Bugün, izninizle önce biraz kafanızı karıştıracağım, sonra da insanlığın yaptığı en ilginç aletlerden birini anlatacağım.

Önce kafa karıştırma:

Matematikte sonsuzluk kavramı çoğunlukla çok büyük, sayılması zor şeylerle özdeşleştirilir ama tersi de doğrudur: Çok küçük şeyler de sonsuz olabilir.

Örneğin 1 santimetrelik mesafeyi düşünün. Başı ve sonu bellidir, sonsuz değildir, aksine işte adı üzerinde 1 santimetredir.

Peki ama bu 1 santimetreyi kaç eşit parçaya bölebiliriz? 10 eşit parçaya bölersek 1 milimetre buluruz. Peki yüze, bine, milyona, milyara, trilyona, septilyona, kentilyona bölebilir miyiz? Evet, bölebiliriz. Teorik olarak sonsuz miktarda eşit parçaya bölebiliriz 1 santimetreyi.

Milimetrenin milyarda biri

“Picometre” tabirini hiç duydunuz mu? Picometre işte böyle çok ama çok küçük bir uzunluk birimi.

Milimetrenin milyarda biri demek.

Diğer çok küçük uzunluk birimleri femtometrenin binde biri, nanometrenin milyonda biri uzunluğunda.

Çok ince şeyler için hep saç teli örneği verilir, hayır saç teli picometre söz konusu olduğunda çok kalın kalıyor. Picometre, atomların ilişkilerini anlatırken kullanılan bir uzunluk birimi.

Protonun çapını biliyor musunuz?

Örneğin bir atom, atomuna göre değişmekle birlikte 62 ile 520 picometre arasında çapa sahip. İki karbon atomu birbirine bağlandığında sadece 154 picometre çapında bir birlik oluşturuyor.

Atomun çekirdeğindeki proton bir picometreden bile küçük, hem de çok küçük. Tam olarak söyleyeyim: Protonun çapı 0.00084075 picometre.

Bunlar akılalmaz miniklikte uzunluklar.

Peki neden anlattım picometreyi?

Uzay-zamanın bükülmesi ne demek?

Albert Einstein’ın genel görelilik teorisi, kütle çekimini Isaac Newton’dan bir hayli farklı tanımlar.

Einstein’a göre kütlesi olan bütün varlıklar, etraflarındaki uzay-zamanı bükerler. Bu bükülme, elbette kütlenin büyüklüğüyle doğru orantılıdır.

Yani siz ve ben de vücudumuzla uzay-zamanı bükeriz ama bizim yarattığımız bükme etkisi, milyarlarca güneş kütlesine sahip bir kara deliğin yarattığı etkiyle kıyaslanamaz bile.

Bükülünce uzay-zaman dalgalanır

Einstein’ın teorisi, uzay-zamandaki bu bükülmenin aynı zamanda bütün evren çapında uzay-zaman “doku”sunda bir dalgalanma yarattığını söyler. Bu dalgalara “kütle çekim dalgaları” adı verilir.

Gözünüzün önüne denizdeki dalgayı veya bir çarşafı alıp silkelediğinizde kumaşta oluşan dalgalanmayı getirin ya da en kolayı rüzgarda dalgalanan bir bayrağa bakın…

Dalgalandıkça boyumuz uzar veya kısalır

Bu dalga hareketi belki nihayetinde mesela bayrağın boyunu değiştirmez ama dalgalanma sırasında oluşan kıvrımlar o sırada bayrağın boyunu kısaltır.

İşte aynı şey uzay-zamana da olur. Dalgalanma uzay-zamanda bükülmelere, bu bükülmeler de mesafelerin uzamasına veya kısalmasına neden olur.

Peki ama dalgalanan bu uzay-zaman neyin nesi?

Buraya kadar sıkılmadan beni takip ettiyseniz aklınıza şu soru gelmiş olabilir: Peki ama uzay-zaman nedir?

Bu sorunun bir çok uzun cevabı var bir de çok kısa. İzninizle bu seferlik kısa cevapla yetineceğim: Uzay-zaman fizikçilerin tanımlamaktan kaçındığı (çünkü bilmediği) ve bu yüzden de bir soyutlama olarak kullandığı bir kavram.

Bazen bir “doku” olarak adlandırılıyor, bazen bir “membran”a benzetiliyor. Herhangi bir kütlesi yok ama bir “güç” veya “enerji” olduğu da düşünülmüyor. Yine de var ve hissedilebilir, ölçülebilir etkileri oluyor.

Mesafeyi uzatıp kısaltması aynı zamanda zamanı uzatıp kısaltması anlamına geliyor

Peki neden sadece “uzay” değil de “uzay-zaman”? Bu sorunun cevabı Einstein’ın teorisinde gizli. Uzay-zaman, bu kütle çekimi dalgalanmaları nedeniye uzayıp kısaldığı için, uzayda aslında sabit bir hızla hareket eden ışığın bize ulaştığı yol da uzayıp kısalabiliyor ve biz zamanı ışığın bize ulaşma süresine bakarak ölçüyoruz.

Kafanız karışacak ama etrafımızdaki uzay uzayıp kısaldığı için ölçtüğümüz zaman da uzayıp kısalabiliyor.

Yani şunu unutmayın: Zaman ile mesafe birbirlerine çevrilebilir ölçü birimleri. Hızınız arttıkça, bir mesafeyi kat etme süreniz kısalıyor. Bir anlamda zamanı manipüle etmiş oluyorsunuz.

Bir fotonun üzerine binip yolculuk yapabilseydik…

Teorik olarak ışık hızına çıktığınızda zaman da duruyor; mesafeler anlamsız oluyor. 

