere maruz kalmıyor ve gelgit çarpılma olayıyla parçalanmıyoruz (İngilizcesiyle Tidal Disruption Event için kütleçekim dalgaları şart değil. Yıldız kütleli kara deliklere çok yaklaşan yıldızlar da öncelikle gelgit dalgalarıyla parçalanır ama şiddetli kütleçekim dalgaları da benzer etki yaratır). Neyse ki büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları doğrudan göremeyeceğimiz kadar zayıftır. En yakın çarpışan kara delikler de çok uzakta ve kütleçekim dalgaları zayıftır. Her durumda bu dalgalar Dünya’nın içinden geçer ve biz fark etmeyiz bile!

Deniz dalgalanırken hem gerilir hem sıkışır (dalgaların tepe ve çukurları vardır). Kütleçekim dalgaları da cisimleri hem sıkıştırır hem gerer ki bu süreç Jüpiter uydusu Europa’nın Jüpiter’le uydularının gelgit etkisiyle esneyerek sürtünmeyle ısınmasına benzer. Aynı şekilde kütleçekim dalgalarının uzayı gerdiği yerde ışığın aldığı yol uzar ve ışığın bu yolu kat etmesi daha uzun sürer (zaman yavaşlar). Dalgaların uzayı kumaş buruşturur gibi dikey yönde sıkıştırdığı yerlerde ise ışığın aldığı yol kısalır (zaman göreli hızlanır). Lazer Girişimölçer Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (LIGO) dalgaları bu şekilde “görür”:

2B hologram ve lazer girişimölçer

LIGO’nun nasıl çalıştığını detaylarıyla anlattım. Kısaca bir lazer ışınını ikiye ayırıp birbiriyle kesişecek şekilde geri yansıttığını söyleyebilirim. Kütleçekim dalgaları zayıftır ama uzayı süper hassas bir lazeri etkileyecek kadar dalgalandırır. Bu da normalde kesişmesi gereken ışınların kayıp birbirini ıskalamasına yol açar. Lazer girişim dalgalarının ne kadar ve nasıl kaydığı kütleçekim dalgasının şiddetiyle yönünü gösterir. Biz de o bölgede bilinen kara deliklere bakarak kara delikler mi, yoksa nötron yıldızları mı çarpıştı? Kaçı çarpıştı ve bunların kütlesi nedir gibi bilgiler ediniriz.

İlgili yazı: Zaman Akıyor mu, Yoksa bir Yanılsama mı?

 

2B hologram ve modifiye yerçekimi

Oysa evrenin ilkin kütleçekim dalgalarıyla nasıl oluştuğunu anlamak için önce yerçekiminin hızını ölçmemiz gerekiyordu (yerçekimini graviton parçacığı taşır ama gravitonun kütlesi vardır diyen bazı süperkütleçekim teorileri ile MOND teorilerinin doğru olup olmadığını bilmemiz gerekiyordu). Sonuçta yerçekiminin hızını bilmezsek kütleçekim dalgalarının özelliklerini yanlış ölçeriz ve büyük patlama anında evrenin 2B hologram olup olmadığını bilemeyiz.

Neyse ki 2017’de çarpışan nötron yıldızlarını gözlemledik ve gördük ki yaydıkları kütleçekim dalgaları çarpışmanın yarattığı gama ışını patlamasının ışığından 1,7 saniye önce bize ulaştı. Bu da kütleçekim dalgalarının, dolayısıyla yerçekiminin ışık hızıyla yayıldığını gösterdi. Nitekim bunu çarpışan kara deliklerle yapamazsınız; çünkü kara delikler ışık yaymaz. Her durumda ışığın gecikmesinin nedeni patlamanın yaydığı gaz ve toz bulutunun ışığı perdelemesiydi. Artık yerçekiminin sadece katrilyonda bir hata payıyla ışık hızında gittiğini biliyoruz. Artık ilkin kütleçekim dalgalarını gözlemleyebiliriz!

Hem de bunu doğru olduğunu bildiğimiz tek yerçekimi teorisiyle, görelilikle yapabiliriz. Bu da göreliliğin sınırlarını test ederek sicim teorisi, süperkütleçekim, modifiye yerçekimi (MOND) ve halka kuantum kütleçekim kuramının hangisinin doğru olduğunu gösterir. Belki de hepsi yanlıştır ve 2B holografik evren teorisiyle büyük patlamanın gerçekte zamansız gerçekleştiğini anlarız.

Sonuçta görelilik salt tensör teorisidir

Kütle uzayı büker ve bükülen uzay kütleye yol gösterir. Bu kapalı kutu ve kısır döngüdür. Uzay-zaman bölünmez bir bütündür ama ne olduğu belli değildir. Oysa başka olasılıklar var. MOND teorilerinde olduğu gibi yerçekiminin skalar ya da vektörel bileşenleri olabilir fakat yerçekimi ışık hızında gidiyor. Demek ki yerçekimi şu anda salt tensöreldir ama büyük patlamada evren iki boyutlu ise sözünü ettiğimiz vektörel-skalar bileşenler sadece büyük patlama anında ve öncesinde etki etmiş olabilir. Belki de MOND teorileri bugünkü evreni değil ama evrenin nasıl oluştuğunu açıklıyordur. Peki ilkin kütleçekim dalgaları evrenin büyük patlamada 2B olduğunu bize nasıl gösterebilir?

İlgili yazı: Zaman Akıyor mu, Yoksa bir Yanılsama mı?

 

2B hologram evrenin ışığı

Sıradan bir holografik kart ışığı farklı açılarda kırarak kartın içindeki resmi üç boyutlu olarak algılamamızı sağlayan birkaç ayrı katman içerir. Her durumda holografik bir resmi görmek için ona ışık tutmanız gerekir. Işık büyük olasılıkla büyük patlamadan hemen sonra oluştu ama kütleçekim dalgaları tam büyük patlama anında oluştu.

Bu durumda evren 2B hologram olarak doğmuşsa ona ışık tutamayız ama bu hologramın fiziksel yapısını (katmanlarını diyelim) kütleçekim dalgalarının nasıl dalgalandığına bakarak anlayabiliriz. Bunun için ışığın polarizasyonunu görelim. Ne de olsa kütleçekim dalgaları uzayı dalgalandırırken içinden geçen ışığı da polarize eder (kutuplandırır). Prensipte ışığın kutuplanmasına bakarak evrenin büyük patlamada kaç boyutlu olduğunu anlayabiliriz.

LIGO 2015’te ilk kütleçekim dalgalarını gözlemlemeden önce Güney Kutbundaki BICEP-2 teleskopunu yöneten ekip evrendeki ışığın polarizasyonuna bakarak ilkin kütleçekim dalgalarını gözlemlediğini öne sürdü ama fizikçiler buna şiddetle karşı çıktılar ki haklıydılar. Polarizasyonun, ışığın Samanyolu galaksisindeki gaz ve toz bulutlarından geçerken kırılmasıyla oluştuğu anlaşıldı. Yine de bir gün kütleçekim dalgası kaynaklı polarizasyonu bulmamız şarttır; çünkü ilkin kütleçekim dalgaları LIGO’yla göremeyeceğimiz kadar zayıftır.

Bu yüzden 5 yıldır LIGO tek güvenilir kütleçekim dalgası gözlemevi olarak (İtalya’daki VIRGO ve Hindistan’da inşa edilmekte olan eşiyle) ortaya çıktı. Buna karşın size LIGO’yu anlatıyorum. Bunun sebebi de fizikçilerin kara delik çarpışmalarındaki kütleçekim dalgalarına bakarak ilkin kütleçekim dalgalarının özelliklerini anlamaya çalışmasıdır. Böylece evrenin nasıl oluştuğunu dair dolaylı ipuçları toplayabiliriz. Sonuçta kütleçekim dalgası mekaniği bellidir. Dalgalar ister eski ister yeni olsun, ortak özelliklere sahip olacaktır:

İlgili yazı: Çokluevren Oluşturan Enerji Nereden Geliyor?

 

2B hologram ve uzayın bükülmesi

Bunun nasıl olduğunu anlamak için tanıdık bir şey olan ışıkla başlayalım. Vakumda giden ışık her zaman elektromanyetik bir dalgadır, yani değişimli olarak elektrik ve manyetik alanlar üretir, ayrıca vakumda hep ışık hızında gider. Işığın iki tür polarizasyonu vardır: Saat yönü ve saatin ters yönü. Bu da ışığı oluşturan fotonların hareket yönüne göre soldan sağa veya sağdan sola dönmesi anlamına gelir. Vakumda ışığı oluşturan fotonların yarısı saat yönü ve yarısı da saatin ters yönünde döner.

