Star Trek'in Büküm Sürüşü (Warp Drive) Fikri, Yeni Fiziğe Kapı Aralıyor!

Erik Lentz için her şey Star Trek ile başladı. Star Trek: The Next Generation'ın birkaç bölümünde bir, Kaptan Jean-Luc Picard elini kaldırıyor ve o meşhur "Warp one, engage!" (Tr: "Büküm 1, şimdi!") emrini veriyordu. Sonra yıldızlardan gelen ışık bükülerek kısa çizgiler halinde gözüküyor ve ışık yıllarına eş değer muazzam mesafeler, imkansız gibi görünen bir hızla kat ediliyordu.

Star Trek: TNG

O zamanlar ilkokul öğrencisi olan Lentz, büküm sürüşünün gerçek hayatta olup olmadığını merak ettiğini ve bir noktada bu teknolojinin henüz var olmadığını fark ettiğini söylüyor. Washington Üniversitesi fizik bölümü mezunu olan Lentz, doktora tezini karanlık madde üzerine yazdı. O sıralar, bilimkurgu fikirleri ile ilgilenemeyecek kadar işi başından aşkındı. Ancak bir süre sonra COVID-19 pandemisinin başlangıcıyla Lentz, kendini doktora sonrası çalışmalarını sürdürdüğü Almanya'nın Göttingen kentinde yalnız buldu. Artık elinde bolca boş zaman ve kafasında ise çocukluk merakları vardı.

Lentz, önce bilimsel literatürde büküm sürüşü hakkında bulabildiği her şeyi okudu. Bir süre okudukları üzerine kafa yordu ve birkaç haftanın ardından, herkesin gözden kaçırdığı bir şey aklına geldi. Lentz, aklına gelen fikri hemen yazıya döktü ve bu konuda daha deneyimli olan meslektaşlarıyla fikri tartıştı. En sonunda ortaya çıkan çalışma, bir makale olarak yaklaşık 1 yıl sonra 9 Mart 2021'de Classical and Quantum Gravity dergisinde yayımlandı.^[1]

Makalenin yayımlanmasından kısa bir süre sonra, büküm sürüşü hakkında gerçek anlamda düşünen tek kişinin Lentz olmadığı çabucak anlaşıldı. Dünyanın dört bir yanındaki medya kuruluşları bunu haberleştirdi ve bir düzine gazeteci, Lentz'den makalesi hakkında röportaj istedi. Çevrimiçi tartışma forumu Reddit'de konu üzerine yapılan bir tartışma 2.700 yorum ve 33.000 beğeni alarak viral oldu. Kısacası bu gelişme, yıldızlararası yolculuk hayalleri kuran dünya çapındaki gelecek meraklılarına bir heyecan yaşattı.

Anonim

Evrenin halen insanların geçemeyeceği kadar büyük olduğuna şüphe yok. Günümüzün en gelişmiş itki teknolojisi ile insanlı yıldızlararası yolculuk yapmak onlarca ve kimi zaman ise yüzlerce yıl sürecektir. Bu hiçbir insanın kaldıramayacağı bir yük gibi durmaktadır. Ancak bir gün, bu seyahat süresini oldukça azaltmak mümkün olabilir. Yolculu ya da yolcusuz (araştırma sondaları vb.) olarak yıldızlararası yolculuğun nasıl yapılabileceğine dair birçok fikir bulunmaktadır. Ancak bu teknoloji konseptlerinin yardımıyla bile, galaksinin derinliklerine yolculuk yapmak çok olası değildir. Yıldızlararası uzay, gerçekten yalnızca ışık kadar hızlı veya ışıktan daha hızlı seyahat edebilenlere açıktır.

Tam da bu nedenle, hayal gücü kuvvetli ve açık fikirli fizikçiler, uzun süredir nihai itki sistemi üzerinde kafa yoruyorlar: tıpkı Star Trek'teki uzay gemisi USS Enterprise'ın yaptığı gibi, bir uzay gemisinin bir yıldız sisteminden başka bir yıldız sistemine "sıçrama" yapmasına imkan veren, uzay-zaman dokusunu bükebilecek bir "büküm baloncuğu" oluşturmak...

