Genel görelilik kuramı: Özellikleri, keşfi ve etkileri

genel görelilik kuramı hakkında bilgiler

Einstein'ın genel görelilik kuramı sadece 13 kelimeyle özetlenebilir: "Uzay-zaman maddeye nasıl hareket edeceğini söyler; madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler". Ancak fizikçi John Wheeler'ın bu kısa açıklaması genel göreliliğin bazı daha karmaşık ve derin yanlarını gizlemektedir. Kuantum teorisi ile birlikte genel görelilik modern fiziğin temelini oluşturuyor. Genel görelilik kuramı yerçekiminin nasıl işlediğini açıklamaktadır. Buna gezegenler, galaksiler ve bir bütün olarak evrendeki tüm yerçekimi dahil. Einstein tarafından özel görelilik teorisinin bir uzantısı olarak geliştirildi. Öylesine büyük bir teoridir ki ilk kuramdan (1905) diğer kurama geçmesi (1915) yıllarını almıştır.

Genel görelilik nedir?

Einstein'ın genel görelilik kuramında zaman göreceli, kütle ile enerji birbirinin aynısı ve uzay ise esneyip bükülebilen bir ortamdır. Gökbilimciler ister yakındaki bir yıldızı isterse bir kara deliği ya da galaksiyi gözlemliyor olsun daima Einstein'ın alemine bakar. Genel görelilik evreninin nasıl doğduğunu, nasıl genişlediğini ve geleceğinin ne olacağını anlatıyor.

Özel görelilik bize hareketin uzay ve zamanı büktüğünü söyler. Einstein'ın genel görelilik kuramını vurucu yapan noktaysa bu fikri üç yüzyıl önce Galileo tarafından açıklanan ilkeyle birleştirmesidir: Düşen nesneler, kütleleri ne olursa olsun aynı hızda ivmelenir. Pisa Kulesi'nden atılan bir tüy ve bir çekiç, hava direncini aradan çıkarırsanız yere aynı anda çarpacaktır. (1971'deki Apollo 15 Ay inişi sırasında astronot David Scott, bu prensibi havasız Ay'da doğruladı.)

Galileo'nun ardından Isaac Newton da bu prensibi ele aldı ve sadece şu tuhaf durumda gerçek olabileceğini söyledi: Cismin ivmelenme direncini belirleyen eylemsizlik kütlesi yerçekimi kütlesine eşit olursa yani cismin yerçekimi tepkisine. Bunun neden böyle olduğu bilinmiyor ancak hiçbir deney bu iki değeri birbirinden ayrı tutmamıştır.

Einstein özel görelilik kuramını geliştirirken doğada ışığın sabit hızda olduğu ilkesini kullandı ve genel görelilik kuramını geliştirirken de bir doğa ilkesini benimsedi: Eşdeğerlik ilkesi. Genel görelilik kuramı, uzay ve zamanın iç içe geçtiği yeni uzay-zaman yaklaşımını eşdeğerlik ilkesi ile birleştirdi ve yerçekiminin sadece bir tür hızlanma olduğunu gösterdi. Uzaydaki devasa nesneler etraflarındaki uzay-zamanı bükerek diğer cisimlerin kendilerine doğru hızlanmasını sağlamaktadır.

Genel görelilik kuramı neden Dünya'da her şeyin aşağı doğru yani zemine çekildiğini ve neden Dünya'nın Güneş'in etrafında döndüğünü açıklıyor. Kütleçekim, gezegenler veya yıldızlar gibi evrendeki çok büyük kütleli cisimlerin hareketini belirliyor olsa da aslında doğadaki bilinen dört kuvvetten en zayıfıdır ve kuantum kuramının dahi tam olarak açıklayamadığı tek etkidir.

