Değişmeyen kanun: Einstein Haklıydı!

“Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'ne bağlı Lazer Interferometer Kütle Çekim Dalgası Gözlemevi (LIGO) Laboratuvarı ve İtalya'nın Pisa şehrindeki Avrupa Gözlemevi (VIRGO) tarafından gerçekleştirilen çalışma, bilim dünyasının en büyük keşifleri arasında yer aldı. VIRGO ve LIGO laboratuvarları dün ABD'nin başkenti Washington'daki Ulusal Basın Kulübü'nde düzenlenen bir konferansta bu büyük keşfin sonuçları açıklandı. LIGO Laboratuvarı Başkanı David Reitze, 1,3 milyar ışık yılı uzaklıktaki ve 30 güneş büyüklüğündeki iki karadeliğin birleşerek bir kara delik oluşturduğunu belirtti.” Bu habere geçtiğimiz günlerde denk geleniniz olmuştur. Açıklaması biraz karmaşık görünen bu haber aslında evrene bakış açımızı değiştireceğimiz bir bilgiyi veriyor olabilir (LIGO resmi açıklama için bakınız: https://www.ligo.caltech.edu/detection )

2012’de Higgs bozonunun keşfinden sonra Göreliliğin 100.yılında çağın en büyük keşfi ile karşı karşıyayız. Malumunuz olduğu üzere fizik alanına ilgimden ve sevgimden mütevellit, sünnetullahı(Allah’ın metodlarını) anlamaya bir adım daha yaklaştığımız bu keşif hakkında yaptığım araştırmaları ve edindiklerimi derleyip sunmak istedim.

Öncelikli olarak belli temel şeylerden bahsedeyim. Evrendeki dört temel kuvvet ve onların aracı parçacıkları (bozonlar) şunlardır:

* Elektromanyetizm              : foton

* Zayıf nükleer kuvvet          : W⁺,W^–, Z⁰ 

* Şiddetli nükleer kuvvet      : sekiz gluon

* Kütle çekimi                      : graviton

Örneğin kütle çekimine gravitonlar aracılık ediyor; elektromanyetik etkileşime fotonlar aracılık ediyor. Bu aracı parçacıklara (kuvvet taşıyıcılara) bozon da denir. Evrendeki bütün parçacıklar ya bozondur ya da fermion. Bu sınıflama, parçacıkların spinlerine göredir

İlk kuvvet olan elektromanyetik kuvvet, yalnızca elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen kuvvettir. Bu kuvvetin kütle-çekim kuvvetiyle ilişkisini Newton’ın kuvvet denklemlerini kullanarak basitçe görebiliriz:

Dünyanın kütlesinin, dünya yüzeyindeki herhangi bir parçacığa uyguladığı kuvveti Newton şu şekilde tanımlamıştır:

F_e/F_g bize yaklaşık olarak 10^39 gibi bir rakam veriyor. Buradan da açıkça görüyoruz ki elektriksel kuvvet, kütleçekim kuvvetinin yaklaşık 10^39 katı kadar güçlü bir kuvvet, bir başka deyişle kütleçekim kuvveti elektrisel kuvvetten 10^39 kat zayıf bir kuvvet.

(Aynı hesabı bu kuvvetlerin ivmelerini bulmak için de yaptım, Üstad Newton’ın F=m*a sını kullanarak, meraklısı için paylaşayım dedim; bir protonun elektriksel kuvvetine F_pel, bir protonun çekim kuvvetine de F_gp dediğimde; (F_pel/m_p)/ (F_gp/m_p)

Bize yaklaşık olarak 10^26 gibi bir oran veriyor ki bu da bir protonun elektriksel kuvvete maruz kaldığındaki ivmesinin, kütleçekim kuvvetine maruz kaldığındaki ivmesiyle oranı oluyor. Müthiş rakamlar doğrusu.)

Peki bu kadar zayıf bir kuvvet nasıl oluyor da dünyayı ve diğer gezegenleri bir yörüngede tutuyor, bizim yere basmamızı sağlıyor?

Elektrik kuvvetiyle, kütleçekim kuvveti arasında keskin bir ayrım var: Kütleçekim kuvveti size asla itmez. Adı üstünde çekim kuvvetidir, ancak elektriksel kuvvet hem iter, hem çeker. Fakat elektriksel yükleri (+ ve – olarak) birbirine eşit olduğu için biz net elektriksel kuvvetten kurtuluyoruz ve kütleçekim alanında yaşamaya devam ediyoruz. Bu zayıf kuvvetin bizi tutmasını da dünyamızın kütlesinin büyüklüğüne borçluyuz, aynı zamanda güneşin yörüngesinde kalmayı da güneşin kütlesinin büyüklüğüne borçluyuz. Kütleçekimi ile ilgili ilk açıklama Isaac Newton tarafından Principia adlı kitabında öne sürüldü. Ardından Albert Einstein(1879- 1955) Genel-Görelilik Teorisi (Theory of General Relativity) adıyla yeni bir kütleçekim teorisi geliştirdi. Einstein bu teoride kütlelerin uzay-zamanı büktüğünü iddia etmiş ve bir doğrusal düzlem olarak kabul ettiği uzay-zamanı içindeki kütlelerin büktüğünü ve bu bükülmenin oranına bağlı olarak zamanda ve uzayda genişlemelerin ve daralmaların olabileceğini söylemiştir.

https://www.youtube.com/watch?v=MTY1Kje0yLg bu videoda yapılan deneyde uzay-zaman bir çarşaf olarak düşündürülmek istenmiş (bir düzlem) ve topların (kütlelerin) gergin bir çarşafı nasıl büktüğünü göstermiştir.

Ancak bahsettiğim gibi kütlelerin oluşturduğu çekim kuvveti çok küçüktür. Yani Einstein’ın teorisinde matematiksel yok gibi görünüyor ve her geçen gün doğrulanmaya devam ediyor evet, ama teorinin gözlemle ispatlanabileceği, hele ki 1900lü yıllarda, pek mümkün gibi gözükmüyordu. Hatta bir rivayete göre Einstein general rölativite teorisi hakkında şöyle diyor: “Teoriye inanıyorum ama bunu asla gözlemleyemeceğiz.” Rahat uyuyun bayım, gözlemledik! J

Peki neyi gözlemledik?

1.3 milyar yıl önce çarpışmış iki karadeliğin uzay ve zamanda yaratmış olduğu genişlemeyi ve büzülmeyi gözlemledik. Peki bu kadar uzakta (1.3 milyar ışık yılı, yani ışık hızıyla gittiğinizde -ki bu saniyede 300.000 km yapar- 1.3 milyar yıl sonra ulaşacağınız bir noktada) gerçekleşen bir çarpışmayı nasıl gözlemledik? “Nasıl” kısmına daha sonra değinmek istiyorum. LIGO’nun nasıl çalıştığına daha sonra detaylıca değineceğim. Öncelikle şu soruları bir açalım. İki karadeliğin çarpışması ne demek?  Karadelik ne demek?

Kara delik, uzayda bulunan ve ışığın dahi kaçamadığı çok çok güçlü bir çekim gücüne sahip olan bir bölgedir. Çok güçlü bir yer çekimi oluşur,çünkü madde minik bir boşluğa sıkışmıştır. Bu sıkışma, bir yıldızın “yaşamının” sonunda meydana gelebilir. Bazı kara delikler yıldız ölümlerinin bir sonucudur.

Kara deliklerden ışık kurtulamadığı için, görünmezdirler. Ancak, özel bazı aygıtlara sahip uzay teleskopları kara delikleri bulmada yardımcı olabilirler. Bu  teleskoplar kara deliklere çok yakın olan yıldızların ve bazı maddelerin davranışlarını gözlemleyebilir. Yani esasında bilim insanları karadelikleri bıraktıkları etkiler sayesinde yorumladı. Ama LIGO ekibinin Eylül 2015’te gözlemlediği iki karadeliğin çarpışması bizim karadelikleri ilk gözlemimiz oluyor. Bu nedenle de önemi çok büyük.

Kara delikler çeşitli büyüklüklerde olabilirler, fakat temel olarak 3 çeşit kara delik vardır. Kara deliklerin kütlesi ve büyüklüğü onların türünü belirler.

En küçük kara delikler ilksel kara delikler olarak bilinir. Bilimciler, bu tür kara deliklerin bir atom kadar küçükolduklarını ancak büyük bir dağ kadar büyük bir kütleye sahip olduklarını düşünüyorlar.

En yaygın kara delik tipi ise yıldızsal olarak isimlendirilen orta-büyüklükteki kara deliklerdir. Bir yıldızsal kara deliğinin kütlesi Güneş’in kütlesinden yaklaşık 20 kat daha büyük olabilir ve yaklaşık olarak 16 km çapındaki bir topun içerisine yerleştirilebilir. Samanyolu Galaksi‘sinde düzinelerce yıldızsal kara delik bulunabilir.

En büyük kara delikler ise “süper kütleli” olarak isimlendirilir. Bu kara delikler bir milyon tane Güneş’in bileşiminden daha büyük kütlelidirler ve çapı, yaklaşık olarak Güneş Sistemi büyüklüğünde olan bir topun içerisine yerleştirilebilir. Bilimsel deliller; büyük galaksilerin her birinin merkezinde bir tane süper kütleli kara delik bulunduğunu gösteriyor. Samanyolu Galaksimizin merkezinde olduğu düşünülen süper kütleli kara deliğin ismi ise Sagittarius A‘dır. Bu kara delik, yaklaşık 4 milyon tane Güneş’in kütlesine eşit bir kütleye sahiptir ve yaklaşık bir güneş büyüklüğünde çapı olan bir topun içerisine yerleştirilebilir.

Karadelikler ile ilgili bir şablon oluştu diye tahmin ediyorum. Yani hacimleri oldukça küçük ama kütleleri ona oranla devasa büyüklükte olan bölgelerdir. Liseden hatırlayabileceğiniz gibi d=m/v

Yoğunluk: kütle/hacim formülü bize gösteriyor ki karadelikler çok yoğun maddelerdir. Çok yoğun ve dolaylı olarak çok kütleli olmaları uzay-zamanı dünyadan yahut birkaç yıldızdan çok daha fazla bükmesi anlamına geliyor. Iki karadelik bir araya geldiğinde ise oluşan yoğunluk ve kütle inanılmaz bir boyuta ulaşıyor ki biz de elimizdeki en hassas interferometerla oluşan esneme ve genişlemeyi ancak ve ancak yakalayabiliyoruz.

https://www.youtube.com/watch?v=0HxYBMD48Jc ve  https://www.youtube.com/watch?v=R4yfGKM25VQ bu videolardaki animasyonlar oluşan olayı çok güzel gösteriyor. Bu insanlar dalga hesaplarını bu kadar temiz nasıl yapıyor? LIGO’nun yanından hiç mi kamyon geçmiyor? LIGO, deneyi Amerika’nın iki ucunda (Lousiana ve Washington) gerçekleştiriyor ve datalar iki laboratuarda da tamamen aynı. Bunlar verilere güvenmek için yeterli gibi görünüyor: https://www.youtube.com/watch?v=0fZ-1MtFE3U

Peki dünyaya fiziksel bir etkisi oldu mu?

Neredeyse hiç olmadı! Bir protonun çapının 10.000’de biri kadar bir mesafede gerçekleşen bir uzama ve daralma söz konusu bu gözlemde. Yani, bırakın bir insani algı sınırlarında fiziksel bir olayı, bu denli ufak ölçeklerde bir şeyi detekte edebilmek için bilim insanları her gün teknolojiyi geliştirmeye kafa yoruyor. Peki bu kadar ufak bir değişikliği nasıl gözlemledik? LIGO nasıl bir deney? Oldukça basit ve temel bir anlayışı olan bu optik düzeneğin mantığı gönderilen laser ışınlarının bir ışın bölücü (beam splitter) ile ayrılarak 4 kmlik bir yolculuktan sonra iki farklı aynaya gönderip, yansıyan dalgaların arasındaki girişim desenine bakıyor ve onları eşliyor. Şayet, eğer uzay-zaman konum değiştirmediyse bu dalgalar birbirini tam olarak sönümlemeli. Eğer uzay-zamanda bir uzama-daralma varsa dalga desenleri arasında faz farkı(interference) oluşuyor. Keşfedilen de tam olarak bu. Michelson-Morley’nin optiksel metoduna Fabry Perot metodu eklenerek daha hassas veri elde etmeye yardımcı olan bir düzenek. Merak edenler için:

https://www.youtube.com/watch?v=RzZgFKoIfQI

https://www.youtube.com/watch?v=uMaFB3jM2qs

Dedektörlerin nasıl çalıştığını ayrı bir yazıda anlatmak istiyorum. Kaynaklar ve videolar türkçe olmadığı için üzgünüm. Arzu edene uygun bir vakitte anlatabilirim.

Esas meraklandığımız nokta şu, bu data akışı devam ederse bunu teknolojide nasıl kullanacağız?  Gravitasyon dalgaları dünyamızı nasıl değiştirecek? Bugün fizik keşifleriyle kullandığımız tüm elektriksel ve mekanik cihazlar, belli fizik yasalarının keşfi ve gözlemiyle kullanılabilir hale geldi. Kütleçekim dalgaları sayesinde nelere sahip olacağımız benim uykularımı kaçırmaya başladı bile. Tüm bu kuramların fikir babalarının motivasyonları nedir diye sorguladığımda cevapları çok peşin alabiliyoruz:

Albert Einstein : “Tanrı’nın yasalarını anlamaya çalışmak beni çok heyecanlandırıyor. Evrene dair tüm merakımı körükleyen bu.”

Isaac Newton: “Tanrı, eserleri aracılığıyla bilinir. O’nun eserlerini çözmeye çalışıyorum ”

Bugün kullandığımız teknoloji, tam manasıyla şuanda temel fizik kanunları olarak kabul ettiğimiz kanunlar üzerine inşa edilmiş ve bu belli başlı teorik ve deneysel prensiplerin, mühendislikle birleşerek teknolojiye hayat verdiğini unutmamak lazım. Allah’ın kanunlarını anlamaya yönelik her yeni keşif, insanoğlunu biraz daha akıllı bir mahluk yaparken, hayat kalitesini arttırmasında da işe yarıyor. Sorgulanması gereken bir şey olarak görüyorum: her yeni bilgi konforumuzu arttırıyor. Bu tam aksi şekilde de cereyan etse neler olurdu? Yaratıcının çalışana ve üretene Rahim sıfatıyla yaklaştığının benim nazarında bir delilidir bu.  O’nun düzenini anlamaya yönelik  yapılan her çalışmanın neticesinde hayatlarını kolaylaştıracak bir ipucu bırakıyor. “muhakkak her zorlukla beraber bir kolaylık vardır.” Yapılan çalışmalar için çekilen bütün eziyetlerin ve emeklerin bir kolaylıkla mükafatlandırılacağı müjdelenmiş. Gravitasyon dalgalarını daha çok yeni gözlemledik. Bakalım dünyaya ve insanoğluna neleri kazandıracak bu keşif?Allah’ın ilmini, sunnetullahı anlamaya yönelik her çaba çok kıymetli. Fizik bunu en somut şekilde yapan alanlardan biri. Allah’ın yaratmakta olduğu evrenin +∞ ‘a giden keşfedilebilirlik potansiyelini farketmeye ve bu idrakin tadını beraber almaya davet ediyorum sizi. Fiziksel vakalar hakkında kafa yormak yaratıcının sizinle konuştuğu yeni bir dili keşfetmek gibi bir şey.

Yaratıcıyı anlamaya çalışmanın hepimize ilham olması dileğiyle.

And then God said THERE IS GRAVITATIONAL WAVES.

Ps: Linkler çok eziyetli duruyor biliyorum, ancak videolar ve animasyonlar gerçekten çok güzel dileyen yavuzzseyma@gmail.com ‘a mail atabilir, linkleri paket şeklinde postalayabilirim :)

_�0 š���_