Neden Anti-Kütleçekimi Diye Bir Şey Yok? Uzay Neden "Yukarı" Doğru Bükülemiyor?

Newton'un kütleçekimine göre tüm kütleler birbirini çeker, itilecek bir "negatif kütle" yoktur. Einstein'ın genel göreliliğine göre ise madde ve enerji uzay-zamanı büker ve bükülen zaman kütleçekimi olarak deneyimlenir. Eğer bir negatif kütle ya da bir tür negatif enerji olsaydı uzay-zamanın ters yönde büküleceği ve anti-kütleçekimine neden olacağı hayal edilebilirdi. Fakat evrenimizde kütleçekiminin zıttı olan bir kuvvet yoktur. Bu temel bir gerçektir ve kütleçekim kuvvetini elektromanyetik kuvvet gibi hem çeken hem iten özelliklere sahip kuvvetlerden ayırır. Peki evrenimizde neden bir "anti-kütleçekimi kuvveti" olamaz?

Evrenimizde bilinen dört temel kuvvet olsa da içlerinden kozmik ölçeklerin tümünde önemli olan tek bir kuvvet vardır: Kütleçekim kuvveti. Diğer üç kuvvetse şunlardır:

1. Proton ve nötronları bir arada tutan güçlü kuvvet,
2. Parçacık bozunmalarından ve kuark ve leptonlar arasındaki her türlü "tür değişiminden" sorumlu olan zayıf kuvvet,
3. Nötr atomların oluşmasını sağlayan elektromanyetik kuvvet.

Bu üç kuvvet de kozmik ölçeklerde büyük ölçüde önemsizdir. Bunun nedeni oldukça basit: Büyük parçacık kümeleri bir araya geldiğinde bu üç kuvvet büyük mesafelerde dengelenir. Bu üç kuvvet altında madde büyük ölçeklerde "nötr" olur, başka bir deyişle net kuvvet sıfır olur.

Ancak kütleçekimde durum böyle değildir. Aslında kütleçekim bu bakımdan eşsizdir. Kütleçekimde sadece "pozitif" yükler vardır, çünkü sadece pozitif miktarda kütleye ve/veya enerjiye sahip cisimlerden söz edebiliriz. Kütleçekim kuvveti bu cisimler arasında sadece çekendir ve böylece kümülatif olarak toplanabilir. Fakat neden başka bir şekilde değil de bu şekilde? Bu Alex Gebethner'in de aşağıda yazdığı gibi cevabını bilmek istediği bir soru:

Benim gibi sıradan insanlara uzay-zamanı açıklamak için genelde çarşafın üstündeki bowling topu örneği kullanılır. Topun ağırlığı düz çarşafı aşağı çeker ve yakındaki daha küçük nesneleri de kendine çeker. Ancak benzer başka bir nesnenin çarşafı başka bir yöne doğru çekmesi (çarşaf analojisiyle devam etmek gerekirse örneğin yukarı doğru) ve diğer nesneleri deformasyon noktasından uzaklaştırması da mantıklı gibi görünüyor. Fakat bu durumun yaşandığına hiç tanık olmuyoruz. Peki neden uzay-zaman sadece tek bir yöne (yerçekimi yönüne) doğru bükülüyor?

Bu çok önemli bir soru ve kaliteli bir cevabı hak ediyor. Aşağıda, genel göreliliğin "klasik" illüstrasyonu yer alıyor. Bu anlatımda uzay-zamanın bir kumaş olduğu ve kütlesiz ve devasa nesneler de dahil olmak üzere tüm nesnelerin bu kumaşın içinde var olduğu benzetmesi yapılır. Bir yerde ne kadar çok kütle (ve/veya enerji) varsa, o kütlenin/enerjinin varlığı nedeniyle uzay o kadar fazla bükülür ve dolayısıyla kumaşın aşağı çekilme miktarı da o kadar fazla olur. Uzayın bu bölgesinin içinden geçen herhangi bir nesne için o uzayın eğriliği (başka bir deyişle kumaşın hangi yönde ve miktarda bozulmuş olduğu) hem kütlesiz hem devasa varlıkların içinden nasıl geçeceğini belirler.

