Uzayzaman Nedir? Sürekliliği, Bükülmesi ve Tekilliği

Einstein'ın genel görelilik teorisi, kütleçekimi olarak bilinen ve uzay-zamanın kıvrılması ve bükülmesiyle ilgili bir teori sunar. Bu teoriye göre, büyük kütleler, uzay-zamanı bükerek nesnelerin hareketini ve konumunu etkiler.
Yazar Burcu Kara
Uzay-zaman
Dr. V. Venkatraman Krishnan ve diğerleri.

Uzayzaman nedir? Uzayzaman dokusu, uzayın üç boyutunu zamanın dördüncü boyutuyla birleştiren kavramsal bir model. Görelilik teorisi gibi günümüzün en iyi fizik teorileri, uzayzamanın evrendeki büyük nesnelerin hareketini ve ışık hızına yakın seyahat etmek gibi olağandışı olayların etkilerini açıkladığını belirtir. Ünlü fizikçi Albert Einstein, görelilik teorisini ortaya atarak uzayzaman fikrinin gelişmesine de yardımcı oldu. Bilim adamları o zamana kadar bu fiziksel fenomeni açıklamak için iki ayrı teoriyi kullanıyordu: Isaac Newton'ın fizik yasaları büyük nesnelerin hareketini tanımladı ve James Clerk Maxwell'in elektromanyetik modeli ışığın özelliklerini açıkladı.

Uzayzamanı Anlamak

Ancak 19. yüzyılın sonunda başlatılan bazı deneyler ışıkla ilgili özel bir durumun olduğunu göstermiştir. Ölçümler, ne olursa olsun ışığın hep aynı hızda hareket ettiğine işaret etmişti. 1898'e gelindiğinde Fransız fizikçi ve matematikçi Henri Poincaré ışık hızının aşılamaz bir sınırı olduğunu öne sürdü. Bunlar olurken diğer araştırmacılar ise bir nesnenin, hıza bağlı olarak boyut ve kütlede değişime uğrayacağını düşünmeye başlamıştı.

Einstein, 1905'te yayımladığı özel görelilik teorisinde tüm bu fikirleri bir araya getirdi ve ışık hızının sabit olduğunu varsaydı. Bu yaklaşımın doğru olabilmesi için uzay ve zamanın aynı çerçevede düşünülmesi şarttı. Ancak o zaman ışığın hızı tüm gözlemciler için aynı olacaktı.

Son derece hızlı bir rokette yol alan kişi, çok daha yavaş hızda hareket eden kişiye kıyasla hareket süresinin ve nesnelerin uzunluğunun daha kısa olduğunu ölçer. Çünkü uzay ve zaman görecelidir yani gözlemcinin hareket hızına bağlıdırlar. Ancak ışık hızı daha yerleşik bir olgudur.

Uzayzamanın yekpare bir doku olduğu sonucu Einstein'ın kendi başına ulaştığı bir yaklaşım değil. Bu fikir ilk olarak Alman matematikçi Hermann Minkowski'den geldi ve 1908'deki bir kolokyumda şöyle dedi: "Bundan böyle uzayın kendisi ve zamanın kendisi gölgelerde solup gitmeye mahkumdur ve yalnızca ikisinin bir tür birleşimi bağımsız gerçekliği koruyacaktır."

Açıkladığı uzayzaman hala Minkowski uzayzamanı olarak biliniyor ve hem görelilik hem de kuantum alan teorisindeki hesaplamaların temeli olmaya devam ediyor. Kuantum alan teorisi atom altı parçacıkların dinamiklerini "alanlar" ile açıklar.

Uzayzaman Nasıl İşler?

İnsanlar günümüzde uzayzaman konseptinden bahsederken onu kauçuk gibi esnek bir doku tabakasına benzetir. Bu yaklaşım da Einstein'dan geliyor. Einstein genel görelilik teorisini geliştirirken yerçekimi kuvveti denilen olgunun uzayzaman dokusundaki bükülmeler olduğunu açıkladı.

Dünya, Güneş veya biz insanlar uzayzamanda çarpıklıklara neden oluruz ve bükülmeler oluştururuz. Tıpkı bir trambolinin çökmesini sağlayan bowling topu gibi. Bu eğimler evrendeki nesnelerin hareket etme şekillerine yön veriyor çünkü tüm nesneler bu çarpık eğrilikler boyunca uzanan yolları izleyerek hareket eder. Yerçekimi bedeniyle yapıldığı görülen bir hareket aslında uzayzamandaki kıvrımlar ve dönüşlerin arasında yapılan harekettir.

