Kütle Çekim Teorisi ve Gelişimi

Bir abonemin isteği üzerine basit düzeyde hazırladığım Kütle çekim teorisine beraber bakalım.

Öncelikle elmayı unutun diyeceğim.
1665 yılında Sir Isaac Newton’un kafasına düşer. Ancak bu sadece mitoloji diyebiliriz. Çoğu kaynakta bu durumun olmadığı ifade edilmiştir. Okullarda bize öğretilen elma hikayesi bir roman gibi aklınızda dursun.

Kütle çekimi nedir ?
Konuya klasik kitap tanımlarından biriyle girelim: Kütle çekimi, nesnelerin birbirlerine uyguladıkları bir çekme kuvvetidir. Gündelik işlerimizin hepsi üzerinde çok etkisi var. Buna rağmen üzerinde pek de düşünmediğimiz bu kuvvetin, bazı insanlara göre varlığı bile şüpheli. Fakat hoşumuza gitsin ya da gitmesin, cisimler arasında bir etkileşme mevcut. Şu anda doğrudan açıklanamayan tek konu, bunun çalışma prensibi. Az sonra göreceğimiz üzere, bunu yapabilen teorik modeller de mevcut.
Doğada 4 adet temel kuvvet bulunur: Elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvetler, zayıf nükleer kuvvetler ve kütle çekim kuvveti. Kütle çekim kuvveti, bunlar içerisinde en zayıf olan kuvvettir.
Kütle çekimi konusunun Isaac Newton tarafından başarılı bir şekilde açıklandığını çoğunuz duymuşsunuzdur. Zaten meşhur çekim yasası da Newton’un adıyla anılır.

Hemen kısa bir tarihine bakalım. Öyle kafanızı çok karıştırmayacağım.

• İnsanlar yakın zamanda (son 300 yıldaki gibi) Kütleçekiminin ne olduğunu anladılar.
• Yunan filozofları gezegenlerin ve yıldızların tanrıların aleminin bir parçası olduğunu ve “doğal bir hareket” izlediğini düşünüyorlardı. Kütle çekimi işin içinde olduğunu anlamadılar. Yunanlıların fikirleri 16. yüzyıla kadar ortalıkta kaldı.
• 1500’lerden başlayarak Galileo ve Brahe gibi gökbilimciler, dünyanın ve diğer gezegenlerin güneş etrafında döndüğünü keşfettiler. Kepler, onların bir daire değil, eliptik bir yörüngede hareket ettiklerini gösterdi. Sorular değişip neden şekline döndü.
Sör Isaac Newton – Kütleçekim Keşfi!
• Sir Isaac Newton, 1642-1727 yılları arasında yaşamış bir İngiliz matematikçi, matematikçi ve fizikçiydi.
• Efsaneye göre, Newton doğanın güçlerini düşünürken düşen bir elma gördüğünde kütleçekimini keşfetti.
• Gerçekte ne olursa olsun, Newton, elma gibi düşen nesnelere bir miktar kuvvetin etki etmesi gerektiğini anladı, çünkü aksi halde durmadan hareket etmeye başlamazlardı.
• Newton ayrıca, bir kuvvet Dünya’ya doğru düşmesine neden olmuyorsa, ayın Dünya’dan yörüngesine teğet düz bir çizgide uçacağını da fark etti. Ay, yalnızca Kütle çekimi’nin çekiciliği altında Dünya’nın etrafında dönen bir mermidir.
• Newton bu kuvveti “yerçekimi” olarak adlandırdı ve tüm nesneler arasında yerçekimi kuvvetlerinin var olduğunu belirledi.
• Kütle çekimi fikrini kullanan Newton, Kepler’in astronomik gözlemlerini açıklayabildi.
• Galileo, Brahe, Kepler ve Newton’un çalışmaları, Dünya’nın güneş sisteminin merkezi olmadığını bir kez ve tümüyle kanıtladı. Dünya, diğer tüm gezegenlerle birlikte güneşin etrafında dönüyor.
• İki gökbilimci, JC Adams ve UJJ LeVerrier, daha sonra Neptün gezegeninin keşfedileceğini tahmin etmek için Kütle çekimi kavramını kullandı. Uranüs’e çekim kuvveti uygulayan başka bir gezegen olması gerektiğini fark ettiler çünkü Uranüs’ün yörüngesinde tuhaf karışıklıklar vardı. (Düzensizlikler yörüngelerdeki sapmalardır.)
Albert Einstein – Genel Görelilik Teorisi
• Einstein, Kütle çekimi hakkında yepyeni bir fikir geliştirdi.
• Einstein’a göre, Kütle çekimi uzay ve zamanın “eğrilmesinden” doğar.
• Einstein’ın yeni Kütle çekimi teorisi, Newton’un teorisini ihlal edecek bir dizi olguyu açıklıyor. Örneğin, Güneş gibi büyük nesnelerin yanından geçerken ışık bükülür. Ve Dünya’nın üzerinde yükselen bir saat, yüzeydeki bir saate göre hızlanır.

