Einstein’in Genel Görelilik Teorisi

Şekil 1. Genel göreliliğin öngörülerinden biri kütleçekim dalgalarıdır ve resimdeki betimleme birbirinin yörüngesinde dönen iki kara deliğin ürettiği kütle çekim dalgalarını göstermektedir. (NASA)

Genel görelilik, fizikçi Albert Einstein’ın kütlenin uzay-zaman dokusunu nasıl etkilediğine ve bu uzay-zamanın da kütlenin hareketini nasıl belirlediğine dair anlayışıdır.

Einstein’ın 1915’te yayınladığı bu teori, 10 yıl öncesinde yayınladığı özel görelilik teorisinin genişletilmiş halidir. Bu açıdan özel görelilik teorisi, uzay ve zamanın ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olduğunu savunur, ancak bu teori kütle çekimin etkisini dahil etmez.

Einstein, iki yayın arasındaki bu on yılını, özellikle büyük nesnelerin uzay-zaman dokusunu nasıl büktüğünü, kütle çekimi olarak ortaya çıkan bir biçim yitimi üzerine çalışarak geçirdi.

Genel Görelilik Nasıl Çalışır?

Genel göreliliği anlamak için önce, iki cismin birbirine uyguladığı çekim kuvveti olan kütle çekimi ile başlayalım. Sir Isaac Newton, üç hareket yasasını, “Principia”yı formüle ettiği aynı metinde kütle çekimini nicelleştirdi.

Buna göre iki cisim arasındaki çekim kuvveti, her birinin ne kadar büyük olduğuna ve birbirlerine ne kadar uzak olduğuna bağlıdır. Yer bizi kendine, merkeze doğru çekerken bile (ki bu bizi yere sıkıca bağlı tutar), bizim kendi kütle merkezimiz de Yer’i kendine doğru çeker. Ancak daha büyük kütleli olan cisim (bu örnekte Yer) bizden kaynaklı çekişi zar zor hissederken, çok daha küçük kütleli olan bedenimiz aynı kuvvet sayesinde kendimizi sağlam bir şekilde Yer’e bağlı hisseder. Yine de Newton yasaları, kütle çekimini, bir mesafe boyunca hareket edebilen bir nesnenin içkin bir kuvveti olduğunu varsayar. Yani Newton yasaları, kütlesi olan her cismin neden böylesi bir çekime sahip olduğunu açıklamaz.

Albert Einstein, özel görelilik teorisinde, ivmelenmeyen tüm gözlemciler için fizik yasalarının aynı olduğunu belirlemiş ve bir gözlemcinin hareket hızı ne olursa olsun, ışığın boşluktaki hızının aynı olduğunu göstermiştir. Yani ışığın hızı gözlemciden bağımsızdır, gözlemci duruyor olsa da hareket ediyor olsa da hep aynı hız değerinde olacaktır.

Sonuç olarak, uzay ve zamanın, uzay-zaman olarak bilinen tek bir süreklilikte iç içe geçtiğini buldu. Buna göre bir gözlemci için aynı anda meydana gelen olaylar, bir başkası için farklı zamanlarda meydana gelebilir.

Einstein, genel görelilik teorisi için denklemleri çözerken, büyük kütleli cisimlerin uzay-zamanda bir bozulmaya neden olduğunu fark etti. Bir trambolinin ortasına ağır bir cisim koyduğunuzu hayal edin. Bu cisim kumaşa bastırarak çukurlaşmasına neden olur. Daha sonra bir bilyeyi trambolinin kenarına yuvarlamaya çalışırsanız, bilye merkezdeki cisme doğru spiral çizerek merkeze doğru çekilir ve tıpkı bir gezegenin kütle çekiminin uzaydaki kayaları çekmesiyle aynı şekilde olur.

Einstein’ın teorilerini yayınlamasından bu yana geçen yıllar boyunca, bilim insanları görelilik öngörüleri ile eşleşen sayısız olgu gözlemlediler.

Kütle Çekimsel Mercekleme

Işık, kara delik gibi büyük kütleli bir cismin etrafında bükülür ve onun arkasında olan şeyler için bir mercek görevi görmesine neden olur. Gökbilimciler, büyük nesnelerin arkasındaki yıldızları ve galaksileri incelemek için rutin olarak bu yöntemi kullanırlar.

