Kütleçekimi Hakkındaki Tuhaflık

Söz konusu bağlantıyı anlamak için, kütleçekiminin tuhaf bir özelliğini göz önüne almamız gerekiyor. Tüm cisimler, kütlelerinden bağımsız olarak, aynı hızda yere düşer. Örneğin bir yerfıstığı, bir insanla aynı sürede hızlanır. Bu davranış ilk kez olarak 17. yüzyıl İtalyan bilim adamı Galileo tarafından fark edilmişti. Galileo’nun, kütleçekiminin bu özelliğini gözlemlemek için, yanına biri hafif diğeri ağır iki cisim alarak, her ikisini de aynı anda Pisa Kulesi’nden attığı söylenir. İki cisim de yere aynı anda iner.

Kütleçekiminin bu özelliğinin dünya üzerinde her zaman aynı şekilde gözükmemesinin nedeni, hava direncinin farklı ağırlıktaki cisimler üzerinde farklı etkilere yol açıyor olmasından başka bir şey değildir. Bununla birlikte, Galileo’nun deneyi cisimlerin düşüş süresini değiştiren hava direncinin olmadığı bir ortamda mesela ayda yinelenebilir. 1972 yılında, Apollo 15 komutanı Dave Scott bir çekiç ve tüyü aynı anda yere bıraktı. Ve beklendiği üzere, her ikisi de ay zeminine tam olarak aynı anda indi.

Bu olayın tuhaf yanı ise genellikle cismin bir güce karşılık nasıl hareket edeceğinin, cismin kütlesine bağlı olduğudur. İşleri karıştıracak sürtünme unsurunun bulunmadığı, buz pateni pisti gibi bir zemin üzerinde, tahta bir tabure ve dolu bir buzdolabı düşünelim. Ve iki kişinin buzdolabı ve tabureyi tam olarak aynı ölçüde bir kuvvet uygulayarak ittiğini. Buzdolabına göre daha az kütleye sahip olan tabure açık bir şekilde daha kolay itilebilecek ve daha kısa sürede hız kazanacaktır.

Peki ama, tabure ve buzdolabı kütleçekim kuvveti altında nasıl davranır? Her ikisini de 10 katlı bir apartmanın tepesinden aşağı bıraktığımızı düşünelim. Bu durumda, Galileo’nun da öngöreceği gibi, tabure buzdolabına nazaran daha kısa sürede hız kazanamaz. Aralarındaki ciddi boyutlardaki kütle farkına rağmen, tabure de buzdolabı da zemine doğru düşerken aynı oranlarda hız kazanır.

Artık kütleçekimi hakkındaki tuhaf durumun ne olduğunu anlamış bulunuyoruz. Büyük bir kütle, küçük kütleli bir cisme nazaran, daha büyük bir kütleçekim kuvveti hisseder ve bu kuvvet cismin kütlesiyle doğru orantılıdır. Yani büyük kütle küçük kütleyle tam olarak aynı oranlarda hız kazanır. Peki ama, kütleçekimi, kuvvet uygulayacağı cisme göre kendisini nasıl ayarlamaktadır? Kütleçekiminin bunu inanılamayacak ölçüde basit ve doğal bir şekilde gerçekleştirdiğini fark etmek için gerekli olan, Einstein’ın dehası oldu. Dahası bu yolun, kütleçekimini kavrayışımız üzerinde de önemli sonuçları olduğu anlaşıldı.

Kütle çekim nedir?

Bir gün fikir ansızın aklıma düştü. Bern ‘de bulunan patent ofisindeki odamda otururken, düşünce birdenbire gelişmişti: Bir adam serbest bir şekilde düşerken kendi ağırlığını hissetmez. Afallayıp kalmıştım. Bu basit düşünce üzerimde ciddi bir etki yarattı. Ve bu da beni kütleçekim teorisine götürdü.

Albert Einstein

Onlar, 20 yaşında ikiz kız kardeşler. İkisi de Manhattan ‘da aynı gökdelende çalışıyor. Biri, zemin kattaki bir butikte asistan, diğeri ise 52. kattaki bir restoranda garson.

Saat sabahın 8:30’u. Döner kapıdan geçerek hole giriyor ve iş yerlerine gitmek için ayrılıyorlar. Biri alışveriş mağazasına giden mermer yolu adımlarken, diğeri kapılar kapanmadan yüksek-hızlı asansöre yetişmek için koşturuyor.

Asansörün tepesindeki saatin kolları bütün gün boyunca dönüyor ve saat akşamın 5:30’u oluyor. Zemin kattaki butik asistanı kız kardeş, inmekte olan asansörün paneline bakıyor. En sonunda kapılar açılıyor ve garson olarak çalışan kız kardeşi dışarı çıkıyor … Gümüş rengi bir yürütece tutunmuş, 85 yaşında çarpık bir figür olarak!

Bu hikayenin yalnızca uçuk bir kurgu olduğunu sanıyorsanız, bir daha düşünün. Tamam, belki biraz abartma payı var, fakat abartılan şey bir gerçek. Durum şu ki, bir binanın zemin katında, en tepesine nazaran, daha yavaş yaşlanırsınız. Bu durum Einstein’ın, kendi özel görelilik teorisinin noksanlarını kapatmak için geliştirdiği genel görelilik teorisinin bir etkisidir.

Özel görelilik teorisinin sorunu, özel olmasıydı. Teori temel olarak, bir kişinin, kendisine göre sabit hızda yol alan bir başka kişiye baktığında ne gördüğü üzerinedir: Teoriye göre, hareket halindeki kişi hareket ettiği yönde büzülürken, zaman algısı yavaşlar; bu etki ışık hızına yaklaşıldıkça çok daha belirginleşir. Ancak sabit hızda hareket çok özel bir durumdur. Çünkü genel olarak cisimler, zamanla hızlarını değiştirir. Örneğin trafik ışığını geride bırakan bir otomobil hızını arttırırken, bir uzay mekiği atmosfere girdiğinde yavaşlar.

