Kütleçekimi Nedir? Cisimler, Birbirlerini Nasıl Çekiyor?

Evrenin temel kuvvetlerinden yalnızca biri, bilinçli tecrübelerimizin her anına hükmeder: kütleçekim. Kütleçekimi (ya da Dünya özelinde konuşacaksak, yer çekimi), bizi yere yakın tutar, futbol ve basketbol toplarını kendine doğru çeker ve kaslarımıza mücadele edilecek bir kuvvet yaratır. Kozmik olarak, kütleçekimi bir sonuçtur. Hidrojen bulutlarını çarpıştırarak yıldızlar oluşturmaktan, galaksileri birleştirmeye kütleçekim kuvveti, evrenin evriminin sağlam tuval darbelerini temsil eden birkaç oyuncudan sadece biri.

Bazı yönlerden, kütleçekim kuvvetinin hikâyesi aynı zamanda fiziğin de hikâyesidir. Fiziğin en büyük isimlerinden bazıları, bu kuvvetin hayatlarına nasıl hükmettiğini açıklayarak şöhret sahibi oldular. Ama çalışmalardan 400 yıl sonra bile, bu esrarengiz kuvvet hâlâ disiplinlerin kalbinde yatan en büyük gizemlerden biri.

Evrensel Bir Kuvvet Olarak Kütleçekimi

Kuvvetler, bir nesneyi diğerine çeken veya başka bir nesneden iten şeylerdir. Bugün bilim insanları, dört temel kuvvet bilmektedir: Güçlü kuvvet ve zayıf kuvvet sadece atomların merkezinde etki gösteriyor. Elektromanyetik kuvvet, aşırı yüklü nesneleri yönetir (elektronlar, protonlar ve bir halı üzerinde hareket eden çoraplar gibi) ve kütleçekimi, kütleli olan cisimleri yönetir.

İlk üç kuvvet, son yüzyıllarda büyük oranda insanlığın dikkatinden kaçtılar; ama insanlar, çok uzun bir zamandır yağmur damlalarından top güllelerine kadar her şeye etki eden kütleçekimi ile ilgili bolca spekülasyon yaptılar. Antik Yunan ve Hint filozoflar, nesnelerin doğal bir şekilde yere doğru hareket ettiğini gözlemlediler; ancak kütleçekimini nesnelerin anlaşılmaz bir yönelim olmanın ötesine geçirip, ölçülebilir ve tahmin edilebilir bir olgu haline getirmek için, Isaac Newton'u beklememiz gerekti.

Newton'un 1687'de yayınlanan Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica adlı tezi, kum tanesinden en büyük yıldızlara kadar evrendeki her nesnenin, diğer bütün nesneleri çektiğini anlatmak üzerine yazılmıştı. Bu kavram tamamen alakasız gibi görünen olayları birleştirdi: Elmanın Dünya'ya düşüşünden (yaygın hikayenin aksine Newton'un kafasına bir elma düşmedi ve bu olay keşfine ilham vermedi; ama gerçekten de Newton, bir elma ağacının yanında çalışıyordu), Güneş'in yörüngesinde dönen gezegenlere...

Ayrıca kuralların cazibesine, sayıları da ekledi: Bir nesnenin kütlesini iki katına çıkarmak, nesnenin çekme kuvvetini iki katına çıkarıyordu; ama iki nesneyi birbirine iki kat yakın hâle getirmek, onların arasındaki çekim kuvvetini dört katına çıkarıyordu. Newton, bu fikirlerini kendi evrensel çekim yasaları altında topladı.

Uzayın Geometrisi Olarak Kütleçekimi

Newton'un kütleçekimi için olan tanımı, 1800'lerde, henüz kimse onu görmemişken, bugün Neptün ismini verdiğimiz gezegenin var olması gerektiğini öngörebilmeyi sağlayacak düzeyde doğruydu; ama Newton'un yasası, mükemmel değildi.

1800'lerde, astronomlar Merkür'ün izlediği elips yörüngenin, Newton'un teorisinin tahmin ettiğinden daha hızlı hareket ettiğini fark ettiler. Bu da onun yasası ile doğa yasaları arasında küçük bir uyuşmazlık olduğunu gösteriyor. Bu yapboz, sonunda Albert Einstein'ın 1915'te yayınlanan Genel Görelilik Teorisi'yle çözüldü.

Einstein çığır açan teorisini yayınlamadan önce fizikçiler, bir gezegenin kütleçekim kuvvetini nasıl hesaplayacaklarını biliyorlardı; ancak kütleçekiminin neden bu şekilde davrandığına dair anlayışları, eski filozofların anlayışlarının ötesine geçememişti. Einstein öncesinde bilim insanları, Newton'un öne sürdüğü gibi, tüm nesnelerin diğerlerini anlık ve sonsuz derecede geniş kapsamlı bir kuvvetle çektiğini kabul etmek zorundalardı; ancak bu pek makul değildi ve pek çok Einstein dönemi fizikçisi, bunu bırakmaktan memnundu. Ancak Einstein, Özel Görelilik Kuramı üzerinde çalışırken şunu fark etti: Hiçbir şey anında hareket edemezdi ve kütleçekimi kuvveti de istisna değildi.

