Evrenin Keşfi Tüm Yazılar

Geleceğin İtki Sistemleri -7- Warp Sürüşü -2

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Doğada uzay-zamanın şekil ve akış değiştirdiğini biliyoruz. Peki, biz bunu yapay olarak kendi amaçlarımız doğrultusunda uygulayabilir miyiz? Uzay-zamanın kendisini öylesine büküp, hareket ettirebilecek bir teknoloji yaratabilir miyiz?

Artık konumuza giriş yapabiliriz. Ancak, başlamadan önce eğer okumadıysanız, kavramları algılayabilmeniz için yazımızın ilk bölümünü okumanız gerektiğini belirtelim.

9) Alcubierre Warp Sürücüsü 

Uzay-zaman düzlemini esnetip sıkıştırmanın en ünlü örneği olan Alcubierre sürücüsü 1994’te Einstein’ın genel görelilik teorisini kullanan fizikçi Miguel Alcubierre tarafından öne sürülmüştür.

“Şu anki fiziksel modeller çerçevesinde, herhangi bir kozmik mesafeyi ışık-hızı bariyerini aşmadan çok kısa süreler içerisinde kat etmenin bir yolu var mı?” Alcubierre’yi motive eden işte bu soruydu. Böylece kafasındaki bu soruya cevap olabilecek matematiksel modeli hazırladı.

Uzay-zaman düzlemenin genişlemesi ve sıkışması herhangi bir hız sınırına sahip olmadığı için Alcubierre, genel göreliliği ihlal etmeden fizik kanunlarındaki bu arka kapıyı kullanarak, Uzay Yolu’nun warp sürücüsüne çok benzeyen, yine de bazı ciddi farklılıkları olan bir model ortaya çıkardı.

warp_drive_starsh

Spekülatif bir Alcubierre sürücüsü çevresindeki uzay-zamanı bükerek (yada eğrileştirerek diyebiliriz) kendi çevresinde “warp baloncuğu” denen bir uzay-zaman sahası oluşturur.

Üstteki dalga benzeri ünlü geometrik şekil dört boyutlu bir uzay-zaman baloncuğunun üç boyutlu tasviridir. Gerçekte oluşacak uzay-zaman bölgesinin yapısını kabaca algılayabilmemiz için bu şekilde sunulur.

Bu warp baloncuğu içerisinde her şey normaldir. Fizik kanunları aynen geçerlidir ve warp sürücüsünü taşıyan gemi hareket etmemektedir. Ancak warp baloncuğunun duvarlarında uzay-zaman düzleminde müthiş bozulmalar olmaktadır. Bu baloncuğun hareket ettirilmesi ise baloncuk önündeki uzay-zamanın sıkıştırılması ve gerisindekinin genişletilmesi esasına dayanır.

balon-kizlar

Bu hareket hiç bir fizik kanununu ihlal etmeyerek ışıktan hızlı gerçekleştirilebilir. Miguel Alcubierre, fikrin matematiksel temellerini oluştururken, uzay-zamanı bükmek için yüklü miktarda negatif enerji ve/veya negatif kütleli madde denen egzotik madde gerektiğini buldu. Bunların ne olduğunu birazdan uzun uzun anlatacağız. Şu anda sadece hiçbirine sahip olmadığımızı, nerede bulacağımızı ve nasıl üreteceğimizi de bilmediğimizi söyleyelim.

Birçok araştırma, bir warp sürücüsü için ihtiyaç duyulan bu negatif enerji veya negatif kütleli madde için farklı miktarlar öngörüyor. Özellikle ilk modeller, “gözlemlenebilir evrendeki kütleden daha fazlası gerekir” derken yakın zamanda Chung-Freese metriği ile birlikte ihtiyaç duyulan kütlenin, warp baloncuğunun duvar kalınlığına göre bir Jüpiter kütlesi ile Voyager-1’in kütlesi (740 kg) arasında. Değişken miktarı bu kadar yüksek olunca neden çok umutlu olmadığımız daha iyi anlaşılıyor.

10) Negatif Kütleli Madde ve Negatif Enerji 

Egzotik madde: Yukarıda bahsi geçen egzotik maddeler, normal maddeden ve anti-maddeden farklı karakteristik ve fiziksel özelliklere sahip spekülatif madde çeşitlerine denir ve bu spekülatif maddelerden bazıları çeşitli fizik kanunlarını ihlal eder. Egzotik maddelerin yapı taşları bizim yapı taşlarımızdan farklı olabilir. Hepimizi oluşturan baryonlar (proton ve nötronlar) yerine farklı atom altı parçacıklar içerebilirler. Egzotik madde örnekleri şunlar olabilir.

einstein-bose-2154

Bose-Einstein yoğunlaşması: Normalde mutlak sıfıra çok yakın, düşük sıcaklıklarda gözlemlenen, Kuantum mekaniklerinin makroskopik boyutlarda vuku bulduğu, bir maddenin bütün atomlarının tek bir atommuş gibi birlik halinde titreşmesi durumudur. Yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesi durumunda ışınlanma, oda sıcaklığında süper iletkenlere kadar birçok inanılmaz uygulaması bulunabilecek bir madde halidir.

