Zamanın Kısa Tarihi

Posted by Women In Engineering on Wed Oct 28 2020

Zamanın Kısa Tarihi

“Bizim amacımız çevremizdeki olayları ve kendi varoluşumuzu tam bir biçimde anlayabilmektir.” diyor Stephen Hawking. Bu yazımızda hep birlikte evreni anlamaya bir adım atacağız. Atacağımız ilk adım sorgulamak ile başlar. “Neden buradayız?” 

Sorular beraberinde başka soruları da doğurur. Her birimizin farklı farklı soruları vardır, zaman bile herkes için farklı akıyorken bu göreceli bakış açısı içerisinde ayrık görüşlerimiz elbette olacaktır. Görecelilikten bahsetmişken yolculuğumuza Einstein’ın genel görelilik kuramı ile başlamamız pek de yanlış bir karar olmayacaktır.

Genel Görelilik

Einstein’a göre evrenin 4 boyutu vardır ve buna “uzay zaman” denir. Evreni bir su yatağı olarak hayal edersek üstüne bıraktığımız bowling topu ağırlık yaparak içe doğru göçecektir. O halde Güneşi de bowling topu olarak düşünelim, işte bu bükülme kütle çekim kuvvetini temsil ediyor. Yani Dünya ve gezegenler Güneş onları çektiği için yörüngede kalmıyor, Güneş’in uzay zaman düzleminde yarattığı bükülmeyi takip ediyorlar. 

(Görsel: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/06/09/ask-ethan-if-mass-curves-spacetime-how-does-it-un-curve-again/#13cde9a2746a )

Bizler Einstein’dan önce Newton’ın kütle çekim için tanımlarını takip ederken bir anda genel görelilik kuramı evrene bakışımızı değiştirmiştir. Newton’ın hesaplamalarının yetersiz kaldığını fark etmemiz de uzun sürmemiştir. Genel göreliliğin ilk kanıtlarından biri Merkür’ün yörüngesindeki sapmalardır. Bunu anlamak için öncelikle bazı kavramları bilmemiz gerekir. 

Gezegenlerin eliptik yörüngeleri vardır. Güneş’e en yakın oldukları noktaya ‘günberi noktası’ , Güneş’e en uzak oldukları noktaya ise ‘günöte noktası’ deriz. Newton mekaniği ile Merkür’ün günberi deviniminin uyuşmadığı fark edildi. Akla ilk gelen şey yörüngesindeki bu sapmalara başka keşfedilmemiş bir gezegenin varlığının yol açtığı oldu. Hatta bu gezegene ‘Vulcan’ dediler. (Star Trek izleyenler bilir, Mr. Spock’ın anavatanı Vulcan’dır.) Fakat her ne kadar keşfedilmemiş mistik bir gezegenin varlığı heyecan verici olsa da aslında daha heyecan verici olan bir gerçeklikle karşı karşıya kalındı. En nihayetinde olan şey Merkür günberi konumundayken, Güneş’in kütlesinden dolayı ortaya çıkan uzay zaman eğrisinin Merkür’ün yörüngesinde sapma meydana getiriyor olmasıdır. Yani yörüngesindeki bu sapmalar Einstein’ın genel görelilik kuramını doğruluyordu!

 

Genişleyen Evren

1924 yılında ise Edwin Hubble’ın yaptığı gözlemler istisnasız her yöndeki uzak gök cisimlerinin Dünya’dan uzaklaştığını ve Dünya’ya olan mesafe arttıkça uzaklaşma hızının arttığını göstermişti. Bu gözlem genişleyen evren modeli ile uyumludur.

(Görsel: http://stdhomes.ieu.edu.tr/ozgeozyenginer/soundwaves/de.html )

Hubble’ın çalışmalarına biraz daha yakından bakmak istersek öncelikle Doppler etkisini anlamamız gerekir. Günlük hayattan bir örnek olan ambulans sesi anlamamıza çok yardımcı olacaktır. Ambulans bize yaklaştıkça sesin perdesi daha yüksek (yani tiz) gelir. Bunun sebebi kaynaktan gelen dalga tepelerindeki aralığın uzaklaşma durumuna göre daha küçük olması yani frekansın yüksek olmasıdır.

