Kütleçekim bir kuvvet değil! Hatta uzaya çıkan ilk astronotumuz Alper Gezeravcı’nın içinde süzülerek dolaştığı ISS de yerçekimsiz bir ortam değil! İyi de nasıl olur? Hepimiz astronotların orada süzüle süzüle uçtuğunu, bıraktıkları eşyaların yere düşmediğini gözlerimizle görüyoruz! Yerçekimsiz ortam işte!
Değil… Şaka falan yapmıyorum. Öyle gök itimi gibi zırvalıklardan da bahsetmiyorum ha, Barış Özcan tırlattı demeyin sonra 🙂 Bazen fizik bilmeyen birkaç kişinin böyle söylemleri önümüze düşebiliyor. Biraz dinleyince, gayet de akla yatkın gelebiliyor. İşte böyle sahte bilim tuzaklarına düşmemek için, işin fiziğini doğru anlamamız lazım. Yani kütleçekimin neden bir kuvvet olmadığını anlamamız şart.
Olay Einstein’ın genel göreliliğinde saklı. Einstein bu teoriyi geliştirirken, Newton mekaniğindeki bazı problemleri hedef aldı. Misal Newton mekaniği, Merkür’ün tuhaf yörünge hareketini açıklayamıyordu. Hepsinden öte Newton mekaniği, kuvvet denilen tuhaf bir şeyi açıklama olarak kullanıyordu. Sanki her şey anında oluyor gibiydi. Misal Güneş’i bir anda ortadan kaybolsaydı, çekim de bir anda ortadan kalkmalıydı. Bunlar Einstein’ı çok rahatsız etmişti. Üstüne bir de Merkür problemi gibi problemler de olunca, bir şeylerin yanlış olduğunu fark etti. Ortaya attığı genel görelilik teorisi, Merkür problemi gibi problemleri çözmekle kalmadı. Biz genelde onu ne kadar kapsayıcı bir teori olduğuyla anıyoruz ama… Esas ortaya koyduğu fark, kütleçekimi yorumlamadaydı. Einstein bakış açımızı komple değiştirecek bir şeyi keşfetmişti. Ama bunları anlamak için önce Einstein gibi düşünmeliyiz.
Mıknatıslar çok acayip değil mi? İki kutbu var ve aynı kutupları bir araya getirmeye çalışırsam… Birbirlerini itiyorlar. Biraz güçlü mıknatıs olunca birbirlerine değdirmek bile neredeyse imkansızlaşıyor!
Çok enteresan çünkü arada hiçbir şey yok, yani gözümle görüyorum olmadığını. Aradan bir kağıt da geçirsem, yine aynı kuvveti hissediyorum. Arada ip yok 🙂 Arada bir ‘kuvvet’ var. Gözümle göremesem de o orada. İşte uzunca bir süre kütleçekimin de böyle olduğunu düşündük. İki kütlenin birbirine çekim uyguladığı hani o Newton’ın kütle çekim teoreminden bahsediyorum. Fakat sonradan Einstein’ın genel görelilik teoremi geldi. Aslında iki kütlenin birbirini çekmediğini; maddenin uzay-zamanı büktüğünü ve bu bükülen uzay-zamanda hareket ettiğini gösterdi. Fakat kütleçekime hala bir kuvvetmiş gibi davranıyoruz. Dört temel kuvveti sayarken, onun da adı içlerinde geçiyor. Fizik derslerinde bile ağırlığımızı gösterirken, yere doğru bir vektör çiziyoruz. Fakat aslında kütleçekim bir kuvvet değil. Evet, bir kuvvet değil.
Einstein, genel göreliliği keşfi sırasında bir düşünce deneyi yaptı. Bir binanın üzerinden atlayan birini hayal etti. Bu pek tatlı bir hayal değil, yüksek bir binanın üzerinden atlayan bir gösteri paraşütçüsü olsun bu. Bu kişi, serbest düşmesi sırasında kendini ağırlıksız hissetmeliydi. Eğer elindeki eşyaları bırakacak olsaydı, tıpkı yerçekimsiz bir ortamdaymış gibi onlar da etrafında süzülmeliydi.
