Kütle Çekimi Nedir?

333

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.

F, kütleler arasındaki çekim kuvvetinin büyüklüğü,
G, evrensel çekim sabiti,
m1, birinci kütle,
m2, ikinci kütle ve
r, kütleler arasındaki mesafe olmak üzere, kütle çekim kuvveti

vvv

 

ile gösterilir.

Yasa bize şunu söyler; iki cisim arasındaki çekim gücü, bu cisimlerin kütlelerinin bir sonucudur ve bu iki cismin arasındaki uzaklığın karesi ile de ters orantılıdır. (Bu son cümle bize, cisimlerin birbirlerinden uzaklaştıkça aralarındaki çekim gücünün neden azaldığını anlatır. Bu yüzdendir ki bir kara deliğin çekim gücü sonsuz mesafelere kadar erişemez ve sadece kendisine olay ufkundan daha yakın cisimler üzerinde yıkıcı bir etkiye sahiptir.)

Peki Newton acaba çekim olayının mekanizmasını tam olarak açıklayabilmiş miydi? Maalesef hayır.

2 parçacık ya da cisim düşünelim. Bunlar birbirlerine paralel olacak şekilde hareket etmeye başlasın. Bir dış kuvvet olmadıkça, bu parçacık ya da cisimler, bu paralel harekete devam edecektir. Fakat bazen buna aykırı durumlar gözleriz. Yollarına paralel olarak başlayan parçacıklar bir şekilde yollarından saparak çarpışabilir ya da birbirlerinin etrafında dolanmaya başlayabilirler.

Newton’a göre böyle bir durum, kütle çekim kuvveti denen bir olgunun sonucuydu. Fakat 20. yüzyılın başlarında Einstein, farklı bir bakış açısı yakaladı. Ona göre kütle çekimi bir kuvvet değil, uzay-zamanın eğriliğiydi.

Meşhur örnek üzerinden bunu anlatalım. Bir örtü alıp gergin bir şekilde 4 kenarından bağlayalım. Bu örtünün tam ortasına ağır bir cisim, mesela bir bovling topu koyalım. Örtünün gergin ve düz duruşu, topun üzerine koyulmasıyla beraber bozulur ve örtünün orta kısmı topla beraber aşağıya doğru çöker. Şimdi eğer örtünün kenar kısmından, toptan daha ufak bir cismi, mesela bir bilyeyi rastgele yuvarlayarak bırakırsak, bilye bu çöken bölgeye doğru hareket eder. Şu linkten izleyebilirsiniz bu örneği;

Tahmin edeceğiniz gibi, ortada duran cisim ne kadar fazla kütleye sahipse, uzay-zamanı o kadar fazla bükecektir. Einstein’in bu düşüncesi, Merkür’ün yörüngesindeki açıklanamayan yalpalamanın doğru şekilde açıklanmasını sağladı. Bir Güneş tutulması esnasında da, ışığın dünyaya “bükülerek” geldiğine dair net kanıtlar elde edildi.

Burada yanlış bir kanıya kapılmayalım. Bu konudan, Newton yanılıyordu gibi bir sonuç çıkartmak doğru değil. Gözlem yapılmadan önce, matematiksel hesaplamalarla keşfedilen Neptün gezegeni, Newton’un yasalarına göre, Uranüs üzerindeki çekimsel tedirginlik etkilerinin değerlendirilmesi sonucu bulundu. Fakat genel olarak Newton’un teorilerinde eksikler/kusurlar olduğundan, bir süre sonra bu eksikleri doldurup hataları gidermek için yeni arayışlara girildi.

Fiziksel süreçler genellikle şu şekilde işler: Eğer bir şey, birçok yerde doğru işliyorsa, o şey doğrudur. Fakat bazı şeyleri açıklamakta yetersiz kalıyorsa, o şey eksiktir. Genellikle yeni bulunan açıklama, önceki doğruları kapsayacak ve kusurları ya da eksikleri giderecek şekilde ortaya çıkar.

