Elimizdeki bir taşı bıraktığımızda yere düşer. Bilimin ilk doğduğu andan bu yana bilim insanları taşın neden yere düştüğünü anlamaya çalıştılar. İlk düşünceler taşın doğasının aşağıda olduğu ve dolayısıyla taşın doğasına dönmek istediği yönündeydi. 17. yüzyılda Isaac Newton taşın aşağıya düşmesinin taşın veya yerin doğasından değil yer çekiminden doğduğunu ortaya koydu.

Newton’a göre taş Dünya üzerine, Dünya da taş üzerine bir çekim kuvveti uyguluyordu. Taşın Dünya üzerine uyguladığı kuvvet Dünya’yı çok çok az hareket ettirse de Dünya’nın taş üzerine uyguladığı çekim kuvveti taşı Dünya’ya doğru hareket ettiriyordu. Biz de bunu taşın Dünya’ya düşmesi olarak algılıyorduk. Problem artık çözülmüştü. Yer çekimi, taşın neden yere düştüğünü ve Dünya’nın neden Güneş etrafında döndüğünü güzelce anlatabiliyordu.

Ancak daha sonraları gelişen ölçüm teknikleri yer çekimi kanununun açıklayamadığı ufak farklar bulmaya başladı. Özellikle Merkür gezegeninin yörüngesindeki ufak sapmaları Newton’un kanunları ile açıklamak mümkün olamadı. Einstein 1915 yılında geliştirdiği teori ile taşın neden yere doğru düştüğü konusuna yepyeni bir bakış getirdi.

Üç uzay koordinatı ve zaman

Biz üç boyutlu bir evrende yaşıyoruz. Şu anda bulunduğumuz yeri tanımlamakta üç koordinat kullansak da bir de “şu anda” kelimesiyle bir koordinat daha belirliyoruz, bu da zaman. Yani biz esasında üç değil dört boyutlu bir evrende yaşıyoruz ve bu evren üç uzay koordinatının yanında bir de zaman koordinatından oluşuyor. Öncelikle Einstein bu zaman koordinatının da uzay koordinatlarına eşdeğer olduğunu göstermiştir. Dört boyutta oluşan bu evren için de uzay ve zaman yerine uzayzaman kavramı kullanılmıştır. Yani uzayzaman dediğimizde içinde yaşadığımız dört boyutlu evreni kasdediyoruz.

Einstein yer çekiminin aslında uzayzamanın eğilmesinden ibaret olduğunu göstermiştir. Cisimlerin kütlesi ne kadar fazla olursa uzayzamanı da o kadar fazla eğerler.

Buna göre taş aslında Dünya tarafından çekilmez. Dünya varlığından dolayı etrafındaki uzayzamanı büker ve taş bu bükülen uzayzamanda aşağıya doğru yuvarlanır. Newton’un yer çekimi kanunu bunun basit durumlar için bir açıklamasıdır. Ama özellikle ışığın kütlesi yüksek cisimlerin yakınında eğilmesini bize açıklayamaz çünkü ışık kütlesizdir ve kütleli cisimlerin kütlesiz bir cismi çekmeleri beklenemez. Işığın bu şekilde bükülmesinden dolayı Güneş’in arkasındaki bir yıldızı Güneş’in yanındaymış gibi görebiliriz.

Einstein’ın teorisinin kanıtını türlü olayda görmemiz mümkündür. Bugüne kadar da bu teoriye ters düşen bir olaya rastlanmamıştır. Ancak Einstein teorisinde büyük bir kütle yer değiştirdiğinde bu yer değişikliğinin çevresindeki uzayzamanda yaratacağı etkinin yer çekimi dalgaları ile iletileceğini öne sürmüştür.

