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.”
İki ayrı ekip, uzak galaksilerdeki “süpernovaları” gözlemliyordu. Ekiplerden biri Amerikalı Saul Perlmutter, diğeri ise Avusturalyalı Nick Suntzeff ve Brian Schınidt yönetimindeydi. Süpernovalar, içinde bulundukları galaksiden bile daha parlak bir ışık yayarak patlayan yıldızlar olduğundan, çok uzak mesafelerden görülebilirler. İki ekibe ayrılmış astronomların gözlemlediği tür ise “Type la” süpernovaları olarak biliniyordu. Bu türden süpernovaların özelliği, patladıklarında hep aynı parlaklık düzeyine çıkıyor olmalarıdır. Bu yüzden, bir diğerine göre daha soluk olan bir süpernovanın daha uzakta olduğunu saptayabiliriz.
Oysa, astronomların gözlemlediği, daha uzakta olan süpernovaların (Dünyaya olan mesafeleri göz önüne alındığında) olması gerekenden daha soluk olduklarıydı. Bunu açıklamanın tek yolu, yıldızın patlamasından itibaren evrenin genişleme sürecinin hızlandığı ve böylelikle gözlemlenen süpernovanın daha uzakta kalarak beklenenden daha soluk göründüğü olabilirdi.
Bu gözlem bilim dünyasında şok etkisi yarattı. O güne dek, galaksileri etkileyen tek unsurun, ortak kütleçekimsel kuvvet olduğu düşünülüyordu. Bu da genişlemeyi yavaşlatan bir şeydi, hızlandıran değil.
Cisimleri ivmelendiren şey yalnızca uzayın kendisi olabilirdi. Sanılanın aksine, uzay boş olamazdı. Bu durumda uzay, henüz bilimin keşfedemediği, evren üzerinde bir tür kozmik geri tepme gücü uygulayan bir “kara enerji” içermeliydi. Bu kuvvet kütleçekimine karşılık gelerek galaksileri birbirinden uzaklaştırıyordu.
Fizikçiler, iş kara enerjinin ne olabileceğini anlamaya geldiğinde, ciddi bir kafa karışıklığı yaşamaktadır. Çıkarabildikleri en iyi teori olan kuantum mekaniği, boş uzayla bağıntılı bir enerji öngörmekteydi. Fakat bu enerji miktarı, Perlmutter’in gözlemlediğinden, 123 sıfırın takip ettiği 1 kadar daha büyüktü! Nobel ödülü adaylarından Steven Weinberg bu durumu, “bilim tarihindeki en büyük başarısızlık” olarak nitelendirmiştir.
Utanç verici bu duruma rağmen, kara enerjinin olumlu bir çıkanını bulunuyor. Şişme kuramının, evrenin kritik kütlede olmasını gerektirdiğini, ancak evrendeki tüm maddelerin toplamının bu kritik kütlenin ancak üçte birini oluşturabildiğini anımsayın. Diğer taraftan Einstein’ın ortaya koyduğu gibi, tüm enerji türlerinin etkili bir kütlesi vardır. Ve kara enerji de buna dahildir. Aslında bu kütlenin, kritik kütlenin üçte ikisine tekabül etmesi mümkündür. Bu durumda, evren kritik kütleye tam olarak sahip demektir, tıpkı şişme kuramının öngördüğü gibi.
Hiç kimse kara enerjinin ne olduğunu bilmese de, olasılıklardan biri, Einstein tarafından öne sürülen boş uzayın geri tepme gücüdür. Bilim dünyasında her şey Einstein’la başlayıp Einstein’la bitiyormuş gibi görünüyor. Ve Einstein’ın en büyük hatasının, aslında en büyük başarısı olduğu anlaşılıyor.
Getirdiği bütün başarılı çıkarım ve açıklamalarına rağmen, Büyük Patlama’nın yalnızca, evrenin süper-yoğun ve süper-sıcak ilk halinden, galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin var olduğu şu anki haline nasıl geldiğinin bir açıklaması olduğunu belirtmekte fayda var. Her şeyin nasıl başladığı ise halen gizemini koruyor.
