Yerçekimi nedir? Doğanın en gizemli gücü (ve hala bilmediklerimiz)

tarafından
64
Yerçekimi nedir? Doğanın en gizemli gücü (ve hala bilmediklerimiz)

Yerçekimi nedir? Doğanın en gizemli gücü (ve hala bilmediklerimiz)

Herkes yukarı çıkanın aşağı inmesi gerektiğini bilir. Ama neden? Yerçekiminin sürprizlerle dolu olduğu ortaya çıktı…

GettyImages 185295670 097e090 1 1
Yerçekimi nedir? Doğanın en gizemli gücün (ve hala bilmediklerimiz)

Yerçekimi olmasaydı, var olamazdık. Bizi Dünya’nın yüzeyinde ve Dünya’yı Güneş’in yörüngesinde tutan kuvveti sağlar.

İlk etapta Güneş Sistemi’nin oluşumundan sorumluydu ve Güneş’teki tüm materyalin kütleçekimsel çekimi, onu sıkıca bir araya getirerek nükleer füzyonun gerçekleşmesini mümkün kılar, bize ısı ve ışık verir.

Yine de her yerde bulunmasına rağmen yerçekimi Evren’deki en gizemli güçlerden biridir.

Yerçekimi nedir?

Elektromanyetizma, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerle birlikte doğanın dört temel kuvvetinden biri olan yerçekimi, son derece etkili bir doğa olayıdır.

Maddenin, eşyanın bir özelliğidir. Özetle: tüm maddeler diğer tüm maddelere çekilir. Ne kadar çok madde varsa ve nesneler birbirlerine ne kadar yakınsa, bu çekim kuvveti o kadar büyük olur.

Birbirini itebilen ya da çekebilen elektrik ve manyetizmanın aksine, yerçekimi her zaman cisimleri birbirine çeker.

Newton’un yerçekimi teorisi neydi?

GettyImages 154320249 cdba95c 1 1
Portrait of Isaac Newton (1642-1727) © Getty Images

Newton, yerçekiminin nasıl işlediğine dair bir hipotezi olmadığını ünlü bir şekilde ifade etmiştir.

Bunun yerine, yerçekimini tanımlamak için başlangıç noktası, yerçekiminin evrensel olduğu fikriydi – bir elmanın ağaçtan düşmesine neden olan aynı şeyin Ay’ı yörüngede tuttuğu fikri.

Bu kavram, astronomik verilerden oluşan bir koleksiyon ve bazı zekice düşünce deneyleriyle Newton, iki nesne arasındaki çekim kuvvetini sadece üç şeyin etkilediğini gösterebildi: her bir nesnenin kütlesi ve aralarındaki mesafe.

Hiçbir zaman bu şekilde yazmamış olsa da, teorisi yerçekimsel çekimin ters kare yasasını izlediğini gösterecekti. Yerçekimi kuvveti, iki nesnenin kütleleri çarpılıp aralarındaki mesafenin karesine bölünerek hesaplanabilir. Yani yerçekimi kuvveti, nesnelerin kütleleri arttıkça ya da birbirlerine yaklaştıkça artar.

Bu basit ilişki Ay’ın ve gezegenlerin hareketlerinin neredeyse tamamını açıklamak için yeterliydi ve NASA’nın Ay’a Apollo görevi için güvenli bir yörünge hesaplamak için ihtiyaç duyduğu tek şeydi.

Eşdeğerlik ilkesi nedir?

Eşdeğerlik ilkesi, Albert Einstein’ın “en mutlu düşüncesi” olarak tanımladığı şeye dayanır.

Bu düşünce, “eğer bir insan serbestçe düşerse, kendi ağırlığını hissetmeyeceği” düşüncesiydi. Başka bir deyişle, ivme ve yerçekimi tam olarak eşdeğerdir ve ayırt edilemez.

Bunun Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştiğini görüyoruz. İstasyonun Dünya’dan yörüngesel uzaklığındaki yerçekimi, yüzeydekinin yaklaşık yüzde 90’ı kadardır – ve yine de astronotlar yüzmektedir.