Işığın ve radyo dalgalarının hareketleri birbirine benzer. Hubble, Doppler etkisinin rehberliğinde galaksileri incelediğinde maviye kayan galaksilerinin sayısının kırmızıya kayanlarla aynı olmasını bekliyordu fakat bulgusu şaşırtıcıydı. (Frekans azaldıkça kırmızıya kayma yaşanır.) Galaksilerin çoğu kırmızıya kayıyordu: Neredeyse hepsi bizden uzaklaşıyordu! 

Stephen Hawking evrenin genişlemesinin keşfini ‘yirminci yüzyılın en büyük entelektüel devrimlerinden biri’ olarak tanımlıyor. Ancak durağan evrene olan inanç yirminci yüzyılın başına kadar sağlamdı. 

O halde roketleri düşünelim. Bir roket eğer yavaş denebilecek bir hızda atılırsa kütle çekim onu durdurur ve yer yüzüne geri düşer fakat kritik hızdan fazla atılırsa kütle çekim onu durduramaz ve roket dünyayı terk eder. Evren için de bu geçerlidir, evren durağan olsaydı kütle çekim kuvvetinden dolayı büzüşürdü. Biraz yavaş olsaydı, kütle çekim en nihayetinde genişlemeyi durdurur ve yine büzüşürdü. Belirli bir kritik oranın üstünde genişliyorsa eğer kütle çekim onu durduramaz ve sonsuza dek genişlemesini sağlar.



Belirsizlik İlkesi



Biraz da, evreni anlamakta önemli payı olan belirsizlik ilkesini mercek altına alalım. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez. İşte bu yaklaşım sonucunda belirsizlik ilkesi temelinde mekanik bilimi yeniden tanımlanarak kuantum mekaniği ortaya atıldı. Artık parçacıkların konum ve hızın bileşimi olan bir kuantum durumuna sahip olduğu kabul edilmeye başlandı. 

Kuantum mekaniğinde parçacıkların davranışı hakkında bir ikilik vardır. Bazı durumlarda dalgalar gibi hareket ettiği öne sürülür.

Dalga/parçacık ikiliğini görselleştirmek için Richard Feynman ‘geçmişlerin toplamı’ yaklaşımını ortaya atmıştır. Bu yaklaşımda parçacıkların tek bir geçmişi ve yolu olması şart değildir, A’dan B’ye olası bütün yollardan gider. Bu konuya evrenin sınırsızlığında tekrar değineceğiz.





Karadelikler ve tekillik nedir? Evren sınırsız mıdır?

 

(Görsel: https://futurism.com/the-life-cycle-of-a-star )

Karadeliklerin ne olduğunu anlamak için bir yıldızın yaşam döngüsüne bakmak gerekir. Kütle çekiminin etkisiyle büyük miktarlarda gaz yıldızın üstüne çökmeye başlar. Büzüştükçe gazın atomları birbiriyle daha sık ve yüksek hızlarda çarpışır ve bunun sonucunda gaz ısınır. Sonunda öyle bir ısınır ki hidrojen atomları helyumu oluşturacak şekilde kaynaşırlar. Bu tepkimede serbest kalan ısı yıldızın parlamasını sağlayan şeydir ve bir süre kütle çekim etkisini dengeleyerek yıldızların bu şekilde uzun süre kararlı kalmasını sağlarlar. Ancak en sonunda yıldız hidrojenini ve diğer yakıtlarını tüketecektir. 

Yıldız büzüştükçe yüzeyindeki kütle çekim alanı güçlenir ve ışık konileri giderek daha da fazla içeri bükülür yani ışığın kaçması daha da zorlaşır. Nihayetinde yıldız küçülme sonucu belli bir kritik yarıçapa ulaştığında yüzeydeki kütle çekim alanı öylesine güçlü bir hal alır ki artık ışık konilerinin bükülmesi ışığın sızmasını engeller duruma gelir.

Görelilik kuramına göre hiçbir şey ışıktan daha hızlı değildir. Bu kabulden yola çıkarak eğer ışık kaçamıyorsa hiçbir şeyin kaçamadığını söyleyebiliriz. Sonuç olarak kaçmanın mümkün olmadığı bir uzay zaman bölgesine sahip oluruz. Bu bölgeyi bugün kara delik olarak adlandırıyoruz. Olay ufku ise ışık ve maddenin artık kaçamadığı bölgeyi sınırlayan kuşağa denir.