Fakat iki durum, yani serbest düşen paraşütçü ile uzay boşluğundaki astronot, aslında birbirinden çok farklı. Ya da… Bize mi öyle geliyor? Birinde, bir kütleçekimsel alanın içerisinde ivmelenerek yeryüzüne doğru düşüyorsunuz. Diğerinde ise hiçbir kütleçekimsel alan yok, bir boşluğun ortasında süzülüyorsunuz. Fakat ikisinde de aynı şekilde süzülüyorsunuz. Eğer dışarıya bakıp, ne olduğunu göremiyor olsaydınız iki durumu birbirinden ayırt edemezdiniz.
Bunu görmenin bir başka yolu da düşerken kendi ağırlığınızı tartmak olurdu. Normalde lisede fizik derslerinde ne yapıyoruz? Eğer cisim düşüyorsa, yere doğru onu çeken bir kuvvet çiziyoruz hemen. Sonra ivmeyi falan hesaplıyoruz… Fakat düşen kişinin çerçevesine gidecek olsaydınız üzerinizde herhangi bir kuvvet hissetmediniz. Yani serbest düşme halinde tamamen ağırlıksız olurdunuz, aynı şekilde uzay boşluğunda süzülürken de… İşte bu durum Einstein’ın çok ilgisini çekmişti ve bu iki durumun birbirinden ayırt edilemeyeceğini, birbirine eşdeğer olduğunu söyledi. Bugün bu ilke, ‘eşdeğerlik ilkesi’ olarak anılıyor.
Tabii bu bir ilke. Dolayısıyla bunun test edilmesi lazım. 100 yıldan beri fizikçiler eşdeğerlik ilkesinin çeşitli testlerini üretip denediler. Şu zamanki sonucumuz hala, ikisinin birbirinden ayırt edilemeyeceği yönünde. Bu yüzden hala daha hassas testler üretilip, sınanıyor.
Taa 1900’lerin başlarında iki kütle ölçümü arasında bir fark olup olmadığı zaten denenmişti. O yıllarda iki kütle ölçümü arasındaki farkın hassasiyeti 10^-6 yani milyonda bir kadardı. Fakat milyonda bir farklılık görememek bizi durdurmadı. 10^-9 yani milyarda biri indik, yine fark yok. Trilyonda bire, yani 10^-12 indik, fark yok. Günümüzde rekor ne mi dersiniz? 10^-15’lere kadar indik ve hala bir ayrım yok. İki kütleyi de aynı şekilde ölçüyoruz. Sanki birbirinden ayırt edilemezmiş gibi. Fakat durduk mu 🙂 Hayır. Özellikle bazı teoriler 10^-18 düzeyinde ve daha altında oluşabilecek farklılıkların kuantum kütleçekim açısından önemli olabileceğini işaret ettiği için denemeye devam ediyoruz.
Bunu bir cebe atalım. Söylediğim şeyin çok aykırı geldiğinin farkındayım, o yüzden daha sezgisel bir örnek vermeye çalışacağım. Bunu tanıdınız mı? Gökyüzündeki en büyük bilim istasyonu olan ISS, yani Uluslarası Uzay İstasyonu. Hani şu yerçekimsiz ortam videolarını izlediğimiz yer. Gördüğünüz üzere burada hiç yerçekimi yok, astronotlar boşlukta süzülüyor. Diğer her şeyle birlikte… Şimdi şaşırtıcı bir şey söyleyeceğim. Bu astronotlar aslında yerçekimsiz ortamda değiller 🙂 ISS, yeryüzünden yalnızca 400 kilometre yükseklikte yer alıyor. Eğer Dünya’da 9.8 olan yerçekimi ivmesini bu noktada hesaplayacak olursanız 8.7 gibi bir değer bulursunuz. Sadece %10 kadar az. E peki bu astronotlar nasıl boşlukta süzülüyorlar o zaman! Çünkü serbest düşüyorlar. İşte size ikisini ayırt edemeyeceğinizi söylemiştim!
Nasıl serbest düşme yaptıklarını anlamak pek kolay değil. Yani düşüyor olsalar bir süre sonra Dünya’ya çakılmaları gerekmez miydi? Şimdi size neden çakılmadıklarını ama sürekli düştüklerini sezgisel başka bir örnekle açıklayacağım.
Yeryüzünden bir top atışı yaptığımızı hayal edelim. Bu topu yere paralel olarak ateşleyelim. Ne olur? Bir süre sonra top, bir parabol çizerek yere düşer. Peki bu top aşırı ama aşırı hızlı olursa ne olur? Dünya’nın yörüngesinin dışına kadar fırlayabilir. Roketleri de uzaya benzer bir şekilde fırlatıyoruz. Şimdiii… İlk örneğe dönelim, hani topun yere düştüğü… Burada dikkatten kaçan bir önemli nokta var, Dünya’nın küresel oluşu. Aslında yeryüzü burada çizdiğimiz gibi dümdüz değil. Top fırlatıldıktan sonra yoluna devam ederken, Dünya’nın eğriliğinden ötürü aslında altındaki zemin de ondan bir miktar uzaklaşıyor. Pekiii… Bu topu öyle bir hızda fırlatalım, öyle bir miktar yol alsın ki… Yere düşeceği noktada yeryüzünün ondan uzaklaşma miktarı da aynı olsun. Yani yeryüzü aslında dümdüz olsa düşecek. Fakat yeryüzü de sürekli onun düştüğü miktar kadar ondan uzaklaşıyor. İşte bu durumda ne oluyor dersiniz? Dünya’nın etrafında bir yörüngeye oturuyor. Sürekli serbest düşme hareketi yapıyor, fakat hiçbir zaman yere değemiyor. Tıpkı… ISS gibi. Yani o aslında yerçekimsiz ortama örnek gösterdiğimiz ISS, aslında serbest düşme yapıyor. İşte alın size eşdeğerlik ilkesi. İkisini birbirinden ayırt etmek, aslında o kadar kolay değil. Bu yüzden de hala canla başla test edilmeye devam ediliyor.
Peki kütleçekim bir kuvvet değilse ne? Newton’a dönelim. Serbest düşen bir cisim için yere doğru bir çekim olduğunu söylüyordu. Aynı şekilde yerde dururken de ağırlığımızdan dolayı, yer bize eşit ve zıt yönde bir tepki kuvveti uyguluyordu. Fakat Einstein’ın genel göreliliği, yere düşerken bize bir kuvvet uygulanmadığını söylüyor. O halde nasıl düşebiliyoruz? Aslında tek yaptığımız, evrenin geometrisini takip etmek. Dünya, kütlesinden dolayı etrafındaki uzay-zamanı büküyor. Madde de bu uzay-zamanı takip etmek zorunda.
Bunu bir dağcının hareketine benzetebiliriz. Maddenin uzay-zamanı büktüğünü gösteren şu görselleri alıp, tersine çevirelim. Alın işte size bir dağ! Eğer bir dağcı, buranın etrafından gidecekse, gidebileceği tek yol, dağ tarafından oluşturulan şeklin üzeridir. Yani dağcı, dağı delip de içinden geçemez. Bükülen uzay-zamanın tanımladığı yollardan gitmek zorunda madde.
Peki o zaman yerde sabit durduğumuz durumda ne oluyor? Newton’a göre ağırlığımıza karşı bir de zıt yönde aynı büyüklükte bir tepki kuvveti vardı. Bu sayede dengede duruyorduk. Eğer Einstein’ın göreliliğine göre bizi yere doğru çeken bir kuvvet yoksa, bunun bizi yukarıya doğru fırlatması gerekmez mi? Olaya düşen kişinin referans çerçevesinden bakalım. Binanın içerisinde kalan birisini düşen bu paraşütçü nasıl görür? Evet, yukarıya doğru hareket ediyor olarak görür. Sanki aşağıdan ona bir kuvvet uygulanıyormuş gibi… Yani aslında yeryüzü bize böyle bir kuvvet uygulayarak, serbest düşmemizi durduruyor. O yüzden ayağımızın altından zemin çekilince, yani atlayınca, serbest düşüyoruz. Bize uygulanan hiçbir kuvvet kalmıyor. Tıpkı uzaydaymışız gibi…
O halde kütleçekim nedir? Kütleçekim bir geometri kuramıdır desek çok da yanlış olmaz sanırım. Ya da Wheeler’ın dediği gibi:
“Madde, uzay-zamana nasıl büküleceğini; uzay-zaman da maddeye nasıl hareket edeceğini söyler.”