Evrenin genişleme sürecini tersten düşünelim. Evren tek bir taneciğe doğru büzülürken, maddesel içeriği de sıkıştırılmış ve sıcak bir duruma geçer. Aslına bakılacak olursa, bu sürecin bir sınırı yok. Evren, genişlemesinin başladığı an olan doğum anında, sonsuz derecede yoğun ve sıcaktı. Fizikçiler herhangi bir değerin sonsuzluğa doğru fırladığı noktaya tekillik demektedir. Standart Büyük Patlama projeksiyonuna göre, evren bir tekillik içinde doğmuştur.
Einstein’ın kütleçekim teorisinin tekillik öngördüğü diğer yer, bir kara deliğin kalbidir. Bu durumda, düşünülemeyecek bir şekilde büzülen bir yıldızın maddesi, en sonunda sıfır hacme sıkışarak sonsuz yoğun ve sıcak bir hale gelir. Zamanında dendiği gibi, “kara delikler, Tanrı’nın sıfıra bölme işlemini yaptığı yerdir.”
Bir şeyi daha küçük bir hacmin içine (örneğin havayı bisiklet pompasının içine) sıkıştırdığınızda madde ısınır. Dolayısıyla Büyük Patlama da sıcak bir olaydır. Bunu ilk fark eden kişi Ukrayna kökenli Amerikalı fizikçi George Gamow oldu. Gamow’a göre, Büyük Patlama’nın sonrasındaki ilk anlarda evren, nükleer bir patlamanın yarattığı kor halindeki ateş topuna benzeyen bir şeydi.
Ancak patlamanın ardından geçen saatler ve günler içinde, nükleer bir ateştopunun ısı ve ışığı atmosferin içine dağılıp yok olurken, Büyük Patlama’nın neden olduğu ateş topundan kaynaklanan ısı ve ışık için bu durum geçerli değildir. Evren, tanım olarak, var olan her şeyi içerdiğinden, patlamanın sonrasında oluşan ısı ve ışığın gidebileceği hiçbir yer yoktu. Bu yüzden, Büyük Patlama’nın kalıntıları evrenin içine sıkışıp kaldı. Bunun anlamı, Büyük Patlama’dan geriye kalan ısı ve ışığın, görünebilir bir ışık olarak değil (çünkü patlamanın ardından geçen zaman içinde evrenin genişlemesiyle birlikte büyük ölçüde soğumuştur), çok soğuk cisimlerin yaydığı görünmez bir ışık türü olan mikrodalgalar halinde var olması gerektiğidir.
Zamanın genleşmesi, Einstein’ın genel görelilik teorisinin çığır açıcı öngörülerinden yalnızca birisidir. Bir diğeri ise az önce değindiğimiz, kütleçekimsel dalgaların mevcudiyetidir. Bu dalgaların var olduğunu biliyoruz, çünkü astronomlar, en azından biri nötron yıldızı olan bir yıldız çiftini gözlemlediklerinde, bu yıldızların birbirlerine doğru sarmal oluştururlarken enerji kaybettiklerini fark etmiştir. Bu enerji kaybı ancak kütleçekimsel dalgalar tarafından taşınıyor oldukları takdirde açıklanabilir.
Günümüzde, kütleçekimsel dalgaların doğrudan tespit edilebilmesi üzerinde çalışılıyor. Bu dalgaların, uzayı dönüşümlü olarak gerip sıkıştırmaları gerektiği düşünüldüğünden, dalgaları tespit etmek için kurulan deney düzeneklerinde birkaç kilometre uzunluğunda dev “cetveller” kullanılıyor. Cetveller ışıktan yapılıyor olsa da, bu düzeneğin ardındaki fikir oldukça basit – kütleçekimsel dalgalar bizi geçerken, cetvellerin uzunluklarında oluşan değişiklikleri tespit etmek.