Kara deliklerin merkezlerinde bulunan uzay-zaman bükülmelerinin ve kütle çekim alanının sonsuz olduğu yapılara tekillik deriz.  Başka bir deyişle çok küçük bir alanda çok yoğun oranda kütle bulunması sonucu, kütle çekiminin sonsuz olduğu noktaya verilen isimdir. Bu kapsamda karadelik tekillikleri ve Bigbang tekilliğinden bahsedebiliriz fakat tekilliklerde tüm fizik yasaları çökmektedir. Bu durum bazı bilim insanlarına ters gelmiş ve tartışılmaya başlanmıştır. Hawking de genel göreliliğin tekilliği anlatmakta başarısız olduğunu ve kuantum kütle çekim teorisine ihtiyacımız olduğunu söylemiştir. Kuantum kütle çekim kuramı uzay zamanın bir sınırının olmadığını dolayısıyla bilim yasalarının çöktüğü tekilliklere gerek kalmadığını ortaya atmaktadır.

Evren sınırsız fakat sonludur.

(Görsel: Zamanın Kısa Tarihi)

Hawking evrenin sınırsız fakat sonlu olmasını onu Dünya’ya benzeterek görselleştirmiştir. Dünya yüzeyi uzay zamanda sonludur fakat herhangi bir sınıra veya kenara sahip değildir. Eğer gemiye binip denize açılırsanız bir tekilliğin içine düşmezsiniz! Dünyada olduğu gibi evrenin şekil 8.1 ‘de gösterildiği üzere kutuplarında bilim yasaları işlerliğini koruyacaktır.

Sınırsızlık önermesinin kabulüyle tekrar Richard Feynman’ın ‘geçmişlerin toplamı’ diyagramına geri dönmeliyiz. Bir parçacık tek bir geçmişe sahip olmak zorunda değildir, uzay zamanda mümkün olan bütün yolları izlemesi gerekmektedir. Her şeyin başladığı bir tekilliğe gerek yoktur.

(Tabii ki burada tekniksel güçlüklerden kaçınmak için sanal zaman kullanmalıyız. Sanal zaman kullanırsak bir başlangıç anını içermeyen sonlu ama tamamen sınırsız bir evrenle karşılaşmamız mümkündür. Bu matematiksel hesaplamalarda sanal sayılar kullanır: i,2i,3i vb. Hawking’in betimlemesi aklımızda canlandırmamıza yardımcı olacaktır: “Sıradan gerçek zamanı, soldan sağa giden yatay bir çizgi gibi düşünebiliriz. Erken zamanlar soldadır, geç zamanlar sağdadır. Fakat zamanın başka bir yönü, sayfanın yukarısına ve aşağısına giden bir yönü olduğunu da düşünebiliriz. Bu zamanın sanal yönü denen şeydir, gerçek zamana dik açılardadır. Sanal zamanda geleceğe gidilebildiği gibi geçmişe de gidilebilir.” Ayrıca Hawking’in matematiksel anlamda kullandığımız sanal zamanın asıl gerçek zaman olduğunu, bizim algıladığımız zaman kavramının ise algılarımızın bir sonucu olduğunu söylemesi son derece ilginçtir.)

Evrenin sınırsızlığına dair bir başka bakış açısı ise uzayın hangi noktasından bakarsak bakalım tüm gök adaların zamanla uzaklaştığını görmemiz olacaktır. Evrenin merkezi yoktur, neredeyseniz orası size merkez gibi görünür.



Zaman Yolculuğu

Pek çok bilim kurguda olduğu gibi zaman yolculuğu mümkün müdür? Genel görelilik kuramı buna açık kapı bırakmıştır. 

Öncelikle meşhur ikizler paradoksunu ele alalım. 30 yaşında Toprak ve Kuzey adında ikiz kardeşleri hayal edelim. Toprak 20 ışık yılı ötedeki bir sistemde araştırma yapmak üzere görevlendirilsin ve uzay gemisi ışık hızının %90’ı ile hareket etsin. Görevini 19 yılda tamamladıktan sonra dünyaya döner. Dünya’da karşılaştığı manzara pek şaşırtıcı olacaktır çünkü kardeşi ile artık aynı yaşta olmayacaklardır hatta Dünya’daki ikiz kardeşi ondan daha yaşlı olacaktır. Işık hızının %90 ile hareket eden Toprak için zaman daha yavaş akmıştır. Bu hızla 20 ışık yılı mesafesini Dünya zamanıyla 44 yılda kat etmiştir. Dolayısıyla onun için 44/2.3=19 yıl geçmiştir. Dünyaya döndüğünde o artık 49 yaşında ikizi ise 74 yaşındadır. Bu paradoks görelilik kavramına dayanır.

Zaman yolculuğunu mümkün kılan bir başka kavram ise solucan delikleridir. İlk kez solucan delikleri 1935 yılında Einstein ve Nathan Rosen tarafından “Köprüler” olarak belirtilmiştir.

Peki nedir bu köprüler? 

Elinize bir kağıt alın ve iki yanından delikler açın. Bu delikler üst üste gelecek şekilde kağıdı katlayın. Bu şekilde kağıdın bir kenarından diğer kenarına delikten geçerek ulaşabilirdiniz. Bu delik sizin için yolu kısaltmış olurdu.

Solucan delikleri de yolu kısaltırlar. Işık hızına ulaşmazsınız fakat yolun kısalmasıyla ışıktan hızlı yolculuk etmiş olursunuz. Hatta solucan delikleri evrenin uzak noktalarını birbirine bağlarsa geçmişe gitmeye izin verirler!

Fakat tüm bunlar nedenselliği ihlal etmiyor mu? Eğer zaman makinesi olsaydı gelecekten gelen yolcu bizlere bunu söylemez miydi? Geçmiş sabittir, bükülemez. Fizik yasaları makroskobik cisimlerin geçmişe bilgi taşımasını engelliyor olabilir. Bu sayede kronoloji korunur.

 

http://www.ituieee.com/posts/image1.jpg

(Görsel: https://www.fizikist.com/nedir-bu-solucan-delikleri/ )

 

Zaman Oku

Zamanda yolculuktan bahsetmişken farklı bir kavrama daha değinmemiz gerekiyor. Sizce geleceği hatırlamak mümkün müdür? Kırılan bardağın eski haline geldiğini görmek biraz korkutucu olmaz mıydı? 

Daha önce, evrenin genişlediğinden bahsetmiştik. Evren genişlemekte ve düzensizlik yani entropi artmaktadır. Termodinamiğin 2. yasasına göre kapalı bir sistemde entropi zamanla artar.

Üç çeşit zaman okunun mevcut olduğunu söyleyebiliriz:

 

  • Termodinamik Zaman Oku: Entropinin arttığı zaman okudur. (Düzenli durumda başlayan evren zaman geçtikçe topaklı ve düzensiz bir hale dönüşmüştür.)
  • Psikolojik Zaman Oku: Zamanın geçtiğini hissettiğimiz yönüdür. Bu yönde geçmişi hatırlarız ama geleceği hatırlamamız mümkün değildir.
  • Kozmolojik Zaman Oku: Evrenin genişlediği zaman okudur.

 

Hawking, güçlü bir termodinamik okun akıllı yaşamın sürmesi için gerekli olduğunu belirtiyor çünkü insanlar düzenli bir enerji formu olan yiyecekleri tükettikten sonra bunu hayatta kalmak için düzensiz bir enerji formu olan ısıya çevirir. Entropi artmış olur. Genişleme evresi koşulları akıllı yaşam için uygundur. Bu nedenle tüm zaman okları aynı yönü göstermektedir. Örneğin; kırılan bardağın eski haline gelme durumunu düşünürsek kırılmadan önceki haline döner, düzensizliği yani entropisi azalmış olacaktır. Fakat biz evrenimizde entropinin arttığını biliyoruz. Bu durumda termodinamik zaman okuyla birlikte psikolojik zaman oku da tersine dönerdi ve biz geleceği hatırlardık.

Fizik kuralları neden böyle? Antropik ilke nedir?

Biraz önce güçlü bir termodinamik okun akıllı yaşamının sürmesi için elzem olduğunu söylemiştik. Etrafımıza baktığımızda sanki her şey bizim etrafımızda dönüyor gibidir. Fizik kuralları bize evreni yaşanır kılmıştır. Işık cisme çarparak gözümüze yansır ve görmemize olanak sağlar. Birbirinden farklı renkleri görür, sesleri duyarız. Oysaki Dünya’da renk yoktur ve optik bir yanılsamadan ibarettir. Sesler ise dalgalardan ibarettir. Ellerimiz, ayaklarımız bizim dünyayı keşfetmemiz için dokungaçlarımızdır. Buraya ne kadar da uyum sağlıyoruz değil mi? Peki ya fizik yasaları başka türlü olsaydı? Neden evren böyle şekillendi?

Antropik ilke bunu şu şekilde cevaplıyor: “Evreni olduğu gibi görüyoruz çünkü farklı olsaydı onu gözlemleyemezdik.”

