Işığın ağırlığı nedir?

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.

Devamını oku “Işığın ağırlığı nedir?”

Belirsizlik ve Vakum

Beyaz cüceler ve nötron yıldızları bir kenara, Heisenberg belirsizlik ilkesinin ortaya koyduğu belki de en dikkate değer sonuç, boşluğun modern resmidir. Sonuç, boşluğun boş olmamasıdır!

Heisenberg belirsizlik ilkesi, bir parçacığın aynı anda hem enerjisini hem de var olduğu zaman aralığını ölçmenin imkansız olduğunu söylemek için yeniden düzenlenebilir. Dolayısıyla çok kısa bir zaman aralığında bir boşluk parçasında neler olduğunu değerlendirmeye kalkacak olursak, bu parçanın enerji içeriğine yönelik çok ciddi bir belirsizlik oluşacaktır. Diğer bir ifadeyle, enerji kendiliğinden ortaya çıkabilir!

Kütle bir enerji biçimidir. Bunun anlamı, kütlenin de kendiliğinden ortaya çıkabileceğidir. Ancak ortaya çıktıktan kısa bir süre sonra hemen yok olmak durumundadır. Genellikle herhangi bir şeyin yoktan var olmasını engelleyen doğa kanunları, çok hızlı gerçekleşen olayları görmezden geliyor gibi. Bu açıdan doğa kanunlarının durumu, sabah olmadan yeniden garaja bırakması şartıyla, oğlunun arabayı kaçırmasını görmezden gelen bir babaya benzetilebilir.

Pratikte kütle, mikroskobik parçacıklar halinde, boşlukta kendiliğinden oluşmaktadır. Kuantum vakumu aslında birdenbire varoluşa sıçrayan ve hemen ardından yeniden yok olan elektronlar gibi mikroskobik parçacıkların kaynaştığı bir bataklıktır. Ve bu yalnızca bir teori de değildir; gözlemlenebilen sonuçları bulunmaktadır. Kuantum vakumunun çamurlu denizi atomların dışlarındaki elektronları hırpalayarak, dışa verdikleri ışık enerjisini çok hafif bir şekilde değiştirir.

Doğa kanunlarının herhangi bir şeyin yoktan var olmasına izin veriyor olması gerçeği, evrenin kökenleri üzerine çalışan kozmologların gözünden kaçmamıştır. Günümüzde bilim adamları tüm evrenin, aslında vakumun kuantum dalgalanmasından başka bir şey olup olmadığını düşünüyor. Bu olağandışı bir düşünce.

Mach İlkesi

Atlıkarıncada dönen bir çocuk uzaktaki yıldızlar tarafından yukarı doğru çekilir. Bu Mach ilkesidir: Oradaki kütle buradaki eylemsizliği etkiler. Kütleçekim etkisiyle, uzaktaki nesneler yakındaki nesnelerin harketini ve dönüşlerini etkiler.

Newton’un uzayı, tıpkı grafik kağıdı gibi ızgara şeklinde bir koordinat sistemi içeriyordu. O da bütün hareketleri bu sabit ızgara sistemine göre ifade ediyordu. Avusturyalı fizikçi ve düşünür Ernst Mach buna katılmıyor, hareketin bir ızgara sistemine göre değil, ancak başka bir nesneye göre ölçülmesinin anlamlı olduğunu ileri sürüyordu. Leibniz’in eski fikirlerinden etkilenen Mach, yalnızca göreli hareketin bir anlamı olduğunu düşünme konusunda Albert Einsten’in öncüsüydü.

Mach ilkesi, belirli bir bölgedeki hareketin başka bir referans noktasına göre hareketin belirlenmesi büyük ölçekteki madde dağılımına dayalı olduğunu belirtir.