Alcubierre ve Büküm Sürüşü

Bilim insanlarının bugün bu fikir üzerine düşünmelerinin en önemli nedenlerinden biri, Meksikalı teorik fizikçi Miguel Alcubierre'nin 1994 tarihli bir makalesidir.^[2] O zamanlar Alcubierre, yalnızca tutkulu bir Star Trek hayranı değildi; aynı zamanda doktora tezini Görelilik Teorisi üzerine yazmıştı. Görelilik teorisi, hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceğini kesin bir şekilde belirtir. Ancak Alcubierre, biraz yaratıcılık uygulayarak, teorideki bariz bir boşluğu tespit etti. Buna birazdan değineceğiz.

Star Trek

Albert Einstein'ın devrimsel bir keşfi, dört boyutlu "uzay-zaman"da yaşadığımızı göstermektedir. Bu şu anlama gelmektedir: Dünya'nın ve dolayısıyla bizlerin üzerinde bulunduğu uzay-zaman dokusu statik (durgun) değildir. Kara delikler başta olmak üzere Dünya, Güneş, diğer yıldız ve gezegenler gibi büyük kütleli cisimlerin etkisiyle uzay-zaman dokusunun biçimi bozulmaya uğrar. Uzay-zaman dokusu üzerinde hareket eden her şey ama her şey ışık hızı ile sınırlıdır. Bundan dolayı ışıktan hızlı hareket etmek imkansızdır.

Ancak bu kısıt, sadece uzay-zaman dokusu içinde hareket eden her şey için geçerlidir; uzay-zaman dokusunun kendisi için bu tarz bir kısıt bulunmamaktadır. Daha iyi anlaşılması için bunu şöyle de düşünebilirsiniz: Dalgalı bir denizde sörf yaptığınızı hayal edin. Hareket eden, ayağınızın altındaki sörf tahtası değildir; tam aksine sörf tahtası ve sizin de üzerinde bulunduğunuz denizin dalgalarıdır. Sörf tahtası ve sizin için, (yani uzay gemisi ve içindeki yolcular) için ışık hızı kısıtı varken, deniz dalgaları (yani uzay-zaman dokusu) için böyle bir kısıt yoktur. Evren'in ilk anlarında uzay-zaman dokusunun ışıktan çok daha hızlı genişlemesi buna örnek verilebilir. Bu durumda, ışık hızında ve katlarında hareket eden uzay-zaman dokusunun üzerindeki uzay gemisi veya yolcular değil, doğrudan uzay-zaman dokusunun kendisidir. Dolayısıyla uzay gemisi ve yolcular, sadece uzayda yer değiştirmektedir.

Alcubierre ise şunu keşfetti: Eğer uzay-zaman dokusu bir uzay gemisinin önünde daralacak ve arkasında ise genişleyecek şekilde manipüle edilebilirse, nesnenin hedefine ışıktan daha hızlı bir şekilde ulaşması mümkün olabilirdi. Uzay gemisi bu etkiyi yaratabilecek bir büküm baloncuğunun içinde kalacak ve böylece gemideki mürettebat, yıldızlararası yolculuğun büyük mesafelerine maruz kalmayacaktı. Ancak yine de bu keşif, Genel Görelilik dilinde formüle edildiğinde, büyük pratik sorunlara yol açmaktadır.

AllenMcC Wikimedia (CC BY-SA 3.0)

İlk olarak, uzay-zamanı bu denli radikal bir şekilde bükebilmek için, atom çekirdeğinden daha ince yapılı bir duvarla çevrelenmiş bir büküm baloncuğunun içine büyük bir kütleyi sıkıştırmanız gerekmektedir. İkincisi, büküm baloncuğunu korumak için iki tür maddeye ihtiyaç duyulacaktır. Sıradan bir kütlenin çekimi, tüm yapıyı ileriye doğru hareket ettirerek, büküm baloncuğunun önündeki boşluğun sıkışmasına yani daralmasına neden olacaktır. Ancak aynı zamanda, büküm baloncuğunun arkasındaki boşluğun, esnemesi yani genişlemesi de gerekmektedir. Alcubierre'e göre bu genişlemeyi gerçekleştirebilmek için, anti-kütleçekimi etkisi yaratan bir tür negatif enerjiye ihtiyaç duyulacaktır.

Çoğu fizikçi için bu durum, büküm sürüşü için yapılan düşünce deneyinin sonu anlamına gelmekteydi. Einstein'ın E = mc² formülüne göre sınırlandırılmamış kütleye eşdeğer olan enerji, tanımı gereği pozitif olmalıdır. Ancak kuantum teorisine göre, negatif bir değeri de olabilir. Bununla birlikte, bu sadece nadir özel durumlarda -küçük bir ölçekte- ortaya çıkmaktadır. Örneğin Casimir etkisinde, ilgili miktarlar o kadar küçüktür ki herhangi bir teknolojik uygulaması absürt gibi görünmektedir.