Yukarıda Merkür yörüngesini açıklamayı başaran olayın uzay-zaman eğriliği olduğunu söyledim. Bu durum, Newton yasalarını geçersiz kılmadı. Zaten geçersiz olsalar adları yasa olmazdı. Newton’un kütle çekim
kuvvetine dair yukarıda verilen formül, bugün hâlâ astronomide büyük kütlelerin yörüngeleriyle ilgili hesaplamalarda kullanılıyor ve başarılı sonuçlar veriyor.

Fakat tüm bu olup bitenler, kuantum ölçeğinde, yani mikro boyutlu parçacıklardaki hareketi açıklamamıza yetmedi. Bu yüzden genel göreliliği kuantum ile bağdaştırma çabasına girildi. Kuantum alan teorisi ile genel göreliliği ve kütle çekimi konusunu bağdaştırmak, teorik modellere göre mümkündür. Buna kuantum kütle çekimi adı verilir.

Standart Model’de elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı foton, güçlü etkileşimlerin taşıyıcı parçacığı gluon, zayıf etkileşimlerinki ise W ve Z bozonlarıdır. Buna göre benzer şekilde, kütle çekimsel etkileşmelerin taşıyıcı parçacığının da graviton adı verilen teorik parçacık olduğu düşünülmektedir. Henüz bu parçacıkları gözlemleyemedik ve bazı renormalizasyon problemleri, şu an için çözülebilmiş değil. Bu konuların açıklığa kavuşabilmesi için, Sicim Teorisi ya da Loop Kuantum Kütle Çekimi gibi teoriler üzerindeki çalışmalarda biraz daha ilerleme kaydedilmesini beklememiz gerekecek.

Son zamanlarda ortaya çıkan bir kısım bilim dışı iddialara göre, bilim camiası dışındaki bazı insanlar arasında kütle çekiminin varlığı inkar edilmekte. Ancak kütle çekim dalgalarının varlığı, 2016 yılında LIGO adlı gözlemevi tarafından kanıtlandı. Bu dalgalar, Einstein’in öne sürdüğü uzay-zaman eğriliğindeki bozulmaların bir yansıması.

lg

Kütle çekimsel dalgaların temsili bir görseli. Bu dalgaların nedeni, birleşen iki kara delik.

Bilimsel bir konunun tam olarak açıklanamamış olması, o konunun yanlış olduğu anlamına gelmiyor. Newton ve Einstein’den bahsettik. Bu insanlardan biri 1643, diğeri ise 1879 yılında doğdu. Aynı konuya dair çalışmalar yaptılar, ancak çok uzun aralıklarla… Birinin açıklamakta yetersiz kaldığı konuyu, diğeri yaklaşık 200 yıl sonra açıkladı. Şimdi ikisinin de yetersiz kaldığı konularla ilgili yeni açıklamalar üzerinde çalışılıyor.

untitled-1

Albert Einstein ve Isaac Newton

Bilim söz konusu olduğunda maalesef benzer iki çalışma arasında yüzlerce (hatta duruma göre binlerce) yıllık zaman farkı olabiliyor. Bu sebepten henüz açıklanmamış olguların varlığını inkar etmek yerine, bilim insanlarına bunların açıklamasını yapabilmeleri için zaman tanımamız gerekir. O yüzden “kütle çekimi diye bir şey yoktur” gibi iddialarda bulunmak yerine konuya dair tarihsel süreci okuyup anlamaya çalışmanız ve günümüz teknolojisi ile yapılan deneyleri ve çalışmaları da etraflıca araştırmanız faydalı olacaktır.

Bunu yaparken de mümkünse fizikçilerden yardım almanız çok daha iyi olacaktır.

Ek Bilgi 1: Yazı boyunca “kütle çekimi” terimini kullandım. Dünya söz konusu olduğunda bunun adı “yer çekimi” olur. Dünya dışındaki cisimler için genel olarak kütle çekimi terimi kullanılır.

Ek Bilgi 2: Evrensel çekim sabiti G ile, çekim ivmesi olan g karıştırılmamalıdır. G, kullanıldığı tüm formüllerde aynı olan bir sabittir. g ise referans alınan cisme göre değişiklik gösterir.