Einstein’ın teorisinin, şu ana dek üzerinde yorum yapmadan geçtiğimiz bir diğer öngörüsü de, ışığın kütleçekimi tarafından eğilmesidir. Bu eğilmenin nedeni, ışığın dört boyutlu uzay-zamanın bükülmüş coğrafyasını takip etmek durumunda olmasıdır. Her ne kadar Newton’un kütleçekim kanunu bu türden bir etkinin mevcudiyetini ortaya koymasa da, bu kanun -ışık da dahil olmak üzere tüm enerji türlerinin etkin kütleye sahip olduğuna yönelik özel görelilik fikriyle birleştirildiğinde, bunun böyle olması gerektiği ortaya çıkıyor. Işık, güneş gibi büyük kütleli bir cismi geçerken, yıldızın kütleçekiminin etkisine maruz kalarak rotasından hafif bir şekilde sapar.
Einstein’ın kütleçekimini nasıl yeniden ele aldığı artık açıklığa kavuşmuş olmalı. Kütleler, örneğin güneş gibi yıldızlar, etraflarındaki uzay-zamanı büker. Bu durumda, diğer kütleler, örneğin dünya gibi gezegenler, kendi eylemsizlikleri altında ve bükülmüş uzay-zaman içerisinde serbest bir şekilde hareket eder. İzledikleri rotalar eğiktir, çünkü bunlar bükülmüş bir uzay içinde olası en kısa rotalardır. Bu kadar. Genel görelilik teorisi budur.
Ancak şeytan ayrıntılarda gizli. Gezegen gibi kütleli bir cismin bükülmüş uzay içerisinde nasıl hareket ettiğini biliyoruz. Mümkün olan en kısa rotayı izliyor. Peki ama, güneş gibi bir kütle, etrafındaki uzay-zamanı tam olarak nasıl büküyor? Einstein’ın bu soruyu cevaplaması 10 yıldan daha uzun bir zaman aldı; konunun detayları ise telefon rehberi büyüklüğündeki bir kitabı doldurabilirdi. Yine de Einstein’ın genel görelilik teorisini oluştururken yola çıktığı noktayı anlamak o kadar da güç değil. Aslında bu nokta, eşdeğerlik ilkesi.
Yeniden camları karartılmış mekik içindeki çekiç ve tüye dönelim. Astronot için bu iki cisim kütleçekiminin kuvvetiyle zemine düşüyorlarmış gibi görünecektir. Ancak deneyi mekiğin dışından takip eden birisi, çekiçle tüyün yalnızca havada asılı olduklarını ve kabin zemininin bu cisimlerle karşılaşmak için yukarı doğru ivmelendiğini görecektir. Cisimler tamamen ağırlıksızdır.
Bu gözlem temel bir öneme sahip. Serbest düşüş içerisinde olan bir cisim kütleçekimi hissetmez. Bir asansörün içinde olduğunuzu ve kabloların koptuğunu düşünelim. Asansör düşerken, ağırlığınız olmaz. Kütleçekimini hissetmezsiniz.
Akla gelebilecek en büyük tartıydı bu. Ah, evet, aynı zamanda ısıya karşı da dayanıklıydı. Aslında bu tartı o kadar büyüktü ki, bir yıldızın ağırlığını bile taşıyabilirdi. Ve o gün, en yakınımızdaki yıldızı, güneşi tartıyordu. Dijital panel en sonunda sabitlendiğinde, 2 x 10^27 tonu gösterdi. Yani 2’yi takip eden 27 tane sıfır – 2000 milyon milyon milyon milyon ton! Ancak o da ne, yanlış olan bir şey vardı. Tartının ölçüleri aşırı hassastı. Boyutu ve ısıya karşı dayanıklılığının yanında, bir başka çarpıcı özelliği de buydu. Ancak bir saniye sonra paneldeki rakamlar yeniden sabitlendiğinde, bir önceki değere göre, güneşin ağırlığı 4 milyon ton daha düşük çıktı. Neler oluyordu böyle? Gerçekten, güneş her bir saniye içinde, üzerinden bir süper-tankerin ağırlığını atacak kadar hafifliyor olabilir miydi?