Polarizasyon konusu bundan daha karmaşıktır ama özünde elektrik alanı her zaman manyetik alan eksenine dikeydir ve bu da vakumda giden ışınlardaki fotonların yarısının elektrik alanı ve yarısının da manyetik alan yönünde titreşmesine neden olur. Öte yandan maddeden yansıyan ya da içinden geçen ışık (örneğin gaz ve toz bulutları) saat yönü gibi sadece belirli bir yönde polarize olur. Aynı şey kütleçekim dalgaları için de geçerlidir. Bunun 2B hologram evrenle ilgisine gelince:

Evren büyük patlama anında iki boyutlu ise kütleçekim dalgalarının tıpkı sudan geçen ışığın kırılması gibi kırılmasına neden olacaktır. Bu durum yerçekimi merceğine benzer: Galaksiler ve kara delikler arkadan gelen ışığı bükerek çarpıtır, kopyalayarak çoğaltır ve odaklar. Büyük patlama sırasında evrene hükmeden yerçekimi de kütleçekim dalgalarını evrenin içerdiği uzay boyutu sayısına göre bükecektir. Bir istisna hariç bu durum kütleçekim dalgaları için de geçerlidir:

Kütleçekim dalgalarının bükülmesi

Onlar da polarize olur ama prizmanın içinden geçen ışık gibi kırılmaz. Kütleçekim dalgalarını bükmek için evreni bükmek gerekir. Evren büyük patlamadan önce 10^-28 cm’den bezelye tanesine ve büyük patlama sırasında futbol topu boyutuna genişlemiş ve bu süreçte uzay şiddetle bükülerek bir yerçekimi prizmasına dönüşmüştür. Bütün evren bir yerçekimi merceği gibi davranarak içinden geçen kütleçekim dalgalarını bükmüştür. Bunun için kütleçekim dalgalarının nasıl büküldüğüne bakalım:

İlgili yazı: Evrensel Sabitler Zamanla Değişiyor mu?

 

Kütleçekim dalgaları polarizasyonu

Kütleçekim dalgaları dalganın enerjisi, dalga boyu, şiddeti veya kutuplanmasına bakmaksızın her zaman ışık hızında gider. Kütleçekim dalgaları da ışık gibi polarize olur ama bunu saat yönü ile saatin ters yönü olarak göstermeyiz. Bunun yerine kütleçekim dalgaları elektrik alanıyla manyetik alanın birbirine dikey açı yapması ve fotonların bu yönlerde hem kendi çevresinde belirli bir yönde dönerek hem de belirli bir yönde sarmallar çizerek ilerlemesi gibi polarize olur.

Bu kez kütleçekim dalgalarının yatay olarak uzaya yayılması (dalgalanması) ve dikey olarak uzayı sıkıştırmasından söz ederiz (yani dikey dalga yüksekliğinden). Dikey yöndeki dalga yüksekliği ile yatay dalgalanma kütleçekim dalgaları yayılırken birbirine 45 derece açı yapar. Açı derken dalgaların uzama (uzaya yayılma) ile sıkışma (dalgaların yüksekliği) yönlerinde yaptığı titreşimlerin birbirine 45 derece açı yapmasından söz ediyoruz. Bunları artı (+) ve çarpı (x) polarizasyonu olarak gösteririz ve bu bir tornavidayı döndürmeye veya çarpık burgu makarnaya benzer:

İlgili yazı: Evreni Belirleyen Kuantum Alanları Nasıl Oluştu?

 

2B hologram için sonuçları nedir?

Vakumda yayılan kütleçekim dalgaları tıpkı ışık gibi iki yönde, artı (+) ve çarpı (x) yönlerinde eşit oranda dalgalanır. Bu yönler birbirine hep 45 derecelik açı yapar. Öte yandan tıpkı kara deliğin yanından geçen kütleçekim dalgalarına olduğu gibi uzay aşırı büküldüğü zaman bu dalgalar daha çok belirli bir yönde bükülen burgu makarna gibi davranır. Bu biraz da duvara başınızı eğerek bakmaya benzer:

Nasıl ki başınızı eğince gördüğünüz eşyalar ve duvar yana devrilmiş gibi olur uzayın bükülmesinden etkilenen kütleçekim dalgaları da LIGO’nun bakış açısına göre yana devrilmiş gibi dalgalanır. Evren büyük patlama anında 2B ise birbirine sonsuz sayıda açı yapan sonsuz yüzeyden oluşan bir kozmik prizma, yani fraktal mercek gibi davranacaktır. Bu da ilkin kütleçekim dalgalarının deyim yerindeyse devrik görünmesine yol açacaktır.