Şimdi tarihsel bakıştan çıkıp konuyu anlamamıza faydalı olacak bilgileri verelim.
Genel görelilik, Einstein’ın ışık hızının (bir boşlukta) nasıl her zaman sabit olabileceğini açıklayan özel görelilik teorisinden doğdu.
Göreliliğe göre, hız alan bir kutunun içinde olabilecek her şey – yani hızlanma – yerçekiminin varlığında da olur. Örneğin, yukarı doğru ivmelenen bir asansörün içinde yatay bir lazer düşünün. Işık yanlara doğru hareket ederken, asansör yükselir ve kirişin duvarda başladığı yerden biraz daha alçak bir noktaya çarpmasına neden olur. Asansör yeterince hızlı hızlanırsa, kiriş gözle görülür şekilde yere doğru eğilir.
Einstein, aynı şeyin güçlü bir yerçekimi alanı içindeki sabit bir asansörün içindeki bir kirişe de olduğunu gösterdi; yerçekimi ışığı büküyor. Benzer şekilde, güneşin çekiminden geçerken bir yıldız ışığının bükülmesini bekliyordu. Bu tahmin, 1919 güneş tutulması sırasında yıldızlar hareket ettiğinde doğru çıktı.
Görelilik, bir uydudaki bir saatin neden Dünya’daki bir saatten birkaç mikrosaniye daha hızlı işlediğini açıklar; Bu tutarsızlığı hesaba katmadan GPS teknolojileri çalışmayacaktır.
İvme ve yerçekimini bu şekilde birbirine bağlamak için Einstein, kendi kahramanlarından birini devirdi: Isaac Newton. Newton’un yerçekimini bir kuvvet, nesneleri kütle ile bir araya getiren görünmez bir lastik bant olarak tanımladığını öğrenmiş olabilirsiniz. Newton’un matematiği, mermilerden gezegenlere kadar her şeyin nasıl hareket ettiğini tahmin etmede iyi bir iş çıkardı – ancak yerçekimini ivmeden ayrı tuttu.
Einstein, yerçekiminin bir kuvvet olmadığını savundu. Bunu, kütle ve enerjinin neden olduğu bir zaman ve uzay eğriliği olarak tanımladı. Tabi ki döneminde herkes şaşırmıştı ? Alman fizikçi neredeyse on yıl boyunca teoriyle mücadele etti. Genç bir Einstein dersi atladığı için bir dönem konu ile alakalı olarak notlarını paylaşan eski bir arkadaşı matematikçi Marcel Grossmann’dan yardım aldı.
10 denklemde ortaya konan matematiği, yerçekiminin çarpık bir gerçeklik yoluyla nesnelerin etrafında nasıl hareket edebileceğini ve herhangi bir gizemli Newton kuvveti hissetmeden hızlanabileceğini açıkladı.