 

İki çeşit antropik ilke vardır:

Zayıf antropik ilke: Basitçe söylemek gerekirse fizikçi Brandon Carter, evrenimiz hayata misafirperver olmasaydı onu merak etmek için burada olmayacağımızı söylemiştir ve bu nedenle, ‘neden’ diye sormanın bir anlamı yoktur.

Güçlü antropik ilke: Bu versiyonda ise Carter, Dünya ve insanlık hakkında özel ya da ayrıcalıklı hiçbir şeyin olmadığını belirten Kopernik İlkesi kavramından yararlanıyor. Yaşamı destekleyebilecek bir evrende yaşadığımız için, yalnızca yaşamı destekleyen evrenlerin mümkün olduğunu belirtiyor.




Birleşik Kuram ve Her Şeyin Teorisi

Zayıf antropik ilke ‘neden diye sorma’, ‘sorgulama’ dese de biz sorgulamaya devam edeceğiz. Tekilliklerden bahsederken artık genel göreliliğin yetmediğinden kuantum kütle çekim teorisine ihtiyaç duyduğumuzdan bahsetmiştik. Her şeyi birleştiren bir teori olamaz mıydı? Fakat burada şöyle bir paradoks devreye giriyor. Gerçekten tam bir birleşik kuram varsa bizim eylemlerimizi de etkilemez mi? Birleşik kuram eylemlerimizi etkilerse doğru sonuca ulaşılabilir mi? Kuramın kendisi onu arayışımızın sonucunu da belirliyor olabilir mi? 

Bu paradoksa Darwin’in doğal seçilim ilkesine dayalı olarak bir cevap bulabiliriz.

Kendisini yeniden üreten organizmalardan oluşan bir nüfusun genetik malzemesinde ve farklı bireylerin yetişme tarzlarında varyasyonlar olacaktır. Bu varyasyonlar yani farklılıklar bazı bireylerin diğerlerine göre kendilerini çevreleyen dünyaya ilişkin doğru sonuçları çıkarmasını ve bu sonuçlar ışığında doğru eylemler gerçekleştirmede daha becerikli olması anlamına gelir. Bu şekilde hayatta kalan bireyler kendisini yeniden üretmeye daha yatkın olacağı gibi düşünme biçimlerinin diğerlerine göre daha baskın olması da mümkün olacaktır. Bu evrimleşme sürecinde doğal seçilimin bize verdiği uslamlama yetilerinin tam birleşik bir kuram arayışımızda da geçerli olacağını ve dolayısıyla bizi yanlış sonuçlara götürmeyeceğini düşünebiliriz.

Peki, Büyük Birleşik Teori ve Her Şeyin Teorisi nedir?

Evrende 4 temel kuvvet vardır: Yeğin kuvvet, çekirdeği bir bütün halinde tutan etkileşimin ta kendisidir. Elektromanyetik kuvvet, yüklü parçacıklar arasında gerçekleşir. Zayıf kuvvet, pek çok parçacığın ve hatta pek çok atom çekirdeğinin kararsız olmasından sorumludur ve son olarak en zayıf olan kuvvet ise kütle çekim kuvvetidir.

Büyük Birleşik Teori için parçacık fiziğinde; elektromanyetik, zayıf ve kuvvetli etkileşimleri tek bir güç haline getirebilecek bir modeldir diyebiliriz. 

Her şeyin teorisi ise evrendeki tüm bilinen fiziksel olayları açıklayan varsayımsal bir çerçevedir. Büyük birleşik teorinin bir araya getirdiği güçlü, elektromanyetik, zayıf kuvvetle kütle çekim kuramını bir araya getirmek istemektedir. Sicim Teorisi de bu birleştirme isteğinden doğmuştur.

 

Merak ve insanın evreni anlama çabası var olduğumuz sürece devam edecektir. 14 milyar yıl boyunca seyahat eden atomlardan oluşan bizler yeni buluşlara ve keşiflere imza atacağız. Başımızı kaldırıp etrafa bakmamız yeterli. “Neden buradayız?”

(Görsel: https://shop.tsevis.com/product/the-amazing-universe-of-stephen-hawking )



Evreni anlamaya çıktığımız bu yolculukta Stephen Hawking’in Zamanın Kısa Tarihi kitabı bizlere çok güzel bir kaynak oldu. Kendisini saygıyla anıyoruz.

Sena Altun