Genel görelilik teorisine göre bazı gerçekler

Genel görelilik kuramı ve kara delik
  • Uydulardaki hassas atomik saatler Dünya'daki saatlerden saniyenin 45 milyonda birinden daha hızlı çalışır çünkü Dünya'nın yerçekimi yukarıda daha zayıftır. Yani zaman Dünya'da daha yavaş geçmektedir. GPS sinyali yeryüzünden alınsaydı konumlar 10 kilometre hatalı görünürdü.
  • Güneş'e en yakın gezegen Merkür'ün garip bir yörüngesi vardır çünkü Einstein'ın keşfettiği gibi devasa Güneş'in eğdiği bir uzay alanından geçmektedir. Genel göreliliğin başarılı sonuç verdiği ilk testlerden biriydi.
  • Bükülen uzay sadece madde ve zamanı etkilemez aynı zamanda devasa nesnelerin etrafındaki ışığı da eğer. Bükülen ışık galaksi ve yıldızların bize normalden daha yakın görünmesini sağlar.
  • Genel göreliliğe göre ışığın hızı daima aynı olduğundan Dünya'daki bir gözlemciye göre çok hızlı hareket eden bir astronot zamanın daha yavaş aktığını görecektir. Astronotun gemisi ise büzülmüş görünecektir. İçeride ise her şey normal olacaktır.
  • Karl Schwarzchild 1916'da Einstein'ın genel görelilik kuramını çözdü ve bu da kara deliği ortaya çıkardı. Kara deliğin o kadar küçük ve yoğundur ki ışık ondan kaçamaz. Einstein, kara deliğe karşı çıkmıştır.
  • Kara delik evrenin gizemlerinden biridir. Varlığının tek kanıtı kütlesinin, arkasındaki galaksilerden gelen ışığı dağıtmasıdır. Genel görelilik, kütleçekimsel merceklenmenin ışığı ne ölçüde etkileyeceğini söyler. Bilim adamları buradan hareketle karanlık maddenin miktarını bulmuştur.
İLGİLİ:  Isaac Newton | Hayatı, buluşları, sözleri, eğitimi ve kitapları

Genel görelilik nasıl keşfedildi?

20. yüzyılın başında yani Einstein ve Hubble'ın Mount Wilson'da buluşmasından 30 yıl önce, fizik bir tür kargaşa içindeydi. X-ışınları, elektronlar ve radyoaktivite yeni keşfediliyordu ve fizikçiler, Isaac Newton'ın 200 yıl öncesine dayanan hareket yasalarının bu garip yeni parçacıkların uzayda nasıl uçtuğunu açıklamada yetersiz kaldığını fark ediyordu. Bilimin bu yeni alanında çığır açacak kişinin ezberci öğrenmeyi reddeden ve kendi yeteneklerine sarsılmaz inancı olan asi ve ukala bir çocuk olması şarttı. Bu kişi Einstein oldu.

Yetenekleri arasında güçlü fiziksel içgüdü ve doğanın nasıl çalıştığını anlamasını sağlayan bir altıncı hissi vardı. Einstein henüz ergenlik çağındayken bir fikir onu meşgul etti: Bir adam bir ışık huzmesiyle aynı hızda yol alırsa ne görürdü? Elektromanyetik dalgaların bir buzul gibi donduğunu mu görürdü? Einstein buna inanmadı.

Einstein, tüm fizik yasalarının hareket ve hareketsizlikte daima aynı davrandığını fark ederek ışık hızının da sabit olması gerektiğini düşünmüştür. Kimse ışığa yetişemez ancak eğer ışık hızı tüm gözlemciler için aynıysa başka bir faktör daha söz konusu olmalıdır: Mutlak zaman ve mekan. Einstein, evrenin ortak bir saate veya ortak bir referans çerçevesine sahip olmadığını buldu. Uzay ve zaman "görecelidir" dedi; hareketimize bağlı olarak her birimiz için farklı şekilde akar.

Einstein'ın yüz yıl önce yayımlanan özel görelilik teorisi enerji ve kütlenin aynı paranın iki yüzü olduğunu ünlü denklemi E = mc² ile gösterdi (E enerji, m kütle ve c ışık hızı). Einstein bu fikir için "eğlenceli ve baştan çıkarıcı," diye yazdı Ancak ekledi, "Tanrı beni yanıltıyor mu, onu bilmiyorum." Fazla alçakgönüllüydü. Kütlenin saf enerjiye dönüşebileceği fikri ileride gökbilimcilerin Güneş'in kalıcı gücünü anlamalarına yardımcı olacak ve hatta nükleer enerjinin keşfini sağlayacaktı.