Şimdilerde Meksika Ulusal Özerk Üniversitesi'nde fizik profesörü olan Alcubierre de bu durumu kabul ediyor. Potansiyel bir teknoloji konsepti açısından, o ve meslektaşlarından biri yakın tarihli bir ön baskı makalesinde büküm sürüşü fikrinin "büyük ölçüde eksik olduğunu" yazdı.^[3] Alcubierre, artık dikkatini kara delikler gibi daha iyi bilinen fenomenlere çevirdi.

Arayış Sürüyor: Lentz'in Büküm Sürüşü!

Bununla birlikte büküm sürüşü kavramı, özellikle "Trekkies" (Star Trek'in sıkı hayranlarına verilen isim) için ve zaman zaman fikir üzerinde varyasyonlar yayımlayan birkaç kütleçekim fizikçisi için cazibesini korumaya devam ediyor. Bu makalelerden bazıları, uzay-zamanı bükmek için gereken devasa miktarlardaki toplam negatif kütle gereksinimlerinin nasıl azaltılacağını göstermiştir.

Her ne kadar bazı fizikçiler, büküm sürüşünün önünde büyük bir engel olan negatif enerji sorununu çözmek için çabalasa da tam olarak bir sonuç alamamıştı. Ancak Göttingen'deki karantina sürecinde Lentz'in negatif enerji sorununa bir çözüm getirmesiyle, işler büyük ölçüde büküm sürüşü fikrinin geleceği için olumlu bir şekilde değişti.

Zorunlu izolasyonunda Lentz, yalnızca pozitif enerji kullanımı ile bir büküm baloncuğu oluşturmanın bir yolunu bularak büküm sürüşü fikrine yönelik en büyük itirazın üstesinden gelmiş ve bu fikrin sadece bir bilimkurgudan ibaret olmadığını göstermeyi başarmıştır.

NASA; Digital art by Les Bossinas (Cortez III Service Corp)

Bu önemli gelişmeyi mümkün kılan, Lentz'in Genel Görelilik kuramında, daha doğrusu Einstein'ın alan denklemlerinde saklı olduğunu keşfettiği uzay-zaman geometrisinin özel bir niteliğiydi. Bu niteliği gösteren yeni keşfedilen denklemler ile belirli bir madde ve enerji dağılımının uzay-zamanı nasıl büktüğü tahmin edilebilir. Araştırmacılar, Alcubierre'in yaptığı gibi, belirli bir uzay eğriliği (büküm baloncuğu) oluşturmak için gereken kütle ve enerjiyi belirlemek için de bu denklemleri kullanabilirler.

Bununla birlikte, uzay-zaman gibi dinamik, dört boyutlu bir yapıyla uğraşmak son derece karmaşık bir iştir. Einstein'ın formüllerini tam olarak yazmak, binlerce terimden oluşan çok karışık bir iç içe diferansiyel denklem üretir. Belirli bir fiziksel durum hakkında yaptığınız varsayımlara bağlı olarak, bu terimlerin yalnızca bazılarını dikkate alırsınız. Teorisyenler için bu, neredeyse sınırsız bir oyun alanıdır. İşte bu nedenle, Einstein'ın formüllerinden yeni çıkarımlar ve keşifler yapmak halen mümkündür.

Lentz, Alcubierre'in çalışmasında negatif enerji gereksinimlerine yol açan varsayımları özellikle inceledi. Meslektaşı gibi Lentz de işe uzay-zamanı analiz ederek, çok boyutlu maddeyi çok ince katmanlardan oluşan bir yığın şeklinde modelleyerek başladı. Lentz, Alcubierre'in, bir katmanı diğerine değiştirmek için denklemler arasında yalnızca nispeten basit olan "doğrusal" ilişkileri dikkate aldığını buldu. Bu noktada, tipik olarak hızla değişen miktarları ifade eden daha karmaşık "hiperbolik" ilişkilerin seçilmesi, Alcubierre tarafından elde edilenden farklı bir büküm baloncuğu ile sonuçlanmaktaydı.

Yine de büküm baloncuğu büyük miktarda kütle ve enerji gerektirecektir, ancak Lentz'in hesaplamalarına göre sadece pozitif kütle ve enerjiye ihtiyaç duyulacaktır - ki bu başlı başına önemli bir ilerlemedir. Lentz, bunu ondan önce kimsenin denememiş olmasına çok şaşırdığını ifade ediyor.

