Kategoriler
Bilim & İnsan

Uzay-zaman nedir? Sürekliliği, bükülmesi ve tekilliği

Uzay-zaman nedir? Uzay-zaman dokusu, uzayın üç boyutunu zamanın dördüncü boyutuyla birleştiren kavramsal bir model. Görelilik teorisi gibi günümüzün en iyi fizik teorileri, uzay-zamanın evrendeki büyük nesnelerin hareketini ve ışık hızına yakın seyahat etmek gibi olağandışı olayların etkilerini açıkladığını belirtir. Ünlü fizikçi Albert Einstein, görelilik teorisini ortaya atarak uzay-zaman fikrinin gelişmesine de yardımcı oldu. Bilim adamları o zamana kadar bu fiziksel fenomeni açıklamak için iki ayrı teoriyi kullanıyordu: Isaac Newton'ın fizik yasaları büyük nesnelerin hareketini tanımladı ve James Clerk Maxwell'in elektromanyetik modeli ışığın özelliklerini açıkladı.

Uzay-zamanı anlamak

Ancak 19. yüzyılın sonunda başlatılan bazı deneyler ışıkla ilgili özel bir durumun olduğunu göstermiştir. Ölçümler, ne olursa olsun ışığın hep aynı hızda hareket ettiğine işaret etmişti. 1898'e gelindiğinde Fransız fizikçi ve matematikçi Henri Poincaré ışık hızının aşılamaz bir sınırı olduğunu öne sürdü. Bunlar olurken diğer araştırmacılar ise bir nesnenin, hıza bağlı olarak boyut ve kütlede değişime uğrayacağını düşünmeye başlamıştı.

Einstein, 1905'te yayımladığı özel görelilik teorisinde tüm bu fikirleri bir araya getirdi ve ışık hızının sabit olduğunu varsaydı. Bu yaklaşımın doğru olabilmesi için uzay ve zamanın aynı çerçevede düşünülmesi şarttı. Ancak o zaman ışığın hızı tüm gözlemciler için aynı olacaktı.

uzay zaman ve ışık hızı
Einstein'ın özel görelilik teorisi, ışık hızının sabit olduğunu, çünkü ışığın her zaman aynı hızda hareket ettiğini öne sürer. (Görsel: Shutterstock)

Son derece hızlı bir rokette yol alan kişi, çok daha yavaş hızda hareket eden kişiye kıyasla hareket süresinin ve nesnelerin uzunluğunun daha kısa olduğunu ölçer. Çünkü uzay ve zaman görecelidir yani gözlemcinin hareket hızına bağlıdırlar. Ancak ışık hızı daha yerleşik bir olgudur.

İLGİLİ:  Kahverengi cüce: Ne yıldız ne de bir gezegen

Uzay-zamanın yekpare bir doku olduğu sonucu Einstein'ın kendi başına ulaştığı bir yaklaşım değil. Bu fikir ilk olarak Alman matematikçi Hermann Minkowski'den geldi ve 1908'deki bir kolokyumda şöyle dedi: "Bundan böyle uzayın kendisi ve zamanın kendisi gölgelerde solup gitmeye mahkumdur ve yalnızca ikisinin bir tür birleşimi bağımsız gerçekliği koruyacaktır."

Açıkladığı uzay-zaman hala Minkowski uzay-zamanı olarak biliniyor ve hem görelilik hem de kuantum alan teorisindeki hesaplamaların temeli olmaya devam ediyor. Kuantum alan teorisi atom altı parçacıkların dinamiklerini "alanlar" ile açıklar.

Uzay-zaman nasıl işler?

İnsanlar günümüzde uzay-zaman konseptinden bahsederken onu kauçuk gibi esnek bir doku tabakasına benzetir. Bu yaklaşım da Einstein'dan geliyor. Einstein genel görelilik teorisini geliştirirken yerçekimi kuvveti denilen olgunun uzay-zaman dokusundaki bükülmeler olduğunu açıkladı.

Dünya, Güneş veya biz insanlar uzay-zamanda çarpıklıklara neden oluruz ve bükülmeler oluştururuz. Tıpkı bir trambolinin çökmesini sağlayan bowling topu gibi. Bu eğimler evrendeki nesnelerin hareket etme şekillerine yön veriyor çünkü tüm nesneler bu çarpık eğrilikler boyunca uzanan yolları izleyerek hareket eder. Yerçekimi bedeniyle yapıldığı görülen bir hareket aslında uzay-zamandaki kıvrımlar ve dönüşlerin arasında yapılan harekettir.

Yerçekimi Sondası B (GP-B) isimli bir NASA görevi 2011'de Dünya'nın etrafındaki uzay-zaman girdabının şeklini ölçtü ve Einstein'ın tahminleriyle uyumlu olduğunu gösterdi.

Ancak çoğu insan hala uzay-zamanı tümüyle kavrayamıyor. Uzay-zaman esnek bir doku tabakasına benzetilse de analojinin bozulduğu noktalar var. Örneğin, uzay-zaman 4 boyutluyken (uzay 3 ve zaman 1) tabaka 2 boyutludur. Ayrıca uzaydaki bükülmeler sadece tabakanın bükülmesi değil zamanın da bükülmesidir. Fizikçiler bile tüm bunları açıklamak için kullanılan karmaşık denklemler karşısında zorlanır.

