Kuantum Yoğunlaşmalarla Kütleçekimsel Dalgaların Simülasyonu Oluşturuluyor!

Kütleçekimsel dalgalar, kaynağından ışık hızında çıkan ve kütle çekimsel hareketler sonucunda kütle çekim alanında meydana gelen geçici değişiklikler olarak tanımlanmaktadır. Einstein'dan önce ilk kez 1893'te Oliver Heaviside ve ardından 1905'te Henri Poincaré tarafından elektromanyetik dalgalara benzer yapılar oldukları öne sürülmüştür. Kütleçekimsel dalgalar, yerçekimi radyasyonu olarak bilinen ve elektromanyetik radyasyona benzeyen bir enerji taşımaktadırlar.

Kütleçekimsel dalgaların varlığına dair ilk öngörüler Hulse-Taylor ikili pulsar sisteminde gözlemlenen yörüngesel bozunma ile yapılmıştır. Bu bozunmanın enerji kaybını yerçekimi radyasyonu vasıtasıyla gerçekleştirdiğini göstermesi bakımından Genel Görelilik Teorisi ile uyumlu olduğu anlaşılmıştır. Söz konusu olgunun varlığının anlaşılmasından sonra tam olarak tespit edilmesi ise 2015 yılında gerçekleşmiştir. Bu tespiti gerçekleştiren alet kütleçekimsel dalgaları tespit etmek için lazer ışınlarını kullanan Lazer İnterferometre Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi (İngilizce: "Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory") olmuştur.

Geçtiğimiz günlerdeyse Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST), Tohoku Üniversitesi ve Tokyo Üniversitesi'nden araştırmacılar, soğuk atomların kuantum yoğunlaşmasını kullanarak laboratuvar ortamında kütleçekimsel dalgaların simülasyonunun yapılabileceğini fark ettiler. Araştırmacılar bu konuda elde ettikleri bulguları Physical Review B dergisinde yayımladılar. Çalışmanın kıdemli yazarı ve birim başkanı Profesör Nic Shannon konu hakkında şunları söylüyor:

Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi, uzay ve zaman hakkında düşünme şeklimizi değiştirdi. Bu teori bize, uzayın bükülerek bir kara delik oluşturabileceğini ve evrenin bir ucundan diğerine ışık hızında geçen dalgalar yaratabileceğini öğretti. Bu kütleçekimsel dalgalar, evrenimiz hakkında önemli bilgiler içeriyor. Sorun şu ki, gözlemlenmeleri çok ama çok zor.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için bilim insanları; Lazer İnterferometre Kütleçekimsel-Dalga Gözlemevi, Avrupa'daki Virgo interferometresi ve Japonya'daki Kamioka Kütleçekimsel Dalga Dedektörü (İng: "Kamioka Gravitational Wave Detector") gibi dev kütleçekimsel dalga teleskopları inşa ettiler. Ancak bu kilometrelerce uzunluktaki aletlerle bile, sadece kara deliklerin çarpışması gibi en şiddetli astronomik olaylardan gelen dalgaları tespit edebilir durumdayız. Kütleçekimsel dalgaların gözlemlenmesi ve incelenmesi sürecinde karşılaşılan bu zorluklar, alternatif araştırma yöntemlerinin geliştirilmesine yol açmaktadır. Bu alternatif yaklaşımlardan biri, Genel Görelilik Teorisinin farklı yönlerini taklit eden yeryüzü tabanlı fenomenleri incelemektir. Bu tür araştırmalar, Genel Görelilik Teorisinin öngördüğü etkileri ve kütleçekimsel dalga benzeri davranışları daha erişilebilir ve kontrol edilebilir deneysel ortamlar aracılığıyla anlamamıza yardımcı olma potansiyelini taşımaktadır.

Einstein; kütleçekimsel dalgaların yanı sıra belirli bir tür kuantum parçacığının, soğutulduğunda Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEY) adı verilen bir durumda var olabileceğini de öngörmüştür. BEY durumunda, parçacıklar çok düşük sıcaklıklara soğutulduğunda birbirleriyle uyum içinde hareket eder ve tek bir büyük kuantum durumu oluşturmaktadır.

Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü ekibi, bu kuantum yoğunlaşmayı "spin nematikler" adı verilen özel bir BEY türü üzerinden incelemektedir. Spin nematikler, sıvı kristallerin kuantum versiyonlarıdır ve enerji taşıyan dalgaları desteklemektedirler. Araştırma ekibi, bu prensibi kuantum seviyesine taşıyarak spin nematikleri üzerine çalışmaktadır. Sıvı kristal ekranlardaki (İng: "Liquid Crystal Display") moleküllerin aksine, spin nematikler enerji taşıyan dalgaları destekleyen kuantum parçacıkları içermektedir. Ekip, bu dalgaların özelliklerinin kütleçekimsel dalgaların matematiksel özelliklerine büyük ölçüde benzediğini keşfetmiştir. Böylelikle söz konusu gelişmenin ışığında laboratuvar ortamında kütleçekimsel dalgaları simüle etmenin mümkün olduğu anlaşılmıştır.