Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Kütle Çekim Neden Diğer Kuvvetlerden Daha Zayıf?

Telif: Nikolay Tikhomirov
Hazırlayan: Eyüp Gürses

Sizlerin de yakından bildiği gibi evrene dört temel kuvvet hükmeder. Evrende bildiğim her şey, bu dört temel kuvvetin etkileşimiyle meydana gelir, buna kütle çekim de dahil…

Bunlar; elektromanyetik kuvvet ki bunun taşıyıcı parçacığı fotonlardır, güçlü nükleer kuvvet ki bunun da çok aşikar olduğu gibi taşıyıcı parçacığı gluonlardır. Adından da anlaşılabileceği gibi gluonlar atom çekirdeğinin bir arada durmasından sorumludur, aksi taktirde çekirdekte 2 proton ve 2 nötron bir arada duramazlardı. Diğer temel kuvvetimiz ise zayıf nükleer kuvvettir ki, bu genelde bozunmalardan,  aynı zamanda bir çok elementin kararsız olmasından da sorumludur. Peki nedir bunun taşıyıcı parçacığı? W+, W- ve Z0 bozonları evet. Konudan bağımsız olsa da Z0 bozonunun yüksüz ancak W+ ve W- bozunlarının yüklü ve birbirlerinin anti parçacığı olduğunu bilmekte fayda var.

Peki kütle çekimin kütle çekim kuvvetinin taşıyıcı parçacığı nedir? Veya kütle çekim tam olarak nedir?

Kütle Çekim

Bir elmanın yere düşmesi ile, Ay’ın Dünya yörüngesinde dolanmasını aynı kütle çekim mekanizması kontrol eder ve aynı Newton formülleri ile hesaplanabilir.

Hala Newton‘un kütle çekim yasasına göre mi kütle çekimi açıklıyorsunuz? Evetse, gurur duyabilirsiniz. Çünkü bunda yanlış hiçbir şey yok. Hatta Dünya üzerindeki ESA, NASA, RSA, JAXA gibi uzay ajansları bile uzay araçlarının dünyadan kaçış hızına ulaşması ve yörüngeye oturmaları için bunu kullanıyor. Peki ne eksiği var bunun onlar bile bunu kullanıyorsa?

Newton’ın denklemleri hareketi çok iyi tarif etse de, hatta Ay’ın Dünya’nın yörüngesinde dolanmasının ve elmanın yere düşmesinin aynı kuvvet tarafından etkilendiğini bilmesine rağmen en basit, bir o kadar da karmaşık olan bu kütle çekimin kaynağının ne sorusuna cevap verememiş olması çok doğaldır. Günümüzde bile bu sorunun cevabı çok açık değildir. Tabii ki o zamanlarda genel göreliliğin bilinmediğini bildiğimiz için, bunu anlayışla karşılayabiliriz.

Einstein’ın genel göreliliğinin formüle ettiği gibi, uzayı ve zamanı birbirinden ayrı şeyler olarak düşünemeyiz ki, Newton zamanında bunlar birbirinden ayrı olarak ele alınıyordu. Uzay-zaman bir trambolin gibi düşünülürse Dünya’ya bowling topu Ay’a ise bilardo topu diyebilirsiniz.

Kütle Çekim

Kütle çekimin hep iki boyutlu çarşaf ve top görselleriyle örneklenmesinden sıkıldınız mı? Bakın, 3 boyutlu uzayda cisimler “uzay zaman”ı bu şekilde eğerler. (Telif: 1ucasvb.tumblr.com)

Böylelikle kütle çekimin aslında uzay-zamanın kendi eğriliğinden başka bir şey olmadığını görebilirsiniz. Einstein’ın da söylediği gibi; “Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve.” Yani uzay-zaman maddeye nasıl hareket etmesi gerektiğini, madde ise uzay-zamana nasıl eğrilmesi gerektiğini söyler.

Peki bu kütle çekimin taşıyıcı parçacığı ne? Kütle çekimin taşıyıcı parçacığı graviton: Kütlesiz, nötr, 2 spinine sahip bir taşıyıcıdır ki, bu taşıyıcı parçacık şu ana kadar hiç gözlemlenmemiştir. Ama, Einstein’ın genel görelilik teorisinin olmasa da, kuantum kütleçekim teorisinin önemli “varsayımsal” bir parçasıdır. Hatta sicim teorisinin bir çözümüdür.

Bu yıl Nobel fizik ödülünün kütle çekim dalgalarının keşfedilmesine şaşıran oldu mu hiç? Tabii ki hayır, bir nevi herkes bekliyordu. Ancak kütle çekim dalgalarının uzay-zamanda dalgalanmalar gibi davranıp tespit edileceği nasıl biliniyordu?

Tabii ki izafiyet teorisinin yardımıyla. Yani yine Einsten’a borçluyuz bu keşfi. Kendisi keşiften tam 100 yıl önce, uzay-zamanda iki büyük kütleli cismin (yani karadelik veya nötron yıldızları) çarpışması vasıtasıyla kütle çekim dalgalarının keşfedilebilir olduğunu öne sürmesine rağmen, keşif anından öncesine kadar gerçekliği kesin değildi. Sadece teorisinin bir başka tahminiydi. Nihayet yakın zamanda LIGO yardımıyla bunun da doğru olduğu keşfedildi ve Einstein tahminlerinde bir kere daha haklı çıktı.

LIGO dedektörünün algıladığı kütle çekim dalgalarına sebep olan iki nötron yıldızının oluşturduğu uzak bir galaksideki kilonova patlamasının teleskoplarla alınmış görüntüsü.

Peki neden kütle çekime zayıf diyoruz?

Bunu şöyle düşünürseniz daha iyi kavrayabilirsiniz: Elinize bir çubuk mıknatıs alın ve hafif bir demir parçasının azıcık üstüne getirin. Belli bir mesafeden sonra demirin aniden mıknatısa yapıştığını göreceksiniz ve liseden hatta ilkokuldan beri bunu bildiğiniz için şaşırmayacaksınız. Neden şaşırmıyorsunuz? Az önce ufacık bir mıknatıs koskoca Dünya’nın kütle çekimini yenip, demiri kendisine doğru çekebildi.

Evet, sona yaklaştık gibi… Neden kütle çekim baskın gelip tutamadı sevdiğini yanında? (mecazi olarak tabii bunu kimsenin ciddiye almasını beklemiyorduk zaten). Siz bile, küçücük kaslarınızla yerdeki bir taşı rahatça alabilir, yahut havaya zıplayabilirsiniz. Nasıl oluyor da altınızda bir uçtan diğerine 13 bin km boyunca uzanan devasa Dünya’nın kütle çekim gücü, size bile karşı koyamıyor? Ama yine nasıl oluyor da, Ay gibi çok büyük bir cismi kendi yörüngesinde tutmayı başarıyor?

Buna kanıtlanmış, deneylerle hatta tek bir deneyle bile sınanmış bir cevap yok, Şu an elimizde olan sadece fikirler. Mesela her şeyin teorisine en büyük aday olan sicim teorisi veya kuantum alan teorisi. Biz size şimdi bu zayıflığı sicim kuramının açıkladığı gibi açıklayacağız.

Sicim kuramını paket lastiklerini hayal ederek anlamaya çalışabilirsiniz. (Telif: alamy.com)

Sicim kuramı bize; noktasal parçacıkların hepsinin kesilmiş paket lastiği gibi, Planck uzunluğundaki sicimlerin farklı frekanstaki titreşimlerinden oluştuğunu söyler. Yani bir açık sicim olan elektronu oluşturan sicimin belli frekansta titreşmesi, elektronu oluşturur. Başka frekansta titreşmesi ise başka bir parçacığı. Neyi mesela? Graviton’u tabii.

Normal nokta parçacıkların hepsi açık sicimlerden oluştuğu için, bu içinde olduğumuz D-zar’ı terk edemezler. Bunu bir nevi zar yapı olarak düşünebilirsiniz; bizim evrenimizi de 3 –zar olarak (daha fazla bilgi için büyük birleşim kuramı yazımızı okuyabilirsiniz) ve bunun dışında extra boyutlu zar yapıları 5-zar, 7-zar, 9-zar gibi düşünebilirsiniz.

Graviton diğer noktasal parçacıkların aksine bizim 3-zar’ımızı rahatlıkla terk edebilir ve extra boyutlara sızabilir. Çünkü gravitonun temel yapı taşı olan sicim açık değil kapalıdır bu da D-zar’a tutunmasına izin vermez ve D-zardan kolayca başka boyutlara sızmasını sağlar. İşte bu nedenle kütle çekim bu kadar zayıftır bizim evrenimizde. Çünkü başka boyutlarada nüfuz etmektedir.

Yine de, ne bu zayıflığın nedeni, ne graviton, ne de kütleçekime sebep olan şeyin ne olduğu hakkında elimizde deneysel bir kanıt yok. Hatta ve hatta, bu yazıda anlattığımız teoriler hakkında da bilim insanları arasında bir fikir birliği bulunmuyor. Eğer bir gün, kütleçekimine sebep olan “şey” bulunacak olursa, emin olun insanlığın en büyük bilimsel başarılarından biri, hatta belki de en önemlisi olacaktır.

Eyüp Gürses

Kapak fotoğrafı telif: Nikolay Tikhomirov

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Eyüp Gürses

Hacettepe üniveristesi Fizik Mühendisliği bölümünü kazandı hazırlık okurken tekrar üniversite sınavlarına girerek Selçuk Üniversiesinde Makine Mühendisliği okumaya başladı 4.sınıfta okulu dondurup 7 ayda ingilizce öğrenerek University of Debrecen’de Fizik okumaya başladı ve halen devam ediyor. İlgilendiği alanlar: Fizik, Matematik, Evrimsel Biyoloji, Nörobiyoloji, Psikoloji, Kriptoloji, Edebiyat, Felsefe…