İLGİLİ:  Tıbbın gelişim hikayesi: Ruhlar ve sağaltım

Birçok bilim insanına göre Einstein uzay-zamana dair harika işleyen bir makine tasarladı ancak makinenin tam olarak nasıl çalıştığına dair bir kullanım kılavuzu bırakmadı. Genel görelilik o kadar karmaşıktır ki bir kişi bir genel görelilik denklemini çözdüğünde buna derhal kendi adını verir ve kendi başına yarı efsane olur.

Kavisli uzay-zamandaki bir tünelin yani solucan deliğinin sanatsal tasviri.
Kavisli uzay-zamandaki bir tünelin yani solucan deliğinin sanatsal tasviri. Evrendeki nesnelerin hareketini etkileyen kavisli bir kauçuk tabakası olduğunu hayal etmek uzay-zaman dokusunu anlamanın en basit yolu. Ancak bu benzetme bile tamamen doğru değil çünkü uzay-zamanın dört boyutu varken bir tabaka iki boyutludur. (Görsel: Shutterstock)

Uzay-zaman sürekliliği nedir?

Uzay-zaman 4 boyutlu olduğundan bu konseptte bir 'süreklilik' vardır çünkü uzayda eksik noktalar ya da anlar yoktur. Uzay da zaman da boyut ve süre açısından sınırsız şekilde alt bölümlere ayrılabiliyor. Dolayısıyla fizikçiler şimdi evrendeki tüm olayların, yerlerin, tarihteki anların, eylemlerin vb. uzay-zamanda belirli konumları olduğuna inanmaktadır.

Uzay-zaman evrim geçirmez, sadece var olur. Belirli bir nesneyi uzay-zamandaki temsili açısından incelediğinizde her parçacık kendi dünya çizgisi boyunca bir hat üzerinde konumlanır. Bunu geçmişten geleceğe uzanan spagetti benzeri çizgi olarak düşünebilirsiniz. Bu çizgide bir parçacığın her andaki uzaysal konumu görülebilir. Bir parçacığın üzerine etki eden kuvvetlere bakarak parçacığın tüm dünya çizgisini belirlerseniz onun bütün geçmişini 'çözmüş' olursunuz.

Bu dünya çizgisi zamanla değişmez ve zamansız bir nesne olarak var olur. Benzer şekilde, genel görelilikte uzay-zamanın şekline dair denklemleri çözdüğünüzde bulunan şekil zamanla değişmez ve zamansız bir nesne olarak vardır. Belirli bir andaki uzay geometrisinin şeklini incelemek için onu dilimleyebilirsiniz. Örneğin zaman içindeki ardışık dilimlerin incelenmesi evrenin genişleyip genişlemediğini görmenizi sağlar.

İLGİLİ:  Kaşınmak neden iyi hissettirir?

Uzay-zaman tekilliği nedir?

Einstein’ın genel görelilik teorisi yerçekimini açıklarken eğimli uzay-zaman geometrisini ele alır ve uzay ve zamanın “boşlukları” veya “kenarları” olabileceğini söyler: Yani uzay-zaman tekillikleri. Patolojik bir davranıştır ve tam anlamını açıklamak zordur. Ancak serbest düşüşteki parçacıklara bakarak uzay-zaman tekilliğinin tespit edilebileceği düşünülüyor. Buna sıradan madde ve foton gibi kütlesiz maddeler dahil. Serbest düşen madde düşmeye devam etmesi gerekirken birden gözden kaybolursa orada tekillik var demektir.

Uzay-zamana dair çözülmeyi bekleyen gizemler

Karmaşıklığına rağmen genel görelilik uzay-zamanın fiziksel fenomenini açıklamanın en iyi yolu olmaya devam ediyor. Ancak bilim adamları modelde bazı eksiklikler olduğunun farkında. Çünkü görelilik, atom altı parçacıkların özelliklerini son derece hassas şekilde açıklar ancak içinde yerçekimi kuvveti olmayan kuantum mekaniğine gelince yolları ayrılır.

Kuantum mekaniği, evreni oluşturan her küçük parçaların ayrık veya nicelleştirilmiş olması gerektiğine inanır. Yani ışık dahi foton denilen küçük ışık parçalarının birleşimidir.

Bazı teorisyenler uzay-zamanın da nicelleşmiş parçaları olduğunu ve bunların görelilik ve kuantum mekaniği arasında köprü kurmaya yardımcı olacağını savunuyor. Avrupa Uzay Ajansı uzay-zamana daha yakından göz atmak için şimdilerde Uluslararası Gama Işını Astronomi Laboratuvarı (GrailQuest) göreviyle ilgilenir.

Bu görevde bir uzay aracı gezegenimizin etrafında uçacak ve gama ışını patlamaları adı verilen uzaktaki güçlü patlamaların ultra hassas ölçümlerini yaparak uzay-zamanın kuantum keşfini gerçekleştirecek. Böyle bir görev fizikteki kalan bazı en büyük gizemleri aydınlatabilir. Ne var ki görevin başlamasına henüz birkaç uzun yıl var.

Yazar Burcu Kara

Genellikle modern tarih, yakın tarih ve popüler bilim üstüne içerikler üretiyor. Özel ilgi alanları arasında Kuzey Afrika ve Güney Amerika'nın sömürge tarihi ve Avrupa'daki eski monarşiler yer alıyor.