Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Uzay-Zaman Fikrinin Geçmişi, Bugünü ve Geleceği

Hazırlayan: Ece Özen
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Bir konumun koordinatlarını verdiğinizde çoğu insan enlem, boylam ve belki de yükseklik gibi bilgilerin kendilerine verilmesini öngörürler. Ama genellikle dördüncü boyut olan zaman ihmal edilip, görmezden gelinir. Tüm bu unsurlar ile fiziksel koordinatların birleşimi, uzay-zaman olarak bilinen ve evrendeki her işleyişin arka planında bulunan kavramı oluşturur.

Albert Einstein’ın kuantum alan teorisi üzerine araştırmalar yapmakta olan fizikçi Eric Davis, uzay-zamanı şöyle açıklıyor:

“Einstein’ın 1905’te yayınlanan özel görelilik teorisi, Alman Matematikçi Hermann Minkowski’nin zamanın tıpkı günlük hayatımızda da tecrübe ettiğimiz gibi diğer–uzunluk, yükseklik ve genişlik- üç fiziksel boyut kadar uzay için önemli olduğunu gösteren, uzayın birleştirilmiş uzay-zaman modelinden uyarlanmıştır. Fizikte uzay-zaman, evren boyunca iç içe geçmiş, süreklilik gösteren uzay ve zamanın matematiksel modellemesidir.”

Almanya Heidelberg Üniversitesi’nden Profesör Luca Ammendola, Davis’e ek olarak şunları söylüyor:

“Uzay-zaman, bir olgunun sahnesi. Yalnızca durağan şeylerden oluşmuş, değişmez bir sahne değil; gezegenlerin hareket edişi, parçacıkların etkileşimi, hücrelerin yeniden üremesi gibi olaylarla değişen bir sahne.”

Uzay-zamanda ağır bir cisim, uzay-zaman bükülmesi yaratarak yakınındaki cisimleri kendine çekebilir.

Uzay-zamanda büyük kütleli (ağır) bir cisim, uzay-zaman bükülmesi yaratarak yakınındaki cisimleri kendine çekebilir.

Uzay-Zaman Fikrinin Tarihi

Uzay ve zamanın birleşik ve ilişkili olduğu fikri bilim tarihinde oldukça yakın bir zamanda kabul görmeye ve geliştirilmeye başlanmış bir teori. Öyle ki 1900’lerin başında Minkowski, Flemenk fizikçi Hendrik Lorentz ve Fransız teorik fizikçi Henri Poincare’ın çalışmalarına dayalı olarak birleşik uzay-zaman modelini oluşturmuştu. Daha sonra Minkowski’nin öğrencisi olan Einstein, 1905’te Minkowski’nin modelini uyarlayarak kendi özel görelilik kuramını oluşturdu.

Amendola bu konuyla ilgili şunları söylüyor:

“Uzay ile ilgili görüşler, içinde maddenin hareket ettiği değişmez bir sahne fikri, 20. yüzyılın başına kadar ilk Yunan filozoflarının fikirlerinin pratiğe dökülmüş halini yansıtıyordu. Zaman, bu dönemde değişmez kabul ediliyordu çünkü siz uzayda yolculuk ederken, zamanda da serbestçe seyahat edemezsiniz. Zaman bu sırada herkes için aynı akar.”

Eric Davis ise şöyle diyor;

“Einstein Poincare’ın, Lorentz’in ve Minkowski’nin farklı teorik çalışmalarını bir araya getirerek kendi kapsayıcı, elektromanyetik kuvvet ve gücün davranışını etraflıca ve ayrıntılı olarak işleyen bir şaheser niteliğindeki genel göreliliği ortaya çıkarmıştır.”

Uzay-Zaman Atılımı

Özel görelilikte, uzay-zaman geometrisi sabittir ama gözlemciler kendi göreli hızlarına bağlı olarak farklı uzaklıklar veya zaman aralıkları ölçerler. Genel görelilikte, uzay-zaman geometrisi maddenin hareketine ve bu hareketin etkilerine göre değişir.

“Einstein’ın genel görelilik teorisi birleşik uzay-zaman modeli ile ilgili ilk ve en büyük teorik atılımdır. Uzay-zaman modeli evrenimizin oluşması ve var oluşu konusunda fikir sahibi olmamızı sağlamıştır” diyor Davis.