GettyImages 607406936 2be0cf5 1 1
Astronauts aboard the ISS are constantly falling towards the Earth © Getty Images

İnsanların yukarıda süzülmelerinin nedeni sürekli olarak gezegenimize doğru düşüyor olmalarıdır. Dünya’nın yüzeyine çarpmalarını bekleyebiliriz, ancak aynı zamanda ıskalamamak için doğru hızda yanlara doğru hareket ediyorlar – yörüngede olmak bunu gerektiriyor.

Eşdeğerlik ilkesi, bir insan düştüğünde olduğu gibi hızlanmanın ağırlığını dengelediğini gösterir. Einstein bu mutlu düşüncesinden bir sıçrama yaparak ivme ve yerçekiminin aslında aynı şey olduğunu öne sürdü.

Bu da hem yerçekimi kuvvetini öngören hem de nasıl işlediğini açıklayan Genel Görelilik Teorisi’ne ilham verdi.

Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi nedir?

Einstein, eşdeğerlik ilkesinden yola çıkarak kütlesi olan cisimlerin -atomdan yıldıza kadar her şeyin- uzay ve zamanı büktüğünü gösterebildi.

Newton’un asla gösteremediği bir şeyi açıklayan da bu çarpıtmaydı: yerçekiminin neden belli bir mesafeden çalışabildiğini.

Etrafı misketlerle çevrili bir trambolindeki basketbol topu gibi, daha büyük kütleli cisimler uzay-zaman dokusunda daha büyük bükülmeler yaratarak yakındaki cisimleri içine çeker ve eğri yörüngelerde hareket etmelerine neden olur. Ancak daha küçük cisimlerin bile bir etkisi vardır – her birimiz etrafımızdaki cisimler üzerinde küçük bir çekim kuvveti uygularız.

GettyImages 102729467 4c04400 1 1
Albert Einstein, burada Princeton Üniversitesi’ndeki laboratuvarında görülüyor © Getty Images

Newton‘dan çok farklı bir yaklaşım benimsediği için Einstein, başlangıçta kendisinin de çok az bildiği farklı bir matematik türünü kullanmak zorunda kaldı: eğri uzayın matematiği.

Ve Newton’un varlığından şüphelenmek için hiçbir nedeninin olmadığı, yerçekiminin kendi üzerinde bir etkiye sahip olduğunun şaşırtıcı keşfi gibi çeşitli ikincil etkileri hesaba katmak zorundaydı.

Einstein’ın Genel Görelilik denklemleri Newton’un denkleminin yaptığı her şeyi yapar, iki cisim arasındaki çekici kuvvetin boyutunu tahmin eder, ancak kütlesi olan her şeyin uzay ve zamanı bükme şeklini tanımladıkları için çok daha fazlasını yapabilirler.

Einstein Newton’un yanıldığını kanıtladı mı?

Kesinlikle hayır. Newton’un çalışması tanımlayıcıydı: gözlemlenenlere basit bir matematiksel denklem uydurdu.

Matematiği bize yerçekiminin nasıl işlediği hakkında hiçbir şey söylemiyor, ancak günlük şeylerin davranışının bir açıklaması olarak çok iyi çalıştı – ve hala çalışıyor.

GettyImages 851507 d5d02de 1 1
Apollo uzay aracını Ay’a götürmek için temel bir Newton yerçekimi kavrayışı yeterliydi © Getty Images

Einstein’ın yaptığı şey, yerçekimi olarak tanımladığımız kuvvete neyin sebep olduğunu anlamamıza yardımcı olmaktı.

Newton’un denkleminin yeterince iyi bir yaklaşım olmadığı, tipik olarak yerçekiminin çok güçlü olduğu bazı durumlar olduğunu gösterebildi.

Bu gibi durumlarda, daha doğru bir rakam elde etmek için Einstein’ı devreye sokmamız gerekir. Ayrıca Einstein, Newton fiziğinin temel işleyişi altında öngörülmeyecek tahminlerde bulunmak için de işe yarıyor.

Genel Görelilik için elimizde ne kanıt var?

Genel Görelilik için büyük miktarda kanıt vardır.

Einstein teorisini ortaya atmadan önce, astronomlar Merkür’ün yörüngesinin presesyon adı verilen ve Güneş’e en yakın olduğu noktanın kademeli olarak konum değiştirdiği bir özelliğini açıklamakta zorlanmışlardı. Newton’un denklemleri bu etkiyi tam olarak açıklayamıyordu, ama Einstein’ın çalışması açıkladı.

