Merkezkaç Kuvveti Nedir? Merkezkaç Gibi, Kütleçekimi de Aslında Hayali Bir Kuvvet mi?

Bizler bahçemizdeki ağacın altında otururken süzülen yapraklar, tenimizin herhangi bir noktasında hissettiğimiz sonbahar yağmurları, masadan yere düşen kahve dolu bardak ve daha niceleri, ısrarla bu soruyu saçma bulmamıza yeter; ama yine de soracağız: Kütleçekimi, gerçekte var olmayan bir kuvvet olabilir mi? Ya da sahte bir kuvvet?

Öncelikle olaya, kütleçekimi anlatımlarının vazgeçilmezi olan ''branda'' örneğiyle başlayalım: Siz ve 3 arkadaşınız brandayı gererken, 4. arkadaşınız bu brandanın üzerine demir bir top bıraksın. Bu top, brandayı, bu yazının görselinde olduğu gibi deforme eder. 4. arkadaşımızdan, bu demir topun yanından başka bir küçük top yuvarlamasını istediğimizde, bu küçük top, brandanın eğriliğinden dolayı, büyük demir topa doğru sapar. Esasında kütleçekiminin uzay-zaman üzerindeki etkisi, demir topun branda üzerindeki etkisiyle benzerdir.

Ancak bir sorunumuz var: Uzay-zamanı eğen bir kuvvet mi söz konusu, yoksa cisimlerin uzay-zamanda, bizlerin ''kütleçekimi'' gibi bir olguyu üretmemize sebep olan çeşitli hareketleri, zaten uzay-zamanı eğmelerinin bir sonucu mu? Bambaşka şekilde soracak olursak: Kütleçekimi kuvvetine aslında gerek yok mu? 

Kütleçekimini gözden çıkardığımızda, uzaydaki cisimlerin birbirlerini çekmelerini, uzay-zamanın dokusundaki eğrilik ile, deformasyon ile açıklayabiliriz. Diğer bir deyişle, Dünya ve uzaydaki cisimler uzayın dokusunu deforme edince, cisimler birbirlerini çekiyor izlenimi alınır. Görünürde bir sorun yok gibi. Albert Einstein'ın bu konuda kullandığı ifade ise gayet zarif: 

Tıpkı merkezkaç kuvveti gibi, kütleçekim kuvveti de hayalidir (sanaldır).

Büyük bilim insanının bu sözünden ne anlamalıyız? Ne anlamamız gerektiğini bize, benzetmede kullanılan ilk argüman olan, merkezkaç kuvveti söyleyecek.

Merkezkaç Kuvveti Nedir?

Bunu anlamak için bir virajı almakta olan otomobil, hepimiz için bilindik bir örnek olacaktır. Aşağıdaki videoda, pilotun döktüğü suyun yukarı akması da benzer bir örnektir:

Otomobili sağa doğru yönelttiğimizde, bedenimizin hafifçe sola doğru savrulmasından sorumlu tutulan merkezkaç kuvveti, gerçekte var olan bir kuvvet değildir. Bizim sağa doğru hareket eden araçta sola doğru savrulmamız, biz insanların bu olaya bir açıklama getirmesini gerektirmiştir ve bu savrulmaya sebep olan olgunun adı da peşin olarak konmuştur: merkezkaç kuvveti.

Ancak ortada böyle bir kuvvet yoktur! Araç bir yöne dönüyor diye, bizim üzerimize binen ek bir kuvvet bulunmamaktadır! Bunun yerine olan, eylemsizlik adını verdiğimiz kavramdır. Yani kütle sahibi bir varlığın, dururken sürekli durma, hareket ederken de sürekli hareket etme ''ısrarı'' olarak tanımlanır. Bununla ilgili daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz. İşte bu olgu, bizleri araçta sola doğru savuran sebebin ta kendisidir; "merkezkaç kuvveti" isimli ek bir kuvvetin varlığına ihtiyaç yoktur. Bu kuvvet, sadece konuyu basitçe anlatmak ve aktarmak için uydurulmuş hayali bir kuvvettir.

Yani bu kuvvetin var olmadığını söyleme nedenimiz, eylemsiz bir referans düzleminden bakıldığında böyle bir kuvvetin oluşmuyor olmasıdır; dolayısıyla böyle bir kuvvet gerçek değildir. Uzun lafın kısası, böyle hayali bir kuvvetten bu kadar sık bahsetme nedenimiz, anlatımları ve hesapları fazlasıyla kolaylaştırıyor oluşudur. Bir şey işleri kolaylaştırıp, hem de hata vermiyorsa... Kullanın gitsin!

Kütleçekimi de Hayali Olabilir mi?

Einstein'ın kütleçekimini de bu şekilde yorumlaması, bizlere garip gelebilir. Zira bizler, kütleçekimini sürekli olarak dalga dalga yayılan, graviton dediğimiz özel parçacıklarla taşınan bir kuvvet olduğunu kabul ediyoruz ve deney ve gözlemlerimizi buna göre yapıyoruz (tıpkı ışığın fotonlarla taşınması gibi). Bu noktada, henüz gravitonlara dair bir bulgu elde edemediğimizi de ekleyelim. 