Evet, bu doğru! Güneş, sürekli olarak ısı enerjisi kaybediyor ve uzaya saçılan bu enerji bize ışık olarak ulaşıyor. Ve enerjinin gerçekten de bir ağırlığı var. Böylece güneş dışarı ne kadar ışık verirse, aynı ölçüde hafifliyor. Fakat güneşin gerçekten de devasa olduğunu ve her bir saniye içinde kütlesinin yalnızca 10 milyon milyon milyonda birini kaybettiğini de aklımızdan çıkarmayalım. Bunun anlamı, doğumundan bu yana kütlesinin ancak binde birini kaybettiğidir.
Enerjinin bir ağırlığı olduğu gerçeği, bir kuyrukluyıldızın davranışında açık şekilde görülebilir. Bir kuyrukluyıldızın kuyruğu her zaman güneşi gösterir; tıpkı bir rüzgar tulumunun havada oluşmakta olan fırtınayı göstermesi gibi. Peki bu ikisi arasındaki ortak nokta ne olabilir? Her ikisi de güçlü bir rüzgar tarafından itilmektedir. Rüzgar tulumu için konuşacak olursak, bu, havadan oluşan rüzgardır. Kuyrukluyıldızın kuyruğu içinse, güneşten gelmekte olan ışık rüzgarı.
Işığın, Evrenin Üzerinde Kurulu Olduğu Kaya, Zaman ve Uzayın ise Hareket Halindeki Kum Tanecikleri Olduğunu Nasıl Keşfettik
Herkes için gelmiş geçmiş en tuhaf 100 metre yarışıydı bu. Atletler çıkış takozlarından fırlayıp kulvarlarında koşmaya başladığında, tribündeki seyircilere sanki incelmiş gibi göründüler. Coşkulu kalabalığın önünden geçerlerken, krep kadar düzleşmişlerdi. Ancak olan en tuhaf şey bu değildi.
Atletlerin kolları ve bacakları, sanki havanın değil de ağdalı bir sıvının içinde koşuyorlarmış gibi, ultra-yavaş hareketler sergiliyordu. Kalabalığın alkış ve tezahüratları gittikçe yavaşladı. Seyircilerden bazıları biletlerini yırtıp öfkeyle havaya fırlatıyordu.
Bu zavallı tempoyla, atletlerin finiş ipini göğüslemesi bir saati bulabilirdi. Sonunda canından bezen seyirciler yerlerinden kalkarak, teker teker stadyumu terk etti.
Böyle bir sahne size tümüyle saçma gelmiş olabilir. Fakat burada hatalı olan tek unsur atletlerin hızıdır. Eğer ki 10 milyon kat daha hızlı koşabilselerdi, stadyumdaki herkes yukarıdaki gibi bir sahne yaşardı. Nesneler ultra-yüksek hızlara çıktığında, zaman yavaşlarken uzay da büzülür. Bu durum önemli bir gerçeğin kaçınılmaz bir sonucudur: ışığı yakalamanın imkansızlığı.
Yakalanamayacak olan tek şeyin ancak sonsuz hızla yol alan bir cisim olabileceğini düşünebilirsiniz. Ne de olsa sonsuzluk, tasavvur edilebilen en büyük sayı olarak tanımlanmaktadır. Hangi sayıyı düşünürseniz düşünün, sonsuzluk ondan daha büyüktür. Bu nedenle, sonsuz hızla yol alabilecek bir şey olsaydı bile onu asla yakalayamayacağımız açık bir şekilde ortadadır. Böyle olsaydı, evrendeki nihai kozmik hız sınırını temsil eden, sonsuz hız olurdu.
Işık muazzam bir hızla yol alır -boşlukta saniyede 300.000 kilometre- fakat bu hız da, sonsuz olarak nitelendirdiğimiz hızın yanında anlamsız kaçmaktadır. Yine de ne denli hızlı olursanız olun, bir ışık huzmesini yakalayamazsınız. Evrende, kimsenin tam olarak anlamlandıramadığı nedenlerden ötürü, ışık hızı sonsuz hızın yerini almıştır. Fiili durumdaki kozmik hız sınırımız ışık hızıdır.
Bu tuhaf gerçeği fark eden ilk kişi, 16 yaşındayken kendine şu soruyu soran Albert Einstein oldu: Yakalayabilecek olsaydınız, ışık huzmesi nasıl görünürdü?