Nötron Yıldızları

notron_yildiziAntik çağlardaki yıldızların ölümsüz ve değişmez olduğu fikrinin tersine, modern astronomi yıldızların ve diğer gök cisimlerinin de bir tarihi, bir doğumu, yaşamı ve ölümü olduğunu göstermiştir –gençliklerinde devasa boyutlarda, düşük yoğunluklarda ve kırmızı renkte; yaşamlarının ortalarında mavi, sıcak ve parlak; yaşlılıklarında da büzüşmüş, yoğun ve bir kez daha kırmızı renkte. Güçlü teleskoplarla yapılan astronomik gözlemlerden, geniş bir bilgi birikimi elde edilmiştir. Yalnızca Harvard’da, çeyrek milyon yıldız, İkinci Dünya Savaşı öncesinde Annie J. Cannon’un çalışmaları sonucunda kırk sınıfa ayrılmıştı. Bugün radyo teleskopların ve uzay araştırmalarının bir sonucu olarak çok daha fazlası biliniyor.

İngiliz gökbilimci Fred Hoyle yıldızların yaşam ve ölümlerinin ayrıntılı bir incelemesini yapmıştır. Yıldızlar çekirdeklerindeki hidrojen atomlarının kaynaşarak helyum atomlarına dönüşmesiyle (füzyon) ayakta kalırlar. Henüz yaşamının başlarında olan bir yıldız, boyut ve sıcaklıkça çok az değişir. Güneşimizin mevcut durumu budur. Ancak, sıcak merkezde tüketilmekte olan hidrojen er ya da geç helyuma dönüşür. Helyum çekirdekte birikir, ta ki belli bir boyuta ulaşana, yani nicelik niteliğe dönüşene dek. Boyut ve sıcaklıkta ani bir değişime yol açan dramatik bir değişiklik gerçekleşir. Yıldız devasa boyutlarda genişlerken yüzeyi ısı kaybeder. Artık bir kırmızı dev haline gelmiştir. Bu teoriye göre, helyum çekirdek büzüşür ve bu da sıcaklığın helyum çekirdeklerinin kaynaşarak karbon oluşturabileceği bir noktaya kadar yükselmesine ve bu kaynaşmanın sonucu olarak da yeni bir enerjinin açığa çıkmasına yol açar. Isındıkça daha da büzüşür. Bu aşamada, yıldızın yaşamı hızla sona doğru yaklaşır, çünkü helyum füzyonu tarafından üretilen enerji, hidrojen füzyonu tarafından üretilen enerjiden çok daha azdır. Belli bir noktada, yıldızın kendi kütleçekim alanının çekimine karşı yıldızın genişlemesini sürdürmek için gerekli olan enerji elde edilememeye başlanır. Yıldız hızla büzüşür, kendi içine çöker, büzüşmenin ısısıyla dışa doğru savrulan dış katmanların kalıntıları olan bir gaz halesiyle çevrili bir beyaz cüce haline gelir.
Devamını oku “Nötron Yıldızları”

Nötrino

notrinoBüyük patlama taraftarları kayıp “soğuk karanlık madde”nin % 99’unu boş yere araştırırken, evrenin sonsuza kadar genişlemesini önlemek için teorinin gerektirdiği niceliklere benzer bir şey bulamadılar. 18 Aralık 1993’te New Scientist, Evren Sonsuza Kadar Genişleyecek başlıklı bir makale yayınladı. Burada “Cepheus takımyıldızındaki bir grup galaksinin birkaç ay önce düşünüldüğünden çok daha az görünmez madde ihtiva ettiği” ve Amerikalı gökbilimcilerin eskiden ileri sürdüğü iddiaların “hatalı analizlere dayandığı” itiraf edildi. Araştırmalara harcanan yüz milyonlarca doları bir tarafa bıraksak bile işin ucunda bilimsel şöhret yatıyordu. Acaba bu gerçeğin büyük patlamayı bu denli bağnazca savunmakla bir bağlantısı olabilir miydi? Her zamanki gibi, görmek istediklerini gördüler. Gerçekler teoriye uygun olmak zorundaydı! Teorinin hayatta kalması için varlığı zorunlu olan “soğuk karanlık madde”yi bulmaktaki açık başarısızlık, bilim çevrelerinin daha sorgulayıcı kesimlerinde rahatsızlığa neden oluyordu. Zamanımızın Bir Çılgınlığı mı? manidar başlığıyla 4 Haziran 1994’te yayınlanan New Scientist’in başyazısı, karanlık madde fikriyle Viktorya döneminin gözden düşmüş “eter” kavramını –ışık dalgalarının uzayda yol almasına aracı olduğuna inanılan, görünmez bir ortam– karşılaştırıyordu: Görünmezdi, her yerde, her an hazır ve nazırdı ve 19. yüzyılın sonlarında her fizikçi ona inanırdı. Fizikçilerin ışığın içinde yayıldığı ortam olduğunu düşündükleri eterdi bu, ama bu düşüncenin bir hayalet olduğu ortaya çıktı. Sesten farklı olarak, ışığın, içinde yayılacağı bir ortama ihtiyacı yoktur.
Devamını oku “Nötrino”

Görelilik

gorelilikAlbert Einstein hiç şüphesiz zamanımızın en büyük dahilerinden biriydi. Yirmi birinci ve otuz sekizinci doğum günleri arasında, bilimde birçok düzeyde büyük yankılar uyandıran bir devrimi tamamladı. İki büyük buluşu, Özel Görelilik Teorisi (1905) ve Genel Görelilik Teorisi (1915) idi. Özel görelilik yüksek hızlarla ilgilidir, genel görelilik ise kütleçekimle. Einstein’ın teorileri, son derece soyut karakterde olmalarına karşın, nihayetinde deneylerden türetilmişti ve başarılı pratik uygulamalara yol açmıştı, ki bu uygulamalar onun görüşlerinin doğruluğunu defalarca onayladılar. Einstein, 19. yüzyıl fiziğinde içsel bir çelişkiyi açığa vuran ünlü Michelson-Morley deneyinden, “bilim tarihinin en büyük negatif deneyinden” (Bernal) yola çıkmıştı. Bu deneye, ışığın görülen hızının, hareketsiz olduğu varsayılan “eter” içerisinde hareket eden gözlemcinin hızına bağlı olduğunu göstererek elektromanyetik ışık teorisini genelleştirmek üzere girişilmişti. Sonunda, gözlemci hangi doğrultuda hareket ederse etsin, ışığın ölçülen hızlarında hiçbir farklılık bulunamadı. J. J. Thomson daha sonraları, güçlü elektriksel alanlar içinde hareket eden elektronların hızlarının, klasik Newton fiziğinin öngördüğünden daha yavaş olduğunu gösterdi. 19. yüzyıl fiziğindeki bu çelişkiler özel görelilik teorisi tarafından çözüme bağlandı. Eski fizik, radyoaktivite olgusunu açıklamaktan acizdi. Einstein bunu, “eylemsiz” maddenin içine hapsolmuş muazzam miktardaki enerjinin küçük bir kısmının açığa çıkması olarak açıkladı.

Einstein 1905’te İsviçre patent bürosunda bir sekreter olarak çalışırken boş zamanlarında kendi özel görelilik teorisini geliştirdi. Yeni kuantum mekaniğinin keşiflerinden yola çıkarak, ışığın uzayda bir kuantum biçiminde (enerji paketleri olarak) hareket ettiğini gösterdi. Bu yaklaşım, daha önceleri kabul edilmiş ışığın dalga teorisiyle açıkça çelişikti. Aslında Einstein eski ışığın parçacık teorisini bütünüyle farklı bir tarzda yeniden canlandırmıştı. Burada ışık, çelişik bir karaktere sahip, aynı anda hem parçacık hem de bir dalga özelliği gösteren yeni tip bir parçacık olarak görülüyordu. Bu şaşırtıcı teori, spektroskoplar kadar Maxwell denklemlerini de kapsayacak şekilde 19. yüzyıl optiğinin tüm büyük keşiflerinin muhafaza edilmesini mümkün kıldı. Fakat ışığın uzayda hareket edebilmek için, kendine has bir vasıtaya, “eter”e ihtiyaç duyduğu şeklindeki kalıplaşmış eski düşünceyi de yok etti. Özel görelilik, ışığın boşluktaki hızının, ışık kaynağının gözlemciye göre hızı ne olursa olsun, her zaman aynı sabit değerde ölçüleceği kabulünden hareket eder. Dahası, özel görelilik, enerji ve kütlenin aslında eşanlamlı olduklarını ifade eder. Bu, diyalektik materyalizmin temel felsefi postülasının –madde ve enerjinin birbirinden koparılamaz niteliğinin, hareketin (“enerji”) maddenin varoluş tarzı olduğu düşüncesinin– çarpıcı bir doğrulanışıdır.
Devamını oku “Görelilik”

