Einstein'ın Evreni Modelleme Şekli

Einstein, genel görelilik kuramını ortaya attıktan iki yıl sonra evrenin şeklini bulmaya çalıştı. Hiçbir veri bulunmadığından, mümkün olan en basit çözümü varsaydı: Küresel ve durağan bir kozmos...

1917'de, Albert Einstein genel görelilik kuramını ve devrim niteliğindeki yeni yerçekimi kuramını önerdikten sadece iki yıl sonra, cesur bir adım attı ve genel görelilik kuramını Evren'in tamamına uygulamaya karar verdi.

Sorusu basit ama inanılmaz derecede cesurdu: Evren'in şeklini modelleyebilir miyiz?

Cevabını bulmak için, Einstein, yerçekimini bir kütle etrafındaki uzay-zamanın eğriliği olarak tanımlayan yeni ve güçlü kuramından yararlandı. Bir cisim ne kadar büyükse, etrafındaki geometri o kadar çarpıktır ve zaman o kadar yavaş akar.

Einstein'ın mantığı çok açıktı. Teorisi ona Güneş'in kütlesinin etrafındaki uzayı nasıl büktüğünü hesaplamasına izin verdiğinden, kütlenin Evren'de nasıl dağıldığını modelleseydi, şeklini hesaplayabilirdi. Bu Teorisi Evren'deki belirli bir yerle sınırlı değildi ve Evren'in kendisini ölçebilirdi. Şunu hayal edebilirsiniz, Kozmos'un geometrisini hesaplayan bir insan zihni.

Einstein'ın Çılgın Kozmolojisi

Einstein, fikirlerinin ne kadar tartışmalı olabileceğini fark eden ilk kişiydi. 1917'nin başlarında fizikçi ve arkadaşı Paul Ehrenfest'e yazdığı bir mektupta, "Yine... kütle çekim teorisi hakkında beni bir tımarhaneye kapatılma tehlikesine maruz bırakan bir şey yaptım." diye yazmıştı. Einstein'ın önerisi, genel göreliliğin Evren'in tamamına uygulanmasıyla başlayan ve bilim insanlarının Kozmos'un yapısını ve evrimini incelemesine olanak tanıyan kozmolojide yeni bir çağ başlattı.

Ancak genel görelilik denklemleri çok karmaşıktır ve çözümler bulmak için basitleştirmeler uygulamak gerekir. Bu fizikte sıklıkla olur, özellikle doğrusal problemlerin çoğu ele alındığında. Bilgisayarlar doğrusal olmayan sistemleri ele almamıza izin vermeden önce, fizik etkili yaklaşımların sanatıydı. Einstein'ın önünde çok büyük bir görev vardı. Evreni basitleştirmesi, elle çözebileceği bir denklem versiyonuna uydurması gerekiyordu. O zamanlar, hiç kimse Evrenin genişlediğini, yani zaman içinde değiştiğini ciddi olarak düşünmüyordu. Yıldızların yer değiştirmeleri gibi küçük ölçekli hareketler vardı, ancak bunlar genel bir eğilimi ortaya koymuyordu. Evrende büyük hızdaki hareketlerin var olduğuna dair ikna edici bir kanıt yoktu.

Einstein Hangi Evreni Teorileştirirdi?

Ne kadar az veri varsa, bir bilim insanı o kadar çok spekülasyon yapma özgürlüğüne sahip olur. Bu kültürel açıdan büyüleyicidir, çünkü bir bilim insanının bu kadar özgürce yaptığı seçimler, Dünya görüşü hakkında çok şey ortaya koyar. Einstein, o dönemdeki herkes gibi, evrenin statik olduğuna inanıyordu. Maddenin çoğunun Samanyolu'nun bir parçası olduğunu düşünüyordu. Hubble'ın çalışmaları sayesinde Galaksimizin milyarlarca diğer Galaksiden biri olduğu ancak 1924'te anlaşılacaktı.