Özel görelilik yerine genel görelilik

Einstein bu kadarla tatmin olmadı. Özel görelilik kuramı sınırlıydı. Evreni şekillendiren büyük ölçekli kuvvet yani yerçekiminin tüm hareketlerini tanımlayamıyordu. On yıl sonra, 1915'te Einstein, yerçekimini yeniden tanımlayarak Newton yasalarını değiştiren genel görelilik teorisiyle bu ihmali telafi etti.

Genel görelilik, uzay ve zamanın dört boyutlu esnek bir doku gibi olduğunu ve bunun nesneler yani madde tarafından büküldüğünü göstermiştir. Dünya, Güneş'in etrafında dönüyor çünkü Güneş'in kütlesi uzay-zamanı çukurlaştırıyor ve tıpkı bir merminin trambolindeki bowlingin etrafında dönmesi gibi Dünya'yı kendi etrafında döndürüyor. Yerçekimi kuvveti, uzay-zamanın eğilmesidir.

Yerçekimine dair bu yeni kavrayışla birlikte fizikçiler evren hakkında daha gerçekçi tahminlerde bulunmaya başladı ve kozmolojiyi bilime dönüştürdüler. Newton'a göre uzay hareketsizdi ve yalnızca içindeki nesneler hareket ederdi. Ancak genel görelilikle uzayın kendisi başrol oyuncusu haline geldi. Evrendeki madde miktarı ne kadar eğildiğini belirlemektedir ve uzay-zaman ya genişliyor ya da daralıyordur.

Genel göreliliğin sağladığı keşifler

genel görelilik

Einstein'ın zamanında evren hareketsiz kabul ediliyordu. Ancak durağan bir evren kendi yerçekimi altında çökeceğinden, Einstein genel görelilik denklemine kozmolojik bir sabit eklemek zorunda kaldı. Yerçekimi gök cisimlerini içe doğru çekerken bir başka kütleçekim gücü onları dışa itiyor yani birbirinden ayırıyordu. Einstein bunu 1917'de "yıldızların düşük hızlarından anlaşıldığı gibi" diyerek vurguladı; evreni hareketsiz tutmak için gerekli olan şey buydu.

İLGİLİ:  Diyabette yüksek trigliseridin sebepleri ve trigliseridin düşürülmesi

Bundan on iki yıl sonra Hubble bizden uzaklaşan diğer galaksilerin olduğunu keşfetti. Onlardan gelen ışık uzay-zamanın genişlemesi nedeniyle kırmızıya dönüyordu. Bu da galaksileri sabit tutmaya yarayan kozmolojik sabit fikrine olan ihtiyacı ortadan kaldırdı. Einstein, 1931'deki California ziyaretinde fikri kabul etti. "Uzak bulutsuların kırmızıya kayması, önceki yapımı bir çekiç darbesi gibi paramparça etti," dedi. Hatta bir meslektaşına kozmolojik sabitin onun en büyük hatası olduğunu söyledi.

Evrenin doğuşunun tanımlanması

Bu ek bileşen olsun ya da olmasın genişleyen evren fikrinin ortaya çıkmasını sağlayan Einstein'dı. Şimdi son bir çıkarımı daha tanımlamak gerekiyordu: Evrenin yaratılış anı. 1931'de Belçikalı rahip ve astrofizikçi Georges Lemaître uzaklaşan galaksileri aldı ve onların çağlar öncesindeki göz kamaştırıcı bir parlak ateş topundan, kendi ifadesiyle "ilkel bir atomdan" doğduklarını hayal etti. Lemaître, "Dünyanın evrimi, yeni bitmiş bir havai fişek gösterisine benzetilebilir: Birkaç kırmızı ufak şeyler, kül ve duman," diye yazdı. Bu şiirsel senaryodan bugünün Büyük Patlama teorisi doğdu.

Konsept başlangıçta şaşırtıcı bulundu. Ancak, Bell Telephone Laboratories'teki bilim adamlarının 1964'te evrenin mikrodalga radyasyonu ile doldu olduğunu tespit etmesiyle kanıtlar yavaş yavaş toplanmaya başladı. Bu radyasyon evrenin gürültülü doğuşundan kalan parıltılardı çünkü ancak öyle bir şiddetle oluşabilirlerdi. Büyük Patlama'nın etkisi, Batlamyus'un göksel küresinin Orta Çağ'da yaptığı etkiye benzerdir.