Einstein’ın böyle bir soru sorarak cevaplandırabilmeyi umması ancak İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in bir keşfi sayesinde mümkün olmuştur. 1868 yılında Maxwell, elektrik motorlarının çalışmasından mıknatısların davranışlarına kadar, bilinen tüm elektrik ve manyetik olaylarını, bir dizi harikulade matematiksel denklemle bir araya getirdi. Maxwell’in denklemlerinin sürprizi ise o güne dek bilinmeyen bir dalganın varlığını öngörüyor olmalarıydı: elektrik ve manyetizma dalgasının.
Uzayda, göletteki küçük bir dalga gibi yayılan Maxwell dalgasının çok çarpıcı bir özelliği olduğu anlaşıldı. Bu dalga saniyede 300.000 kilometre hızla yol alıyordu; yani ışıkla aynı hızda. Bunu yalnızca bir tesadüf saymak imkansızdı. Maxwell, elektrik ve manyetizma dalgasının bir ışık dalgasından farksız olduğunu düşündü. Maxwell’ e dek hiç kimse (belki elektriğin öncülerinden Michael Faraday’ı bir kenara koyabiliriz bu noktada) , ışığın elektrik ve manyetizmayla bağlantılı olduğuna dair en ufak fikre sahip değildi. Ancak öyleydi; tam da Maxwell’in denklemlerinde yazdığı gibi: Işık elektromanyetik bir dalgaydı.
Manyetizma, mıknatısın çevresindeki uzayı kaplayan görünmez bir güç alanıdır. Bir mıknatıs çubuğunun manyetik alanı, yakınında bulunan metal objeleri kendine çeker. Bir de elektriksel alan vardır; elektrikle yüklü bir kütlenin etrafındaki uzayı sarmış olan, görünmez bir güç alanıdır bu. Örneğin naylon bir süvetere sürtülen plastik bir tarak, küçük kağıt parçalarını kendisine çekebilir.
Maxwell denklemlerine göre ışık, suda yayılan dalgaları andıracak şekilde, bu görünmez güç alanlarında yayılan bir dalgadır. Su dalgası için konuşacak olursak, dalga geçip giderken değişen unsur suyun düzeyidir – bu düzey artar ve azalır, azalır ve artar. Işıkta ise değişkenlik gösteren unsur manyetik ve elektrik güç alanlarının düzeyidir – güç seviyeleri artar ve azalır (aslında bir alan büyürken diğeri sönümlenir, ancak bunun şu an için bir önemi yok).
Peki ama, elektromanyetik dalganın ne olduğu konusuna neden böylesine girdik? Bunun nedeni, Einstein’ın sorusunu tam olarak anlayabilmemiz için hunun gerekli olması: Yakalayabilecek olsaydınız ışık huzmesi nasıl görünürdü?
Otoyolda ilerlerken, saatte 1 00 kilometre hızla yol alan bir otomobili yakaladığınızı düşünelim. Yan yana geldiğiniz esnada diğer otomobil nasıl görünecektir? Elbette ki, durağan bir görüntüsü olacaktır. Camınızı açacak olursanız, motor gürültülerinin üzerinden diğer otomobilin şoförüne bağırabilirsiniz bile. Aynı şekilde, bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, bu huzme durağan bir görüntü kazanırdı; tıpkı gölet üzerinde donup kalmış bir dizi dalga gibi.
Öte yandan (ve 16 yaşındaki Einstein tarafından fark edilen esas nokta da budur), Maxwell denklemlerinin donmuş bir elektromanyetik dalga, bir diğer deyişle, elektrik ve manyetik alanları ne büyüyen ne de sönümlenen, sonsuza dek hareketsiz duran bir dalga üzerine önemli bir çıkarımı bulunuyor: Böyle bir şey yok! Durağan bir elektromanyetik dalga, imkansızdır.