Dahası, kütleçekiminin uzay ve zamandaki bir bükülmeden kaynaklandığı fikri de test edilebilirdi, çünkü (örneğin) çok büyük bir cismin yakınından geçen ışığın, cismin yarattığı bükülmüş uzaydan geçerek eğri bir çizgide ilerlemesi gerektiği anlamına geliyordu.

GettyImages 90763802 e55f158 1 1
Einstein’ın yerçekimi konusunda haklı olduğunun ilk kanıtı 1919 yılında gerçekleşen bir güneş tutulmasıydı © Getty Images

Bu durum ilk kez 1919’da tam tutulma sırasında Güneş’in yakınından geçen ışıkta gözlemlenmiş ve o zamandan beri uzak galaksilerin mercek gibi davranarak arkalarındaki ışık yolunu büktükleri görülmüştür.

Einstein’ın denklemlerinin öngörülerinden bir diğeri de büyük kütleli bir cismin yakınında olmanın zamanı yavaşlattığıdır: bu nedenle bize uydu navigasyonu sağlayan GPS uydularından gelen sinyali düzeltmemiz gerekir.

Aynı şekilde, Gravity Probe B adı verilen bir deney, Einstein’ın öngördüğü gibi, dönen büyük bir cismin uzay-zamanı balın içinde dönen bir kaşık gibi kendisiyle birlikte sürüklediğini göstermiştir.

Yerçekiminin kara deliklerle ne ilgisi var?

Einstein’ın teorisinin tahminleri genellikle denklemlerinin basitleştirilmiş versiyonlarının çözülmesinin sonucudur. En eski tahminlerden biri, tüm maddenin tek bir noktada toplandığı sıkıştırılmış bir kütleyi, yani bir ‘yerçekimsel tekilliği’ tanımlıyordu.

Daha sonra, yaşlanan bazı yıldızların yerçekimine karşı koyamayacağı ve böyle bir nokta oluşturmak için kendi içlerine çökerek bir kara delik oluşturmaları gerektiği fark edildi. Bir kara delikteki yerçekimi o kadar güçlüdür ki ışık bile kaçamaz.

eso1907a 1 257cabb 1 1
M87 galaksisinin merkezindeki bir kara deliğin ilk fotoğrafı © Event Horizon Telescope

Benzer şekilde Genel Görelilik de Evren’in dokusunun genişleyip daralabileceğini öngörüyordu. Gözlemlerle birleştirildiğinde bu, Evren’in nasıl geliştiğine dair en iyi teorimizin temeli haline geldi: Büyük Patlama modeli.

Genel Görelilik aynı zamanda Evren’in genişlemesini hızlandırıyor gibi görünen gizemli fenomen olan karanlık enerjiye de ışık tutabilir.

Yerçekimi dalgaları nedir?

Kütlesi olan bir cisim uzay ve zamanı büker, dolayısıyla bu cisim uzayda hızlanırsa etrafındaki uzay-zamanda dalgalanmalara neden olmalıdır.

Bu dalgalanmalar kütleçekim dalgaları olarak adlandırılır ve tıpkı elektronların bir anten üzerinde yukarı ve aşağı ivmelenmesinin radyo ve televizyonun elektromanyetik dalgalarını oluşturması gibi dışa doğru hareket eder.

Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi’ni geliştirdikten kısa bir süre sonra öngördüğü kütleçekim dalgalarının çok sayıda kaynaktan her zaman üretilmesi gerekir. Ancak yerçekimi son derece zayıf bir kuvvettir, bu da bu dalgaların tespit edilmesinin son derece zor olduğu anlamına gelir.

c0300037 3a187dd 1 1
Kütleçekim dalgaları – uzay ve zaman dokusundaki dalgalanmalar – Einstein’ın tahminlerini doğruladı © Getty Images

LIGO deneyi Eylül 2015’te ilk kez kütleçekim dalgalarını gözlemlediğinde, bu dalgalar birleşen iki kara deliğin uzay-zamanda yol açtığı büyük bir bozulmanın sonucuydu.

LIGO’nun dedektörleri o kadar hassastır ki, geçen arabalardan sahile vuran uzak dalgalara kadar her türlü titreşimin elimine edilmesi gerekir.

