Kara Delikler

Posted by Women in Engineering on Thu Feb 11 2021

Kara Delikler 

İnsanın anlam arayışı yaşam var oldukça devam edecektir. Bu yazımızda, Stephen Hawking’in Kara Delikler kitabının ışığında kara delikleri inceleyerek gerçeklik olgusunun doğasını anlamlandırmaya çalışacağız. Buna öncelikle kara deliklerin nasıl oluştuğunu inceleyerek başlayalım.

Kara Delik Oluşumu

Yıldızların yaşam döngüsüne baktığımızda büyük miktarlarda gazın kütle çekiminin etkisiyle yıldızın üstüne çökmeye başladığını görürüz ve bu bir büzüşme hali yaratır. Büzüştükçe hidrojen atomları birbirine yaklaşarak daha büyük hızlarda çarpışır ve kaynaşarak helyumu oluştururlar. Bu tepkimeye füzyon tepkimesi denir ve reaksiyon sonucunda bir ısı açığa çıkar. Çıkan bu ısı yıldızın parlamasını sağlar ve gazın basıncını kütle çekim etkisiyle dengeleyerek büzüşmeyi durdurur. Eninde sonunda hidrojen yakıtı bittiğinde soğuma yaşanır, büzüşme başlar ve yıldız çökerek kara deliğe dönüşür.

Peki bu kendi içine çökme sürecini gezegenler yaşayacak mıdır? Burada Chandrasekhar limiti devreye girer. Bu limit kabaca sistemimizin Güneşi’nin kütlesinin 1.4 katına eşittir. Eğer bir cisim bu limitten daha düşük kütleye sahipse kütle çekimine karşı koyarak kendi içine çökme olayından kurtulabilir. Dünya’nın kütlesinin kabaca Güneş’inkinin 0.000003 katına eşit olduğunu biliyoruz, bu demek oluyor ki Dünya bir kara deliğe dönüşmeyecektir.

Kara delikleri tanırken bazı kavramları da öğrenmemiz gerekir. Olay ufku nedir? Bir nehir hayal edin, bu nehirde akıntıyla beraber yüzüyorsunuz ve nehrin sonunda sizi bekleyen bir şelale var. Yeterince uzaktasınız, belki de şelaleden düşmekten kurtulabilirsiniz fakat siz hala akıntıyla beraber yüzmeye devam ediyorsunuz. Zamanla sizi taşıyan su hızlanmaya başlar ve kaçış zorlaşır. Artık öyle bir noktaya gelirsiniz ki kaçış imkansızdır ve şelaleden düşersiniz. Olay ufkunu da basitçe bu şekilde aklımızda canlandırmamız mümkündür. Olay ufku kara deliğin sınırıdır. Işık kara delikten kaçamaz dolayısıyla ışığın kütle çekiminden kaçamayacağı bölge de diyebiliriz.

Yaşanan Gelişmeler

Kara delikleri anlama çabamızda her geçen gün heyecan verici sonuçlar elde edilmektedir. 2019 yılında bir kara deliğin ilk kez fotoğrafı Olay Ufku Teleskobu ile çekildi. Katie Bouman, bu teleskop için kullanılan algoritmayı geliştirerek takım arkadaşlarıyla beraber tarihte bir ilki gerçekleştirdi. 

Görsel 1 : https://www.bbc.com/turkce/haberler-dunya-47868739


Samanyolu Galaksimizin merkezinde bir kara delik mi bulunmaktadır?

2020 Nobel Fizik Ödülü’nün yarısı Roger Penrose’a “Kara delik oluşumunun genel görelilik teorisinin sağlam bir öngörüsü olduğunu keşfettiği için” verildi. Diğer yarısını ise “Galaksimizin merkezinde dev kütleli bir kompakt nesnenin keşfinden dolayı” Andrea Ghez ve Reinhard Genzel paylaştı. Bu keşif çok heyecan vericidir, bilim insanları bütün galaksilerin merkezinde dev karadelikler bulunduğunu öne sürmektedirler. Andrea Ghez ve Reinhard Genzel’in çalışmaları bunu en azından galaksimiz için kanıtlar niteliktedir.