Yüzyıllar boyunca fizikçiler, uzayı, olayların meydana geldiği "boş bir mekân" olarak düşünüyorlardı. Mutlaktı, değişmiyordu ve fiziksel anlamda gerçek var değildi. Genel görelilik, uzay ve zamanı, statik bir arka plan yapısı olmaktan çıkarıp, bir oda içerisindeki havaya benzer bir konuma yükseltti. Einstein, uzay ve zamanın bir bütün olarak evrenin dokusunu oluşturduğunu ve bu "uzay-zaman" malzemesinin uzayabilir, sıkışabilir, bükülebilir ve dönebilir olduğunu ve tüm bunları yaparken, üzerindeki diğer bütün cisimleri de beraberinde sürüklediğini düşündü.

Einstein, kütleçekimi olarak hissettiğimiz kuvveti oluşturan şeyin, uzay-zamanın şekli olduğunu ileri sürdü. Dünya veya Güneş gibi bir kütle (veya enerji) yoğunluğu, bir kayanın nehrin akışını bükmesi gibi etrafındaki alanı (uzayı) büker. Diğer nesneler, yakınlarda hareket ettiklerinde, uzayın eğriliğini takip ederler. Bu metafor mükemmel değil, çünkü en azından Güneş'in yörüngesindeki gezegenler söz konusu olduğunda, uzay-zaman "akmıyor". Gezegenlerin yörüngede döndüğünü ve elmaların düştüğünü görüyoruz çünkü evrenin çarpık şeklinden dolayı oluşmuş yolları takip ediyorlar. Günlük durumlarda, bu yörüngeler Newton Yasası'nın öngördüğü kuvvetle büyük oranda birebir aynıdır.

Uzay-zamanın nasıl büküldüğünü gösteren formülleri içeren, Einstein'ın genel göreliliğe yönelik alan denklemleri, Merkür'ün yörüngesindeki tutarsızlıkları ve 1919 Güneş tutulması sırasında, Güneş'in arkasında kalan ve uzak yıldızlardan gelen ışığın büküleceği öngörüsü haklı çıkınca, kabul gördü.

Bir Keşif Aracı Olarak Kütleçekimi

Kütleçekiminin modern tanımı, kütlelerin birbirleri ile nasıl etkileşime girdiğini o kadar doğru bir şekilde tahmin ediyor ki, artık kozmik keşifler için bir rehber hâline geldi.

Amerikalı gökbilimciler Vera Rubin ve Kent Ford, 1960'larda tıpkı bir köpeğin su damlacıklarını sallaması gibi, galaksilerin de yıldızları döndürmeye yetecek kadar hızlı döndüklerini fark ettiler. Ancak inceledikleri galaksiler birbirlerinden ayrılmadıkları için, bir şeyler birbirinden kopmamalarına yardımcı oluyor gibi görünüyordu. Rubin ve Ford'un kapsamlı gözlemleri, İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky'nin 1930'larda öne sürdüğü, bazı görünmez kütlelerin yakınlarda bir kümedeki galaksileri hızlandırdığına dair daha önceki teorisini destekleyen güçlü kanıtlar sağladı. Çoğu fizikçi şimdi gizemli karanlık maddeden şüpheleniyor. Çünkü karanlık madde, galaksileri ve galaksi kümelerini bir arada tutmaya yetecek kadar uzayı büküyor. Ancak diğer fizikçiler, kütleçekiminin galaksi çapında ölçeklerde daha kuvvetli çekip çekemeyeceğini merak ediyor; bu durumda hem Newton'un hem de Einstein'ın denklemlerinin ayarlanması gerekiyor.

Son zamanlarda araştırmacılar, teorinin en ince tahminlerinden birisi olan kütleçekim dalgalarının, yani uzayda ivmelenen cisimlerin neden olduğu uzay-zaman çalkalanmaları tespit etmeye başladıkları için, genel göreliliğe ince ayar yapacakların çok dikkatli olması gerekiyor: 2016'dan bu yana, Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa'da üç detektörü çalıştıran bir araştırma iş birliği, Dünya'dan geçen çok sayıda kütleçekim dalgasını ölçtü. Araştırmacıların uzaktaki kara delikleri ve nötron yıldızlarını incelemelerini sağlayan, yeni bir astronomi çağını başladı. Bu detektörler, bu gök cisimlerinin yaydıkları ışığa değil, bu cisimler çarpıştıklarında uzayın dokusunu nasıl kırıştırdıklarına bakacaklar.

Yine de genel göreliliğin deneysel başarıları, birçok fizikçinin ölümcül bir teorik başarısızlık olarak gördüğü şeyi gözden kaçırıyor: Görelilik, klasik bir uzay-zaman tanımlıuyor; ancak evren, nihayetinde kuantum bir yapıya sahip gibi gözüküyor; yani kuarklar ve elektronlar gibi parçacıklardan (ya da "kuanta"dan) oluşuyor gibi gözüküyor.

Uzayın (ve kütleçekimöinin) tek bir pürüzsüz doku olduğuna yönelik klasik yaklaşım, evrenin çok sayıda ufak ve keskin parçacıktan oluştuğunu söyleyen kuantum resimle çelişmektedir. Evren'deki bütün parçacıkları ve diğer üç temel kuvveti (elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvet) kapsayan Parçacık Fiziğinin Standart Model'ini, uzay ve kütleçekimini parçacık seviyesinde kapsayacak şekilde nasıl genişletebileceğimizi henüz bilmiyoruz. Bu, modern fiziğin en derin gizemlerinden biri olmayı sürdürüyor.

Kütleçekiminin gerçek bir kuvvet olup olmadığıyla ilgili daha fazla bilgiyi buradan alabilirsiniz.