Yerçekimi Sondası B (GP-B) isimli bir NASA görevi 2011'de Dünya'nın etrafındaki uzayzaman girdabının şeklini ölçtü ve Albert Einstein'ın tahminleriyle uyumlu olduğunu gösterdi.

Ancak çoğu insan hala uzayzamanı tümüyle kavrayamıyor. Uzayzaman esnek bir doku tabakasına benzetilse de analojinin bozulduğu noktalar var. Örneğin, uzayzaman 4 boyutluyken (uzay 3 ve zaman 1) tabaka 2 boyutludur. Ayrıca uzaydaki bükülmeler sadece tabakanın bükülmesi değil zamanın da bükülmesidir. Fizikçiler bile tüm bunları açıklamak için kullanılan karmaşık denklemler karşısında zorlanır.

Birçok bilim insanına göre Einstein uzayzamana dair harika işleyen bir makine tasarladı ancak makinenin tam olarak nasıl çalıştığına dair bir kullanım kılavuzu bırakmadı. Genel görelilik o kadar karmaşıktır ki bir kişi bir genel görelilik denklemini çözdüğünde buna derhal kendi adını verir ve kendi başına yarı efsane olur.

Uzayzaman Sürekliliği Nedir?

Uzayzaman 4 boyutlu olduğundan bu konseptte bir 'süreklilik' vardır çünkü uzayda eksik noktalar ya da anlar yoktur. Uzay da zaman da boyut ve süre açısından sınırsız şekilde alt bölümlere ayrılabiliyor. Dolayısıyla fizikçiler şimdi evrendeki tüm olayların, yerlerin, tarihteki anların, eylemlerin vb. uzayzamanda belirli konumları olduğuna inanmaktadır.

Uzayzaman evrim geçirmez, sadece var olur. Belirli bir nesneyi uzayzamandaki temsili açısından incelediğinizde her parçacık kendi dünya çizgisi boyunca bir hat üzerinde konumlanır. Bunu geçmişten geleceğe uzanan spagetti benzeri çizgi olarak düşünebilirsiniz. Bu çizgide bir parçacığın her andaki uzaysal konumu görülebilir. Bir parçacığın üzerine etki eden kuvvetlere bakarak parçacığın tüm dünya çizgisini belirlerseniz onun bütün geçmişini 'çözmüş' olursunuz.

Bu dünya çizgisi zamanla değişmez ve zamansız bir nesne olarak var olur. Benzer şekilde, genel görelilikte uzayzamanın şekline dair denklemleri çözdüğünüzde bulunan şekil zamanla değişmez ve zamansız bir nesne olarak vardır. Belirli bir andaki uzay geometrisinin şeklini incelemek için onu dilimleyebilirsiniz. Örneğin zaman içindeki ardışık dilimlerin incelenmesi evrenin genişleyip genişlemediğini görmenizi sağlar.

Uzayzaman Tekilliği Nedir?

Einstein'ın genel görelilik teorisi yerçekimini açıklarken eğimli uzayzaman geometrisini ele alır ve uzay ve zamanın "boşlukları" veya "kenarları" olabileceğini söyler: Yani uzayzaman tekillikleri. Patolojik bir davranıştır ve tam anlamını açıklamak zordur. Ancak serbest düşüşteki parçacıklara bakarak uzayzaman tekilliğinin tespit edilebileceği düşünülüyor. Buna sıradan madde ve foton gibi kütlesiz maddeler dahil. Serbest düşen madde düşmeye devam etmesi gerekirken birden gözden kaybolursa orada tekillik var demektir.

Uzayzamana Dair Çözülmeyi Bekleyen Gizemler

Karmaşıklığına rağmen genel görelilik uzayzamanın fiziksel fenomenini açıklamanın en iyi yolu olmaya devam ediyor. Ancak bilim adamları modelde bazı eksiklikler olduğunun farkında. Çünkü görelilik, atom altı parçacıkların özelliklerini son derece hassas şekilde açıklar ancak içinde yerçekimi kuvveti olmayan kuantum mekaniğine gelince yolları ayrılır.

Kuantum mekaniği, evreni oluşturan her küçük parçaların ayrık veya nicelleştirilmiş olması gerektiğine inanır. Yani ışık dahi foton denilen küçük ışık parçalarının birleşimidir.

