Karadelikler ve Bilgi Paradoksu: Kara Delikler, Enerjinin Korunumu Yasası'nı İhlal Ediyor Olabilir mi?

Diyelim ki oyuncak bir kamyonunuz var ve sorunlu bir çocukluk geçirdiğiniz için bir balyoz kullanarak kamyonu bir vuruşta paramparça ettiniz. Balyozu kaldırdığınızda, yüzlerce ufak parçaya ayrılmış olsa da, vurmadan öncesiyle aynı kütlede kamyon parçalarınız olur, değil mi? Peki ya şunu söylesek: Balyozu kaldırdınız ve parçaların bazılarının ortadan tamamen yok olduğunu gördünüz...

Bunun doğru olamayacağını düşünüyorsunuz, çünkü okullarınızda kütlenin yaratılamayacağını ve yok edilemeyeceğini öğrenip durdunuz. Örneğin meşhur Terminatör 2 filmindeki başrolde bulunan T-1000 robotu, filmin sonunda lavlara girdiğinde aslında yok olmuyordu, sadece lav onu atomlarına kadar ayrıştırıyordu. Benzer bir şey, bir göktaşı bir kara delik tarafından yutulduğunda da olur. Her ne kadar bir kara deliğin içini görmesek de, kütlenin yok olamayacağını varsayarak gök taşının atomlarına kadar ayrıştığını, dolayısıyla kara deliğin kütlesinin de 1 gök taşı kadar arttığını söyleriz.

Şimdiye kadar söylediklerimiz ne kadar da mantıklı geliyor, değil mi? Ancak kara delikleri incelediğimizde, bu mantık silsilesini altüst eden bir durumla karşılaşıyoruz. Kara delikler, yuttukları onca şeyle birlikte "buharlaşıp" yok oluyorlar ve o kadar kütlenin nereye gittiğine dair hiçbir fikrimiz yok.

Kara Delikleri ve Olay Ufkunu Anlamak

Kara delikler, 1950-60’lı yıllardan beri üzerinde çalışılan ve fizikçiler başta olmak üzere birçok bilim insanının dikkatini çekmiş yapılardır. Bildiğimiz üzere bu yapılar, ölen devasa yıldızların, sonsuz yoğunluktaki bir noktaya çökmesiyle oluşur. Bu noktaya tekillik denir ve dev yıldızlar bu küçücük noktaya sıkıştırılır. Çöken devasa yıldızların tekillikte sıkıştırılacağını ileri süren kuramı, Roger Penrose, 1965 yılında matematiksel olarak ispatlamıştır. Tekillik, uzay-zamanın artık var olmadığı ve klasik fiziğin genel görelilik kuramının da artık geçerli olmadığı noktadır.

Stephen Hawking, 1970’li yıllardan beri kara delikler üzerinde (özellikle tekillikler konusunda) yaptığı çalışmalarıyla ünlenmişti. 1974’te, kara deliklerin aslında ‘’tamamen kara’’ olmadıklarını ve kütlelerine bağlı sıcaklıkta radyasyon yaydıklarını ileri sürmüştü. Bunu nasıl açıklayabiliriz?

Gözünüzün önüne bir kara delik getirin. Kara deliğin olay ufku, ışığın kaçamayacağı bir nokta olsun. Bunu bir örnekle şöyle açıklayabiliriz: büyük bir şelalede kayıktasınız ve kürek çekiyorsunuz. Şelalenin sonuna yaklaştıkça, akıntı sizi gittikçe daha büyük bir etkiyle aşağıya doğru çekiyor. Eğer yeterince hızlı kürek çekmeyi başarırsanız, buradan kurtulabilirsiniz. Şelalenin belirli bir noktasına vardığınızda ise, hızlı kürek çekmek de artık sizi kurtaramaz. İşte kara deliklerde bu nokta olay ufku olarak adlandırılır. Bu noktadan sonra kara delik, etrafındaki cisimleri ve ışığı, ışık hızından daha hızlı çeker ve böylece hiçbir şey bundan kurtulamaz.

Bir kara deliğin en temel özelliği “artık geriye dönüşün mümkün olmadığı noktası” veya daha teknik bir dille ifade edersek, onun “olay ufku”dur. Herhangi bir şey (ki bu bir yıldız veya bir parçacık olabileceği gibi, çılgın bir insan da olabilir!) olay ufkunu geçerse, kara deliğin o muazzam kütleçekimi onu o kadar büyük bir kuvvetle içine çeker ki artık kaçış mümkün olmaz. Diğer bir deyişle, o nesneye veya kişiye dair geriye en ufak bir bilgi kırıntısı dahi kalmaz. En azından, bu, hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceğini söyleyen genel göreliliğe dayalı geleneksel kara delik modellerinde böyle. 

Hawking Işıması

Hawking radyasyonu veya ışınımına sebep olan şey, olay ufkunun etrafında gerçekleşen kuantum olayları. Kuantum teorisine göre, uzaydaki vakum ortamlarda sanal parçacıklar olarak adlandırılan yapılar bulunur. Bunlar, atom altı bir parçacık ve onun anti-parçacığından meydana gelir. Anti-parçacıklar diğer parçacıklarla aynı kütleye, farklı elektrik yüklerine sahiptirler. Normalde, bir çift sanal parçacık oluştuğu zaman, birbirlerini hemen yok ederler.

Bir kara deliğin yakınında ise durum farklıdır: kara deliğin güçlü kütleçekimi bu parçacıklardan birini kendine doğru çeker, diğer parçacık ise "kurtulur". Uzay boşluğunda olan parçacık pozitifken, kara delik tarafından çekilen parçacığın negatif yükü vardır; bu ise kara deliğin kütlesinin ve enerjisinin gittikçe azalmasına neden olur. Evrendeki devasa kara deliklerin trilyonlarca yıl yaşayabileceği tahmin edilse de, içine yeterince negatif parçacık çektikten sonra buharlaşacakları ve kütlelerini tamamen kaybedecekleri biliniyor. Kara delikten kaçabilen pozitif parçacıklar ise ‘’Hawking radyasyonu’’ olarak adlandırılıyor. Bu radyasyon o kadar zayıf ki, uzayda gözlemlenmesi imkansız; bu yüzden bilim insanları bu konu üzerinde çalışmalarını laboratuvar ortamında yürütmüşerdi ve 2018-2019 yıllarında yapılan deneyler, Hawking’in bu konudaki tahminlerini doğrulamıştı.

Yerel BT

Ancak bir sorun var: Hawking radyasyonu sahiden geçerliyse, bu, kara deliklerin ‘’fiziksel verilerinin’’ yani kara deliğin içine çekilmiş parçacıkların yapı ve özelliklerinin, evrende tamamen kaybolacağı anlamına geliyor. Oysa bu olay, evrende bir bilginin kaybolamayacağını savunan fizik yasalarına aykırı.

Başta Stanford Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Leonard Susskind olmak üzere birçok bilim insanı yıllardır bu konuya dikkat çekmiş olsa da, Hawking 30 yıl boyunca görüşünü savunmaya devam etmişti; 2004 yılında ise, Leonard Susskind ile arasında geçen ‘’kara delik savaşında’’ tıpkı başarılı bir bilim insanından beklendiği gibi hatalı olduğunu kabul etmişti. Leonard Susskind, bilginin korunmasının ne kadar önemli olduğunun altını çizmek için buna ‘’fiziğin eksi birinci kuralı’’ demişti; çünkü dediğine göre her şeyden önce gelen bir ilkeydi.

Peki bu kural nasıl çalışır? Bir bakalım.