Kütleçekimini, merkezkaç kuvvetiyle aynı statüde değerlendirebiliyoruz. İki nesne arasındaki çekim kuvvetinin, aralarındaki uzaklığın karesi ile orantılı olduğunu da biliyoruz. Bu durumda şu soruyu soralım: Kütleçekimi kuvvetini nasıl sıfırlarız?

Kolay: uzaklığı ''sonsuz'' yaparak. Böylelikle, ''sonsuzun karesi''ne bölünen sonlu büyüklükler söz konusu olacaktır. Sonuç ise 0'ı verecektir. Ancak bir nesne çekim alanına yaklaşırsa, o alandan enerji çalar ve bu enerjiyi hareket enerjisine çevirir. Barajlarda belli bir potansiyel enerjiyle biriken su kütlesi serbest bırakıldığında, çekimsel alandan, kendi hareketi için gerekli enerjiyi sağlar. Söz konusu enerjinin kökeni, çekim alanıdır. 

Aslında çekim alanının enerjisi, bir üst paragrafta değindiğimiz gibi, sıfırdır. "Sıfırdan başlayan" bu söz konusu enerji, kendisine yaklaşan su kütlesinin enerjisinin kaynağı olduğuna göre, geride negatif enerji kalmış olmalıdır. Sonuç olarak, "Çekim kuvveti negatiftir." veya "Çekim kuvvetinde negatif enerji depolanır." diyebiliriz. 

Bu bakımdan, kütleçekiminin hayali bir kuvvet olduğunu söylemek pek mümkün değildir. Kütleçekimi, klasik mekanikte kullandığımız eylemsiz referans düzleminde de gözlenebilen, gerçek bir kuvvettir. Merkezkaç kuvvetinin etkisinin kaybolacağı bir referans düzlemi seçebiliriz; ancak kütleçekimini sıfırlamak mümkün değildir - kuvvete neden olan faktörler bulunduğu müddetçe, her referans düzleminde karşımıza çıkacaktır.

Ancak Genel Görelilik Teorisi'ne geçtiğimizde işler birazcık değişir: Çünkü görelilikte kuvvetler tek bir hat halinde işleyen olgular olarak ele alınmazlar. Daha ziyade, uzay-zaman düzleminin bükülme miktarı işin içine girer (yukarıdaki örneği hatırlayın). Bu durumda, kütleçekimini gerçek bir kuvvet olmaktan çıkarabiliriz.

Yani kütleçekiminin gerçek bir kuvvet olup olmadığı, hangi fiziği kullandığınıza bağlıdır. Zaten hatırlayacak olursanız, Newton kütleçekimini cisimler arasındaki bir hat boyunca etkiyen kuvvet gibi düşünürken, Einstein uzay-zaman düzleminin bükülmesi sonucu cisimlerin davranışı olarak açıklamıştır. İşte aradaki bu yorum farkı, kütleçekiminin doğasını da etkilemektedir.

Kütleçekimsiz Evren Nasıl Olurdu?

Gelin şimdi, hayali de olsa kütleçekimsiz bir evren nasıl olurdu, buna göz atalım. Evrenden kütleçekimini atıyoruz; ancak bir de bakıyoruz ki, iç organlarımız yerli yerinde! Saçlarımız yerlerinden kopmamış. Tabii ki de, bunlar öngörülebilir; zira saçlarımızı derimizde, iç organlarımızı ise bir arada tutan kuvvet, kütleçekimi değildir. Söz konusu olması gereken kuvvet, moleküler bağ kuvvetidir, ki, bu da elektromanyetizmaya dayanır. Evet, kütleçekiminden bahsetmiyor olabilirdik; ancak kestiğimiz elma, yine aynı şekilde kesilecekti; patlamayacaktı. 

En büyük yanılgı, belki de yere basan ayaklarımız konusunda beklenebilir. Ayakkabımızın yere değen kısımlarında bulunan molekülleri yukarı doğru iten şey, yeryüzünün ayağımızla temas eden kısımlarındaki manyetizmadır: dış yörüngelerdeki elektronlar, birbirlerini iterler. Esasında yüksek bir yerden düşüp, acıklı biçimde can veren herhangi bir canlının faili, kütleçekim değildir; bu manyetik kuvvettir.

Peki değişen ne olacaktı? Atomlar parçalanmayacak, moleküller bölünmeyecekti. Evet, Dünya'mızdayız ve kütleçekimi artık yok. Güneş yavaş yavaş genişliyor. İki büyük aktör, hidrojen ve helyum uzaya dağılıyor ve Güneş'imiz büyüyerek sönmeye başlıyor. Dünya'mıza bakıyoruz; bastığımız yerdeki moleküller, yine birbirlerine moleküler bağlarla bağlıdır ve pek bir değişim gözlenemez. Ancak unutmamamız gereken biri var: atmosferimiz. Uzaya kaçıyor. Artık onu tutan bir kuvvet yok; dolayısıyla serbest kaldı ve dağıldı. Bu, bizim için sıkıntılı günlerin başlaması demek olur; zira soluduğumuz hava da yavaş yavaş uzaya dağılacaktır.

Patlamayacağız, etrafı kan götürmeyecek, ancak bir süre sonra, iki ayağımızı yerden kaldırdığımızda uzaya gidebilecek kadar ''şanslı'' olabileceğiz. Şu durumda yeryüzüne sarılmak veya kendimizi bir yerlere bağlamak, en iyisi gibi görünüyor.