T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Ancak birçok insan bu anlatıma itiraz edecektir. Bunun birkaç nedeni var:

• Bu anlatı, uzayı üç boyutlu yerine iki boyutlu gibi gösterir.
• Uzayın deformasyonunu (ya da eğriliğini) "aşağı" yönde gibi gösterir.
• Uzayı büyük bir kütleden "uzak" olduğu durumda bükülmüyormuş gibi gösterir.

Ancak bunların hiçbiri doğru değildir. Bu itirazları dile getirenlere uzayı gözlerinde üç boyutlu bir kafes gibi canlandırmaları önerilebilir. Ancak bu kafes, her boyutun birbirine dik olduğu "kartezyen" bir kafes yerine, biri bir kartezyen kafesten birkaç tane teli tutup hepsini tek bir noktaya çekmişçesine, çizgilerin kütlelerin varlığıyla içe doğru çekildiği bir kafes olmalıdır.

LucasVB

Düşünmemiz gereken büyük bir soru neden kütleçekiminin ters yönde çalışamadığıdır. Cisimler kütleçekimi ile sadece çekilir, bunun karşıtı olacak şekilde bir "itilme" yaşıyor gibi görünmüyorlar. Sanki uzay yalnızca bir yöne doğru "bükülebiliyor": Cisimlerin itmesini değil çekmesini sağlayan yöne.

Çarşaf analojisindeki kütle ve enerji, uzayın hiç "yukarı" değil de hep "aşağı" doğru hareket etmesine neden oluyor ve bu yüzden hep çekim kuvveti oluşuyor, itme kuvveti değil. Kafes analojisinde ise kütle ve enerji, çizgilerin "dışarı" değil de hep "içeri" çekilmesine neden oluyor ve benzer şekilde hep çekim kuvveti var, itme kuvveti değil.

Bunun temel ve önemli bir sebebi var ve bu sebep, kütleçekim kuvvetini yalnızca olağanüstü değil aynı zamanda dört temel kuvvet arasında eşsiz kılan şey: Evrende kütleçekimsel "yük" türü için yalnızca bir "işaret" var: Pozitif (+) işaret.

Bunun hakkında biraz düşünelim çünkü kütleçekim kuvvetini tipik olarak bu şekilde algılamayız. Konu kütleçekimi olduğunda kütleçekimsel yüklerden söz etmeyiz, "kütle" ve "enerji" gibi şeylerden bahsederiz. Fakat var olduğu kanıtlanmış olan hem makroskopik seviyedeki hem kuantum seviyesindeki fiziksel varlıkların hiçbirinde "negatif kütle" ya da "negatif enerji" gibi şeyler keşfedilmemiştir. Genel olarak kütle ve enerji her zaman pozitif olmalıdır. (Ancak sistemlerden çıkan enerji, denklemlerde negatif işaretle gösterilebilir. Bunun nedeni enerjinin sistemden çıkmasıdır, negatif olması değil.)

Dennis Nilsson/RJB1, Wikimedia Commons

Bu özellik, elektromanyetizma gibi bir kuvvetin özellikleriyle kıyaslandığında fark hemen görünür: Konu elektriksel yük gibi bir olguya gelince, bir değil iki yükten bahsederiz: Pozitif (+) ve negatif (-) yükler. Elektromanyetizma kurallarına göre şunlar söylenebilir:

• Pozitif yükler pozitif yükleri iter,
• Pozitif yükler negatif yükleri çeker,
• Negatif yükler negatif yükleri iter,
• Negatif yükler pozitif yükleri çeker.

Başka bir deyişle, elektromanyetik kuvvetin işareti (her parçacık üzerindeki net kuvvetin hangi yöne baktığı), yüklerin benzer (birbirlerini ittikleri durumda) ya da karşıt (birbirlerini çektikleri durumda) olmalarına bağlıdır.