Kara Delikler ve Bilgi Paradoksu

Diyelim ki, beğenmediğiniz bir fotoğrafınız var ve ondan kurtulmak istiyorsunuz. Onu ateşin içine atarak yok edebilirsiniz. Ne o şimdi de ağlayıp fotoğrafı yok ettiğinize pişman mı oldunuz? Hiç üzülmeyin çünkü kuantum teorisi size bir şekilde bilginin tekrar bir araya getirilmesinin mümkün olduğunu söylüyor. Şayet fotoğrafınızdan sonsuza dek kurtulmak istiyorsanız, tek yapmanız gereken onu bir kara deliğin içine atmaktır!

Acaba öyle mi?

İşte tam da bu noktada karşımıza “Bilgi Paradoksu” çıkıyor. Çünkü “Enerjinin Korunumu” yasasına göre, enerji ne yok olur ne de yoktan var edilir; sadece enerjinin türü değişebilir. 

Şimdi, kara deliğin içine giren bilginin gerçekten kaybolmamış olduğunu, belki de bir yerlerde kapalı kaldığını veya erişimimize kapalı olduğu söyleyeceksiniz. Fizikçiler de aynen böyle düşünüyordu! Ta ki 1975’te Stephen Hawking, kara deliklerin aslında tam anlamıyla “kara” olmadığını ve dönerek düzensiz radyasyon (ışınım) yaydığını söyleyene kadar.

Hawking, olay ufkunda yaratılan parçacık ve karşıt parçacık çiftlerinin ayrılabileceğini, bir parçacığın kara deliğin içine girerken diğerinin dışarıya kaçacağını ve böylelikle ışınım yayabileceğini gösterdi. Bu ışınım sayesinde, bir kara deliğin kazandığından daha hızlı kütle kaybederek, en sonunda patlayıp her şeyiyle beraber yok olacağını öne sürdü. Hawking’e göre, Tanrı sadece zar atmakla kalmıyor, bazen onları göremeyeceğimiz yerlere sallıyordu. Ancak, Hawking’in bu teorisi, hiçbir şeyin, bilginin bile, asla kaybolamayacağını söyleyen kuantum teorisiyle çelişiyordu. 

Paradoksun Olası Çözümleri

Şu ana kadar, bu paradoksu çözebileceğini söyleyen pek çok iddia ortaya atılageldi. Bunlara bir bakış atalım.

Holografik Prensip (Holografi İlkesi)

Bunlardan biri, ilkin Gerard ‘t Hooft tarafından ortaya atılan, daha sonra Leonard Susskind tarafından sicim teorisi yorumuyla son şekli verilen “Holografik Prensip”. Bu ilkeye göre, kara deliğe düşen her cismin verileri aslında kara deliğin olay ufku denilen yerinde kalıp, burada korunuyor. Böylece, cisimlerin üç boyutlu hallerinin verileri, olay ufkunda "kodlanmış" oluyor. Bu da bir nevi holograma benziyor.

Gerard’t Hooft, Leonard Susskind ve Charles Thorn tarafından geliştirilmiş bu kuram, Susskind ve Hawking gibi iki değerli fizikçinin arasında geçen bu bilimsel çekişmeye bir son vermiştir; Hawking, sonradan bu fikre olumlu yaklaşmıştır.

Medium

Holografi İlkesi, yalnızca kara delikler için geçerli değildir. Evrenin tamamında, -biz de dahil olmak üzere- üç boyutlu cisimlerin aslında iki boyutlu verilerin ‘’hologramı’’ olabileceğini gösterir. Bu ilkeye göre, herhangi bir yüzeyin yakınındaki alanda, maksimum miktarda bilgi mevcuttur. Buna göre bir odanın içindeki bilgi odanın hacmine değil, alanına bağlıdır. Henüz matematiksel olarak ispatlanmamış olan bu ilke, kara deliklerin bilgiyi nasıl koruduğu hakkında önemli ve ilginç bir fikir sunmuştur.

Belki de yaşadığımız evren, sahiden de iki boyutlu yüzeylerdeki veriler tarafından oluşturulan üç boyutlu hologramlardan ibarettir. Bu konuda daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

Kara Delik Tamamlayıcılığı İlkesi

Getirilen diğer bir çözüm ise “kara delik tamamlayıcılığı” iddiası. Bu fikir, kara deliğe düşen bir parçacığın (bu parçacığa Bob diyelim) ve bunu uzaktan gözleyen bir parçacığın (Alice) tamamıyla farklı şeyler görmesine dayanıyor. Dışarıdaki parçacık yani Alice, olay ufkunda donup kalmış olan Bob’u görüyor ve onun aslında kara deliğe düştüğünü, yani olay ufkundaki son halini, biliyor. Ne var ki, Bob’un kara deliğin içindeki halini gösteren bilgiye ise sahip değil. 

Paradokslarımızı Bitti mi Sandınız?

Şimdi de şöyle bir durumu hayal edin: dolanık olan ikinci parçacık da birkaç saniye sonra tıpkı ikizi gibi kara deliğe düşüyor. Böyle bir durumda, hem Hawking Işınımı olarak bize kendi bilgisini gösterecek hem de olay ufku üzerinden, kara deliğe düşen ve dolanık olduğu ikizinin içerideki bilgisini “yansıtacak”. Bu da aynı parçacığa ait “iki farklı bilgiye” sahip olmamız yani iki adet dolanıklığa sahip olmamız demek. Fizikçilere göre bu bir paradoks. İşte bu sorunu çözmek adına, fizikçiler, kara deliğin içindeki ve dışındaki dolanıklığı bozmak için, adına “ateş duvarı” (firewall) dedikleri, olay ufkunda bir tür enerji alanı olduğu fikrini ortaya attılar. Şayet ateş duvarı fikri doğruysa, bu durumda, fiziğin üç temel direğinden biri yanlış demektir: 

1. Bilginin kaybolamayacağı ilkesi. 
2. İvmeli hareket ile kütle çekiminin birbirinden ayırt edilemeyeceğini söyleyen Einstein’ın Eşdeğerlik İlkesi. 
3. Kuantum Alan Teorisi. 

Görüldüğü gibi, bunlardan bir tanesinin yanlış olabileceğini düşünmek bile fizikçilerin aklını kaçırmaya yetebilir!

Sakin Olun, Paradoksa Gerek Yok!

Yakın zamanda yapılmış bir araştırmada, fizikçiler Ahmed Farag Ali, Mir Faizal ve Barun Majunder, "Gökkuşağı Kütleçekimi Teorisi" olarak adlandırılan Einstein’ın kütleçekim kuramının yeni bir genellemesine dayanarak, olay ufkunun konumunu net bir şekilde belirlemenin mümkün olmadığını gösterdiler. Şayet olay ufku belirlenemiyor ise, bilgi kaybından bahsetmenin bir anlamının olmadığını, Ahmed Faraq Ali şu sözlerle açıklıyor:

Gökkuşağı Kütleçekimi Teorisi'nde uzay, belli bir asgari uzunluğun altında var ol(a)maz. Keza, zaman da belli bir asgari zaman aralığının altında var ol(a)maz. Bu sebeple, uzayda var olan ve herhangi bir zamanda meydana gelen tüm nesneler, o belli uzunluğun ve zaman aralığının altında var ol(a)mazlar (ki bu belli uzunluk ve zaman aralığı Planck ölçeği ile alakalıdır). Olay ufku, uzay-zamanda bir yer olduğu için, belli bir ölçeğin (Planck ölçeğinin) altında var olamaz… Efektif bir ufkun yokluğunda, kara deliklerden dışarı bilginin sızmasını önleyecek hiçbir şey yok… Bu durumda, bilgi kaybından bahsetmek de anlamsızdır.

Öyle görünüyor ki, bir karadeliğin içine bile atsak, beğenmediğimiz fotoğraflardan kurtulmak imkansız gibi. Kim bilir, bu duruma bizlerden ziyade, fizikçiler daha çok seviniyordur!