Kütleçekim dalgaları ‘Einstein’ın teorisini kanıtladıkları’ için değil – bunun için elimizde zaten pek çok kanıt var – ışığın bile ulaşamadığı en eski yıllarına bakarak Evren’i incelemek için bize yeni bir yol sundukları için önemlidir.

Genel Görelilik her şeyi açıklıyor mu?

Neredeyse kesinlikle değil.

Genel Görelilik son derece etkilidir ve gündelik nesnelerin davranışları hakkında tahminlerde bulunma söz konusu olduğunda bir adım bile yanlış atmaz, ancak teorinin bozulduğu birkaç durum vardır – özellikle bir kara deliğin kalbinde veya Büyük Patlama’dan önceki Evren’i tanımlarken -.

Çok küçüklerin fiziği kuantum fiziği tarafından etkileyici bir doğrulukla tanımlanır, ancak Genel Görelilik ve kuantum teorisi uyumsuzdur. Doğanın diğer tüm güçleri ‘nicelleştirilmiştir’ – sürekli değişken miktarlar yerine parçalar halinde gelirler.

Varsayım, yerçekimini diğer kuvvetlerle uyumlu hale getirecek ve daha büyük nesneler için Einstein’ın teorisiyle aynı sonuçları üretecek bir kuantum teorisi geliştirmenin mümkün olması gerektiğidir.

Henüz en iyi girişimler sicim teorisi/teorisi ve döngü kuantum kütleçekimidir, ancak hiçbiri henüz kullanılabilir bir öngörü üretmemiştir.

Yerçekimine atom altı bir parçacık neden olabilir mi?

Büyük olasılıkla ve şimdiden bir adı var: graviton. Kuantum teorisinin elektromanyetizma gibi bir kuvvetin iletimini temsil etmesinin bir yolu da ‘bozon’ adı verilen taşıyıcı parçacıkların akışıdır.

Elektromanyetizma söz konusu olduğunda bu parçacık fotondur. Her bir parçacık, kuantize edilmiş fenomenin bir ‘kuantumu’ – bir parçasıdır.

Dolayısıyla eğer yerçekimi bir kuantum etkisi ise, taşıyıcısı olarak bir graviton olacağını varsayarız. Ancak, yakın zamanda Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda bir tane ortaya çıkmasını beklemeyin. Bir gravitonun başka bir parçacıkla tespit edilebilir bir şekilde etkileşime girmesi o kadar olası değildir ki, şu anda bir tanesini tespit edebilecek gerçekçi olarak düşünülebilecek bir deney yoktur.

Yerçekimsiz ortam diye bir şey var mı?

Bildiğimiz kadarıyla hayır. Elektromanyetizmanın aksine, yerçekimi tek yönlü bir etkidir – sadece çeker. Yerçekimini başka kuvvetlerle dengeleyebiliriz; bir şeyi her elinize aldığınızda bunu yaparsınız.

Karşıt kuvvet görünmez elektromanyetizma olduğunda özellikle etkileyici görünür – bir şeyin bir mıknatısın üzerinde yüzmesi gibi – ama bu anti yerçekimi değildir.

Yerçekimine karşı kalkan oluşturmanın bir yolunu da bilmiyoruz: yerçekimi her şeyin içinden geçer. Eğer yerçekimini durdurabilirsek, sürekli hareket eden bir makine yapabilir ve serbest enerji üretebiliriz. Bir su çarkının her bir çarkının aynı tarafını bariyer maddesiyle boyayın.

Çarkın bir tarafındaki küreklerin çıplak tarafları Dünya’ya bakacak, dolayısıyla yerçekimini hissedecek, diğer taraftaki kürekler ise yerçekiminden korunacaktır. Böylece tekerleğin sadece bir tarafı aşağı doğru çekilecek ve sonsuza kadar dönecektir.

Anti-yerçekiminin keşfedilmesi için küçük bir şans, antimaddenin sıradan madde tarafından yerçekimsel olarak itilebilmesidir.

CERN’deki bilim insanları yakında bunu test etmek için yeterli antimaddeye sahip olacaklar, ancak çoğu fizikçi bunun normal madde gibi davranacağını düşünüyor.

kaynakça science focus Brian Clegg


önceki yazıya git