Avrupa Uzay Ajansı’na (ESA) göre Pegasus takımyıldızındaki bir kuasar olan Einstein Haçı, kütle çekim merceklenmesinin mükemmel bir örneğidir. Kuasar, yaklaşık 11 milyar yıl önce olduğu gibi görünüyor; arkasında yer alan gökada Dünya’ya yaklaşık 10 kat daha yakındır. İki cisim çok hassas bir şekilde hizalandığından, gökadanın yoğun kütle çekimi kuasardan gelen ışığı büktüğü için kuasarın dört görüntüsü gökadanın etrafında belirir.

Einstein’ın haçı gibi durumlarda, kütleçekimsel olarak merceklenen cismin farklı görüntüleri aynı anda görünür, ancak bu her zaman böyle olmayabilir. Bilim insanları ayrıca, mercek etrafında dolaşan ışığın farklı uzunluklarda farklı yollar izlediğinden, özellikle ilginç bir süpernova durumunda olduğu gibi, farklı görüntülerin farklı zamanlarda ulaştığı merceklenme örneklerini gözlemlemeyi başardılar.

Şekil 2. Einstein Haçı, kütleçekim merceğine bir örnektir. (NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA))

Merkür Gezegeninin Yörüngesindeki Değişimler

NASA’ya göre, Merkür’ün yörüngesi, büyük kütleli güneş etrafındaki uzay-zamanın eğriliği nedeniyle zaman içinde yavaşça değişmektedir.

Güneşe en yakın gezegen olan Merkür’ün gün-berisinin (elips yörüngesi boyunca güneşe en yakın olduğu nokta) zamanla biraz farklı bir yön izleyeceği öngörülür. Newton’un tahminlerine göre, güneş sistemindeki kütle çekim kuvvetleri Merkür’ün yörünge yalpalanımı (presesyon; yörünge yönelimindeki değişimi), yüzyılda 5,600 yay saniyesi (1 yay saniyesi bir derecenin 1/3600’üne eşittir) olarak ölçülmektedir. Bununla birlikte, Einstein’ın genel görelilik teorisine göre, yüzyılda 43 yay saniyelik bir tutarsızlık vardır. Einstein’ın eğri uzay-zaman teorisini kullanarak, gezegenler güneş etrafında statik bir eliptik yörüngede dolanmadığından, Merkür’ün gün-berisinin devinimi Newton’un tahminlerine göre biraz daha fazla ilerlemelidir.

Tabii ki, 20. yüzyılın ortalarından beri yayınlanan birkaç araştırma makalesi, Einstein’ın Merkür’ün günberi devinimi hesaplamalarının isabetli olduğunu doğruladı.

Birkaç milyar yıl içinde bu yalpalama, en içteki gezegenin güneşle veya bir gezegenle çarpışmasına bile neden olabilir.

Dönen Cisimlerin Etrafında Uzay-Zaman Diyagram-Sürüklenmesi

Dünya gibi ağır bir nesnenin dönüşü, etrafındaki uzay-zamanı bükmeli ve çarpıtmalıdır. 2004 yılında NASA, Kütle Çekim Sondası-B’yi (Gravity Probe-B; GP-B) uzaya fırlattı. NASA’ya göre, uydunun hassas bir şekilde kalibre edilmiş jiroskoplarının eksenleri zamanla çok az da olsa kaymıştır, bu da Einstein’ın teorisine uygun bir sonuç.

Stanford Üniversitesinden Kütle Çekim Sondası-B’nin baş araştırmacısı Francis Everitt, NASA’nın görevle ilgili açıklamasında şunları kaydetti; “Dünyayı bala batırılmış gibi hayal edin. Gezegen döndükçe, etrafındaki bal döner ve işte etrafındaki uzay ve zamanda aynı şekilde davranır. Sonda-B, Einstein’ın evreninin en köklü tahminlerinden ikisini doğruladı ve astrofizik araştırmalarında geniş kapsamlı etkilere sahip.”

Kütle Çekimsel Kırmızıya Kayma

Bir cismin elektromanyetik ışınımı, bir kütle çekim alanı içinde hafifçe gerilir. Ambulans gibi bir acil durum aracının sireninden yayılan ses dalgalarını düşünün; araç bir gözlemciye doğru hareket ederken ses dalgaları sıkışır, ancak uzaklaştıkça uzar veya kırmızıya kayar. Doppler Etkisi olarak bilinen aynı olay, tüm frekanslardaki ışık dalgalarında da meydana gelir.

1960’larda, Amerikan Fizik Derneği’ne göre, fizikçiler Robert Pound ve Glen Rebka, Harvard Üniversitesi’nde gama ışınlarını bir kulenin yanından önce aşağıya, sonra da tepeye ateşlediler. Pound ve Rebka, Yer’in kütle çekiminin neden olduğu bozulmalar nedeniyle gama ışınlarının frekansını biraz değiştiğini buldu.

Einstein, iki kara deliğin çarpışması gibi şiddetli olayların uzay-zamanda kütleçekim dalgaları olarak bilinen dalgalanmalar yarattığını öngördü. 2016 yılında Lazer Girişimölçer Kütle Çekim Dalgası Gözlemevi (LIGO) ilk kez böyle bir sinyal tespit ettiğini duyurdu. İlk tespit o kadar büyüktü ki, o zamanki LIGO sözcüsü Gabriela Gonzalez’e göre, ekibin kendilerini bunun bir arıza değil gerçek bir sinyal olduğuna ikna etmeleri birkaç ay sürdü.

O zamandan beri, bilim insanları hızla kütle çekim dalgalarını yakalamaya başladılar. Program yetkililerine göre LIGO ve Avrupalı akranı VIRGO toplam 50 kütle çekim dalgası olayı tespit etti.

Bu çarpışmalar, bilim insanlarının kara delik veya nötron yıldızı olarak kesin bir şekilde tanımlayamadığı bir cisimle çarpışma, parlak bir patlamanın eşlik ettiği nötron yıldızlarının birleşmesi, uyumsuz kara deliklerin çarpışması ve daha fazlası gibi olağan dışı olayları içeriyordu.

Nötron Yıldızlarının Gözlemi

Şekil 3. Dönen bir atarcanın temsili görünümü. (NASA/JPL-Caltech)

2021’de Physical Review X dergisinde yayınlanan araştırma, Dünya’dan yaklaşık 2.400 ışık yılı uzaklıkta bir çift atarca yıldız sistemi gözlemleyerek Einstein’ın öngörülerinden birkaçına meydan okudu. Genel göreliliğin yedi öngörüsünün her biri çalışma tarafından doğrulandı.

Atarca yıldız sistemleri, manyetik kutuplarından yayılan elektromanyetik ışınım demetleri nedeniyle atıyormuş gibi görünen bir tür nötron yıldızlarıdır.

Atarcalar test denekleri çok hızlı dönüyor – saniyede yaklaşık 44 kez – ve güneşten %30 daha fazla kütleliler, ancak çapları sadece 24 kilometre, bu da onları inanılmaz derecede yoğun yapıyor. Bu, kütle çekimlerinin muazzam olduğu anlamına gelir; örneğin, bir nötron yıldızının yüzeyindeki kütleçekimi, Yer üzerindeki çekiminden yaklaşık bir milyar kat daha güçlüdür. Bu, nötron yıldızlarını Einstein’ın teorilerindeki kütleçekimin ışığı bükmesi gibi öngörülerine meydan okumak için harika bir test konusu yapmaktadır.

Vancouver’daki British Columbia Üniversitesi’nden Profesör Ingrid Stairs yaptığı açıklamada şunları kaydetti, “Kozmik bir deniz fenerinden, bir atarcadan salınan radyo fotonlarının yayılmasını takip ediyoruz ve bu fotonların yoldaş atarcanın güçlü kütle çekim alanındaki hareketlerini izliyoruz. İlk kez, yoldaşın etrafındaki uzay-zamanın güçlü bir eğriliği nedeniyle ışığın nasıl geciktirdiğini ve aynı zamanda ışığın algılayabildiğimiz 0,04 derecelik küçük bir açıyla nasıl saptırdığını da görüyoruz. Daha önce hiç böyle bir deney bu kadar yüksek bir uzay-zaman eğriliğinde gerçekleştirilmemişti.”

 

Çev. Dr. Tuncay DOĞAN

https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html