Hawking’in Kara Delikleri Renklendiren Kuramı

Matematiksel fizikçi ve evrenbilimci Stephen Hawking, kara delikler ile kuantum fiziği arasındaki ilişkiyi araştıran çalışmasıyla ünlüdür. Kara delik, çok büyük kütleli bir yıldızın kendi içine doğru çökerek ölmesiyle ortaya çıkar. Ölen yıldızdan arta kalan kalıntılar, o kadar küçük bir boyuta büzülürler ki, kütleçekim aşırı derecede güçlü olur; o kadar güçlü olur ki ışık bile kaçamaz. Kara delikler, uzun süredir çok popüler. Artık okul çocukları bile tüm evrenin neden çöküp kara deliğe dönüşmediğini düşünebilir oldu. Hawking’in titiz teorik çalışmaları da fizikçilerin kara deliklere dair bilgisindeki bazı boşlukları doldurdu.

Kara Delikler Neden Var?

Kısa cevap şu: Çünkü kütleçekim kuvveti var ve de ışık hızı sonsuz değil.

Dünya’nın yüzeyinde durup, belli bir açıyla havaya doğru bir kurşun sıktığınızı hayal edin. Standart merminiz uzakta bir yerde aşağıya düşecektir. Diyelim ki, çok güçlü bir tüfeğiniz var. Şimdi öyle bir hızda ateş edebilirsiniz ki, merminiz yere düşmek yerine, Dünya’nın etrafında bir yörüngede kalabilir. Eğer tüfeğiniz daha da güçlü ise, mermi o kadar hızlı olabilir ki Dünya’nın kütleçekimini yenebilir. İşte Mars’a roketler yollanırken gerçekleşen şey de budur.

Şimdi, kütleçekiminin çok daha güçlü olduğunu hayal edin. Hiçbir tüfek, mermiyi o gezegenden ayırabilecek (yani nesnenin, gezegenin “kaçış hızı”ndan daha hızlı gitmesini sağlayabilecek) kadar ivme oluşturamasın. O yüzden siz de mermi yerine ışık yani foton ateşlemeye karar vermiş olun. Fotonlar (ışık parçacıkları) herhangi bir kütleye sahip olmamalarına karşın, yine de kütle çekiminden etkilenirler; tıpkı bir merminin yörüngesinin kütleçekim kuvveti tarafından bükülmesi gibi eğik bir güzergah izlerler. Ancak en ağır gezegenler bile, fotonların güzergahını bükebilecek ve kendilerinden kaçmalarını engelleyecek kadar güçlü bir kütleçekime sahip olamaz.

Fakat karadelikler, gezegenler veya yıldızlar gibi değildir; onlar yıldızların ardında bıraktıkları aşırı küçük bir küreye sıkışmış kalıntılardır. Yarıçapları sadece birkaç kilometre kadar olabilir. Şimdi kendinizi bir kara deliğin yüzeyinde, elinizde bir ışın silahıyla duruyor olarak hayal edin. Yukarıya doğru belirli bir açıda ateş ediyorsunuz ve ışık ışınının bükülüp, karadelik etrafında bir yörüngede, evrenbilimcilerin Schwarzschild yarıçapı olarak isimlendirdiği bir uzaklık olan “dönüşü olmayan bir noktada” kaldığını görüyorsunuz. Yani bulunduğunuz yerden ışık bile kaçamıyor olduğunda, bulunduğunuz o yer (eğer bulunabilirseniz tabi) uzaktan bakan birisine tamamen siyah görünerek, “kara delik” adını alıyor.

Ortada “tekillik”, tekillikten “Schwarzschild yarıçapı” kadar uzakta ise “olay ufku” görülüyor.

Hawking, Kara Deliklerin Kapkara Olmadığını mı Keşfetti?

Kısa cevap şu: Evet.

Yukarıdaki karadelik tanımlamasını klasik fiziğin diliyle yaptık. Yani basitçe Newton’un kuramını ışığa uyguladık. Fakat, fizik kanunları, aslında çok daha karmaşıktır çünkü evrenin kendisi daha karmaşıktır.