Bu bağlamda, 1905 yılında kendi özel görelilik teorisini yayımladığında Einstein’ın cevaplamak istediği soru şuydu: Bir kişi, kendisine göre hızlanan bir kişiye baktığında ne görür? Einstein’ın bulmak için on yıldan fazla zaman harcadığı cevap ise tek bir insan tarafından bilim tarihine yapılmış en büyük katkı olarak kabul edilebilecek “genel” görelilik teorisidir.

Einstein araştırmalarına başladığında, özellikle bir sorun kafasını meşgul ediyordu: Newton’un kütleçekim kanunuyla ne yapacağı. Newton’un kütleçekim kanunu neredeyse 250 yıl boyunca tartışılmadan kabul edilmiş olsa da, Einstein bu kanunun özel görelilik teorisiyle temel anlamda uyumsuzluk içinde olduğunun farkındaydı. Newton’a göre, her kütleli cisim, bir diğer kütleli cisme kütleçekimi denilen r kuvvetle çekilmektedir. Örneğin dünya ile her birimiz arasında bir kütleçekimi mevcuttur; ayaklarımızın zemine basmasını sağlayan da budur. Güneş ve dünya arasında da kütleçekimi vardır; dünyayı güneşin etrafındaki yörüngesinde tutan bu çekim kuvvetidir. Einstein’ın karşı çıktığı noktalar bunlar değildi elbette. Asıl sıkıntı kütleçekiminin hızındaydı.

Newton, kütleçekim kuvvetinin anında etki gösterdiğini düşünüyordu. Bunun anlamı, dünyanın güneşin kütleçekimini herhangi bir gecikme olmaksızın hissettiğiydi. Bu bağlamda, güneş tam şu anda yok olacak olsa, dünyanın da, güneşin kütleçekim yokluğunu aynı anda hissetmesi ve yörüngesini kaybederek uzayın derinliklerine doğru kaymaya başlaması gerekiyordu.

Güneş ve dünya arasındaki mesafeyi hiç zaman kaybetmeksizin katedecek bir etkinin, yani güneşin kütleçekiminin, sonsuz hızda yol alması gerekir. Anında bir başka yerde olmak ve sonsuz hız eşdeğer şeylerdir. Fakat Einstein, kütleçekimi de dahil olmak üzere, hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceğini keşfetmişti. Işığın, güneş ve dünya arasındaki mesafeyi alması 8 dakika sürdüğünden, eğer ki güneş birdenbire yok olacak olsaydı, dünyanın yörüngesinden çıkıp diğer yıldızlara kaymasından önce en azından 8 dakikadan biraz daha uzun bir süre geçmesi gerekirdi.

Öte yandan Newton’un, kütleçekiminin uzay boşluğunu sonsuz bir hızla katettiğine yönelik üstü kapalı çıkanını, kütleçekim kanunundaki tek ciddi hata değildi. Newton aynı zamanda kütleçekim kuvvetinin kaynağının kütlenin kendisi olduğunu düşünüyordu. Einstein ise tüm enerji türlerinin etkin bir kütlesi (ya da ağırlığı) olduğunu ortaya koydu. Dolayısıyla da, yalnızca kütle enerjisi değil, tüm enerji türlerinin bir kütleçekim kaynağı olması gerekiyordu.

Einstein’ın karşı karşıya kaldığı güç durum, özel görelilik teorisindeki fikirleri yeni bir kütleçekim teorisine dahil etmek ve dünyanın hızlanmakta olan bir insana nasıl görüneceğini tanımlamak için özel görelilik teorisini genellemekti. Bu devasa sorunlarla boğuşurken Einstein’ın kafasında bir ışık parladı. Kendisini hem şaşırtan hem de keyiflendiren bir şekilde bu iki işin aslında tek ve aynı şey olduğunu fark etmişti.

Belirsizlik ve Yıldızlar

Yıldız, kendi kütle çekimsel kuvvetiyle bir arada duran büyük bir gaz topudur. Bu çekim gücü sürekli olarak yıldızı büzmeye çalışır ve kendisine engel olacak bir başka kuvvetle karşılaşmadığı takdirde, yıldızın çok kısa bir sürede kendi içine çökmesini, yani bir kara deliğe dönüşmesini sağlayabilir. Güneş için konuşacak olursak, bunun gerçekleşmesi için yarım saatten kısa bir süre yeterli olacaktır. Öte taraftan güneşin, küçücük bir noktaya dönüşecek şekilde büzülmediği bilindiğinden dolayı, kütle çekimine karşı gelen bir başka kuvvet olmalıdır. Vardır da. Bu kuvvet, çekirdekteki sıcak maddeden gelir. Diğer tüm normal yıldızlar gibi, güneş de çok hassas bir denge durumundadır. Kütle çekiminin içeri doğru yüklenen kuvveti, sıcak maddenin dışa doğru yüklenen kuvvetiyle tam bir denklik içindedir.

Fakat bu denge geçicidir. Dışa doğru yüklenecek kuvvet ancak yanarak yıldızın sıcaklığını korumasını sağlayacak yakıt olduğu sürece sağlanabilir. Ve önünde sonunda bu yakıt bitecektir. Güneş için bu durum beş milyar yıl sonra gerçekleşecek. Bu olduğunda, kütleçekimi güneşin tek hakimi olacak ve artık kendisine karşı koyacak bir kuvvet kalmadığından ötürü, yıldızın sürekli olarak büzülmesini sağlayacak.

Devamını oku “Belirsizlik ve Yıldızlar”