Einstein, Genel Göreliliğinde kara delikler ve beyaz delikler gibi fenomenleri öngörüyordu. Aynı zamanda bir olay ufku olduğunu, kütle çekiminin sonsuz olduğu bir boyut ve içinden hiçbir şeyin kaçamayacağı bir merkeze sahip olduklarını da öngörmüştür. Genel Görelilik aynı zamanda astronomik cisimlerin uzay-zamanı sürükleyerek dönmelerini, Büyük Patlama’yı, uzayın enflasyonist genişlemesini, kütle çekim dalgalarını, zaman ve uzayın bükülmüş uzay-zamanla ilişkili bir biçimde açılmasını, büyük kütleli galaksiler sebebiyle oluşan kütle çekimsel kırılmayı, Merkür yörüngesindeki kaymayı ve diğer gezegen şekillerini, bilimin doğru olduğunu gösterdiği her şeyi, ayrıca ışık hızından hızlı motorların itki gücüne sahip olabileceğini, solucan deliklerinde seyahati ve zaman makinelerini öngörmüştür. Ayrıca genel görelilik, birleşik uzay-zaman modeli için ikinci büyük atılım olan kozmolojinin ortaya çıkmasına yol açmıştır.

atom-elde784

Uzay-zaman kavramının anlaşılması kuantum alan teorisininde anlaşılmasına yol açtı. Atomların ve fotonların hareketiyle ilgili bir teori olan Kuantum Mekaniği ilk olarak 1925’te yayımlandı. İlk başta fikir uzay ve zamanı ayrı ve birbirinden bağımsız kabul ediyordu. 2. Dünya Savaşı’ndan sonra teorik fizikçiler Einstein’ın özel göreliği ile kuantum mekaniğini matematiksel olarak birleştirmenin bir yolunu buldular ve Kuantum Alan Teorisi doğmuş oldu. Bu teori, elektromanyetik radyasyonun kuantum teorisi ve elektriksel yüklerin parçalarına ayrılması gibi konuları içeren ve Kuantum Elektrodinamik Teorisi (QED Theory)’nin 1950’lerde gelişmesine ön ayak oldu. 1970’lerde QED teorisi zayıf nükleer kuvvet teorisiyle birleşerek aynı kuvvetleri farklı bakış açılarıyla tanımlayan zayıf elektrik teorisini oluşturdu. 1973’te bilim insanları Kuantum Kromodinamik Teori (QCD Theory) olarak bilinen, temel parçacıklar olan kuarklar ve gluonlar üzerindeki güçlü nükleer kuvveti açıklayan teoriyi geliştirdiler.

1980’lerde ve 1990’larda fizikçiler QED teorisini, QCD teorisini ve Zayıf Elektrik teorisini birleştirerek “Parçacık Fiziğinin Standart Modeli” olarak bilinen bu mega teoriyi oluşturdular. Bu teori şu an için bilen tüm temel parçacıkların doğasını, üzerlerindeki dış kuvvetleri, kendileri ve diğer parçacıklarla tüm etkileşimlerini açıklar. Daha sonraları 1960’larda Peter Higgs’in varolduğunu öngördüğü, “Higgs Bozonu” olarak adlandırılan parçacık da 2012’de CERN’deki Büyük Hardon Çarpıştırıcısı tarafından bulundu.

1964'te Peter Higgs tarafından öngörülen Higgs Bozonu, 2012'de keşfedilmişti.

1964’te Peter Higgs tarafından öngörülen Higgs Bozonu, 2012’de keşfedilmişti.

Deneysel atılımlar sayesinde birçok temel parçacık elde edildiğini ve onların etkileşimlerinin bugün bilindiğini de açıklıyor Davis. Bu deneysel atılımlar yoğunlaşmış madde teorisinin ilerlemelerinden kaynaklanan ve bazı ders kitaplarında da yer alan iki yeni madde halini de öngörüyor. Yoğunlaşmış madde teorisi kullanarak keşfedilmiş maddenin hallerinden çoğu, Kuantum Alan Teorisi’nin matematiksel mekanizması kullanılarak keşfedilmiştir.

“Yoğunlaşmış maddeler metalik gaz, fotonik kristal, metamalzeme, nanomateryal, yarı iletken, kristal, sıvı kristal, yalıtkan, iletken, süperiletken, süperiletken sıvı gibi maddenin egzotik hallerini içerir. Ve hepsi birleşik uzay-zaman modelini temel alır” diye açıklıyor Davis.