Klasik fizikte, “vakum” (boşluk) sözcüğü, herhangi bir madde ya da ışınım formunun tamamen yokluğu anlamına gelir. Fakat kuantum fiziğinde, özellikle de bir kara delik yakınında ise vakum çok daha ilginçtir. Boş olmaktan ziyade, vakum, vakumun enerjisiyle geçici bir şekilde oluşturulmuş parçacık-antiparçacık çiftleriyle doludur. Bu olguya “kuantum boşluk çalkalanmaları” adı verilir. Bu sanal çiftler, çok kısa bir süre (Heisenberg belirsizlik ilkesinin izin verdiği süre) içerisinde birbirlerini yok etmek ve enerjilerini vakuma aktarmak zorundadır.

Üretilen her tür parçacık-antiparçacık çiftlerini bulabilirsiniz, ancak ağır olanlar kısmen daha ender ortaya çıkar. Kütleleri olmadığından foton çiftleri üretmek oldukça kolaydır. Fotonlar her zaman çiftler halinde üretilmelidir; böylece birbirlerinden ters yönlerde uzaklaşacak ve momentumun korunumu yasasını çiğnemeyeceklerdir.

Şimdi “son ışık ışını”nın dolanmakta olduğu uzaklıkta, yani kara deliğin merkezinden tam Schwarzschild yarıçapı kadar uzaklıkta sanal bir foton çiftinin oluştuğunu hayal edin. (Bu uzaklık, kara deliğin ne kadar kütleye sahip olduğuna bağlı olarak her kara delikte farklıdır.) Ayrıca foton çiftindeki fotonlardan birinin içeriye, yani kara deliğin merkezine doğru, ötekinin ise dışarıya doğru dönük oluştuğunu varsayın.

Bu noktada bir sorun beliriyor: Kara deliğin içine doğru ilerleyen foton geri çıkamayacağına göre, Heisenberg belirsizlik ilkesince sanal çiftlerin var olmasına izin verilen zaman aralığı sonunda, “çift yok olması” gerçekleşemez. Sanal çift, enerjilerini, kara deliği çevreleyen vakuma geri iade edemezler. Ama hesabı birinin ödemesi gerekmektedir ve fatura kara deliğe kesilir.
Kara delik, sanal foton çiftinin bir üyesini geri dönüşü olmayan topraklarına kabul ettiğinde, kendi kütlesinin birazını evrene vermek zorunda kalır. Einstein’ın ünlü E=mc² eşitliğine göre, miktar tam olarak sanal çiftin var olmak için evrenden ödünç aldığı kadardır.

Hawking’in bu konuda matematiksel olarak ortaya koyduğu katkı, özünde işte budur. Kara delik ufkundan ayrılan foton, hafif bir parıltı gibi görünecektir. Bu parıltıya “Hawking ışıması” adı verilir. Eğer bu olay çok fazla gerçekleşirse, kara deliğin çok fazla kütle kaybederek, tümden ortadan kaybolabileceğini ya da daha net konuşmak gerekirse, yeniden görünür hâle gelebileceği çıkarımı da Hawking tarafından yapılmıştır.

Kara Delikler Enformasyonun Sonsuza Dek Kaybolmasına mı Yol Açar?

Yanıt kısaca şu: Hayır, bu yasaya aykırı olurdu.

Hawking’in parıltı keşfinden kısa süre sonra pek çok fizikçi bu konuda kaygılanmaya başladı. Endişelendikleri şey şuydu: Temel fizik yasaları, zamanda ileriye doğru gerçekleşen her sürecin, zamanda geriye doğru da gerçekleşebileceğini garantiliyordu.

Bu elbette gündelik yaşamdan edindiğimiz sezgilerle uyuşmuyor. Yere düşüp patlayan bir karpuz hiçbir zaman kendi kendine yeniden bütün hâle gelmez. Ama karpuz gibi büyük nesnelere olanlar, aslında istatistik yasalarının sonucudur. Karpuzun tekrar bütünleşmesi için milyarlarca atomik parçacığın eski konumlarını almaları gerekir. Bunun olabilirliği ise elbette sıfırdır. Fakat tek bir parçacık söz konusu olduğunda gayet olanaklıdır. Yani atomik nesneler için zamanda ileri doğru gerçekleşen her şey, geriye doğru da pekâlâ gerçekleşebilir.

Şimdi fotonlardan birini kara deliğin içine ateşlediğinizi düşünün. Sadece ölçebileceğimiz bir belirteç olan polarizasyon (kutuplanma) ile ayırt edilebilirler ama bu fotonun enerjisini etkilemez. Fotonlarımıza “sol” ve “sağ” fotonlar diyelim. Bunlardan biri ufku aştığında kara delik değişir; artık daha fazla enerjisi vardır. Şu var ki, sağ foton da olsa, sol foton da olsa aynı şekilde bir değişim yaşar.

İki farklı geçmişin, tek bir geleceği olmuştur ve böyle bir ilerleme tersine çevrilemez: Fizik yasaları hangi geçmişi seçeceklerini nereden bilsin ki? Sağ foton mu, sol foton mu? İşte bu, zaman tersinirliği değişmezliğinin çiğnenmesidir. Yasa, her geçmişin tam olarak tek bir geleceği olmasını gerektirir; her geleceğin de tek bir geçmişi olmasını.

Bazı fizikçiler, Hawking ışımasının sağ/sol farkına ilişkin bir iz taşıyabileceğini ve böylece dışarıdaki bir gözlemciye geçmişe ilişkin ipucu verebileceğini düşünüyordu; ama hayır. Hawking ışıması, kara deliği çevreleyen vakumun çalkalanmasından ileri gelir ve içeri ne gönderdiğinizle hiçbir ilgisi yoktur.

Her şey kaybolmuş gibi görünüyor ama hemen bu karar varmayın. 1917 yılında Einstein maddenin (maddenin yakınındaki vakumun bile) aslında giren şeye tuhaf bir biçimde tepki verdiğini gösterdi. Madde yakınındaki vakum, içeri girenin aynı bir kopyası gibi görünen bir parçacık-antiparçacık çifti üretecek şekilde “gıdıklanıyordu”.

Gerçek anlamda, içeri giren parçacık, maddeyi kendisinin bir kopya çiftini üretmesi için uyarıyordu; daha doğrusu bir kopyası ile bir antikopyasını. Anımsayın: Rastgele parçacık-antiparçacık çiftleri vakumda her an ortaya çıkar ama gıdıklamalı parçacıklar hiç de rastgele değildir. Onlar gıdıklayanın aynısı olur.

Bu kopyalama işlemine “uyarılmış yayılım” etkisi denir ve tüm lazerlerin kökeninde bu vardır. Öte yandan, kara deliklerin Hawking parıldaması ise Einstein’ın “kendiliğinden yayılım” etkisi adını verdiği şeyin ta kendisidir ve bir kara deliğin yakınında gerçekleşir.

Şimdi gıdıklamanın bu kopyayı ürettiğini varsayın. Böylece sol foton, bir sol foton çiftinin ortaya çıkmasına ve sağ foton da sağ foton çiftinin ortaya çıkmasına neden olacak demektir. Gıdıklamalı çiftin üyelerinden birinin kara deliğin dışında kalması gerekeceğinden (momentumun korunması gerektiğinden), bu parçacık, enformasyonun saklanması için gereken “anı”yı üretmiş olur. Bir geçmişin sadece bir geleceği olur, zaman tersine çevrilebilir ve fizik yasaları güvendedir. Einstein’ın ışık kuramı, Hawking’in kara delik kuramını böylelikle temize çıkarır.

Kaynak: https://bilimfili.com/hawkingin-kara-delikleri-renklendiren-kurami/

BilimFili.com” Hawking’in Kara Delikleri Renklendiren Kuramı”

213 Paylaşımlar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Solve : *
25 + 21 =


This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.