Stephen Hawking’in fizik dünyasına katkıları: Karadelikler

Share on facebook
Share on twitter
Share on pocket
Share on email
Share on print

Le Monde’da dün çıkan ve Gary Dagorn imzalı “Stephen Hawking”in çalışmalarının fiziğe katkıları” başlıklı yazısını Alphan Telek çevirdi:

Britanyalı evren-bilimci Stephen Hawking karadelik çalışmalarına ve bunların tanınmasına büyük katkıda bulundu. Karadelikler uzun zaman boyunca matematiksel bir merak konusuydu.

14 Mart günü 76 yaşında hayatını kaybeden Stephen Hawking karadelik fiziğinin kurucularından biriydi. Karadelik fiziği neredeyse tek başına bir disiplin sayılıyor artık. Hawking’in bu konudaki ilk büyük katkısı 1960’lı yıllarda hocası ve arkadaşı Roger Penrose ile yazdığı “tekilliklerin teoremi” makalesidir. Bu çalışma fizikçilerin karadeliklere bakışını değiştirdi.

Bugün hakkında daha fazla bilgi sahibi olunan karadelikler o güne kadar gözlemi yapılmamış, teorik bir nesneden başka bir şey değildi. Karadelik kavramı bile 1969 yılında John Wheeler tarafından bulunmuştu.

Karadelikler: Teorik bir kavramdan gerçekliğe

Karadelik kavramı Cambridge’li Profesör John Michell’e kadar uzanıyor. Michell 1783 yılında şu soruyu sordu: Madem ki yerçekiminden kaçmak için bir hız gerekiyor (tıpkı roketlerin dünyayı terk etmeleri için gereken hız gibi), o halde ışık hızının dahi kaçamayacağı devasa bir nesne olursa ne olur? Hiç bir şeyin, ışığın bile kaçamadığı, görünmez bir kara yıldız olabilir mi? O zaman Michell, böylesi bir durumun oluşması için söz konusu nesnenin güneşin 500 katı olması gerektiğini ifade etmişti.

Karadeliklere olan ilgi 1915 yılında Albert Einstein ünlü genel görelilik kuramını anlatan makalesini yayınladığında tekrar canlandı. Bu kurama göre madde uzayı bile bükebilir. Bu bakış açısına göre devasa bir yıldız kendi içine ta ki sıfır noktasına ve yer çekiminin sonsuz olduğu bir nokta haline gelinceye dek çökebilir. Daha sonra bu durum ‘yerçekimsel tekillik’ olarak adlandırıldı. Fakat böyle bir olayın olasılığı dönemin büyük fizikçileri tarafından kabul edilmedi. Hatta Einstein bile böylesi tekilliklerin imkansız olduğunu düşündü: bir yıldızın küçücük bir noktaya kadar küçülmesi ona da fiziksel bir saçmalık olarak göründü.

1965 yılından itibaren beraber çalışmaya başlayan Hawking ve Penrose ise söz konusu yerçekimsel tekilliklerin saçma olmaktan ziyade çok nadir durumlarda dahi varolabileceğini gösterdiler. Kara deliklerin ne sadece basit bir merak, ne gerçeklikle ilgisi olmayan bir kavram ne de az rastlanan bir nesne olduğunu gösterdiler. Yaşamının sonuna gelen ve nükleer yakıtı biten bir çok yıldız bunların oluşumu için gerekli materyali bir araya getirir ve öylesine yoğun bir hale gelir ki söz konusu uzayın bükülmesi bir çukur oluşturur. Işık huzmeleri bu çukurun içinde kapalı kalır ve sonsuza kadar bunun içinde dönmeye devam eder.

Yerçekimsel tekillikler ile ilgili bu çalışmalar 1973 yılında Stephen Hawking ve George Ellis’in yayınladığı Uzay Zamanın Büyük Tasarımı adlı kitapla tamamlandı. Bu kitapta Hawking ve Ellis, teorilerini matematiksel olarak detaylandırdılar.

O kadar da karanlık olmayan delikler

Hawking’in bir başka temel katkısı ise 1975 yılında yaptığı “Hawking ışıması”ydı. Bu tarihe kadar, karadeliklerin hiçbir ışık huzmesini dışarıya salmadığı ve bunları kendi yerçekimsel çukurlarında hapis tuttuğu kabul ediliyordu. Tüm bunların aksine, Hawking, karadeliklerin dışarıya ışık huzmesi saldıklarını ve bunun sıcaklıklarına denk düşecek şekilde olduğunu gösterdi. Bir karadeliğin kütlesi ne kadar büyük ise sıcaklığı o kadar daha zayıf olur ve dışarıya ışık huzmesi salması daha az olur.

Ancak teoriye göre ışık huzmesinin karadeliklerden kaçması imkansızken nasıl olur da bir ışık partikülü karadelikten kaçabilir? Aslında söz konusu ışık huzmesini salan karadelik değil ışık huzmesinin yakın çevresidir (immediat voisinage). Gerçekten de kuantum kuramı partikül ve anti-partikül çiftlerini aynı anda var eden bir boşluk öngörüyor (bir anti-partikül basitçe bir partikülün elektrik yüklü karşıtıdır). Bunlar karşı elektrik yüklü partiküller ile aynı anda yok oluyorlar. Ancak bunlar bir karadeliğe yakın olduklarında, karadeliğin yerçekimsel alanı bu ikisini ayırır ve bunlardan biri kaçmayı başarır. Bir gözlemcinin bakış açısına göre, partikül karadelikten salınmış olur.

Pozitif yüklü partiküllerin salınımı karadeliğin içinde negatif yüklü partiküllerin akımına neden olur ve karadeliğin enerjisini azaltarak kütlesini azaltır (Einstein’in ünlü E=mc2 formülasyonunda olduğu gibi). Hawking ışıması ne kadar güçlüyse, karadelik de o kadar küçülür ve kütlesini yitirir. Yani bir nevi karadeliklerin buharlaşmasından bahsediyoruz.

Dolayısıyla güneşin yüzlerce katı büyüklüğündeki bir karadelik evren genişledikçe kütlesinin çok az bir kısmını düzenli olarak kaybeder. Yine de bu kütledeki bir karadeliğin tamamıyla buharlaşması için 1000 milyar milyar milyar milyar milyar milyar milyar yıl gerekmektedir. Bu da söz konusu buharlaşmanın hemen yarın olmayacağını gösterir (özellikle evrenin yaşının 13,8 milyar yıl olduğunu düşünürsek).

Çözümsüz kalan sorular

Hawking’in temel teorik keşifleri özellikle karadeliklerle ilgili olmasına rağmen, teorileri çözümsüz yeni sorulara neden oldu.

Karadelikler tarafından yutulan “bilgi paradoksları”

Söz konusu çözümsüz kalan soru ve problemlerden ilki bilgi paradoksu. Kara deliklergenel göreliliğin kuralları ve kuantum fiziğinin doğrularına karşı çıkıyor. Özetlemek gerekirse, soru karadeliğin yuttuğu bilgiye ne olduğu. Hawking’in çalışmaları karadeliğe düşen bilginin geri dönülemez şekilde yok olduğu yönünde. Yani eğer çok sevdiğiniz kitap bir karadeliğin içine düşerse ve karadelik bir gün buharlaşırsa, Hawking’in teorisi kitabınızı bir başka formda olsa dahi bulamayacağınızı çünkü kitabınızın yok olduğunu söylüyor. Bu kuantum fiziğinin ön doğrularından biri olan birliktelik ilkesine aykırı. Çünkü kuantum fiziğine göre bilginin yaratımı ya da yok edimi olamaz. Bu Français Lavoisier tarafından maddenin korunumu prensibini açıklamak için söylediği ünlü söze benziyor: “Hiçbir şey kendi kendine yok olmaz, hiçbir şey kendi kendine var olmaz, her şey birbirine dönüşür”.

Birçok fizikçi gibi bu çetrefilli konuya eğilen Hawking 2015 yılında Stockholm’de bir toplantıda bu paradoksu çözdüğünü bildirdi. Buna göre, bilgi karadeliğin olay ufkunda saklanacak ve karadelik buharlaşırken ortaya çıkacak. Ancak bilimsel yayın ve sağlam kanıtların eksikliğinde, bilim camiası Hawking’in ortaya sürdüğü fikre ikna olmadı. Bilim dünyası bu paradoksun halen çözülmediğini düşünüyor.

Dört fizik kuvvetini birleştiren bir teori mümkün mü? 

Stephen Hawking’in cevap bulmaya çalıştığı bir diğer soru ise maddeyi yöneten fiziğin dört kuvvetini birleştiren bir teoriyi ortaya koymaktı: zayıf ve güçlü etkileşim (radyoaktivite ve atom çekirdeklerinin birleşmesinden sorumlular), elektromanyetizm ve yerçekimi. Bu dört kuvvet birbirinden farklı ve birbirleriyle uzlaşmaz iki teori tarafından tasvir ediliyorlar: genel görelilik ve kuantum fiziği. Bunlardan ilki evreni geniş ölçekte açıklayan bir yerçekimi teorisi. İkincisi ise son derece küçük ölçekte partiküllerin davranışlarını inceleyen bir teori. Bu teoriler kendi alanlarını hayli iyi açıklıyorlar ancak başka bir ölçeği açıklamakta oldukça yararsızlar.

Schrödinger’in kedisi düşünce deneyi kuantum fiziğinin makro ölçekleri açıklamasında yaşadığı güçlüğü gösteren en ünlü girişim: bir kutu içine konmuş bir kedi düşünün, ve aynı kutuda bir doz ölümcül zehir bulunmakta. Aynı kutuda bir de bir partikülün bozunumundan doğan radyoaktiviteyi ölçen bir Geiger sayacı bulunmakta. Eğer bir dakikanın sonucunda böyle bir bozunumun ihtimali % 50 ise, kuantum ilkeleri gözlem yapılmadığı müddetçe kedinin hem ölü hem canlı olduğunu kabul eder. Bu, durumların kuantum çakışmasıdır. Yani kuantum ilkesi atomik seviyede çok iyi çalışır ancak makroskopik seviyede geçersizdir.

Albert Einstein’in de son zamanlarının büyük bir kısmını alan bu sorun bir çok fizikçiye direndiği gibi Stephen Hawking’e de direniş göstermiştir. Hawking 2010 yılında ABD’li fizikçi Leonard Mlodinow ile yazdığı Büyük Dizayn’da böyle bir teorinin varlığından şüphe ettiğini belirtmişti: “Fizikçilerin doğayı en iyi açıklayan birleşmiş bir fizik teorisi beklentileri tutarsız olabilir ve belki de tek bir açıklama yoktur.”

Share on facebook
Share on twitter
Share on pocket
Share on email
Share on print

Medyascope internet sitesinde çerezlerden faydalanılmaktadır.

Sitemizi kullanarak, çerezleri kullanmamızı kabul edersiniz. Ayrıntılı bilgi için Gizlilik Politikası ve Çerez Politikası'nı inceleyebilirsiniz.

  • Medyascope
  • Medyascope Plus