Şu anda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde bulunan Alan Guth 1980'de Einstein'ın esnek uzay-zaman fikrini yeni parçacık fiziği ile birleştirdi ve büyük patlamayı destekledi. Evrenin oluşmaya başladığı saniyenin trilyonda birinin trilyonda birinin ilk trilyonunda her şey aniden sonsuzluğa dek genişleyerek "enflasyon" geçirdi ve ardından daha makul bir düzeye geri küçüldü dedi. Bu hareketin maddenin ve enerjinin evren boyunca aynı oranda yayılmasını ve uzay-zamanın eğimini düzleştirdiği düşünülür.

Kara deliğin keşfini sağlaması

Gökbilimcilerin bu genişleyen evrende bulduğu bazı garip nesneler de Einstein'ın genel görelilik kuramının eseridir. 1930'larda genç Hintli fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar özel görelilik ve yeni kuantum mekaniği teorisini bir yıldıza uyguladı. Belli bir kütleyi aşan yıldızların yaşamlarının sonunda beyaz cüceye dönüşmeyeceğini belirtti. Bunun yerine yerçekimi onu tek bir noktaya kadar sıkıştıracaktı. Bu yaklaşımı ışığın bile kaçamadığı kara deliklerin veya ağırlığı dünyadaki tüm arabaların bir parmak alana sıkıştırılmasına eşit olan nötron yıldızlarının bulunmasını sağlamıştır.

Einstein kara deliğin var olamayacağını kanıtlamaya çalıştı. Kara deliğin gerçek keşfi 1955'teki ölümünden sonra geldi. Gökbilimciler ardından 1963 yılında merkezinden trilyon Güneş'e denk enerji çıkan genç kuasar galaksilerini tanımladı. Dört yıl sonra gözlemciler staccato radyo bipleri yayan pulsarı buldular. Bunlar olurken uzaydaki sensörler gökyüzünün etrafındaki noktalardan geçen güçlü x-ışınları ve gama ışınları olduğunu tespit etti. Tüm bu sinyallerin ancak büyük kütleli çarpışan nesnelerden yani nötron yıldızı ve kara deliklerden gelmesi mümkündür.

Galaksilerin ağırlının ölçümü

Einstein'ın daha az ünlü fikirleri bile kayda değer kalıcılığa sahip olmuştur. Einstein henüz 1912'de uzaktaki bir yıldızın dev bir dürbün gibi davranabileceğini, yerçekiminin ışık ışınlarını saptırarak arkasındaki nesneleri büyüteceğini fark etti. Ancak daha sonra bu etkinin "çok az önemi" olacağını söyledi. Bugünün gelişmiş teleskoplarıyla gökbilimciler galaksilerin ve galaksi kümelerinin güçlü yerçekimi mercekleri gibi davrandığını ve bize daha uzaktaki galaksilere göz atma olanağı sunduğunu görmüştür. Işığın ne kadar büküldüğü merceğin kütlesine bağlı olduğundan bu etki aynı zamanda gözlemcilerin mercek oluşturan galaksilerin ağırlığını bulmasını da sağlamıştır. Göründüğünden çok daha fazla kütleye sahip oldukları ortaya çıktı.

Karanlık maddeyi önermesi

Artık evrenin ağırlığının çoğunun karanlık maddeden oluştuğu biliniyor. Karanlık madde, evrenin gizli yapıtaşı ve kütleçekimsel merceklenme onu "görmemizi" sağlayan birkaç yoldan biri. Einstein'ın "önemsiz" dediği etki önemli bir keşfi sağladı ve astronomik birim haline geldi.

İLGİLİ:  Termodinamiğin sıfırıncı yasası nedir ve ne anlama gelir?

Einstein'ın "en büyük hatam" dediği kozmolojik sabit ise onun belki de en büyük başarılarından biri olmuştur. Gökbilimciler önceleri yerçekiminin evrenin genişlemesini kademeli olarak yavaşlattığını düşündüler. Ancak 1990'ların sonlarında, uzaktaki patlayan yıldızlara olan mesafeyi ölçen iki ekip bunun tersini buldu. Okyanus akıntıları üzerinde ayrı ayrı yol alan şamandıralar gibi baktıkları bu süpernovaların uzay-zamanın dışına doğru artan bir hızla genişlediğini gördüler. Einstein için kozmolojik sabit, evreni dengede tutmanın yoluydu. Ama şimdi karanlık enerji olarak adlandırılan itici etkinin bunu sağladığına inanılmaktadır ve aslında Einstein'in sabitiyle aynıdır.