Einstein’ın Tuhaf Tahminleri
Görelilik, birçoğu deneysel olarak doğrulanan çok sayıda tuhaf tahmin yapar. Sadece tuhaf görünüyorlar çünkü onları günlük hayatımızda fark etmiyoruz – çoğunlukla Newton’un gerçekliğinde yaşıyoruz. Ancak bunun ötesinde, yerçekiminin uzay ve zamanı kendi iradesine göre büktüğü Einstein’ın evreni yatıyor. İşte teorinin en garip yan etkilerinden bazıları:
• Yerçekimi kelimenin tam anlamıyla zamanı yavaşlatır. Yıldızların yaydığı ışık dalgaları bu zaman bükülmesinden dolayı uzar ve büyük bir nesneye daha yakın olan nesneler daha yavaş yaşlanır. Atomların titreşimlerine göre çalışan süper hassas saatler, yerçekiminin zamanın akışını değiştirdiğini doğrulamıştır.
• Uydular, dönen gök cisimlerinin, bir kaşıkla bükülen bal gibi , kozmosun dokusunu kendi etrafında döndürerek jiroskopların hareketini etkilediğini göstermiştir.
• Bir tahmin, uzun süredir devam eden bir ikilemi, Merkür’ün yörüngesindeki Newton’un matematiğinin açıklayamadığı tuhaf bir yalpalama . (Gökbilimciler başlangıçta Vulcan adında gizli bir gezegeni suçladılar.) Görelilik, güneşin güçlü yerçekimi tarafından uzayın çarpıklığı açısından sapma yapan yörüngeyi açıkladı.
• Gerçekte, çarpışan kara deliklerin neden olduğu küçük dalgalanmalar, yeraltında gömülü son derece hassas aletlerin sensörlerini tetikledi.

Kütle çekiminin bazı astronomik yönleri
Yerçekimi çok zayıf bir kuvvet olduğu için , bunun ayırt edici etkileri yalnızca kütleler aşırı büyük olduğunda ortaya çıkar. Işığın yerçekimsel olarak çekilebileceği fikri Michell tarafından ileri sürülmüş ve Fransız matematikçi ve astronom tarafından incelenmiştir. Uzaktaki bir nesneden gelen ışık, Güneş dışındaki nesnelerin yakınından geçebilir ve onlar tarafından yönlendirilebilir. Özellikle, büyük bir galaksi tarafından saptırılabilirler . Dünyadan görüldüğü gibi, bir nesnenin büyük bir galaksinin arkasında olması durumunda, yön değiştiren ışık Dünya’ya birden fazla yoldan ulaşabilir.
Hem Michell hem de Laplace, çok yoğun bir nesnenin ışık üzerindeki çekiciliğinin, ışığın nesneden asla kaçamayacak ve onu görünmez kılacak kadar büyük olabileceğine dikkat çekti. Böyle bir fenomen ancak kara delik olabilir. Kara deliklerin göreceli teorisi son yıllarda kapsamlı bir şekilde geliştirildi ve gökbilimciler bunlarla ilgili kapsamlı gözlemler yaptılar. Olası bir kara delik sınıfı, tüm nükleer enerjilerini artık radyasyon basıncına maruz kalmayacakları ve kara deliklere çökecekleri için tüketmiş çok büyük yıldızlardan oluşur.daha az kütleli yıldızlarise nötron yıldızlarına dönüşebilir Çoğu galaksinin merkezinde Güneş’inkinden milyonlarca hatta milyarlarca kat daha fazla kütleye sahip süper kütleli kara deliklerin var olduğu düşünülmektedir.
Radyasyonun kaçamayacağı kara delikler kendi ışıklarıyla görülemez, ancak gözlemlenebilir ikincil etkiler vardır. Bir kara delik, bir çift yıldızın bir bileşeni olsaydı , çiftin yörüngesel hareketi ve görünmez elemanın kütlesi, görünür bir yoldaşın salınım hareketinden türetilebilirdi. Kara delikler maddeyi çektiği için, bu tür bir nesnenin yakınındaki herhangi bir gaz , içine düşecek ve deliğe girmeden önce, yüksek bir hız ve dolayısıyla yüksek bir sıcaklık elde edecektir . Gaz, X ışınları ve gama ışınları üretecek kadar ısınabilir. Böyle bir mekanizma, galaksilerin ve kuasarların merkezlerindekiler de dahil olmak üzere en azından bazı güçlü X-ışını ve radyo astronomik kaynaklarının kökenidir. Günümüzde Büyük gökada M87 örneğinde, Güneş’in 6.5 milyar katı bir kütleye sahip olan merkezindeki süper kütleli kara deliği doğrudan gözlemledik.
Kuantum Kütle çekimi Arayışına sürüklenen bilim insanları
genel göreliliğin bile bize anlamlı sonuçlar veremeyeceği bazı durumlar vardır. Spesifik olarak, genel göreliliğin kuantum fiziği anlayışıyla uyumsuz olduğu durumlar vardır .
Bu örneklerden en iyi bilinenlerinden biri , uzay-zamanın pürüzsüz dokusunun kuantum fiziğinin gerektirdiği enerji tanecikliği ile uyumsuz olduğu bir kara deliğin sınırı boyuncadır. Bu teorik olarak fizikçi Stephen Hawking tarafından kara deliklerin Hawking radyasyonu şeklinde enerji yayacağını öngören bir açıklamayla çözüldü .
Bununla birlikte, ihtiyaç duyulan şey, kuantum fiziğini tamamen birleştirebilen kapsamlı bir kütle çekimi teorisidir. Bu soruları çözmek için böyle bir kuantum kütle çekimi teorisine ihtiyaç duyulacaktır. Fizikçilerin böyle bir teori için pek çok adayı vardır, bunlardan en popüler olanı sicim teorisidir , ancak hiçbiri doğrulanacak ve geniş anlamda fiziksel gerçekliğin doğru bir tanımı olarak kabul edilecek yeterli deneysel kanıtı (veya hatta yeterli deneysel öngörüleri) sağlamaz.

Kütle çekimiyle İlgili Gizemler
Kütle çekimi bilim adamlarını hala başka şekillerde de şaşırtıyor. Parçacık fiziğinin standart modeli , hemen hemen tüm bilinen parçacık ve kuvvetler kütle çekimi dışında diğer olguları tarif etmektedir. Işık, foton adı verilen bir parçacık tarafından taşınırken, fizikçilerin kütle çekimi için graviton olarak adlandırılan eşdeğer bir parçacık olup olmadığı konusunda hiçbir fikirleri yoktu.

20. yüzyıl fizik topluluğunun diğer büyük keşfi olan kuantum mekaniği ile teorik bir çerçevede kütle çekimini bir araya getirmek , tamamlanmamış bir görev olmaya devam ediyor. Her şeyin teorisi, bilindiği gibi, asla gerçekleştirilemeyebilir.
Ancak kütle çekimi, bulguları ortaya çıkarmak için hala kullanılmaktadır. 1960’larda ve 70’lerde gökbilimciler Vera Rubin ve Kent Ford, galaksilerin kenarlarındaki yıldızların olması gerekenden daha hızlı yörüngede döndüğünü gösterdi. Sanki görünmeyen bir kütle kütleçekimsel olarak üzerlerine çekiliyordu. şimdi karanlık madde dediğimiz bir maddeyi gün ışığına çıkarıyor gibiydi.
Son yıllarda bilim adamları, Einstein’ın göreliliğinin başka bir sonucunu da yakalamayı başardılar – nötron yıldızları ve kara delikler gibi büyük nesneler birbirlerinin etrafında döndüğünde yayılan yerçekimi dalgaları . 2017’den beri Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO), bu tür olayların son derece zayıf sinyallerini tespit ederek evrene yeni bir pencere açmıştır .
Bir kuantum kütle çekimi teorisine duyulan ihtiyaca ek olarak, hala çözülmesi gereken yerçekimiyle ilgili deneysel olarak yönlendirilen iki gizem var. Bilim adamları, mevcut yerçekimi anlayışımızın evrene uygulanabilmesi için, galaksileri bir arada tutmaya yardımcı olan görünmeyen çekici bir kuvvet (karanlık madde olarak adlandırılır) ve uzak galaksileri daha hızlı bir şekilde ayıran görünmeyen bir itici kuvvet ( karanlık enerji olarak adlandırılır ) olması gerektiğini keşfettiler.
Kütle çekimi bu kadar ilginç keşiflere yol açmış ve günümüzde etkileri ile evrenin bilinmezlerini halen çözmekteyiz. Karadelikler,nötron yıldızları,karanlık enerji, karanlık madde gibi gizemli olguların kapısını aralayan kütle çekimi biklim insanlarını son olarak herşeyin teorisine itmektedir. Son gelişme ise sicim teorisini bilim insanlarının önüne çıkarmıştır. İlerleyen yıllarda belki herşeyin teorisi bulunmasa bile kütle çekimi bizi yeni maceralara çıkaracağı kesin gözükmektedir.

Kanalıma abone olmayı ve konu hakkında yorumlarınızı beklemekteyim. Sizlerin istekleri doğrultusunda daha değişik araştırmalarda olacaktır. Bu konuyu talep eden aboneme teşekkür ederim.