Kuark-Gluon plazması: Normal şartlarda çok yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda (örneğin Big-Bang sonrasındaki ilk bir kaç mili saniyede) vuku bulabilecek bir madde halidir. CERN gibi parçacık hızlandırıcılarda 4-5 trilyon Kelvin derecelik sıcaklıklarda oluşturulmaya çalışılan bu plazmada, maddenin en temel yapı taşları kuarklar ve gluonlar kendilerini bir arada tutan kuvvetlerden kurtulurlar. Yani bu plazmada atom bulunmaz, atomu oluşturan yapı taşları serbest halde bulunur.

Karanlık madde: Ne de olsa kütle çekimi haricinde normal madde ile hiç bir etkileşimini henüz gözlemleyemedik. Ne olduğunu bilmediğimiz için egzotik demekte henüz bir sakınca yok.

Takyon: Işıktan hızlı hareket ettiği öne sürülen, normal madde ile kesinlikle hiç bir etkileşimi ve gerçekliğine dair hiç bir kanıt bulunmayan spekülatif parçacıklar.

Yukarıdaki egzotik madde çeşitleri ardından konumuzda ismi geçen, uzay-zaman düzlemini bükmek için gerekli olduğu düşünülen negatif kütle sahibi maddeye bakalım.

Negatif kütleli madde: Antimadde ya da Karanlık Madde ile karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir. Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.

negatif--kutle-599

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji: Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti. Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)

casimir-etkisi-321478

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Buraya kadar kısaca özel ve genel görelilikten, ışık hızından, warp sürücüsü fikrinin ne olduğundan, Alcubierre warp sürücüsünün temel mantığından ve ihtiyaç duyduğu şeylerden bahsettik. Ancak bütün bunları nasıl bir araya getirip çalıştıracağımızı hala bilmiyoruz.

11) Alcubierre Metriği 

Bu kadar karmaşık bir konuyu bir ileri okuma bölümü ile devam ettirmeden olmaz. Yazımızın bu bölümünde Alcubierre metriği ve uzay-zamanı bükme işinin matematiğini, anlaşılır bir biçimde anlatmaya çalışacağız.

Metrik nedir? Metrik; tensör olarak da geçer ve kabaca uzayda iki nokta arasındaki mesafenin ölçüm yöntemidir. Ya da daha detaylı bir açıklama ile, uzayın geometrik karakteristiklerinin bir koordinat sistemi vasıtası ile anlatılmasına yarayan bir tanımlama yöntemidir. Bu tanımlama boyut, hacim, eğrilik, açı, gelecek ve geçmiş gibi değerler ile yapılır.

metrekup-alan45

Alcubierre, evrenin ilk anlarındaki kozmik genişlemeden esinlenen bir metrik hazırlamıştır. Bu metrik; t, x, y, z (üç uzay ve bir zaman boyutu) koordinatlarını ve; x = x(t), y = 0, z= 0 eğrilerini içerir. (x = uzay aracının hareket yönünü temsil eder.)

ds² = c²dt² + [dx – v(t)∫(r)dt]² + dy² + dz²

Gözünüz korkmasın.

Bu metrikteki değerler bize uzay aracının çevresindeki uzay-zaman eğriliğinin hızı (v) ve aracın bu eğriliğe göre radyal konumunu (r) verir.

Metrikte geçen ∫(r), eğrilmiş uzay-zaman şeklinin fonksiyonudur ve şu şekilde gösterilir:

∫(r) = tanh( σ (r + R)) – tanh( σ (r – R)) / 2tanh( σR )

Bu denklemde σ parametresi warp baloncuğunun duvar kalınlığıdır ve R ise warp baloncuğunun yarı çapıdır. Warp baloncuğunun duvar kalınlığının azalması, uzay-zaman eğriliğinin daha çok artması anlamına gelmektedir.

Yani denklem der ki;

σ değeri ne kadar büyürse, duvar kalınlığı o kadar incelir.

Bu denklemler kabaca warp baloncuğunun yapısını verir. Warp baloncuğunun hareket etmesi fenomenine ise “York Time” denir. York Time, bu warp baloncuğunun önünde kalan uzay-zaman düzleminin sıkışıp daralması ve gerisindeki uzay-zaman düzleminin genişlemesidir. Bu daralma ve genişleme, warp baloncuğunun hareket etmesine ve hatta hayalini kurduğumuz ışıktan hızlı yer değiştirmesini sağlar.

warp-baloncugu

York Time, “θ” işareti ile gösterilir ve eşitliği şöyledir.