Einstein böylece yaşına göre çok erken sorulmuş bu önemli sorusuyla, parmağını fiziğin kurallarında önemli bir paradoksun -ya da tutarsızlığın- üzerine koymuş oldu. Bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, varlığı imkansız olan durağan bir elektromanyetik dalga görecek olurdunuz. Ve imkansız şeyleri görmek de imkansız olduğundan, bunun anlamı hiçbir zaman bir ışık huzmesini yakalayamayacağınızdır! Diğer bir ifadeyle, evrende sonsuz hızın yerini almış olan, asla yakalanamayacak şey, ışıktır.
Fermiyonların bozon gibi davrandığı özel durum, bir metal içindeki elektrik akımında yaşanmaktadır. Metal atomlarının en dış yörüngesinde bulunan elektronlar çok gevşek bir yapıda olduklarından, atomdan kurtularak ayrılabilirler. Metalin uç noktaları arasında bir bataryayla gerilim uygulandığı takdirde, özgürlüğüne kavuşmuş sayısız elektron, metalin içinden akıp geçerek bir elektrik akımı oluşturacaktır.
Elektron fermiyon sınıfında olduğundan, asosyal bir yapıdadır. Her bir basamağın daha yüksek bir enerji düzeyine tekabül ettiği bir merdiven düşünün. Elektronlar en alttan başlayarak her basamağa ikişer ikişer yerleşir (bozonlar ise memnuniyetle en alt basamaklarda birikecektir). Her bir elektron çifti için ayrı bir basamağın gerekliliği, bir metal içindeki elektronların tahmin edildiğinden çok daha fazla enerjiye sahip olduğunu göstermektedir.
Ancak bir metal mutlak sıfır noktasına (mümkün en düşük sıcaklık, -273,15 derece) inecek kadar soğutulduğunda, gerçekten de tuhaf bir şey meydana gelmektedir. Genelde her bir elektron, metalin içinde, diğer tüm elektronlardan bağımsız bir şekilde hareket eder. Öte yandan sıcaklık düştükçe, metal atomları gittikçe daha cansız bir şekilde titreşir. Bir elektron geçerken, elektronlardan binlerce kat daha fazla kütleli olsalar da, metal atomuyla aralarındaki elektriksel çekim gücü, atomun elektronun peşinden çekilmesi için yeterlidir. Çekilen atom ise bir başka elektronu çeker. Bu yolla, bir elektron diğer bir elektronu, metal atomunun aracılığıyla etkilemiş olur.
Bu etki, metalin içinden geçen akımın doğası üzerinde kökten bir değişikliğe neden olmaktadır. Akım, tek tek elektronlar yerine, “Cooper çiftleri” olarak bilinen elektron çiftlerinden oluşmuştur. Ancak her bir Cooper çifti içindeki elektronların spin yönleri birbirinden farklı olduğu için, birbirlerini sönümlendirirler. Dolayısıyla Cooper çiftleri bozondur!
Cooper çiftini oluşturan elektronlar, metal içinde birbirlerine yakın bile olmayabilir. Cooper çiftinin bir üyesiyle diğeri arasında, binlerce başka elektron bulunabilir. Ancak bu yalnızca tuhaf bir detaydır. Esas nokta, Cooper çiftlerinin bozon olduğudur. Ve süperiletkenin ultra-düşük sıcaklığında, bütün bozonlar aynı durumda toplaşarak mukavemet edilemez tek bir varlık gibi davranırlar. Kitle halinde akmaya başladıkları anda, onları durdurmak hiç de kolay değildir.
Normal bir metalde, elektrik akımına, metalin içine karışmış ametal atomlar tarafından karşı konur; bu atomlar elektronların yoluna çıkarak metal içindeki ilerleyişlerini engeller. Fakat katışık bir atom normal bir atom içindeki elektronu engelleyebilirken, bir süperiletken içindeki Cooper çiftine karşı koyması neredeyse imkansızdır. Bunun nedeni, her bir Cooper çiftinin, milyarlarca ve milyarlarca benzeriyle uygun adım bir tempo tutturmuş olmasıdır. Bir katışık atom artık bu akışı asla durduramaz. Bir kez başladığı anda, süperiletken içindeki akım sonsuza dek sürecektir.