Gidecek Yol Çok!

Lentz'in büküm baloncuğu, Alcubierre'in 1994'de üzerinde çalıştığı büküm baloncuğundan farklı görünmektedir. Gerçekte böyle bir uzay-zaman geometrisi yaratmak, katı malzeme değil; nötron yıldızlarının iç kısmında bulunan maddeye benzer şekilde, yüklü parçacıklardan oluşan aşırı yoğun bir sıvıdan yapılmış karmaşık bir halka ve disk katmanını içerecektir. Böyle karmaşık bir uzay mühendisliği uzmanlığını gerektiren bir yapı, günümüz teknolojisinin kapsamından henüz çok uzaktadır. Ama artık egzotik negatif enerji yoğunluklarına ihtiyaç olmadığı için, bu teorik konsept de teknik olarak günümüzdeki yerleşik fiziğin alanı içinde yer almaktadır.

Alcubierre ve sonraki büküm mimarları, baloncuğun duvarındaki çarpık uzay-zaman ile pürüzsüz iç ve dış kısım arasında ani bir geçiş olduğunu varsaydılar. Ancak sonrasında araştırmacılar, kütleçekim alanının bu "kesilmesini", uzay-zamanın bükülmesini dengelemek için büyük miktarda negatif enerjiye ihtiyaç duyulmasının bir nedeni olarak alakasız buldular. Ayrıca, bir sabun köpüğü baloncuğunun karikatürize görüntüsünü terk ederek karmaşık geometrik şekillere yönelmenin sıradan maddeye dayalı büküm sürüşü oluşturmayı kolaylaştırarak mümkün kıldığı sonucuna ulaşıldı.

Öte yandan Lentz, nötron yıldızlarının çevresine dikkatle bakılması gerektiğini düşünüyor. Oradaki ultra kompakt yıldız kalıntılarının, makalesinde tarif ettiği gibi doğal büküm baloncukları oluşturabileceğini söylüyor. Aşağıdaki videoda, 2017 yılında Alcubierre'nin sunumuyla ışıktan hızlı yolculuk konusunu ele alan Yıldız Gemisi Kongresi'ni izleyebilirsiniz.

Alcubierre, Lentz'in makalesini "çok önemli bir gelişme" olarak tanımlıyor. Lizbon Üniversitesi'nde araştırmacı olan ve büküm sürüşüyle ilgili bir ders kitabı yayımlayan Francisco Lobo da Lentz'in çalışmasında bariz bir hata bulamıyor. Lobo, şöyle söylüyor:

Eğer geçerliliği net bir şekilde kanıtlanırsa bu çalışma, büküm sürüşü fiziğinde yeni ilgi alanları ve yeni araştırma dalları açma potansiyeline sahiptir.

Lentz'in fikri, İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih'de ("ETH Zurih") kozmoloji profesörü olan Lavinia Heisenberg de dahil olmak üzere, büküm sürüşü meraklılarından oluşan küçük topluluk dışındaki araştırmacılar arasında bile ilgi uyandırdı. Heisenberg ve öğrencisi Shaun Fell, Lentz'in çalışmasını o kadar heyecan verici buldular ki, Güneş'imizin kütlesinin binde biri kadar azını gerektirecek kendi pozitif enerjili büküm baloncuklarını tasarlayarak çalışmanın üzerine kendi fikirlerini de eklediler.^[4] Lentz, bu alandaki araştırmaların önemini ise şöyle vurguluyor:

Kişisel önyargıların yoluna çıkmasına izin vermediğin ve kanıtların sana gösterdiklerini kabul ettiğin sürece, bu da diğerleri kadar izlenmeye değer bir araştırma alanıdır.

Sonuç

Sonuç olarak, Star Trek'in büküm sürüşü fikrinin artık sadece bir hayalden ibaret olmadığını söylemek yanlış olmayacaktır. Bu alanda artan önemli çalışmalar, ışıktan hızlı yıldızlararası yolculuğun büküm sürüşü fikri ile şimdi olmasa da gelecekte bir gün gerçek olabileceğini göstermektedir. Bu noktadan sonra sorulması gereken, bunun mümkün olup olmadığı değil; ne zaman gerçekleşeceğidir.

Kaptan Jean-Luc Picard'ın The Next Generation'ın bir bölümünde ifade ettiği gibi:

Hayaller, yalnızca gerçek oluncaya dek imkansız olarak adlandırılır.