Ama bir de şu var:

Tek bir ışık parçacığı (foton) güneşin muazzam kütle çekim etkisinden kurtulup güneşin merkezinden yüzeyine bizim zaman birimimizle onbinlerce yılda tırmanabiliyor ve güneşin kütle çekim etkisinden kurulmasıyla dünyaya gelip bizim gözümüze ulaşması yine bizim zaman birimimizle 8 dakikada gerçekleşiyor.

Oysa o tek fotonun açısından meseleye bakarsanız bütün bunlar tek bir an içinde yaşanıyor. Fotonun doğmasıyla bizim gözümüze isabet etmesi arasında hiç zaman geçmiyor foton açısından.

Görelilik teorisine adını veren görelilik işte bu. Her gözlemcinin gördüğü başka.

Kütle-çekim dalgalarının kısa tarihi

Evet, sanırım yeterince kafanızı karıştırdım.

Şimdi çok kısaca bilim tarihinin bu kütle çekim dalgalarıyla ilgili yaşadıklarını anlatayım.

Einstein, genel görelilik teorisinin uzay-zamanda kütle çekim dalgaları yarattığını ve bu dalgaları gözlemlememiz gerektiğini biliyordu ama bunun imkansız olduğunu düşünüyordu.

Çünkü kütle çekim gücü aslında o kadar da kuvvetli bir güç değil; hele mesafeler uzadıkça bu gücün etkisi daha da azalıyor. Einstein, insanlığın bu denli küçük bir şeyi ölçemeyeceğini düşünüyordu.

Fena halde yanılıyordu. Einstein’ın bir 60 yıl daha ömrü olsaydı, insanlığın ilk kez kütle çekim dalgalarını gözlemesine tanık olabilirdi.

Alın bir zor kavram daha: İnterferometri

Aslında kütle çekim dalgalarını gözlemlemek için ne tür deneyler yapmamız gerektiğine ilişkin teorik çalışmalar 1960’larda başladı. 

Bu çalışmaları nedeniyle Nobel ödülü alan fizikçi Kip Thorne, cevabın “interferometri” kavramında yattığını düşünüyor ve haklı çıktı.

Kısaca interferometrinin ne demek olduğunu da anlatmaya çalışayım: Tek bir kaynaktan çıkan ışığın hassas aynalar aracılığıyla ikiye bölünmesi, belirli bir mesafeyi kat edip geldikten sonra yeniden birleştirilmesi ve bu birleşme sırasında iki ışık arasında dalga boyları bakımından bir fark olup olmadığının ölçülmesi demek interferometri.

Bu anlaşılması zor izahı somut örnek üzerinde anlatırsam daha kolay olacak:

L harfinin kollarında gidip gelen ışık

Bugün iki tanesi Amerika’da (LIGO), biri İtalya’da (VIRGO) ve biri Japonya’da (KAGRA) tam dört tane kütle çekimi gözlemcimiz var.

LIGO, İngilizce “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory” kelimelerinin kısaltması. Yani Lazer İnterferometrisiyle Kütleçekim Dalgası Gözlemcisi.

Devasa bir L harfi şeklinde bir beton tünel düşünün. Bu tünelin toplam uzunluğu 4 kilometre. L’nin kollarının tam birleştiği yerde lazer ışını ikiye bölünüyor, her iki kola gönderiliyor ve sonra tünelin diğer ucundaki aynaya çarpıp geri geliyor.

İşte geri dönen bu iki ışık arasında bir fark oluşursa, o zaman bilim insanları şunu anlıyor: L’nin kollarından biri ışık gidip gelirken uzadı veya kısaldı.

Evet doğru okudunuz: Beton tünel uzadı veya kısaldı.

Hepimiz ve her şey sürekli uzayıp kısalıyor aslında

Çünkü kütle çekim dalgaları uzayda ve dünyamızda herhangi bir engele takılmadan yol alırken uzay-zamanı büktüğü gibi aslında bizleri de büküyor ve az önceki bayrak örneğini hatırlayın, bu bükülmeler nedeniyle uzayıp kısalıyoruz. Bu uzayıp kısalmadan her şey etkileniyor; bütün gezegen uzuyor veya kısalıyor içinden dalga geçerken. Oturduğunuz binalar, otomobiliniz, dağlar, her şey ama her şey neredeyse kesintisiz biçimde bu dalgaların etkisi altında uzuyor ve kısalıyor.

Tabii çok uzakta bir yerlerde uzayda devasa kütleler birbiriyle çarpıştığında bu dalgaların etkisi çok daha büyük oluyor.

Tamam da ne kadar uzuyor veya kısalıyoruz?

İşte buradan, yazının en başına ve Einstein’ın yanıldığı noktaya geri dönelim. 

Einstein bu kütle çekim dalgalarının etkisinin çok ama çok küçük olduğunu biliyordu ve o yüzden de yeterli hassasiyette ölçülemeyeceğini düşünüyordu.

Oysa LIGO’yu inşa eden fizikçiler ve mühendisler Einstein’ın imkansız sandığı şeyi başarmışlar, ikiye ayrılmış ışığın 4 kilometrelik tüneli gitme gelme süresi arasındaki mesafeyi protonun çapının on binde birinden daha yüksek hassasiyette ölçmeyi başarmışlardı.

Unutmayın, burada picometre seviyesinde mesafe farklarından söz ediyoruz.

İnsanlığın, insan dehasının ve mühendislik bilgisinin ulaştığı inanılması zor bir seviye bu.

Milimetrenin milyarda biri kadar mesafe farkını ölçebilen devasa bir aletimiz var.

***

Gelin haftaya kütle çekim dalgalarının kendisini konuşmaya devam edelim.