Her şeyin teorisini mümkün kılabilir

Eğer bu genel görelilik tahmini tümüyle doğrulanırsa evrene yeni bir bakış açısı sunacak: Uzay-zamandaki yerçekimi dalgalanmaları gibi.

Fizikçiler bunları tespit etmek için ABD'nin Washington eyaletine ve İtalya'nın Pisa kentine üç dev sensör inşa ettiler. Bir yerçekimi dalgasının tespit edilmesi halinde uzay-zamandaki hafif esnemeyi ve sıkışmayı ölçmek için her bir sensördeki kilometrelerce uzunluğunda borulardan çıkan lazer ışınları yukarı ve aşağı hareket etmektedir.

Bu ölçümler bilim adamlarının yerçekimi dalgalarını kaynaklarına kadar izlemesini sağlayacak. Yalnızca akıl almaz derecede şiddetli olaylar uzay zamanda titreşmeye neden olur. Tıpkı bir süpernova veya iki nötron yıldızının veya kara deliğin çarpışması gibi.

Büyük Patlama'dan doğan yerçekimi dalgalarının hala evrende yankılandığı düşünülüyor. Bu dalgalanmalar kanıtlanırsa Einstein'ın genel göreliliğinde geçen kütleçekim dalgaları "her şeyin teorisi"ni mümkün kılabilir. Fizikçiler hala böyle bir teoriyi arıyor: Hem büyük ölçekli yerçekimi kuvvetini hem de atomun içindeki kısa menzilli kuvvetleri açıklayan tek bir teori.

Büyük Patlama'nın bu zayıf yankılarını yakalamak NASA'nın yeni nesil uzay astronomi görevlerinin ana hedeflerinden biri. Ajans bu plana "Einstein'ın Ötesinde" adını verir. Yine de, Einstein'ın ötesinde demek iddialı olabilir. Einstein evrene dair bugünkü bilgileriniz karşısında şaşırırdı ancak keşfedilmeyi bekleyen bu modern evren hala onun eseri.

Kuantum teorisi ile genel görelilik kuramı

Kuantum teorisi ve genel görelilik kuramı temelde anlaşmazlık içindeler. Ancak iki teorinin odak noktası birbirinden çok farklı ölçeklerde olduğundan çok büyük bir problem sayılmaz. Yine de, büyük patlamanın ilk anlarında, örneğin evrenin çok küçük olduğu ve yerçekiminin çok güçlü olduğu o noktada ne olduğunu açıklarken zıtlaşırlar. İkilinin zıt düştüğü bir diğer yer, kara deliğin olay ufkunda yaşananlardır ve çözülemez paradokslar ortaya çıkar. Tıpkı genel göreliliğin, çöken kara deliğin tekillik denen noktayı yaratacağını söylemesi ve kuantumun ise o boyutta bir noktanın olmadığını ve bir leke olacağını söylemesi gibi.

Bilim adamlarının gerçekleşmesini beklediği büyük umutsa "her şeyin teorisi"nin bir gün kuantum teorisi ile genel göreliliği birleştirecek olması. Sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekimi gibi girişimler şimdiye kadar her şeyin teorisi olmakta başarısız oldu.

Bununla birlikte genel görelilik teorisi hiçbir zaman eksik bulunmamıştır. Çok yoğun kütleli cisimlerin uzay-zamanı şiddetli şekilde bükerek ışığın bile kaçmasına engel olduğu tahmini doğrulandı. Bu nesnelere şimdi "kara delik" diyoruz ve çevrelerini saran "olay ufkunu" yani "ağızlarını" fotoğraflıyoruz ve her büyük galaksinin merkezinde bir tane dev kara delik olduğundan eminiz.

Genel görelilik kuramının belki de en büyük zaferi aslında yakın zamanda, 2015'te geldi. Yerçekimsel dalgaların yani çok büyük nesnelerin çarpışmasının uzay-zamanda neden olduğu dalgalanmaların keşfi bu yılda yapılmıştır. Advanced LIGO deneyi birleşen iki kara delikten gelen sinyali yakalamamızı sağladı.

Burcu Kara tarafından

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.