Kara Delikleri “Gözlemek”

Kara delik sözünü ilk duyduğumda açıkçası çok korkutucu gelmişti. Aklıma ilk gelen, uzayda çevresindeki her şeyi yutarak gitgide büyüyen dev bir nesneydi. Bu kara delik o kadar büyüyecekti ki kaçınılmaz olarak bir gün Dünya’yı da yutacaktı. Şimdi biliyorum ki bu korkum çok yersiz. Her ne kadar evrende çevresindeki yıldızları yutan kara delikler mevcutsa da, bunların sayısı ve etki alanı çok sınırlı.

En basit tanımıyla kara delikler yüzeyinden ışığın bile kaçamadığı yerçekimi kuvvetine sahip nesneler. Genelde tüm özelliklerini anlatmak için Einstein’ın genel görelilik kuramına ihtiyacımız olsa da, basit özelliklerini anlamak için liseden bildiğimiz Newton kanunları yeterli. Kara deliklerde madde o kadar küçük bir alana hapsediliyor ki, yüzeyinden kaçmak için gereken hız, ışık hızını (saniyede 300,000 km) geçiyor. Sonuç olarak ışık dahi kara delikten kaçamıyor, bükülerek yüzeye geri dönüyor. Öyleyse bir kara delik oluşturmak için gereken, başlangıçtaki kütleyi sıkıştırarak hacmini yeterince küçültmek. Aşağıdaki Tablo bize astronomideki tipik kütlelerin kara delik haline gelmesi için sıkıştırılması gereken büyüklükleri veriyor.

 

Cisim Kütle Yarıçap Kara delik yarıçapı**
Dünya 6 x 1024 kg * 6,400 km 9 mm
Güneş 2 x 1030 kg 700,000 km 3 km
Nötron yıldızı 3-4 x 1030 kg 10 – 15 km 4.5 – 6 km
Samanyolu merkezi 3 milyon güneş kütlesi 9 milyon km
M 87 Galaksi merkezi 3 milyar güneş kütlesi 9 milyar km

* Bilimsel notasyon kullanılmıştır, 1024 = 1,000,000,000,000,000,000,000,000 (birden sonra 24 tane 0)
**Kara deliğe dönüştürmek için verilen kütlenin sıkıştırılması gereken yarıçap (Schwarzchild yarıçapı)

Burada bir önemli nokta kara deliklerin çekim alanı ile ilgili. Kara delikten yeterince uzakta (mesela bir kaç yüz Schwarzchild yarıçapı) maddenin tüm dinamiğini Newton yasaları kullanarak tarif etmek mümkün. Daha açık bir örnek vermek istersek, diyelim ki Güneş bir anda kara deliğe döndü. Dünya, diğer gezegenler, göktaşları, kuyruklu yıldızlar hiç istiflerini bozmadan yörüngelerinde dönmeye devam edecekler. Güneş de kara delik oldu diye gezegenleri yutacak değil. Kısacası kara delikten yeterince uzaktaki cisimler için önemli olan merkezdeki toplam kütle: toplam kütleyi oluşturan cismin bir kara delik ya da başka bir astronomik cisim olması fark etmez. Ama kara delik yakınlarına gelirsek iş değişir. Newton kanunları yetersiz kalmaya başlar, Einstein’ın genel görelilik kuramı ve bükülmüş uzay-zamanda hesaplar yapılmaya başlanır.
Devamını oku “Kara Delikleri “Gözlemek””