Uzay-Zaman Fikrinin Geleceği

Bilim insanları belirli uzay görevleri ve uzay-zamanla ilgili gözlemleri içeren deneyleri kullanarak uzay-zaman algılarını geliştirmeye devam ediyorlar. Uzayın genişleme ivmesini ölçen Hubble Uzay Teleskobu bu gelişimi sağlayan ölçüm araçlarından biri. 2004’te başlatılan NASA’nın Kütle Çekim İnceleme B Görevi, Dünya’nın dönüşünün uzay-zamandaki bükülmeye etkisi üzerinde çalışıyor. 2012’de başlayan NuSTAR görevi kara delikler üzerine çalışıyor. Birçok diğer teleskop ve görev de bu fenomenler üzerinde çalışılmasına yardımcı oluyor.

Yeryüzünde, parçacık hızlandırıcılar on yıllardır çok hızlı hareket eden parçacıklar üzerine çalışıyor.

“Göreliliğin onaylanmasının en iyi yolu belli bir zamanda bozunan parçacıkları gözlemlemek. Bu bozunmanın süresi, parçacıklar çok hızlı hareket edip ivmeleri arttıkça giderek uzuyor. Çünkü zaman aralığı, göreceli hız arttıkça uzuyor” diyor Amendola.

İlerideki görevler ve deneyler uzay-zamanı daha derinlemesine incelemek için devam edecek. ESA ve NASA’nın ortak uydusu Euclide, 2020 için hazırlanıyor evrenin büyümesine neden olan karanlık madde ve karanlık enerjiyle ilgili fikirleri test etmek ve astronomik ölçekte haritalandırmak için çalışacak. Yeryüzünde ise LIGO ve VIRGO gözlemevleri kütle çekim dalgalarını, uzay-zaman eğriliğindeki küçük dalgaları incelemeye devam edecek.

“Eğer kara deliklerle başa çıkabilirsek, aynı yolla ivmeli parçacıklarla da başa çıkabiliriz. Uzay-zaman hakkında bir çok şey öğrenebiliriz” diyor Amendola.

Uzay-Zamanı Anlamak

Bilim insanları uzay-zaman sorunlarıyla başa çıkabilecek mi? Aslında bu, ne açıdan sorduğunza bağlı.

 

Birleşen karadeliklerin uzay-zamanda yarattığı dalgalanmaları gösteren bir sanatçı tasviri.

Birleşen karadeliklerin uzay-zamanda yarattığı dalgalanmaları gösteren bir sanatçı tasviri.

“Fizikçiler uzay-zamanla ilgili en şahane teori olan Einstein’ın Genel Görelilik ve Özel Görelilik kuramlarıyla uzay-zaman meselesinin en temel kısımlarını kavramış durumdalar. Buna rağmen, uzay-zaman ve kütle çekim üzerindeki kuantum etkisini henüz tam olarak kavrayabilmiş değiller” diye açıklıyor Davis.

Amendola da Davis’e katılıyor. Amendola, bilim insanlarının büyük uzaklıklardaki uzay-zaman kavramının, basit parçacıkların mikroskobik dünyalarındaki uzay-zaman kavramından daha kolay anlaşıldığı görüşünde.

“Belki de kısa mesafelerde uzay-zaman kavramı henüz yeni bir forma bürünmüştür veya sürekli değildir. Buna rağmen, biz bu sınırdan hala çok uzağız” diyor Amendola.

Bugünün fizikçileri kara deliklerle doğrudan deneyler yapamıyor veya yeni fenomenlerin ortaya çıkmasına sebep olabilecek kadar yüksek enerjilere çıkamıyorlar. “Hatta kara delikler üzerindeki astronomik gözlemler dahi tatmin edici değil çünkü ışığı tamamen emen bir madde üzerinde çalışmak hiç kolay değil” diye ekliyor Amendola. Yani bilim insanları kara delikleri incelemek için dolaylı yollar kullanmak zorunda.

Davis bu durumu şöyle açıklıyor; “Uzay-zamanın kuantum doğasını anlamak 21. yüzyıl fiziğinin kutsal kasesi. Bu sorunları çözebilecekmiş gibi görünmeyen ortaya atılmış teoriler bataklığının içinde çakılı kalmış durumdayız”.

Amendola ise iyimser tutumuyla şöyle söylüyor; “Bizi hiç bir şey durduramaz. Uzay-zamanı anlamak yalnızca biraz zaman alacak.”

Çeviren: Ece Özen
Düzenleyen: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynak

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Ece Özen

Marmara Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği öğrencisi. Kendisi hakkında bütün bildiği bu kadar. Hayat zor, hayat acımasız, bir de sıkıcı...