Elektromanyetizma kuvveti kütleçekim kuvvetinden çok daha güçlüdür. Eğer iki proton yan yana konulur ve elektrik kuvvetleri ölçülürse itme kuvvetinin kütleçekim kuvvetinin yaklaşık on üzeri otuz altı katı olduğu görülür. Öyleyse evreni kütleçekim kuvveti yerine neden elektriksel kuvvet domine etmiyor?

ESA/Planck Collaboration. Acknowledgement: M.-A. Miville-Deschênes

Çünkü evren elektriksel olarak nötrdür, başka bir deyişle pozitif yük ve negatif yük sayısı evrende birbirini tam olarak dengelemektedir. Atomlar da elektriksel olarak nötrdür, çekirdeklerindeki pozitif yüklerin sayısı yörüngelerindeki elektronların negatif yükleriyle birbirini tam olarak dengeler. Gezegenler, yıldızlar ve galaksiler de büyük çoğunlukla atomlardan meydana gelmektedir ve tümü elektriksel olarak nötrdür. Kütleçekim kuvvetinin çok büyük kozmik ölçeklerde önemli olan tek kuvvet olmasının nedeni çok küçük değerler alsa bile kümülatif olmasıdır. Sadece tek tür kütleçekim kuvveti vardır ve bu da zamanla birikir.

Diğer iki nükleer kuvvetin ikisi de büyük ölçeklerde etki sahibi değildir. Zayıf kuvvetin büyük ölçeklerde etkili olmamasının nedeni çok büyük parçacıklar olan W ve Z bozonlarından oluşmasıdır. Bu parçacıklar zayıf etkileşimlerden etkilenen diğer parçacıklardan çok daha büyük oldukları için zayıf etkileşimler çok güçlü bir şekilde bastırılır. Zayıf etkileşimler tipik olarak yalnızca (kararsız) bir başlangıç durumundan (daha kararlı) bir son duruma kadar olan kuantum tünelleme süreci aracılığıyla devam edebilir. Daha büyük mesafede baskılama daha büyük olacaktır, bu yüzden atomaltı parçacık boyutlarından daha büyük ölçeklerde zayıf etkileşimin hiç rolü yoktur.

Ethan Siegel

Güçlü kuvvette ise durum biraz daha karmaşıktır. Güçlü kuvveti gluonlar oluşturur ve gluonlar, elektromanyetik kuvvete aracı olan fotonlar gibi kütlesizdir. Tek bir yükü olan kütleçekim kuvvetinin ve iki tür yükü olan elektromanyetik kuvvetin aksine güçlü kuvvetin aslında birbiriyle ilişkili üç yük türü vardır. Bu yükleri anlamak için bir renk analojisi kullanırız:

1. Kırmızı, yeşil ve mavi üç ana renktir.
2. Cyan, magenta ve sarı üç anti-renktir.
3. Bir renk ve o rengin anti-renginin birleşimi (kırmızı ve cyan, yeşil ve magenta, mavi ve sarı) renksizdir.
4. Üç rengin (kırmızı, yeşil, mavi) ve üç anti-rengin (cyan, magenta, sarı) kendi içlerinde birleşimi de renksizdir.

Temel parçacıklar arasında yalnızca kuark ve gluonların "renkleri" vardır ve kuarklar ve antikuarklar yalnızca "renksiz" durumlarda var olabilirler. "Renksiz" durumlardakilere baryonlar (üç kuark), antibaryonlar (üç antikuark), mezonlar (kuark-antikuark kombinasyonları) ve daha kısa süreli ve daha karmaşık durumlar olan tetrakuark (iki kuark ve iki antikuark) ve pentakuark (dört kuark, bir ya da dört antikuark ve bir kuark) örnek verilebilir.

Doğada kuarkların yalnızca bağlı ve renksiz halleri bulunduğundan, bu bağlı durumlar arasındaki kuvvet aynı zamanda baryon numarasını muhafaza eden renksiz bir kombinasyon aracılığıyla da oluşmalıdır, yani mezonlarla. Mezonlar devasa olduğundan, bu "güçlü kuvvet" de kısa mesafede etkilidir, tıpkı zayıf nükleer kuvvet gibi.

Bağımsız proton ve nötronlar "renksizdir": Bugün evrende geçerli tek kuark çeşidi durumu da budur. Güçlü kuvvet kütlesiz (gluon) parçacıklardan oluşuyor olsa da bağımsız bağ durumlarında var olan tek kuvvet kendileri de devasa olan mezonlar sayesindedir, ki bu da güçlü kuvvetin etki alanını büyük ölçüde kısıtlar.

Böylece kozmik ölçeklerde yalnızca kütleçekiminin etkisiyle karşılaşırız. Tüm kütleler pozitiftir, tüm enerjiler pozitiftir ve her yerde kütle/enerji uzaysal eğriliği ve uzaysal eğrilik de kütleçekimini oluşturduğundan kütleçekim kuvveti her zaman "çeken" durumda olmalıdır.

Bu şu an sahip olduğumuz ve bildiğimiz evrende geçerlidir. Ancak çok daha farklı, negatif kütlenin ya da negatif enerjinin var olabileceği bir evren hayal edebiliriz. Böyle bir evrende aynı kutupların birbirini çektiği ve zıt kutupların birbirini ittiği elektromanyetik kuvvetin aksine, kütleçekim kuvvetinde şu durumlar beklenebilir:

• Pozitif kütle/enerji durumları pozitif kütle/ enerji durumlarını çekebilirdi,
• Pozitif kütle/enerji durumları negatif kütle/ enerji durumlarını itebilirdi,
• Negatif kütle/enerji durumları negatif kütle/ enerji durumlarını çekebilirdi,
• Negatif kütle/enerji durumları pozitif kütle/ enerji durumlarını itebilirdi.

Negatif kütle/enerji durumları gerçekliğimizin bir parçası olsaydı, bu durumları çok zekice ve etkili şekillerle manipüle edebilirdik. Negatif durumları bizi kütleçekimi kuvvetinden "koruyacak" şekilde hareket ettirebilir ve serbest düşüşe gerek kalmadan yerçekimsiz ortamları deneyimlemeye olanak sağlayabilirdik.

Jim Campbell

Zeminleri pozitif enerji durumlarından yapılmış uzay araçları tasarlayabilir ve üstlerine çıkabilirdik. Tavanlar negatif enerji durumlarından yapılmış olabilir ve bu da tıpkı bir elektromanyetik kapasitörün kendi içinde her yerde aynı elektrik alanı oluşturduğu gibi her yerde aynı olan bir "yapay yerçekimi" yaratmamızı sağlayabilirdi.

Belki de en önemlisi, yeterince büyük miktarda pozitif ve negatif enerji durumlarını bir "warp alanı" yaratmak için kullanabilirdik:

• Uzay aracının önündeki alanın pozitif olarak kavisli ve daralmış,
• Uzay aracının arkasındaki alanın negatif olarak kavisli ve daralmış,
• Uzay aracının bulunduğu alanın düz olduğu, böylece kütleçekimden kaynaklı gelgit kuvvetlerinin uzay aracını yok etmesinin veya uzay aracına zarar vermesinin önüne geçildiği bir alan yaratılabilirdi.

Bu Alcubierre sürüşünün arkasında yatan büyük fikirdir: Negatif kütle/enerji durumlarının varlığı koşuluna bağlı, gerçekçi bir warp sürüşüne izin veren, genel izafiyet dahilinde o çözümdür. Gerçekçi bir warp sürüşünün gerçekleşmesi için umut edilen şeylerden biri de (Einstein'ın E = mc² denkleminden dolayı pozitif bir kütleye sahip olsa da) antimaddenin negatif kütlesi varmışçasına davranması olasılığıydı. Ancak kütleçekimsel alanda test edildiğinde gerçeğin hiç de böyle olmadığı görüldü ve bu durum "yeni bir fizik" yaratmaya ihtiyaç duymadan gerçekçi bir warp sürüşünü deneyimlemeye duyduğumuz o büyük umudu yok etti.

Trekky0623/Wikimedia Commons

Kütleçekimsel itmenin etkilerini gerçekten gözlemleyebileceğimiz ya da test edebileceğimiz ve yeni bir fizik gerektirmeyen herhangi bir durum var mı? Kütleçekim kuvvetinin pozitif değil de negatif olabildiği, hayal edebileceğimiz ya da yaratabileceğimiz herhangi bir konfigürasyon var mı?

Evet! Boş bir uzayla başlamak yerine devasa, mükemmel bir sıvı gibi bir maddeyle kaplı bir uzay hayal edelim. Bu sıvının içinde iki çeşit parçacık olsun:

1. Yoğunluğu sıvının yoğunluğundan fazla olan bir pozitif kütle parçacığı (örneğin su gibi bir sıvı içinde bir ana parçacık),
2. Yoğunluğu sıvının yoğunluğundan az olan bir negatif kütle parçacığı (örneğin su gibi bir sıvı içinde katı duvarlı bir balon veya geçirimsiz bir aerojel).

Bu koşullar altında neyin kütleçekimsel olarak çeken, neyin iten olduğunu gerçekten gözlemleyebiliriz. Tahmin edeceğiniz gibi şunlar gözlenecektir:

• İki pozitif kütle parçacığı birbirini çekecek,
• İki negatif kütle parçacığı birbirini çekecek,
• Bir pozitif kütle parçacığı bir negatif kütle parçacığını itecektir.

Temel bir "itme" olmayacaktır fakat evrenimizi kütle/enerjiyle doldurur ve belli bir bölgede daha az kütle/enerji bulundurursak, bu bölge negatif kütle/enerji barındırıyormuş gibi davranacaktır.

Caltech/Robert Hurt (IPAC)

Ancak temel seviyede hakkında konuşulacak bir negatif kütle/enerji durumu yoktur. Kozmoloji sabitinin (örneğin karanlık enerjinin etkilerini) ölçülmesiyle anlaşılabileceği gibi, boş uzayın doğasında bulunan toplam enerji miktarı pozitiftir. Küçüktür, evet; ancak sıfırdan büyüktür. Ve bu enerjinin değerini sıfırdan aza (örneğin negatife) indirebilecek, uzaydan kaldırabileceğimiz ya da götürebileceğimiz hiçbir şey yoktur. Elbette bir alanı diğerinden daha az enerjili bir durum yaratmak için manipüle edebilir ve etkili bir şekilde negatif (ortalama kütle/enerji durumuna göre) bir enerji bölgesi oluşturmak için bu olgudan yararlanabiliriz. Fakat bu alan hâlâ kütleçekimsel kuvvetin çeken olduğu bir alandır, yalnızca etrafındaki alanlardan daha az çekim vardır.

Eğer arabanızda bir helyum balonu varsa ve frene basarsanız tüm yolcular öne doğru fırlayacak, ancak balon arkaya gidecektir. Bunun sebebi, balonun Newton'un eylemsizlik yasasını ihlal etmesi değil; arabadaki daha yoğun ve ağır havanın helyum balonunun içindeki daha az yoğun ve daha hafif gazdan daha güçlü bir şekilde hareket etmeye devam etmesidir.

İşte bu, anti-kütleçekimini görebileceğimiz tek durumdur: Ortalamadan daha az bir kütle/enerjiye sahip olan bir cismin kütleçekiminin (daha pozitif bir şeye kıyasla) negatif yüklü gibi davrandığı durum. Negatif kütle ya da enerjinin var olabileceğini gösteren yeni bir fizik keşfedilmediği sürece, anti-kütleçekimi (en azından temel seviyede) sadece matematiksel bir fikir olarak kalacaktır.