Bazı teorisyenler uzayzamanın da nicelleşmiş parçaları olduğunu ve bunların görelilik ve kuantum mekaniği arasında köprü kurmaya yardımcı olacağını savunuyor. Avrupa Uzay Ajansı uzayzamana daha yakından göz atmak için şimdilerde Uluslararası Gama Işını Astronomi Laboratuvarı (GrailQuest) göreviyle ilgilenir.

Bu görevde bir uzay aracı gezegenimizin etrafında uçacak ve gama ışını patlamaları adı verilen uzaktaki güçlü patlamaların ultra hassas ölçümlerini yaparak uzayzamanın kuantum keşfini gerçekleştirecek. Böyle bir görev fizikteki kalan bazı en büyük gizemleri aydınlatabilir. Ne var ki görevin başlamasına henüz birkaç uzun yıl var.

Uzayzaman Hakkında Sık Sorulanlar

Uzayzaman nedir ve uzay ya da zamandan farkı nedir?

Uzayzaman, fizikte uzay ve zamanı dört boyutlu bir süreklilik halinde birleştiren temel bir kavramdır. Tek başına uzay veya zamandan farklıdır çünkü gözlemcilerin göreceli hareketlerine bağlı olarak zamanın yavaşlamış veya hızlanmış gibi görünmesi gibi ikisinin birbirine bağımlılığını açıklar.

Görelilik teorisi uzayzamanı nasıl açıklar?

Hem özel hem de genel görelilik teorisi, yerçekimi ve nesnelerin hareketinin uzayzamanı nasıl etkilediğini açıklar. Uzayzamanın kütle ve enerji tarafından büküldüğünü, bunun da yerçekimsel merceklenme ve güçlü yerçekimi alanlarında zamanın yavaşlaması gibi olgulara yol açtığını öne sürer.

Uzayzaman kavramı evreni anlamamızı nasıl etkiler?

Uzayzaman kavramı, uzay ve zamanı tek bir varlıkta birleştirerek evren anlayışımızı kökten değiştirmiştir. Evrendeki madde ve enerjinin davranışının yanı sıra kozmosun kökenini ve evrimini daha iyi anlamamızı sağlamıştır.

Uzayzamanı nasıl ölçeriz ya da nicelleştiririz?

Bilim insanları uzayzamanı, uzayzamanın eğriliğini tespit etmek için kütleçekim dalgalarını kullanmak, evrenin genişlemesini ölçmek için ışığın kırmızıya kaymasını gözlemlemek ve evrenin erken dönemlerini analiz etmek için kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunu incelemek gibi çeşitli araç ve tekniklerle ölçmektedir.

Uzayzaman anlayışımızın önündeki güçlükler ve tartışmalar nelerdir?

Uzay zamanını çevreleyen bazı güncel zorluklar ve tartışmalar arasında, kuantum mekaniğinin ilkelerini genel görelilikle uzlaştırabilecek bir kuantum yerçekimi teorisi arayışının yanı sıra kara deliklerin doğası, karanlık madde ve enerjinin varlığı ve evrenin nihai kaderi hakkındaki sorular yer almaktadır.

Uzayzamandaki kara deliklerin bazı özellikleri nelerdir?

Kara delikler, yerçekimsel alanın ışık dahil hiçbir şeyin kaçamayacağı kadar güçlü olduğu uzayzaman bölgeleridir. Kütleleri, spinleri ve yükleri ile karakterize edilirler ve bir olay ufku, bir tekillik ve onlar hakkında bilinebilecek bilgileri kısıtlayan bir saçsızlık teoremi gibi özelliklere sahiptirler.

Uzayzamanda mesafeleri ve zamanları nasıl ölçeriz?

Uzayzamanda iki olay arasındaki aralık, hem zaman hem de uzay bileşenlerini dikkate alan uzayzaman aralığı kullanılarak ölçülür. Bu aralık Pisagor teoremi kullanılarak, ancak zaman bileşeni için ek bir eksi işareti ile hesaplanabilir.

Uzayzaman nedir ve genel görelilikle nasıl ilişkilidir?

Uzayzaman, içinde yaşadığımız, üç uzamsal boyut ve bir zaman boyutundan oluşan dört boyutlu uzaydır. Genel görelilik, madde ve enerjinin varlığından kaynaklanan uzayzamanın eğriliği nedeniyle yerçekiminin nasıl ortaya çıktığını açıklar.

Kaynaklar: