Fotonların Kırmızıya Kayması Enerji Korunumu Yasasını İhlal Ediyor mu?

Oyuncak bir evrenin nihai bir versiyonunu hayal edin: Genişleyen, içi madde dolu ve tüm bunların içinde takip ettiğimiz ve diğer parçacıklarla etkileşimini engellediğimiz tek bir foton (veya bir "ışık tutamı") var. Herhangi bir zamanda bu foton, bir elektromanyetik radyasyon kuantumunun (enerjinin ölçülebilen en küçük birimi) sahip olmasını beklediğiniz tüm özelliklerine sahiptir: Bir yayılma yönü, manyetik ve elektrik alanları için bir polarizasyonu ve ne kadar enerjiye sahip olduğunu belirten bir dalga boyu vardır.

Forbes

Fotonlar, genişleyen bir evrende yol aldıkça, bu genişleme, fotonların dalga boylarını büyütmeye başlar. Daha büyük dalga boyu, enerjinin azaldığına işaret eder; enerjinin azalması ise ya enerjinin korunmadığı ya da enerjinin bir yere gittiği anlamına gelir. İki türlü de bu, devasa bir kozmik muammadır.

Forbes

Kütle ve Enerjinin Korunumu

Bugüne kadar enerjiyle ilgili öğrendiğimiz tek bir şey varsa, bu da onun yoktan var edilemeyeceği veya vardan yok edilemeyeceğidir. Ateş yakmak için odunu tutuşturduğunuzda enerji yarattığınızı düşünebilirsiniz, ama gerçekte olan şey çok daha inceliklidir:

• Moleküler bağlar daha az kararlı durumdan (odun ve oksijen) daha kararlı bir duruma geçer (kül ve su buharı) ve bu süreç esnasında enerji açığa çıkar.
• Eğer çıkan enerjiyi ölçüp, Einstein'ın meşhur formülünü kullansaydınız ($E=m{c}^2$), tepkime sonunda çıkan ürün ve tepkimeye giren moleküller arasında çok küçük bir kütle farkı olduğunu görecektiniz.
• Gerçekte, kütle de dahil her formunda enerji, tepkimenin her basamağında değişmeden kalır.

Forbes

Bu kütle farkı, Güneş’in içinde gerçekleşen nükleer reaksiyonlar gibi durumlarda daha da barizdir. Hatta Güneş'in oluştuğu gün ile bu günkü kütlesine bakacak olsaydınız, enerji yaydığı bu 4.5 milyar yıllık süre içinde, yaklaşık Satürn kadarlık bir kütle kaybettiğini görürdünüz.

Bildiğimiz enerjinin korunduğu bütün reaksiyonlar içinde, işin zor kısmı, başlangıçtaki ve sondaki enerji kaynaklarının nerede olduğunu takip etmektir. Bir fizikçiye göre bu sadece bir hesap problemidir; ancak öylesine önemli bir problemdir ki bazı bozunumlarda (beta bozunumları) enerjinin korunmadığı görülünce, enerji korunumunu sağlamak için yeni bir parçacık önerilmiştir: nötrino! Pauli'nin nötrino fikrini önermesiyle bu parçacığın tespit edilmesi arasında 26 yıl geçmiş olsa da bu, enerji korunumunun öngörü gücüne bir kanıt niteliğindedir.

Forbes

Genişleyen Bir Evren'de Kütle ve Enerji Korunur mu?

Ancak bazen, karşılığında hiçbir şey enerji (veya kütle) kazanmıyor olmasına rağmen bir şeylerin kütle ve enerji kaybediyor gibi göründüğü durumlar vardır. Genişleyen Evren'de olan da tam olarak budur.

Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi'yle birlikte gelen yeni şeylerden biri de uzayın, her şeyin bulunduğu sabit bir koordinat sistemi olmadığı, daha ziyade değişebilir bir yapıda olduğu gerçeğidir. Evren, içinde bulunan enerji ve maddelerin miktar ve konumlarına göre kıvrılabilir ve kıvrılmak da zorundadır; dolayısıyla Evren'in dokusu, genişleyip daralmaya elverişlidir.

İşin can alıcı noktası ise, herhangi bir fotonun (veya ışık parçacığının) tam da dalga boyuyla tanımlanan bir enerjiye sahip olmasıdır. Yani eğer Evren genişlerken Evren'in dokusu geriliyorsa veya Evren daralırken aynı doku büzüşüyorsa, o ışığın dalga boyu, dolayısıyla enerjisi de değişmelidir.

Forbes

Bu durum, sizin de canınızı sıkmalı! Sonuçta Evren'de gerçekleşen tüm fiziksel süreçlerde enerjinin korunması gerekiyor. Genel Görelilik enerji korunumuna aykırı bir durum mu açığa çıkarıyor? Bu sorunun cevabı, korkutucu bir şekilde, evet.

Geniş ölçekte baktığımızda, Evren'de enerjinin korunmaması oldukça olasıdır. Genel Görelilik'in kusursuz ve titizlikle tanımladığı çok sayıda nicelik var; ancak enerji, bunlardan biri değil. Eğer genişleyen bir evren varsa, bu evren zaman içinde değişir ve eğer evreniniz zaman ötelenmelerine karşı değişmez değilse, o halde enerjinin korunumunu zorunlu kılan bir kural da olamaz.

Diğer bir deyişle, Einstein'ın denklemlerinde enerji korunmak zorundadır diye bir kural yok, hatta enerji genişleyen bir evrende tanımlı bile değil!

Fakat bu, enerjiye bir tanım bulamayacağımız anlamına gelmiyor; sadece daha dikkatli olmamız gerektiğini söylüyor.

Enerjiyi Nasıl Tanımlarız?

Güzel bir analoji olarak gazdan yola çıkabiliriz. Eğer gaza enerji (ısı) verirseniz ne olur? Gazın içindeki moleküller enerji kazandıkça daha hızlı hareket etmeye başlar, yani süratlerini arttırırlar ve daha hızlı bir şekilde daha geniş alan kaplamak için yayılırlar.

Ama peki ya kapalı bir kabın içindeki gazı ısıtırsanız ne olur?

Forbes

Evet moleküller ısınır, daha hızlı hareket ederler ve daha çok yayılmaya çalışırlar, ancak bu durumda çoğunlukla kabın duvarlarına çarparak ekstradan pozitif bir basınç oluştururlar. Kabın duvarları dışarıya doğru itilmiş olur, bu da enerjiye mal olur. Bu enerji de, iş yapan moleküllerden gelmelidir.

Bu genişleyen Evren'de olan duruma çok benzer bir olaydır. Fotonların dalga boylarından dolayı sahip oldukları enerjileri vardır ve evren genişledikçe, fotonların dalga boyları da esner. Tabii fotonlar enerji kaybeder, ancak Evren’in üzerinde de, içindeki her şey tarafından ve dışarıya doğru pozitif bir basınç şeklinde iş yapılmış olur!

Tam anlamıyla söylemek gerekirse, daha önce de bahsettiğimiz gibi, Genel Görelilik'te enerji, Evren için tanımlanmamıştır. Ama eğer Evren'in dokusunu alıp, onun büzüşmesini sağlasaydık, içindeki fotonlara ne olurdu? Büzüşen (küçülen) bir Evren, fotonlar üzerinde iş yapardı (tam tersi olması yerine) ve bu da fotonların enerji kazanmasını sağlardı.

Peki ne kadar enerji kazanırlardı? Tam olarak Evren'in genişlemesiyle kaybettikleri enerji kadar!

Forbes

Sonuç

Yani evet, Evren genişledikçe fotonlar enerji kaybeder. Ancak bu enerjinin korunmadığını göstermez; bu sadece, enerjinin Evren'in genişlemesinde iş formunda kullanıldığını belirtir. Ve eğer Evren genişlemeyi tersine döndürüp daralmaya başlarsa, yapılan iş de tersine dönerek fotonlara gidecektir.

Kuantum Kütleçekimi gibi daha kapsamlı bir teoride enerjinin daha katı bir tanımının ortaya çıkması muhtemel, bu sayede de enerjinin gerçekten korunup korunmadığını anlayabileceğiz. Ama katı bir tanımın yokluğunda yapabileceğimiz tek şey elimizde olan bilgileri ve araçları kullanarak çalışmak. Evet fotonlar enerji kaybeder; ama bu enerji sonsuza dek yok olmaz, enerji kaybı (veya kazancı) tam olarak genişleyen (veya daralan) Evren'inkine karşılık gelir.