θ = v{s}/c . x{s}/r{s} . df/ds{s}.

Sonunda {s} olan değerler, ilgili değerin uzay gemisine ait olduğunu gösterir.

Yani geminin hızı bölü ışık hızı ve geminin hareket yönü bölü geminin warp baloncuğuna göre konumu gibi. Denkleme göre warp baloncuğunun kalınlığı azaldıkça York Time değeri artar.

12) Matematiğin Gerçeğe Yansıması

Düşük enerji yoğunlukları bize zayıf bir uzay zaman eğriliği ve kalın bir warp duvarı verir. Ancak warp baloncuğunun merkezindeki “düz” uzay-zaman bölgesinin hacmi küçüktür. Duvar kalınlığını düşürmek yani uzay-zaman eğriliğini arttırmak için enerji yoğunluğunu kat kat arttırmak gerekmektedir. Warp baloncuğunun içerisindeki hacimde böylece artacaktır.

Anlaşılacağı üzere duvar kalınlığı fazla olan, zayıf bir eğimi olan uzay zaman baloncuğu oluşturmak daha kolaydır. Alcubierre metriğinin ünlü şekline yakın bir warp baloncuğu oluşturmak ise kat kat daha fazla enerji ister. Alcubierre metriğini yani uzay-zaman baloncuğunu oluşturduktan sonra baloncuk içerisinde hızlanma anlamına gelen “α” sıfırdır. Baloncuk içerisinde herhangi bir hızlanma hissedilmez. Zaman değeri de baloncuk dışındaki zaman değeri ile aynıdır, herhangi bir sapma olmaz.

Uzay gemimizi Dünya yörüngesinden geleneksel roketler ile çıkardık. Ardından gemiyi terk ettiği noktaya görece “durdurduk”. Warp sürücüsünü çalıştırdık ve warp baloncuğu oluştu. Ancak bir sorun var; gemimiz hangi yöne gideceğini bilmiyor. Buna simetri paradoksu diyoruz.

su-balonu

Sorun, ihtiyaç duyulan enerji yoğunluğu simetrik bir yapıya sahipken York Time metriği asimetrik bir yapıya sahip oluyor. Sonuçta warp baloncuğumuzun x ekseninde hareket yönü rastlantısal diyebileceğimiz bir hal alıyor.

Alcubierre, teorisini ilk ortaya koyduğunda bu sorunu çözebilmek için, geminin terk ediş noktasında bir istasyonun warp baloncuğunu hızlandıracak ve varış noktasında ise başka bir istasyonun baloncuğu durduracak şekilde yönlendirmesi gerektiğini belirtmişti. Bu “otoban” yaklaşımı hayal ettiğimiz warp konseptine kıyasla pek konvensiyonel değil. Atılgan istediği yöne gidebiliyorken, Alcubierre sürücüsü kendisini hızlandıracak ve yavaşlatacak harici kaynaklara muhtaç.

Neyse ki, yakın zamanda warp sürücüleri üzerindeki çalışmaları ile ismini duyuran NASA mühendisi ve fizikçisi Harold G. White, Alcubierre metriğini modifiye ederek bu sorunun üstesinden gelinebileceğini öne sürdü. Harold G. White, son zamanlarda NASA’nın warp üzerine araştırmalarını temsil eden önemli bir isim. Son yıllardaki optimistik tavrı kendisine borçluyuz.

White’ın katkıları ile modifiye edilen Alcubierre metriği, “uzay-zaman yükseltmesi” (space-time boost) denen bir prensip kullanır. Kabaca anlatmamız gerekirse, uzay-zaman yükseltmesi, uzay gemisinin sahip olduğu ilk hızı katlayarak arttırıp warp baloncuğuna yansıtır. Yani normal roketler ile 0.1c hıza çıkan bir gemi, örneğin 100 değerinde bir yükseltme ile 10 c (ışık hızının 10 katı) hıza çıkabilir. Tekrar hatırlatmakta fayda var bütün bunlar henüz oldukça spekülatif çalışmalardır.