Devriklik açısı evrenin başlangıçta kaç boyutlu olduğunu gösterecektir ve bu açıyı gerçek hayatta iki şeye benzetebiliriz: Tornavida ve burgu makarnaya… Polarize olmayan kütleçekim dalgaları 10 kez dönen bir tornavidanın 5 kez sağa ve 5 kez sola dönmesi gibi dalgalanır. Polarize olanlar ise 6 kez sağa ve 4 kez sola dönmesi gibi dalgalanır ki bu açıdan yamuk burgu makarnaya benzer. Makarna sarmal dalgalar çizer ama çarpık olduğu için daha çok belirli bir yönde burulur, belirli yöne devrilir.

Devrik 2B hologram

Einstein’ın genel görelilik teorisi doğruysa kütleçekim dalgaları uzay nasıl bükülürse bükülsün ve dalgalar ne kadar devrik olursa olsun hep ışık hızında gider. Yok modifiye yerçekimi (MOND) teorileri doğruysa ve/veya evren büyük patlamada 2B başladıysa kütleçekim dalgaları da devrildiği yönde ışıktan biraz yavaş gidecektir. Hologram evren modeliyle MOND teorileri birbirinden farklıdır ama daha genel bir teorinin iki ayrı yüzü de olabilir. İlkin kütleçekim dalgaları bunu gösterecektir. Peki nasıl?

İlgili yazı: Neden Evrende Yeşil ve Mor Güneşler Yok?

 

2B hologram için iki yeni test

Bilim insanları evrenin nasıl oluştuğunu kütleçekim dalgalarının bükülmesiyle görmek için iki ayrı test geliştirdiler. Kolaylık olması için bunlara genel görelilik ve kuantum mekaniği testleri diyebiliriz. Önce genel görelilik testini ele alalım: Işık bükülür, polarize olur, kırılır ve hatta çiftkırılıma uğrar. Sanılanın aksine sıradan bir ayna, prizma ya da su katmanı (örneğin akvaryuma bakmak) ışığı bütün bu şekillerde etkilemez.

Aynısı kütleçekim dalgaları için de geçerlidir! 1) Evrenin oluşumundan kalan ilkin kütleçekim dalgalarının önümüzdeki 30-50 yılda göremeyeceğimiz kadar zayıf olduğunu söyledik. Büyük patlamadan bu yana geçen 13,78 milyar yılda çok zayıfladılar. 2) Kütleçekim dalgası polarizasyonu görmenin pratikte imkansız olduğunu söyledik: Galaksideki gaz ve toz bulutları ışığı polarize ediyor ve kütleçekim dalgasına bağlı ışık polarizasyonunu görmemize izin vermiyor.

Oysa tensörel olan görelilik teorisinin skalar veya vektörel bileşenleri varsa (burgu makarnanın belirli bir yöne meylederek burulmasını gösteren matematiksel parametreler) işin rengi değişir. María Ezquiaga ve Miguel Zumalacárregui¹ yeni makalelerinde diyor ki “Biz çiftkırılım özelliğini kullanarak 2B hologram evrenin kütleçekim dalgalarını nasıl büktüğünü LIGO’yla bile gösterebiliriz.”

Mademki ilkin kütleçekim dalgalarını ilk iki yöntemle göremiyoruz öyleyse kara delik çarpışması kaynaklı kütleçekim dalgalarında çiftkırılım olup olmadığına bakarız. Bu da bize görelilik teorisinin çok şiddetli bükülen uzayda ne ölçüde bozulduğunu gösterir. Bundan yola çıkarak evrenin büyük patlamada kaç boyutlu olacağını çıkarır veya en azından ilkin kütleçekim dalgalarını gelecekte çiftkırılıma bakarak görebiliriz. Öyle ki ilkin dalgaları görecek hassas aygıtları geliştirmek için 50 yıl beklemeye gerek kalmaz. Mevcut detektörlere doping yapıp bu dalgaları 20 yılda tespit edebiliriz!

İlgili yazı: Çarpışan Evren İzi Süper Boşluklar Var mı?

 

2B hologram ve çiftkırılım

2B hologram evren ve MOND teorileri uyarınca çarpışan kara deliklerde kütleçekim dalgaları belirli bir yöne devrik olarak dalgalanacak, o yönde hızları değişecek ve dalga boyuna göre farklı şekillerde bükülecektir! Bütün bunlar uzayda kaç boyut olduğuna bağlıdır. Evrende sadece çarpışan kara delikler uzayı büyük patlama kadar şiddetli büker. Bu sebeple kara delik çarpışması kaynaklı kütleçekim dalgaları ilkin dalgaları ve evrenin nasıl oluştuğunu gösterebilir.

