Yer çekimi

Büyük nesnelerin nasıl etkileşime gireceğini belirleyen temel kuvvet

Bir elma ağaçtan düşüyor. Bir gezegen güneşinin etrafında döner. Bisikletinizi yokuş yukarı çıkarıyorsunuz ve diğer taraftan aşağıya doğru yavaşça hızlanıyorsunuz. Bütün bunlar yerçekimine bağlıdır ve tam olarak Isaac Newton'un neredeyse üç buçuk yüzyıl önce söylediği gibi çalışmaktadır: büyük nesnelere nasıl hareket edeceklerini söyleyen bir kuvvet.

Newton'un 1687'de yayınlanan büyük matematiksel fizik eseri Principia'da formüle edilen evrensel çekim yasası, fizikte kuvvet birleşimine ilişkin ilk büyük çalışmaydı. Düşen elmalardan yörüngedeki gezegenlere kadar pek çok farklı olgunun, büyük nesnelerin aralarında belirli bir formüle göre bir çekim hissetmesi nedeniyle meydana geldiğini söylüyor. İki cisim arasındaki yer çekimi kuvvetinin boyutu kütleleriyle orantılı olarak artar, aralarındaki mesafenin karesiyle azalır ve sonuçta doğanın evrensel, temel bir sabiti olan yer çekimi sabiti veya "Büyük G" tarafından belirlenen mutlak bir değere sahiptir. 

Görünen tüm evrenselliğine rağmen, yerçekimi aslında doğanın bilinen dört temel kuvveti arasında açık ara en zayıfıdır. Ormanın bizim boğazımızda bu kadar ezici bir çoğunlukla güçlü görünmesinin tek nedeni, ayaklarımızın altında onları çeken ezici derecede büyük bir kütlenin, Dünya'nın ve aşağıya doğru diğer her şeyin yerel varlığıdır. Evrenin büyük ölçekte, gezegenler, galaksiler ve galaksi kümeleri düzeyinde nasıl çalıştığını belirleyen şey, evrenin her yerinde büyük kütle kümelerinin varlığıdır .

Newton'un açıklaması çoğu amaç için ne kadar etkili olsa da, bunda gizemli bir şeyler de var. Yerçekiminin çok uzak mesafelerde, hatta evrenin yarısı boyunca bile anında etki göstermesi, Newton'u sonsuza kadar rahatsız etti. Bunun "o kadar büyük bir saçmalık olduğunu düşünüyorum ki, felsefi konularda yetkin bir düşünme fakültesine sahip olan hiçbir insanın bu duruma düşemeyeceğine inanıyorum".


Ve aslında Newton'un teorisinin yerçekimine dair son söz olmaktan çok uzak olduğu ortaya çıktı. Einstein'ın 1916'da formüle edilen genel görelilik teorisi , yerçekimini tek tek cisimlerin değil, bir bütün olarak evrenin bir özelliği olarak yeniden yazıyor. Yerçekimi sadece geometridir, etraflarındaki uzay ve zamanın büyük nesnelerinin eğriliğinin sonucudur. Yerçekimi " alanının " uzay veya zamandaki herhangi bir noktadaki gücü, uzay-zamandaki koordinatın görünmez şekilde kavisli olma derecesidir . Devasa nesneler bu eğrilerden birbirlerine doğru düşer.

Bu tasvir Newton'unkinden daha az saçma görünmeyebilir ama şu ana kadar kendisine yapılan her testi geçmiştir. Bu, yerçekiminin diğer üç temel kuvvetten, elektromanyetizma ve kuantum alan teorisi tarafından açıklanan ve kuantum parçacıkları tarafından iletilen kuantum kuvvetleri olan güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerden ayrı olduğu anlamına gelir .

Üçüncü bir yinelemede kütle, enerji, uzay ve zamanın hangi kuantum özelliklerinin birleşerek temel düzeyde yerçekimi oluşturduğunu ortaya çıkardığımızda, bir gün yerçekiminin de öyle olabileceği umudunu taşıyoruz. Ancak şu anda, yerçekimini ileten kuantum parçacığı, “graviton” inatla varsayımsal kalıyor ve onunla birlikte kuantum yerçekimi teorisinin kutsal kâsesi .

Ve yerçekimi birçok düzeyde temelde gizemli olmaya devam ediyor . Diğer güçlerle karşılaştırıldığında neden bu kadar zayıf? Neden itmiyor da sadece çekiyor? Ve neden "Büyük G"nin gücü (bu arada, değerini belirlemek oldukça zor olduğu biliniyor ) yaşamın ortaya çıkmasına izin verecek kadar ince bir şekilde ayarlanmış gibi görünüyor? Biraz daha az olsaydı, uzayın genişlemesi, yeni doğmuş evrende madde üzerindeki yer çekiminin etkisini bastırırdı, yıldızlar ve galaksiler asla oluşmazdı. Eğer biraz daha fazlası olsaydı, herhangi bir yıldız veya galaksi özentisi hızla kendi ve birbirlerinin üzerine çökerdi, uzay-zaman ise tüm evreni büyük bir çatırtıyla katlardı . Yerçekiminin bu şekilde olduğu için teşekkür edecek çok şeyimiz var.

Einstein'ın genel görelilik teorisi sadece 12 kelimeyle özetlenebilir: “Uzay-zaman maddeye nasıl hareket edeceğini söyler; Madde, uzay-zamanın nasıl kıvrılacağını söyler”.

Ancak fizikçi John Wheeler'ın bu kısa açıklaması daha karmaşık ve derin bir gerçeği gizlemektedir. Kuantum teorisinin yanı sıra genel görelilik, modern fiziğin iki temel direğinden biridir; yerçekimi ve çok büyük gezegenler, galaksiler ve bir bütün olarak evren hakkındaki çalışma teorimiz. Bu, Einstein'ın özel görelilik teorisinin bir uzantısıdır; ancak o kadar büyüktür ki, birinden diğerine geçmesi 1905'ten 1915'e kadar 10 yılını almıştır .

Özel görelilik bize hareketin uzay ve zamanı büktüğünü söylüyor. Einstein'ın genel göreliliğe yaptığı temel darbe, bunu üç yüzyıl önce Galileo'nun belirttiği bir prensiple birleştirmekti: düşen nesnelerin kütleleri ne olursa olsun aynı oranda hızlanması. Eğik Pisa Kulesi'nden bırakılan tüy ve çekicin, hava direncini dikkate almadığınız takdirde aynı anda yere çarpacağı meşhurdur. (1971 yılında Apollo 15'in Ay'a inişi sırasında astronot David Scott bu prensibi havasız Ay'da doğruladı.)

Galileo'yu takip eden Isaac Newton, bunun ancak tuhaf bir tesadüf kabul edilirse doğru olabileceğini gösterdi: Bir cismin ivmeye karşı direncini ölçen eylemsizlik kütlesi, her zaman bir cismin yerçekimine tepkisini ölçen yerçekimi kütlesine eşit olmalıdır. Bunun neden böyle olması gerektiğine dair açık bir neden yok, ancak şimdiye kadar hiçbir deney bu iki miktarı birbirinden ayıramadı.

Einstein, özel görelilik teorisini oluşturmak için ışığın sabit hızını kullandığı gibi, bunun da doğanın bir ilkesi olduğunu ilan etti: eşdeğerlik ilkesi . Bununla ve iç içe geçmiş bir "uzay-zaman" olarak yeni bir uzay ve zaman anlayışıyla donanmış olarak, yerçekiminin sadece bir ivme biçimi olduğu bir resim oluşturabilirsiniz. Devasa nesneler etraflarındaki uzay-zamanı bükerek nesnelerin kendilerine doğru hızlandığını gösteriyor.


Bu, neden Dünya'ya doğru aşağı doğru bir çekim hissettiğimizi ve Dünya'nın neden Güneş'in etrafında döndüğünü açıklıyor. Her ne kadar yerçekimi, büyük kozmik ölçeklerde ve gezegenler veya yıldızlar gibi çok büyük kütlelerin yakınında baskın olsa da, aslında doğanın bilinen dört kuvveti arasında açık ara en zayıfıdır ve kuantum teorisi tarafından açıklanmayan tek kuvvettir .

Kuantum teorisi ve genel görelilik aslında hiç anlaşamıyor. İki teori genellikle çok farklı ölçeklerde çalışıyor, dolayısıyla bu çok büyük bir sorun değil. Ancak bu bizim büyük patlamanın en erken anlarında , örneğin evrenin çok küçük olduğu ve yerçekiminin çok güçlü olduğu zamanlarda neler olduğunu anlamamızı engelliyor . Ve ikisinin çatıştığı başka bir durumda - bir kara deliğin olay ufkunda - çözülemeyen paradokslar ortaya çıkıyor .


En büyük umut, bazı "her şeyin teorisinin" bir gün kuantum teorisi ile genel göreliliği birleştirebileceğidir - her ne kadar sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekimi gibi girişimler şimdiye kadar istenilen sonucu elde edemediyse de.

Bu arada genel görelilik hiçbir zaman eksik bulunmadı. Çok yoğun kütle yığınlarının uzay-zamanı o kadar bükebileceği ve ışığın bile bundan kaçamayacağı yönündeki öngörüsü doğru çıktı. Artık bu nesnelere "kara delik" diyoruz , onları çevreleyen "olay ufuklarını" fotoğraflayabiliyoruz ve her büyük galaksinin merkezinde bir tane bulunabileceğinden oldukça eminiz.

Ancak belki de genel göreliliğin en büyük zaferi, 2015 yılında kütleçekim dalgalarının ( uzay-zamanda çok büyük nesnelerin hareketinden kaynaklanan dalgalanmalar ) keşfiyle geldi . İki kara deliğin birbirine sarmal çizerek birleşmesinin sinyali, Gelişmiş LIGO deneyinin özenli ve sabırlı dedektiflik çalışmasının bir zaferiydi .