13) Chung-Freese Metriği 

Alcubierre’den sonra 2000’de astrofizikçiler Daniel J. H. Chung ve Katherine Freese’in öne sürdüğü Chung-Freese metriği, evrenin süper-sicim teorisi ile ünlenen şekilde 10 boyuttan oluştuğu fikrine dayanır.
Aşina olduğumuz 4 boyutlu uzayımızın “Bulk” denilen fazladan bir boyutun etrafında eğrilmesi fikrini anlatmak için bir örnek verelim. Kalınlığı olmadığını varsaydığımız tamamen iki boyutlu bir kağıdın eğilmesi, kıvrılması. Kağıt bu şekilleri 3 boyutlu uzay içinde gerçekleştirir. Bizim 4 boyutlu evrenimiz de Bulk denen bir üst boyut “içerisinde” bu şekilde eğrilmektedir.

Bu üst boyutun ve diğer üst boyutların sayıları ve hacimleri başka yazılarımızın konuları olacaktır.

Az önce bahsettiğimiz H. G. White’ın “uzay-zaman yükseltmesi” değeri, Chung-Freeze metriği ile bir “Bulk değeri”ne dönüşür. Gemimiz warp sürücüsünü çalıştırdığında “yükseltme” yerine bir “Bulk değeri” kazanır ve bu “Bulk değeri” aynı şekilde geminin ilk hızı üzerinde yükseltici bir etki sağlar. Tabii geometrik olarak “Bulk koordinatı” kazanan bir geminin bizim uzayımız ile elektromanyetik etkileşimi azalacaktır.

Chung-Freese metriğinin warp araştırmalarına en büyük katkısı, uzay-zaman düzlemini bükmekten bahsederken üst boyutları, bu çok bilinmeyenli denkleme katarak, enerji ihtiyaçlarını büyük ölçüde düşürmesi olmuştur.

warp-62147

Üstteki tabloda da göreceğiniz üzere warp duvarı ince ve büküm yüksek olduğunda ihtiyaç duyulan kütle Jüpiter kadarken, kalın warp duvarı ve zayıf büküm Voyager kütlesine denk gelen birkaç yüz kilogramlık egzotik maddeye ihtiyaç duymaktadır. Daha önce de bahsettiğimiz gibi, ince warp duvarı çok daha yüksek hızlara olanak sağlar. Bu sebeple ihtiyaç duyulan kütle/enerji bu denli fazladır.

14) White-Juday Warp Sahası İnterferometresi 

İsmini Harold G. White ve Dr. Richard Juday’den alan bu deney, yapay uzay-zaman eğrilmesini ölçme amacıyla yapılan bir deneydir. Cihaz bir helyum-neon lazeri kullanır, lazer ikiye ayrılır ve ışınlardan bir tanesi warp sahası oluşturması beklenen halkanın içinden geçirilir. Eğer, halka warp sahası oluşturursa, lazerin faz değişimine uğraması ve dedektörde diğer lazer ile karşılaştırıldığında bunun anlaşılması gerekmektedir.

İlk deneyde kullanılan yüksek voltajlı bir elektrik alanı üreten yüksek-k (yüksek dielektrik sabitine sahip) baryum titanit seramik kapasitör halka, yeterli hassaslıkta ve dikkate değer bir veri elde etmeyi başaramamıştır.

warp-35547

Aynı deney düzeneği, başka bir spekülatif itki teknolojisi olan EmDrive deneylerinde kullanılmış, daha doyurucu ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmiştir. Bu deneylerde ayrılan lazer demetlerinden bazılarının hedefe ulaşması diğerlerinden daha uzun sürmüştür ve bunun olası bir uzay-zaman eğrilmesine işaret ettiği düşünülmektedir.

15) Sonuç

Göründüğü üzere warp sürücüleri hakkında çalışmalar, deneyler yapılıyor. Matematiği hakkında fikir sahibiyiz, negatif kütleli madde/enerji gerektiğini biliyoruz. Bazı çalışmalar egzotik madde olmadan da warp sürücülerinin mümkün olabileceğini söylese de henüz kesin bir fikir için çok erken. Ancak teknolojinin tam olarak nasıl çalışacağını ve mühendisliğini bilmiyoruz. Eğer mümkün olursa ne kadar ekonomik olacak ondan da emin değiliz. Sonuçta Alpha Centauri‘ye hızla gitmek için bir Jüpiter kütlesi kadar negatif kütleli madde “yakmak” çok cazip olmayacaktır. Bütün bunların yanında warp sürücülerini ciddi ciddi düşünmeden önce, Sicim Teorisi, Süper Sicim Teorisi, M-teorisi gibi alanlarda ciddi aşamalar kat etmemiz ve evrenin temel kanunlarınI bugün olduğundan çok daha kesin ve net anlıyor olmamız gerekmekte.

Berkan Alptekin

Not: En üstteki fotoğraf, Uzay Yolu dizisinden alıntıdır. Mr Spock ve Scotty’nin Atılgan’ın warp sürücüsüne enerji veren dilityum kristal düzeneğini onarmaya çalışmalarını gösteriyor.

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin