Kütle çekiminin sırrını çözme çalışmaları hızlandı

Graviton: Acaba var mı, yok mu?

Albert Einstein’a göre kütle çekimi bir “güç” değil, bir sonuçtu. Yani kütle uzay zamanı büküyordu, bu bükülme de beraberinde hareketi getiriyordu. Ama günümüzde çok sayıda fizikçi kütle çekimin bir sonuç değil bir “güç” olduğuna inanıyor. Onlara göre kütle çekim gücünü taşıyan bir de parçacık var. Ancak bunca yıldır o parçacığın izine rastlanmadı. Bazı fizikçiler şimdi gravitonun varlık veya yokluğunu göstermek için bir yol bulduklarına inanıyorlar.

HİKMET CAN PERTAN

Kütle çekim gücü nedir? Bir “güç” müdür, yoksa bir “etki” midir? Albert Einstein’a göre bir “etki”dir kütle çekim gücü. Kütle uzay zamanı büker, bu bükülme sonucunda da biz kütle çekim gücünün etkisini gözlemleriz.

Meşhur sözü hatırlayın: “Kütle, uzay zamana nasıl büküleceğini söyler, uzay zaman da kütleye nasıl hareket edeceğini…”

Einstein’ın bu “kütle uzay zamanı büker” teorisi, ortaya atıldığından beri defalarca deneysel olarak da kanıtlandı. Astro fizikçiler, uzayda gözlem yaparken tam da bu sebeple yaşanan “Külte çekimsel lens” etkisini teleskoptan her bakışlarında görüyorlar zaten.

Diyelim uzakta bir galaksiyi gözleyeceksiniz, daha yakındaki bir başka galaksinin yarattığı uzay-zaman bükülmesi yüzünden gözleyeceğiniz galaksi olması gereken yerden farklı bir yerde gözüküyor. Çünkü o sizin bakmak istediğiniz galaksiden gelen ışık, aradaki galaksi tarafından uzay zamanda yaratılan çukura girip çıkıyor ve yönü değişiyor.

“Güç” diyen kalabalık grup

Fakat, ortadaki bütün bu deneysel kanıtlara, gündelik gözlemlere rağmen kütle çekimin bir “etki” veya sonuç değil, doğrudan bir “güç” olduğuna inanan bir hayli kalabalık bir fizikçi topluluğu da var.

Onlara göre nasıl elektro manyetik etki, foton adı verilen ve kütlesi olmayan bir parçacık tarafından taşınıyorsa, kütle çekimi de adının “graviton” olması gereken ve yine kütlesi olmayan bir parçacık tarafından taşınıyor.

“Graviton” artık neredeyse mistik bir varlık. Çok uzun zamandan beri var olması gerektiği öne sürülüyor ama bir türlü varlığı gözlenemiyor. Oysa hepimiz gün içinde daima kütle çekim gücünün etkisi altındayız.

Yani diyelim Higgs Bozonu’nu gözlemek için milyarlarca dolarlık bir parçacık hızlandırıcısı ve onu kullanan onbinlerce fizikçiye ihtiyaç duyuldu. Bunca para ve insan emeğine rağmen Higgs’i gözlemek yıllar aldı ama sonunda gözlendi.

Oysa kütle çekimini tecrübe etmek için hiçbir şey yapmanız gerekmiyor. Zaten tecrübe ediyorsunuz. Ama o kütle çekimini, bir güç taşıyıcı parçacık aracılığıyla yaşayıp yaşamadığımızı ise hala gözleyebilmiş değiliz.

Kütle çekim dalgası: Uzatıyor, kısaltıyor

Biliyorsunuz, önce Amerika’da iki tane, sonra bir tane de Avrupa’da gözlem merkezi kurarak (ve yine çok para harcayarak) Einstein’ın, “Orada olması lazım ama gözlemek çok zor olur” dediği kütle çekim dalgalarını en sonunda gözledik. Daha da ilginci, bu dalgaların ciddi enerji taşıdığını da gördük.

Amerika’da LIGO, Avrupa’da VIRGO adı verilen gözlem evleri, L harfi şeklinde 4’er kilometrelik tüneller. Bu tünelin içinde bir lazer ışın demeti aynalar tarafından da yansıtılarak sürekli ileri geri gidiyor. Bir dizi son derece hassas algılayıcı da bu ışın demetinin o tünel boyunca gidip gelme süresini hesaplıyor. Eğer bu süre uzarsa veya kısalırsa (4 kilometrelik tünelde milimetrenin 10 binde biri kadar hassasiyette ölçüm yapılıyor) teorik olarak tünelden bir kütle çekim dalgası geçmiş olması gerekiyor.

Biri Amerika’nın Batı yakasında, diğeri Doğu yakasında ve sonuncusu da Avrupa’da üç tane gözlemcimiz bu yüzden var. Eğer kütle çekim dalgası uzaydan geliyorsa, bu üç gözlemcinin üçü de aynı anda aynı şeyi gözlemlemeli.

Evet, anladığınız gibi, kütle çekim dalgası aslında hepimizin içinden de geçiyor, dünyamızdan da geçiyor ve işte hassas betondan yapılmış o tüneli uzattığı veya kısalttığı gibi aynı etkiyi dünya üzerindeki (ve kendi yolu üzerindeki) her şeye de yapıyor aslında.

LIGO ve VIRGO’nun ilk gözlediği kütle çekim dalgalarından biri, iki kara deliğin çarpışmasına ilişkindi. Bu muazzam büyüklükteki kütleler birbiriyle çarpıştı ama ortaya çıkan yeni kara delik iki kara deliğin kütlesinin toplamı kadar olmadı. Arada ciddi miktarda kütle kayboldu; çünkü o kaybolan kütle, kütle çekim dalgaları yoluyla evrene dağıldı.

Dalga buysa, parçacığı nerede?

Biliyorsunuz kuantum mekaniğini klasik fizikten ayıran önemli “tuhaflık”lardan biri, kimi atom altı parçacıkların aynı anda hem dalga gibi hem de parçacık gibi davranması.

Fakat kütle çekiminde durumumuz farklı sanki. Önce “dalga”yı bulduk ve gözledik. Tam da beklediğimiz gibi hareket etti dalga. Şimdi içimizden bazıları bir de “parçacık”ı arıyor, yani “Graviton”u.

Peki, neden çok sayıda fizikçi, bir mistik varlık olarak “Graviton”a inanıyor?

Basit bir sebeple: Eğer Graviton’un varlığı kanıtlanırsa, teorik fizikçiler için de, deneysel fizikçiler için de hayat çok kolaylaşacak. Bir kere Albert Einstein’ın ve sonrasında da pek çok fizikçinin peşinden koştuğu “büyük birleşik teori”nin önünde bir engel kalmayacak.

Graviton’un varlığını kanıtlamak demek, “Kuantum kütle çekim problemi”ni de çözmek demek; yani kuantum seviyesindeki kütle çekimini hesaplayabilmek demek.

Peki var mı yok mu Graviton? Varsa nasıl gözleyeceğiz? Bu noktada işler karışıyor. Bunca yıldır Graviton’un hala gözlenememiş (veya yanlışlanamamış) olmasından da tahmin edebileceğiniz gibi, Graviton’u nasıl gözleyebileceğimizle ilgili yakın zamana kadar uygulanabilir nitelikte bir teorimiz bile yoktu.

Gravitonu sesinden tanımak

Ama mayıs ayında, Nobel ödüllü ünlü fizikçi Frank Wilczek ile iki öğrencisinin, Maulik Parikh ve George Zahariade’nin birlikta yazıp yayınlanmak üzere bilim dergilerine gönderdiği bir makale, “Graviton”u arama yolunda çok yeni ve ilginç bir yol öneriyor. (Meraklısı makaleye şu adresten ulaşabilir: https://arxiv.org/ abs/2005.07211 )

Az önce anlatmaya çalıştığım LIGO ve VIRGO’nun varlığı, bu gözlemcilerin kütle çekim dalgalarını gözlemiş olması, üç yazarımızın çalışmasının da temelini oluşturuyor.

Biz bu gözlem araçlarımızla dalgayı görebiliyoruz; üç yazarımız o gördüğümüz dalganın çok sayıda gravitonun bir araya gelerek meydana getirdiği bir kollektif davranış olduğunu varsayarak işe başlıyor.

Makalenin yazarlarından Maulik Parikh, “Bizim yaptığımız” diyor, “dalga sörfü yapan birine, üzerinde sörf yaptığı dalgayı meydana getiren minicik su damlalarından haberdar olup olmadığını sormaya, daha fenası o damlacıkları tek tek görüp görmediğini sormaya benziyor.”

Üç yazara göre LIGO ve VIRGO, kütle çekimi dalgasını yakalarken, tek tek gravitonların çıkardığı bir “ses”i de duyuyor olabilir. Yazarlar makalelerinde uzun uzun bu “ses”in olsa olsa hangi enerji seviyelerinde olacağını hesaplamışlar.

Fakat bugünlerde ortaya atılan yegane graviton önerisi onlarınki değil. Bir de, Erik Verlinde ve Kathryn Zurek’in önerdiği ölçme yöntemi de, benzer şekilde kütle çekim dalgasıyla birlikte oluşan “gürültü”yü veya “ses”i bulmaya odaklanıyor.

Graviton ışık mı çıkarıyor?

Son olarak bir de California Üniversitesi’nin Santa Barbara’daki kampüsünden fizikçi Raymond Sawyer’ın makalesinde anlattığı yöntem var. Burada bilimciler, “Graviton”un belli şartlar altında fotona, fotonların da belli şartlar altında gravitona dönüştüğünü iddia etmişler.

Onlara göre bu dönüşüm sırasında, yani foton gravitona dönüşürken spesifik bir elektro manyetik dalga da yayıyor. İşte LIGO ve VIRGO’nun bunu yakalayabileceği söyleniyor.

Anlaşılan o ki, fizik dünyası, özellikle de parçacık fiziğiyle ilgilenen teorik fizik dünyası bir sınıra gelmiş durumda. Graviton, hakkında çok uzun zamandan beri spekülasyon yapılan, ne varlığı ne de yokluğu gösterilebilen bir “şey.”

Eğer varsa ve gerçekten de kütle çekim kuvvetini o taşıyorsa, fizikte çok önemli bir bilinmeyen bilinir hale gelmiş olacak, önümüz çok açılacak. Bunun kadar önemlisi, deney yoluyla gerekiyorsa gravitonun yokluğunu kanıtlayabilmek. Yoksa da, herkes yoluna devam edecek.

Bu sınıra gelip dayanma duygusundan olsa gerek, gravitonun varlığını veya yokluğunu gösterecek deneylerin nasıl yapılacağına dair çok sayıda bilimsel makale neredeyse aynı döneme denk gelecek şekilde yayımlandı.

Şöyle düşünün: Gözümüzün içine giren ışığa yakından bakma şansımız olsa, onun çok sayıda minik fotonun bir araya gelmesinden oluştuğunu görürdük. Telefonunuza yakından bakabilseniz, üstünden ayrılan elektron ve fotonların sizin haberleşmenizi nasıl sağladığını görürdünüz.

Acaba aynı şey, ayakta dururken ayaklarımıza baktığımızda da olabilir mi? Yani bizi yere çeken, yere bağlayan minicik minicik gravitonları görür müydük?

Galiba birkaç yıl içinde bu sorunun cevabını öğrenmiş olacağız.

Bu yazı için temelde iki kaynaktan yararlandım. Birinci kaynak Wired dergisinde çıkan şu haberdi: https://www.wired.com/story/ looking-for-gravitons-check-for-the-buzz/ İkincisi ise The Scientific American dergisinde çıkan şu haberdi: https://www. scientificamerican.com/article/simulationshows-potential-for-glowing-gravitons/

Satürn’ün uydusu Titan bir yere mi gidiyor?

Aynen denizdeki dalganın uzun yıllar boyunca çarptığı kayaları aşındırması gibi, kütle çekimi de uzun dönemde gezegenelerin veya uyduların jeolojisin değiştirebiliyor, iç yapısında önemli sonuçlar yaratabiliyor. Satürn’ün uydusu Titan’ın yörüngesi her yıl 11 santim genişliyor, yani Titan gezegenden uzaklaşıyor. Bunun nedeni Satürn’ün yüzeyindeki yapıların Titan’ı itmesi.

Satürn’ün uydusu Titan, güneş sistemindeki en büyük ikinci uydu. Bizim uydumuz Ay’dan kabaca iki kat büyük ama kütlesi Ay’ın kütlesinden yüzde 80 daha fazla. Yani daha ağır.

NASA, Cassini adlı uzay aracını 2014’ten 2017’ye kadar Saturn’ün yörüngesinde tuttu. Bu sayede artık bu halkalı gezegenle ve onun uydularıyla ilgili çok fazla şey biliyoruz. Öğrendiğimiz yeni şeylerden biri, Titan’ın her yıl Satürn çevresindeki yörüngesini 11 santimetre kadar genişlettiği.

11 santimin çok da önemli olmadığını düşünebilirsiniz ama düşünmeyin: Çünkü 4 milyar yıldan fazla zamandan beri Titan Satürn’ün etrafında dolanıyor. Bir bu kadar daha dolanacak.

Bu hafta konumuz kütle çekimi. Titan’ın durumu ve bizim gezegenimizle Ay arasındaki ilişki de sonuçta birbirine benziyor ve tahmin ettiniz zaten, anlatacağım ilişkinin kökünde de kütle çekimi var.

Ay, dünyamızın etrafında dönüyor ve dünyayı kütle çekim gücüyle etkiliyor. Okyanuslarımızdaki gel-git hareketinden Ay’ın sorumlu olduğunu biliyoruz; dünyamız mükemmel bir küre değil, iki kutuptan basılmış, ekvatorda şişmanlamış gibi. Bu da Ay yüzünden böyle.

Kütle çekim gücü, çekilen kütle Ay veya Dünya gibi karmaşık bir yapıysa oldukça karmaşık şekilde etkide bulunuyor. İşte okyanuslardaki suyun nasıl davrandığını biliyoruz; peki acaba dünyamızın kabuğunun altındaki erimiş metaller nasıl davranıyor bu çekim gücüne?

Dünya ile Ay’ın arasındaki karmaşık ilişki, dünyanın dönüş hızını yavaşlatıyor; yılda 23 mili saniye kadar kısalıyor günlerimiz. Aynen Titan gibi Ay da dünyadan uzaklaşıyor, hemen hemen yılda 4 santimetre kadar.

Cassini sayesinde Titan’ı da, Satürn’ü de eskisine göre çok daha iyi tanıyoruz artık. Esasen Titan, Satürn’den bir hayli uzakta bir yörüngede, o yüzden kütle çekim etkileşiminin de zayıf olması beklenirdi. Ama Cassini yanıldığımızı bize gösterdi; o büyük mesafeye rağmen Satürn’ün Titan üzerinde muazzam bir etkisi var.

Nasıl, deniz kenarı bir kayalıkta o kayalara vuran dalgalar binlerce yıl içinde kayayı eritirse, uydusu olan gezegenlerde kütle çekiminin de benzer etkileri olduğu düşünülüyor. Elbette uydu gezegeni etkiliyor, gezegen de uyduyu. Bu etkilemenin jeolojik formasyondan okyanus akıntılarına kadar hemen hemen her konuda olduğu biliniyor. O konulara gezegenin veya uydunun atmosferi de dahil.

Titan, nitrojenden bir atmosferi olan, bu atmosferde şiddetli fırtınaların, yağmur ve karların yaşandığı, yüzeyde hidrokarbon okyanuslarının bulunduğu bir gezegen. Hiçbir şart altında bizim için “dostane” kabul edilemeyecek bir ortam. Sıcaklık, eksi 180 derece Celcius civarında.

Bu soğuk dev uydu, zaten ana gezegeninden bir hayli uzaktaydı, her yıl biraz daha uzaklaşıyor; çünkü gerek Titan’ın, gerek Satürn’ün kendi eksenleri etrafındaki dönüşlerinin yarattığı etki ve gerekse kütle çekimi etkisi, bu dev gezegeni her turunda Satürn’den daha uzağa itiyor.

‘Kripto Haydut’ sanal paraları çalmanın en kolay yolunu bulmuş

Hiç kripto paranız oldu mu? Benim oldu. Yıllar önce bir alışveriş için Amerika’da birisine 1 Bitcoin’den az bir para göndermem gerekiyordu, mecburen bir ‘kripto cüzdanı’m oldu. Şimdi yıllar sonra aynı cüzdanı bu yazıyı yazmak için tecrübe olsun diye yeniden kullandım; bu sefer 1.36 Ethereum ...

Dünya sigarayı bıraktı ama akciğer kanseri yine de azalmadı

Korelasyon, birbirinden bağımsız iki farklı şeyin birlikte oluş sıklığına istatistik analizde verilen isim. Mesela otomobil kazalarının sayısındaki artışla -bir haftayı bulan, hatta geçen- dini veya milli bayram tatilleri arasında bir ilişki var. Tatil oluyor, insanlar arabalarına binip ...

Gözümüzle gördüğümüz, elimizle tuttuğumuz şeyin gerçek olduğundan emin olabilir miyiz?

Sağolsun, Alev Alatlı sayesinde ülkemizde “Schrödinger’in Kedisi” lafını duymayan kalmadı. Alev Alatlı’nın bu iki kitaplık serisi sayesinde çok sayıda insan “Schrödinger’in Kedisi” lafını biliyor ama sadece Türkiye’de değil dünyada da çok az sayıda insan bu önemli düşünce deneyinin tam olarak ...