EVRENİN YAPISI, ÇEKİM KUVVETİ VE GENEL GÖRELİLİK KURAMI ÜZERİNE

Evrenimiz, uzay zaman olarak bilinen dört boyutlu bir dokudan oluşur. Bu yapının yapısını açıklamadan önce, fizik alanında "boyut" kavramını netleştirmem gerekir. Bir noktayı veya olayı tanımlamak için kullanılan en az koordinat sayısı, bir nesnenin boyutunu belirler. Hepimiz koordinat düzlemine aşinayızdır. Sadece x ve y koordinatlarını kullanan koordinat sistemlerinin yanı sıra, x, y ve z gibi daha fazla noktayı içeren sistemler de vardır. Bir olayın veya bir noktanın en az sayıda koordinat ile ifade edilebildiği koordinat sistemi, o nesnenin boyutunu belirler. Örneğin, x ve y noktalarını içeren bir sistemde tanımlanan bir olay iki boyutludur, x, y ve z noktalarında ifade edilen bir olay ise üç boyutludur. Evren içinde meydana gelen olaylar en az dört koordinat noktasıyla ifade edilir. Nesneler üç boyutludur (x, y ve z noktalarıyla ifade edilir, yani uzunluk, genişlik ve yükseklik), ancak aynı zamanda zaman boyutunda (T) da bulunurlar. Evren içinde bir olay, zaman boyutu olmadan tam olarak tanımlanamaz. Örneğin, iki farklı trenin bir istasyondan saat 18:00'de ve 20:00'de hareket edebileceğini düşünün. Tren hareketinin olayını tanımlarken, tren istasyonunun konumunu belirtmenin yanı sıra, trenin hareket saatini de belirtmek gereklidir. Aksi takdirde, saat 18:00'de mi yoksa 20:00'de mi hareket ettiğini bilemeyiz. Benzer şekilde, uzaysal koordinatlar (x, y ve z noktaları) verilmezse, olayın hangi tren istasyonunda gerçekleştiği de belirsiz kalır. Bu nedenle, evrendeki bir olay en az dört koordinat noktası kullanılarak tanımlanabildiğinden, evren dört boyutludur. İnsanların dördüncü boyutu "görememesinin" nedeni, zaman boyutunun uzaysal olmamasıdır. Uzaysal boyutlar (x, y, z ve w gibi) nesnelerin şekillerini etkiler. İnsan gözü, ilk üç uzaysal boyutu (uzunluk, genişlik ve yükseklik) algılar. Ancak uzaysal olmayan zaman boyutu (T), nesnelerin şekillerini etkilemez ve insanlar tarafından fiziksel olarak algılanamaz. İnsanlar, zaman boyutunu yalnızca bir akış olarak deneyimler. Başka bir deyişle, insanlar dört boyutlu bir evrende yaşarken, sadece üç boyutlu nesneleri algılayabilirler. Ancak bu, insanların zaman boyutunu kullanmasını engellemez; tren örneğinde olduğu gibi insanlar, zaman boyutunu düzenli olarak kullanmak zorundadır. Uzay zamanın dört boyutlu olması (hem uzaysal boyutları hem de zaman boyutunu içermesi) uzay ve zamanı birbirine bağlar. Uzaydaki bir değişiklik (konum değişikliği) zamanı da etkiler. Uzay zaman, dört boyutlu esnek ve gergin bir kumaş olarak hayal edilebilir (ya da dördüncü boyutun kavranamayacak olması nedeniyle sıradan bir esnek kumaş olarak). Evrendeki kütle ve enerji, uzay zaman dokusunu büker (tıpkı bir kumaş üzerine yerleştirilen büyük bir topun kumaşı deforme etmesi gibi) ve uzayın kendisinin değişmesine neden olur. Bir kütle veya enerji varlığında, başlangıçta düz olan uzay bükülür. Bu aynı zamanda uzayın geometrisini de değiştirir (düz olan çizgiler, bükülmüş dokuda eğrileşir ve geometrik ilkeler değişir). Uzaydaki bu değişiklikler, zamanı da değiştirir ve göreli etkiler yaratır.

Bu göreli etkilere değinmeden önce, evreni anlamada önemli bir rol oynayan, uzay zaman dokusundaki bükülmelerden kaynaklanan bir kuvvetten bahsetmek istiyorum. Evrendeki nesneler, uzay zamanın geometrisine göre hareket eder. Uzay zamanı düz çizgilerden oluşan gergin bir kumaş olarak hayal edersek, kumaş içindeki nesneler bu düz çizgiler boyunca hareket eder. Ancak bir kütle veya enerji bu kumaşı "kütlenin merkezine doğru" büktüğünde, şimdi bozulmuş olan çizgiler artık düz olmaz ve kütlenin merkezine doğru eğilmiş gibi görünür. Bu, yerçekimi kuvvetinin ortaya çıkmasının sebebidir. Aslında geleneksel anlamda bir "kuvvet" yoktur. Nesneler sadece uzay zamanın eğrilmiş yollarını takip eder ve büyük nesnelere doğru "çekiliyormuş" gibi görünürler. Bir nesnenin kütlesi ne kadar büyük ve hacmi ne kadar küçükse, uzay zamandaki bükülme de o kadar fazladır. Bu nedenle, nesneler büyük kütlelere "düşer." Büyük kütleler de küçük olanlara doğru "düşer," ancak daha fark edilir olan etki, küçük nesnenin "düşmesidir." Işık da uzay zamanın eğrilmiş yollarını takip eder ve bu bükülme, bir kütlenin etrafında gözlemlenebilir hale gelir. Eğer opak bir nesnenin kütlesi yeterince büyükse, arkasındaki nesneler görünür hale gelebilir, çünkü ışık, gözümüze ulaşmak için büyük kütlenin etrafından bükülmek zorunda kalır. Bu olaya kütle çekimsel mercekleme denir ve gözlemlenmiştir.

Yerçekimi kuvveti, uzaydaki değişimlerden kaynaklandığı için, uzaya bağlı zamanı da değiştirir. Bir bölgedeki yerçekimi kuvveti miktarı (yani uzay zaman dokusundaki bükülme), zamanın ne kadar yavaşladığını belirler. Bu durum, bir düşünce deneyiyle açıklanabilir. İlk olarak, birim zamanda hızdaki değişimin (ivme) yerçekimi kuvvetine eşit olduğunu anlamamız gerekir. Bunun için uzay boşluğunda bir roket hayal edebiliriz. Roketin içinde, hiçbir şeye bağlı olmayan bir top havada süzülmektedir. Ancak roket ivmelenmeye başladığında, top ivmenin ters yönünde "yapışacaktır." İvme ne kadar büyükse, top o kadar belirgin bir şekilde ivmenin ters yönüne hareket eder (yapışır). Bu durum Newton'un birinci yasasından kaynaklanır. Bir nesne, üzerine bir kuvvet uygulanmadıkça hareketsiz kalmaya ya da sabit hızda hareket etmeye devam edecektir. Roketin ivmelendiği bir durumda, rokete bağlı olmayan topa bir kuvvet etki etmeyeceği için yerinde kalmak isteyecektir. Ancak roketin alt kısmı topa doğru hareket eder ve topu roketin içine yapıştırır. Bu yapışma etkisi, yerçekimi kuvvetinden ayırt edilemez. Dolayısıyla Albert Einstein’a göre, eşdeğerlik ilkesi, yerçekimi kuvveti ile ivmenin eşdeğer olduğunu söyler.

Şimdi hem ivmelenen hem de sabit bir rokette zaman ölçümleri yapmamız gerekiyor. Bunun için bir lazer ve ışığa duyarlı bir saat kullanmamız gerekiyor. Lazerimizin roketin alt kısmında olduğunu ve her saniye roketin üst kısmına bir ışık dalgası gönderdiğini varsayalım. Saatimiz de roketin üstünde yer alıyor ve her ışık dalgası kendisine ulaştığında sayacına +1 saniye ekliyor. Şimdi roketimizin uzunluğunun yeterli olduğu bir durumu inceleyelim. Sabit rokette her şey normal şekilde çalışır. Bu durumda, her saniyede, saatimiz sayacına +1 saniye ekler. Ancak roket hızlanıyorsa ve yüksek hızda hareket ediyorsa durum aynı olmaz. Roketin alt kısmından yayılan ışık üst kısma ulaştığında, roketin üst kısmı başlangıçtaki konumundan daha uzakta olacaktır. Bu nedenle ışık, normalde olduğundan daha uzun bir mesafe kat eder ve saatimiz yavaşlar. İvme kavramı yerçekimi kuvveti ile eşdeğer olduğundan, aynı durum herhangi bir yerçekimi alanında da geçerli olmalıdır. Nitekim atom saatleriyle yapılan ölçümler bu durumun doğruluğunu kanıtlamıştır. Bu, genel görelilik teorisinin birincil örneğidir.