Kara Deliklerin Entropisi, Hawking Radyasyonu ve Bilgi Paradoksu

Termodinamiğin 2. kanununa göre izole sistemlerin entropisi hiçbir zaman azalmaz. Entropi maksimum düzensizlikle doğru orantılı ise ona okunaksız bilgi miktarıdır diyebiliriz. Bilgiyi ölçebilmek için entropiden yararlanılır. Peki bilgi nedir? Evrende her şeyin yapı taşı aynıdır. Karbonların dizilimine göre bir maddenin elmas mı yoksa grafit mi olduğuna karar verebiliyoruz fakat bunu edindiğimiz bilgiler ışığında yapabiliyoruz. Evrende bilgi olmasaydı var olmak ya da olmamanın da bir anlamı kalmazdı. Termodinamiğin 1. kanununa göre ise enerjinin asla kaybolmadığını fakat form değiştirdiğini biliyoruz. Böylelikle bilginin kaybolmayacağını da söyleyebiliriz çünkü bilginin yok olması demek enerjinin yok olması manasına gelip bu da enerjinin korunumuna aykırıdır.

Görsel 2 : https://www.researchgate.net/figure/Hawking-radiation_fig8_304743590

Kara delikler tüm bilgiyi siliyorlar mı sorusuna da entropiyi anlayarak başlamamız gerekir. Eğer içindeki bilgi yok oluyorsa bu enerjinin korunumu kanununu çiğneyecektir. Bunun yanında bir de bizi yeni bir kavram karşılar: Hawking Radyasyonu. Genel göreliliğe göre ışıktan hızlı hiçbir şeyin var olmadığını söyleyebiliyoruz. Işığın bile kaçamadığı kara delikten başka bir şeyin kaçabileceğini hayal edebilir miyiz? Zihnimizde her şeyi yutan deliklerin canlanması çok doğaldır fakat yine de sormalıyız. Karadelikler parçacık yayar mı? Bu sorunun cevabı olumludur. Ocağa bir tencere su koyduğunuzu hayal edin, zamanla buharlaşarak kütlesini kaybedecektir. Kara delikler de radyasyon salınımı şeklinde kütlelerini kaybederler fakat bu çok küçük bir oran olsa da uzun bir süre sonra buharlaşıp yok olacakları gerçeğini değiştirmiyor. Asıl sorumuzdan önce bu salınımın nasıl yapıldığı da aklımıza takılan bir nokta olsa gerek. Bu noktada sanal parçacıklarla haşır neşir olmamız kaçınılmaz fakat anlatmaya başlamadan önce sanal parçacıkları anti parçacıklarla karıştırmamak gerektiğini söylemek önem taşır. Sanal parçacıklar sınırlı bir süreliğine var olan dalgalanmalardır. Örnek vermek gerekirse, elektrik yükleri arasındaki Coulomb Kuvveti’ni hatırlayabiliriz. İki yük arasındaki etkileşim sanal foton değişimi ile olur. Fotonun bir süreliğine var olması enerji korunumu yasasını ihlal etmez mi? Enerji yoktan var edilemez ve yok olamaz. Sanal parçacıklar karşıt sanal parçacıklarla bir arada oluştukları için kısa sürede yok olurlar, sisteme toplam etkisi sıfırdır diyebiliriz, bu şekilde tüm fizik kurallarını ihlal edebilirler. Şimdi, yeğin nükleer kuvveti hatırlayalım, sanal gluonların etkisiyle meydana gelmesi sanal parçacıkların zihnimizde biraz daha şekillenmesini sağlayacaktır. Stephen Hawking’in belirttiği üzere kara deliğin içinde kütle çekim alanı öyle kuvvetlidir ki bu kuvvete karşı durmak çok faza enerji gerektirir. Bu sebeple kara delikle karşı karşıya kalan bir eksi enerjili sanal parçacık kara deliğin içine düşüp gerçek bir parçacık ya da anti parçacık haline dönüşebilir. Sanal parçacıkların eşiyle birlikte imha olduklarını söylemiştik. Sanal parçacığın gerçek parçacık haline gelmesinin anlamı o an eşini bulup imha olamayacağı için gerçekliğin bir parçası haline gelmesidir. Tek başına kalmış eşin de kara deliğe düşmesi ya da artı enerjisiyle gerçek bir parçacık ya da anti parçacık haline dönüşüp olay ufkunun sınırından kaçabilmesi mümkündür. İşte bu kaçabilme durumu sonucunda gözlemciye parçacık salınmış gibi görünür. Ünlü E=mxc denklemine göre kütle ile enerji doğru orantılıdır. Kara deliğin içine giren eksi enerji, kara deliğin enerjisini dolayısıyla kütlesini düşürür. Olay ufkununun alanı küçülür. Termodinamiğinn ikinci yasası çiğnenecek gibi hissediyor olabilirsiniz fakat bu enerji düşmesi dışarı yayılan ışınımın entropisi ile karşılanır, sonuçta düzensizlik artıyor. Hawking Radyasyonu veya Işıması kulağa çok çılgınca gelebilir fakat size bir güzel haberim var. ‘Analog kara delik deneyi’ ile Hawking Radyasyonu kanıtlanmıştır. Bunun detaylarına dair araştırma yapmanızı tavsiye ederim.

Peki, en başta aklımızı kurcalayan o paradoksa geri dönelim. Bilgi yok olmuyorsa eğer Hawking Radyasyonu etkileri sonucunda buharlaşan kara delikle beraber bilgi nereye gidecek? Yoksa bilgi muhafaza mı ediliyor? Kara delik parçacık salarken olay ufkunun alanının küçüldüğünden bahsetmiştik fakat bunun da bir açıklamayı hak ettiğini düşünüyorum. Evet, kara deliklerin de entropisi vardır. Gerard ‘t Hooft karadeliklerin herhangi bir nesneyi yuttuğunda bir miktar büyüdüğünü söylemiştir. Bu büyüme, ışığın kütle çekiminden artık kaçamayacağı bölge yani karadeliğin sınırı olan olay ufkundaki yüzey alanının artışına denk gelmektedir (Planck alanları). Bir kutu hayal edelim ve bu kutunun içinde bir gaz olsun. Kutunun hacmini arttırırsak gaz daha geniş bir alana yayılır ve düzensizlik artar yani entropi artar. Hacmin artmasının entropiyle doğru orantılı olduğunu söyleyebiliriz fakat kara delikler söz konusu olduğunda burada kütle çekim etkisi işin içine girer ve ihmal edilemez. Kara deliklerde entropi artışını hacmin değil de yüzey alanının artışıyla doğru orantılı olduğunu söyleyebiliriz. O halde bu 3 boyutlu bilgiyi 2 boyuta sıkıştırabildiğimiz anlamına gelir. Burada biraz durup holografik evren modelini incelememiz gerekiyor. Öncelikle hologram nedir sorusunu sormalıyız. Hologramlar üç boyutlu görüntü bilgisinin iki boyutlu bir yüzeye kaydedilmesidir. ‘t Hooft ve Susskind de holografik ilkeyi kara deliklere uyarlayıp bilginin kaybolup kaybolmadığı paradoksu çözmeye çalıştılar. Kara deliğin yuttuğu nesnelerin bilgisi kadar bu olay ufkunda meydana gelen ekstra yüzey alanına bilgi depolanabilir olduğunu öne sürdüler. Kara delik kendini tükettiğinde bile olay ufkunda muhafaza edilen bu karmaşık bilginin boş uzayda da varlığını sürdürebileceğine değindiler.

Olağanüstü miktarda bilgi bizlerden gizli bir halde saklanmış durumdadır. Bekenstein’ın da belirttiği üzere kara deliği incelediğimizde sadece üç özelliğini görürüz: kütle, açısal momentum, elektrik yükü. Adeta bütün malzemelerin karıştığı bir çorba gibidir, içinde hangi malzeme olduğunu bilmek çok zordur. Stephen Hawking Kara Delikler kitabında da belirttiği üzere önceleri bilginin yok olacağını düşünüyordu fakat sonrasında bilginin nasıl saklanabileceğini keşfettiklerinde iddiaya girdiği meslektaşına bir ansiklopedi hediye etti. Bu espri içeren jest aslında bize güzel bir bakış açısı katmaktadır. Şimdi, bu birçok bilgiyi içeren bir ansiklopediyi Stephen Hawking’in size hediye ettiğini hayal edin. Bu bilgileri okumak kolaydır. Haydi şimdi de ansiklopediyi yakın ve kül haline gelene kadar bekleyin. Sonuçta elimizde küller kalmıştır fakat bilgi kaybolmamıştır, bilgi sadece başka bir formdadır ve okunması çok zordur. Eğer ansiklopedideki mürekkebi ve kağıtları oluşturan moleküllerin atomlarının konumlarını ve her özelliğini tamı tamına bilirseniz kül olmuş ansiklopediyi geri döndürmek mümkündür, yani bilgiyi okunabilir hale getirmek olanaksız değildir. Kara deliklerde de olay böyle işlemektedir. Olay ufkunda inanılmaz derecede küçük piksellerde bilginin saklandığı düşünülmektedir. Eğer bilgiyi okuyabilseydik büyük patlamadan itibaren evrendeki tüm tarihi görebilirdik. Holografik ilkeden bahsettik, üç boyutlu bilgi eğer iki boyutlu bir alanda saklanabiliyorsa neden üç boyuta gerek olduğunu sorgulayabiliriz. Bu da bizim de aslında iki boyutlu bir alandaki bilgilerin yansıması olup olmadığımız sorusuna götürür. 

Kara deliklerden faydalanabilir miyiz?

Teorik olarak bu mümkündür. Stephen Hawking’in de belirttiği üzere bir dağın kütlesine sahip olan kara deliğin yayınlayacağı x-ışını veya gama ışınları yaklaşık on milyon megawatt olur. Bu kara deliği Dünya’mızın yörüngesine koyabilseydik, tüm elektrik ihtiyacımızı karşılayabilirdi. Bu kadar büyük bir ihtiyacın karşılanmasının bizi bilimde daha da ileriye sıçratacağını söyleyebiliriz. Çok uzak bir gelecekte ise insanlar için hayatta kalmanın tek yolu kara delikleri kullanmak olabilir. Evrenin sonsuz bir karanlığa bürüneceği ön görülmektedir, dönen kara delikler ise koskocaman evrenden enerji elde edebileceğimiz tek kaynak olabilir.

Tekillik nedir, kara delikler başka evrenlere açılabilir mi?

Kara deliklerin sonunda ne olduğu sorusu akla gelebilecek en doğal sorulardan biridir. Bilim insanları, yıldızların inanılmaz derecede küçük bir noktaya çöktüklerinde tekillik yaratacağını öne sürmüşlerdir. Tekillik enerjinin sonsuz olduğu noktadır ve burada tüm yasalar çöker. Tüm yasaların çökmesi bir bakıma can sıkıcıdır çünkü evrende olup bitenleri anlamak için hali hazırdaki yasalardan yardım almakta ve bilgilerimizi birbiri üstüne inşa etmekteyiz.


Görsel 3 : https://inventionsky.com/what-is-white-hole/

Peki ya kara delikler farklı evrenlere açılabiliyorsa? Bizim anlayışımızdaki kara delik içinden ışığın bile kaçamayacağı her şeyi yutan bir olgudur. Burada ‘beyaz delik’ kavramıyla karşı karşıya kalıyoruz. Kara deliğin karşı tarafındaki beyaz delik, madde ve ışığın kendisinden kaçabileceği varsayımsal bir bölgedir, kısacası kara deliğin tersidir. Kara deliğe düştüğümüzde bir spagetti gibi uzayacağımızı söylediklerine göre farklı evrenleri görme şansımız olacak mı bilemiyorum, ayrıca o evrenler bizim fizik anlayışımızdan çok uzakta olsa bile var olma ihtimallerini bilmek bile heyecan vericidir.

Stephen Hawking’in bize aktardıklarının olaylara bakış açımızı genişlettiğini düşünüyorum. Kara delikler gerçeklik olgusunu anlamamızda çok önemli bir basamaktır ve bu alanda yapılan çalışmalar çığır açabilir. 

Sena Altun




Powered by Froala Editor