Einstein, sonlu miktarda madde içeren sonsuz bir Evren kavramından rahatsızdı. Uzaysal olarak sınırlı ve dolayısıyla sonlu bir Evrenin genel görelilik açısından çok daha doğal bir seçim olduğuna inanıyordu. Ayrıca en basit ve matematiksel olarak en iyi seçimdi ve Evreni mükemmel bir balon olarak resmetti.

Evrenin geometrisi, toplam kütlesi (ve/veya Einstein'ın daha önceki teorisinde tanımlanan özel göreliliğin bir sonucu olarak enerjisi) tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. Einstein'ın ilk basitleştirmesi kozmolojik ilke olarak bilinir hale geldi . Einstein, Evren'in ortalama olarak her yerde ve her yönde aynı göründüğünü söyledi. Yeterince büyük hacimlerde, Evren homojendir (her yerde aynıdır) ve izotropiktir (her yönde aynıdır). Evrende tercih edilen bir nokta veya yön yoktur. Güneş'in civarındaki gibi küçük hacimlere bakarsak, her yönde aynı şekilde dağılmamış yıldızlar görürüz.

Homojenlik ve izotropi hesaba katıldığında, Einstein'ın denklemlerini çözmek çok daha kolay hale gelir. Einstein'ın Evreni küreseldir ve geometrisi tek bir parametreyle belirlenir. Einstein'ın Evreni statik bir Evren olduğundan, maddenin dağılımı zamanla değişmez, dolayısıyla geometrisi de değişmez.

Einstein, daha sonra, bir kürenin yüzeyinin üç boyutlu genelleştirilmesiyle karakterize edilen kapalı bir geometriye sahip sonlu küresel ve statik bir Evren varsaymıştır. Bu nedenle, Evrenin toplam kütlesi tarafından belirlenen bir yarıçapa sahiptir. Madde geometriyi büktüğü için, olması gereken de budur. 1922'de gururla ilan ettiği gibi, "Geometrinin fiziksel özelliklere olan tam bağımlılığı, bu denklem aracılığıyla açıkça ortaya çıkar." demişti.

Einstein'ın hayal kırıklığına uğramasına rağmen, eğer Evren sonlu ve durağansa ve yer çekimi çekici bir kuvvetse, madde negatif basınca sahip olmadığı sürece kendi üzerine çökme eğiliminde olacaktır. Sıfır veya pozitif basınca sahip sabit bir madde yoğunluğuyla doldurulduğunda, bu Evren basitçe var olamazdı. Başka bir şeye ihtiyaç vardı...

Einstein, Evrenini durağan tutmak için genel görelilik denklemlerine başlangıçta negatif basınç adını verdiği bir terim ekledi. Kısa sürede kozmolojik sabit olarak bilinmeye başlandı . Matematik bu kavrama izin verdi, ancak Einstein ve diğerleri ne kadar uğraşırsa uğraşsın, fizikte kesinlikle hiçbir gerekçesi yoktu. Kozmolojik sabit, keyfi sabitlere veya ek varsayımlara ihtiyaç duymadan çok şey başaran Einstein'ın 1915 tarihli orijinal denklemlerinin biçimsel güzelliğinden ve sadeliğinden açıkça uzaklaştı. Maddenin kendi üzerine çökme eğilimini hassas bir şekilde dengelemek için seçilmiş kozmik bir itmeye denk geliyordu.

Einstein, kozmolojik sabitinin var olmasının tek sebebinin durağan ve kararlı sonlu bir Evren sağlamak olduğunu biliyordu. Ancak denklemlerinde sessizce saklanan, genişleyen bir geometriye sahip başka bir Evren modeli vardı. 1922'de Rus fizikçi Alexander Friedmann bu çözümü bulacaktı. Einstein'a gelince, kozmik genişlemeyi ancak 1931'de, Kaliforniya'daki Hubble'ı ziyaret ettikten sonra kabul etti ve durağan bir Kozmos vizyonundan vazgeçti.