Mesela birbiri etrafında hızla dönen iki kara delik çevrelerindeki uzayzamanda bir dalgalanma yaratır. Bu dalgalanma da dalgalar halinde tüm evrene yayılır. Kara deliklere ne kadar yakın olursak bu dalgaları da o derece şiddetli hissederiz, ama uzaklaştıkça bu dalgaların evrende yarattıkları etki gittikçe azalır.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

Einstein bu dalgaların varlığını 1916 yılında ortaya koymuştur. Ancak bu dalgaların varlığnı kanıtlamak o günün teknolojisiyle mümkün değildi. Geçen zaman içerisinde gelişen teknoloji ile bu konuda deneyler yapılmaya başlandı.

Bu deneylerden en bilineni LIGO’dur (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO aslında bir değil iki dedektörden oluşan bir sistemdir ve bu dedektörlerden biri Livingston, Lousiana, diğeri de Hanford, Washington’da bulunmaktadır. İki dedektör olmasının bir sebebi iki farklı ölçüm yaparak tek bir dedektörün çevresel faktörlerden dolayı yanlış bir şey ölçmesinin önüne geçmek, diğeri de ölçülmesi beklenen dalganın nereden geldiğinin belirlenmesidir. Benzer dedektörlerden biri İtalya’da, biri Japonya’da, biri de Hindistan’da yapılmaktadır.

ABD’deki yapımı tamamlanmış olan iki dedektör, test aşamasında, 14 Eylül’de bir sinyal yakalamışlardır. Bu sinyal aslında basitçe şöyle gösterilebilir:

Burada beklenen tam ortada düz bir çizgidir. Düz çizgiden olan sapmalar ise keşfedilen kütle çekimi dalgaları anlamına gelmektedir. Yani sakin bir denizde dalga yüksekliğini ölçecek olsak sıfır çıkacaktır. Ama suya bir taş attığımızda yukarıdakine benzer bir dalga ölçümüyle karşılaşırız.

Ancak burada gözlemlenen bunun da ötesinde bir şeydir. Dalganın yüksekliği ve frekansı gittikçe artmakta ve sonunda da yok olmaktadır. Einstein’ın teorisine göre Güneş’in 30 katı kütleye sahip iki kara deliği birbiri etrafında döndürecek olursak bu iki kara delik gittikçe hızlanarak birbirlerine yaklaşacak ve sonunda birleşerek daha büyük bir kara delik oluşturacaktır. Yukarıda verilen veri de aynen bunu göstermektedir.

Bugün yapılan açıklama neden önemlidir?

1. Einstein’ın teorisinin doğruluğu iki kara deliğin birbirlerine yaklaşarak birleşmelerinin doğru olarak tahmin edilmesiyle bir kez daha gösterilmiştir.
2. Einstein’ın tahmin ettiği ama daha önce gözlenmesi mümkün olmayan kütle çekim dalgaları ilk defa gözlemlenmiştir.
3. Orta büyüklükte kütleye sahip kara deliklerin varlığı bağımsız bir ölçümle kanıtlanmıştır.
4. İki orta büyüklükte kara deliğin birleşerek yeni bir kara delik oluşturmaları ilk defa gözlemlenmiştir.
5. Ama belki de en önemlisi, bugüne kadar astronomi ve astrofizik ışık ve benzeri elektromanyetik dalgalar kullanılarak yapılırken artık yepyeni bir gözlem aracı kazanmıştır. Bu astronomi alanında 1609’da Galileo Galilei’nin teleskobu ilk defa gök cisimlerini gözlemleyecek şekilde geliştirmesinden sonraki en önemli keşiftir.

Daha bugün üniversitedeki dersimde “evren hakkındaki bilgilerimizin %95’ini ışık ve benzeri elektromanyetik dalgalar kullanarak elde ederiz” demiştim. Kütle çekim dalgalarını ölçebilmemiz sonunda artık evren hakkında bilgi elde edebileceğimiz kaynakların sayısı önemli miktarda artmıştır.

Bugünkü buluşla ders kitaplarının güncellenmesi gerekecektir.

Prof. Dr. Levent Kurnaz

Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü Öğretim Üyesi