Einstein’ın kütleçekim, yani genel görelilik teorisi kütlelerin nasıl diğer kütlelere çekildiğini açıklamaktadır. Bildiğimiz en büyük madde bileşimi, evrenin kendisidir. Hiçbir zaman bilimin can sıkıcı ciddi sorunlarından kaçmayan bir bilim adamı olarak, Einstein 1916 yılında kütleçekim teorisini evrenin tümü için geçerli olacak şekilde yeniden ortaya koydu. Böylece evrenin kökeni, evrimi ve nihai kaderi üzerine yoğunlaşan evrenbilim alanının da (bir diğer ifadeyle, her şeyin biliminin) kapıları açılmış oldu.
Her ne kadar Einstein’ın kütleçekim teorisinin ardındaki fikirler insanı aldatacak ölçüde basit olsa da, teorinin matematiksel karşılığı kesinlikle basit sayılamaz. Maddenin belli bir dağılımının uzay-zamanı tam olarak nasıl büktüğü konusu üzerinde çalışmak aslında ciddi anlamda zordur. Mesela uzay-zamanda, dönmekte olan bir kara deliğin neden olduğu çarpılmanın hesaplanması, ancak Einstein’ın genel görelilik teorisini yayımlamasından bir yarım yüzyıl sonra, 1962 yılında, Yeni Zelandalı fizikçi Roy Kerr tarafından gerçekleştirilebildi.
Tüm evrenin uzay-zamanı nasıl büktüğü hakkında fikir yürütmek, maddenin uzayda nasıl dağıldığına yönelik basitleştirici varsayımlar yapmaksızın imkansız olurdu. Einstein, gözlemcinin evrenin neresinde bulunduğunun bir önemi olmadığını varsaydı. Diğer bir ifadeyle, nerede bulunursanız bulunun evrenin aynı özelliklere sahip olduğunu ve nereden bakarsanız bakın, her yönden az çok aynı görüneceğini.
Genel görelilik inanılmaz ölçüde şık bir teoridir. Bununla birlikte, teorinin, belli bir kütlenin dağılımının neden olduğu uzay-zamandaki bükülmeyi saptamak gibi bazı durumlara uygulanması da aynı ölçüde zordur. Bunun nedeni teorinin döngüsel olmasıdır. Madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler. Bükülen uzay-zaman da maddeye nasıl hareket edeceğini. Hareket eden madde, uzay-zamana bükülmesini nasıl değiştireceğini söyler ve bu durum sonsuza dek sürer. Yani teorinin merkezinde bir tür yumurta-tavuk paradoksu bulunmaktadır. Fizikçiler bu durumu nonlineerlik olarak adlandırıyor ve nonlineerlik teorisyenler için ciddi bir sıkıntı kaynağı.
Nonlineerliğin ortaya çıktığı durumlardan birini, kütleçekiminin de bir kütleçekimi kaynağı olduğu gerçeğinde gördük. Eğer kütleçekimi daha fazla kütleçekimi üretebiliyorsa, üretilen bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturabilir ve bu böyle devam eder. Ancak üretilen ilave kütleçekimleri aslında o kadar zayıftır ki, bu artış bir yerde durur. Neyse ki kütleli bir cisim tarafından üretilen kütleçekimi genellikle iyi huyludur. Genellikle ama her zaman değil.
Bazı büyük kütleli yıldızlar yaşamlarını harikulade bir şekilde tamamlar. Yıldız kendi kütleçekimiyle çökmeye yönelimini, içindeki sıcak gazın dışarı doğru uyguladığı basınçla dengeler. Fakat bu basınç ancak yıldız ısı ürettiği sürece geçerli olacaktır. Isı üretmede kullandığı yakıt tümüyle tükendiğinde, yıldız da büzülmeye başlar. Bir sonraki aşama ise genellikle başka bir tür basıncın devreye girerek yıldızı bir beyaz cüceye ya da nötron yıldızına çevirmesidir – yani aşırı yoğunluğa sahip yıldız korlarına. Fakat yıldız çok büyük bir kütleye sahipse ve kütleçekimi de çok kuvvetliyse, hiçbir kuvvet yıldızın tek bir noktaya dönüşene dek büzülmesini engelleyemez. Fizikçilerin bildiği kadarıyla, bu türden yıldızlar kelimenin tam anlamıyla mevcudiyetten silinir. Ancak arkalarında bir hatıra bırakmayı da ihmal etmezler: kütleçekimlerini.