Nitekim çiftkırılım budur ki ışığın çift kırılmasını resimde görebilirsiniz: Çiftkırılım özellikli materyallerin ışığı kırma indisi polarizasyona ve ışığın yayılma yönüne bağlıdır. Çarpışan kara delikler uzayı büken çiftkırılım özellikli cisimlerdir ve kütleçekim dalgalarını polarizasyonla yayılım yönüne göre farklı açılarda kırar. Polarizasyonu direkt göremeyiz ama çarpık kütleçekim dalgaları bulanların dolaylı olarak nasıl polarize olduğu ve büküldüğünü bize gösterir.

Bugün LIGO çiftkırılımı bile görecek kadar hassas değil ama onu güçlendiriyor ve daha duyarlı detektörler ekliyoruz. Üstelik yanına İtalyan VIRGO’yu kattık ve Japonya’daki KARGA ile Hint LIGO’su da geliyor. Dördü bir araya gelerek sürekli donanım yükseltmesi aldığında binlerce kara delik çarpışmasını tespit edecek ve nihayet yeterli sayıda çiftkırılım tespit edecekler. Peki ya kuantum testi?

İlgili yazı: Karanlık Akış: Evrenimizi Çeken Başka Evren mi Var?

 

Holografik ilke ve yerçekimi

Buraya dek kütleçekim dalgalarıyla evrenin oluşumuna görelilik açısından baktık ve şimdi de kuantum mekaniği açısından bakalım. Yazının başında 4 fizik kuvvetinin büyük patlama altında yerçekimi anında birleşerek tek kuvvet gibi davrandığını düşündüğümüzü söylemiştim. Şimdi bu fizik kuvvetlerinin 10³² Kelvinden daha yüksek sıcaklıklarda nasıl birleşebileceğine holografik ilke, kozmik faz geçişi ve fraktal evren açısından bakalım.

Öncelikle holografik ilke boyut sayısını azaltırken enformasyonu kaybetmemek demektir. Enformasyonu kaybetsek büyük patlamadaki 2B evrenin bugünkü evrenle ilişkili olduğunu asla gösteremezdik. Bunun dışında büyük patlamaya yaklaştıkça evren küçülüyor ve sıcaklık artıyor. Böylece fizik kuvvetleri birleşmeye başlıyor. Sıcaklık artarken ilk birleşen kuvvetler elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvettir ki bunların birleşmiş haline elektrozayıf kuvvet deriz.

Kuantum fiziği testinde sıcaklık artar ve fizik kuvvetleri birleşirken evrende dev plazma köpükleri oluştuğun varsayıyoruz. Bunlar da hem uzayı kütleçekim dalgalarını kıran bir prizmaya hem de fraktal yapıya dönüştürmüş olabilir. Kısacası büyük patlamada yayıldığını düşündüğümüz ilkin kütleçekim dalgaları fizik kuvvetleri birleşirken yayılmış olabilir. Bu öngörüyü ise Leonard Susskind, Gerard ‘t Hooft ve Juan Maldacena tarafından geliştirilen holografik ilkeye borçluyuz.

‘t Hooft bir sicim teorisyeni değil ama sicim teorisi doğru olmasa bile bu fizikçiler sırf evrenin nasıl oluştuğunu anlamamızı sağlayacak holografik ilkeyi geliştirdikleri için bilim tarihine geçmişlerdir. Gördüğünüz gibi hem görelilik teorisi hem de kuantum mekaniği evrenin büyük patlamada kütleçekim dalgalarını büken fraktal bir mercek, 2B hologram olarak gibi davranmış olabileceğini gösteriyor. Bu da görelilik teorisinin sınırlarını, eksiklerini kütleçekim dalgalarıyla test ederek evrenin nasıl oluştuğunu anlamamıza imkan veriyor. Evrenin nasıl oluştuğunu 2050’ye dek çözebilmek insanı heyecanlandırıyor.

2B hologram için sonsöz

Peki gözlemlenebilir evren hiçlikten nasıl oluştu? Onu da 3 paradoksla evren boşluktan nasıl oluştu? yazısında okuyabilir, solucandelikleri ile zamanda yolculuk mümkün mü diye sorabilir ve ışıktan hızlı yolculuk için yeni solucandeliği teorisine göz atabilirsiniz. Cumartesi ve pazarı tatil yöresinde geçirebileceğiniz veya büyük bir bahçe ya da sahilin tadını çıkarabileceğiniz muhteşem bir hafta sonu dilerim. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Kütleçekim dalgalarını saptamak

¹Gravitational wave lensing beyond general relativity: birefringence, echoes and shadows
²Gravitational waves from a holographic phase transition