Şu anda bahsettiğimiz şey, yani kara delikler genel göreliliğin tüm öngörüleri içinde belki de en tuhaf olanıdır. Kara delik, ışığın bile kaçamayacağı kadar kuvvetli bir kütleçekiminin geçerli olduğu uzay-zaman kesimidir. Zaten ışık yaymıyor oluşları nedeniyle kara delik olarak adlandırılırlar. “Uzay-zaman kesimi” dememizin sebebi ise yıldızın kütlesinin tamamen ortadan kaybolmuş olmasıdır.
Kütle olmadan kütleçekimi nasıl olabilir? Durum şu ki, kütleçekimine yol açan sadece kütle değil, aynı zamanda enerjidir de. Kara delik için konuşacak olursak, kendi kütleçekimi daha fazla kütleçekiminin oluşmasına neden olur, bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturur ve kara delik, kendisini ayakkabı bağlarından çekerek havada duran bir adam gibi, varlığını sürdürür. Uzay-zaman açısından, kara delik kelimenin somut anlamıyla bir deliktir. Güneş gibi bir yıldız kendisini çevreleyen uzayzamanda yalnızca ufak bir çukur oluştururken, kara delik, bir kez içine düşen cismin bir daha asla kurtulamadığı dipsiz bir kuyu meydana getirir.
Nobel ödüllü fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar kara deliklerle ilgili olarak, “Doğanın kara delikleri evrendeki en mükemmel makroskopik cisimlerdir, kara delikleri oluşturan elementler yalnızca uzay ve zaman kavramlarımızdır,” demiştir.
Ultra-büyük kütleçekimleri nedeniyle, kara delikler genel göreliliğin en dramatik etkilerini göstermektedir. Çevrelerinde “olay ufku” (event horizon) olarak bilinen bir yüzey bulunur. Bu yüzey, kara deliğe yaklaşan cisimlerin kurtulma şansının kalmadığı sınırdır. Olay ufkuna yaklaştığınızda, ardınızdan gelen ışık gözlerinize ulaşmadan önce kara deliğin içinde eğrileceğinden dolayı, kafanızın arkasını görebilirsiniz. Eğer bir şekilde olay ufkunun hemen dışında asılı kalma şansımız olsaydı, zaman bizim için öylesine yavaş akardı ki, teoride evrenin tüm geleceğini, gözlerimizin önünden hızlı çekim geçen bir film gibi seyredebilirdik.
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.
Düz bir çizgi iki nokta arasındaki en kısa yoldur. Bir kağıdın üzerinde bu durum kesinlikle doğru. Peki ama, eğri bir yüzey üzerinde? Diyelim ki, dünyanın yüzeyi üzerinde? Londra ve New York arasındaki en kısa rotayı seçen bir uçak düşünün. Uçak nasıl bir rota izleyecektir? Uzaydan bakan bir gözlemci için bu rotanın eğik olacağı açık bir şekilde ortadadır. Ya da engebeli bir arazi üzerinde ilerleyen bir dağcıyı düşünelim. Onun rotası nasıl olur? Bu dağcıyı, arazi engebelerinin ayırt edilemeyeceği kadar yüksek bir noktadan seyreden gözlemci için, dağcı oldukça dolambaçlı bir şekilde ileri-geri hareket edip duracaktır.
O halde, sanılanın aksine, iki nokta arasındaki en kısa mesafenin her zaman düz bir çizgi olması gerekmiyor. Aslına bakacak olursanız, düz bir çizgi ancak özel bir tür yüzey üzerinde var olabilir – düz bir yüzey üzerinde. Dünyanınki gibi eğri bir yüzey üzerinde, iki nokta arasındaki en kısa mesafe her zaman eğri olmak durumundadır. Bu gerçeğin fark edilmesiyle matematikçiler, düz çizgi kavramını eğik yüzeyleri de dahil edecek şekilde yeniden tanımladı. Yalnızca düz değil, her türlü yüzey üzerinde iki nokta arasındaki en kısa rotaya jeodezik adı verildi.
Bütün bunların kütleçekimiyle ne bağlantısı var? Bağlantı, ışık. İki nokta arasındaki en kısa mesafeyi almak, ışığın karakteristik bir özelliği. Mesela tam şu anda, okuduğunuz bu kelimelerden gözlerinize gelen ışık da en kısa rotayı izliyor.
Kütleçekiminin hayali bir kuvvet olduğu fikri biraz zorlama gelebilir. Fakat deneyimlediğimiz diğer tüm gündelik olayları anlamlandırabilmek için çeşitli kuvvetler icat etmekten geri durmadığımız da bir gerçek. Sert bir virajı dönmekte olan bir otomobilin içindeki yolcu olduğunuzu düşünün. Otomobilin içinde size olan şeyi açıklamak için bir merkezkaç kuvvetini icat edersiniz. Gerçekte ise böyle bir kuvvet yoktur.
Harekete geçen tüm kütleli cisimler, düz bir çizgi üzerinde sabit bir hızla yol alma eğilimindedir. Eylemsizlik olarak bilinen bu özellik nedeniyle, sizin gibi bir yolcu da dahil olmak üzere, otomobil içindeki sabitlenmemiş tüm cisimler, aracın virajı dönmeden önceki yönünde yol almaya devam ederler. Ancak aracın kapısının takip ettiği yol bir eğridir. Sert bir viraj alan otomobilin içinde bir anda kendinizi kapıya yapışmış olarak bulmanız hiç de şaşırtıcı olmaz. Ancak aslında olan şey, tıpkı uzay mekiğinin ivmelenen zemininin çekiç ve tüyle buluşması gibi, kapının da sizinle buluşmak üzere yaklaşıyor olmasıdır. Ortada hiçbir kuvvet yoktur.
Merkezkaç kuvveti, bir eylemsizlik kuvveti olarak bilinmektedir. Hareketimizi açıklamak için bu türden bir kuvvet yaratmamızın nedeni, gerçeği görmezden gelmemizden başka ne olabilir ki? Yani çevremizdeki unsurların da bize göre hareket içinde olduğu gerçeğini. Viraj dönen otomobil içindeki hareketimiz sadece eylemsizliğimizin bir sonucudur; bir diğer ifadeyle, düz bir çizgi üzerinde hareketimizi sürdürmeye yönelik doğal eğilimimizin. Kütleçekiminin de bir eylemsizlik kuvveti olduğunu fark etmek ancak Einstein’ın inanılmaz içgörüsü sayesinde olmuştur. Einstein, “kütleçekimi ve eylemsizlik özdeş şeyler olabilir mi?” diye sorar. “İşte bu soru sizi doğrudan kütleçekim teorime götürecek.”
Einstein’ a göre, ağaçlardan düşen elmaları ya da gezegenlerin güneşin etrafında dönüşünü kendimize açıklayabilmek için, kütleçekim kuvvetini biz uydurduk. Çünkü çevremizdeki unsurların bize göre ivmelenmekte olduğunu görmezden geldik. Fakat cisimler yalnızca eylemsizliklerinin bir sonucu olarak hareket eder. Kütleçekim kuvveti diye bir şey yoktur!
Durun bir dakika! Kütleçekim kuvveti nedeniyle gerçekleştiğini sandığımız hareket, aslında sadece eylemsizliğin bir sonucuysa, bunun anlamı, dünya gibi kütlelerin gerçekten de uzayda düz bir çizgi üzerinde ve sabit hızla uçuyor olması gerektiğidir. Bu ne kadar da saçma! Sonuçta dünya, güneşin etrafında dönüyor, düz bir çizgi üzerinde uçtuğu da yok, değil mi? Tam olarak öyle değil. Aslında her şey, düz bir çizgiyi nasıl tanımladığınıza dayanıyor.
