Çarşaf deneyinde, kütleli cisim neden uzayın sadece bir yönünü büküyor?

Çarşaf benzetiminde çarşaf (uzay-zaman) üzerindeki bir portakalın (kütle) çarşafı aşağıya (dünya merkezine) doğru büküyor olduğu gösterilerek, uzaydaki bir kütlenin 4 boyutlu uzay-zaman ı büktüğü anlatılmaya çalışılır.

Bilindiği gibi Newton kütle çekim kuvvetinin formülasyonunu çıkarmayı başarmıştı. Bu formülasyon %100 doğru olmasa da makro dünyadaki cisimlerin hatta güneş sistemindeki gezegenlerin hareketlerini hesaplamaya neredeyse tam olarak yeterli gelmişti. Neredeyse diyoruz çünkü Merkürün yörünge düzlemi Newton kanunlarına göre hesaplanandan bir miktar farklıydı. Bu farklılığın açıklaması ile ilgili o yıllarda birçok hipotez ortaya atıldı (Merkürün yakınlarında henüz görünmemiş olan başka bir gezegen olduğu dahil) ancak Einstein a kadar hiçbiri bu gizemi açıklayacak bir teori sunamadı. Ayrıca Newton kanunları, uzak cisimlerin birbirileri arası kütle çekim kuvvetlerini hesaplanabiliyor ancak birbirleri arasında hiçbir bağlantı olmayan iki cismin nasıl oluyorda birbirleri ile etkileşebildiklerine dair bir açıklama getiremiyordu. Her iki gizemi Einstein 1915 yılında yayınladığı “Genel görelilik” teoremi ile çözdü. Bu teoreme göre zaman sabit değil tıpkı diğer 3 boyut gibi göreli bir boyut olarak ele alınmalıydı. Einstein uzayı uzay-zaman haline getirdi. Kütle çekim kuvveti de bir cisimin uzay-zaman ı bükmesinden dolayı oluşuyordu. Çekim kuvvetinin sebebi buydu. Yani bizim çekim kuvveti olarak gördüğümüz/hissettiğimiz şey aslında çarşafın kenarına konulmuş bir bilyanın çarşafın ortasına konulmuş ağır bir portakala doğru çarşafın bükülmesinden dolayı yuvarlanmasıdır diyebiliriz :)

Tabii bu çarşaf benzetiminde çarşaf 2 boyutludur ancak kütlenin büktüğü uzay-zaman aslında 4 boyutludur. Portakal nasıl ki 2 boyutlu çarşafın her 2 boyutunu (eni ve genişliği) aynı anda o boyutların uzamında büküyorsa bir kütlede hem uzayın 3 boyutunu (en, genişlik, yükseklik) hem de zamanı büker. Bu durumu 3 boyutlu bir dünya algısına sahip olan biz insanların algılaması oldukça güçtür. Ancak teorem defalarca denenmiş ve kanıtlanmıştır.

Bir cismin 4 boyutu büktüğünü algılayabilmenin belki de en iyi yöntemi ironik olarak 2 boyutta yaşadığımızı hayal etmektir aslında. Kendinizi bir anlığına 2 boyutlu bir kağıt üzerinde yaşayan üçgen, kare gibi sadece 2 boyutu olan bir cisim olarak hayal edin. 3. boyutu hiç bilmiyor ve algılayamıyorsunuz, tıpkı şu anda bizim 4 boyutu algılayamadığımız gibi. Bir küre (3 boyutlu bir cisim) sizin 2 boyutlu evreninizi ziyaret etse, kağıt yüzeyi gibi 2 boyutlu evreninize yavaşca diklemesine( sizin algılamadığınız derinlik boyutu tarafından) girse bu cismi nasıl algılarsınız? Siz sadece 2 boyutu görebildiğiniz, yani derinlik boyutunu algılayamadığınız için küre sizin 2 boyutlu kağıt evreninize girdikçe önce ilk temas anında onu bir nokta olarak fak eder sonra küre kağıt dünyanıza dik olarak giriş yaptıkça onu sürekli büyüyen bir çember olarak görür sonrasında küre yolculuğuna devam ederken çemberin giderek küçüldüğünü ve bir nokta olup birden yok olduğunu görürsünüz. Aslında bu cisim 3 boyutlu bir küre ancak siz 2 boyutlu bir evrende yaşadığınız için onu ancak sizin 2 boyutlu evreninize iz düşümü olan bir çember olarak algılarsınız. Yaşadığınız bu garip deneyimin açıklaması ise yine bizim gibi o 2 boyutlu dünyada yaşayan Einstein gibi bir bilim adamı gelene kadar gizemini korurdu. Einstein gibi birisi, o çember görüntülerinin aslında 3 boyutlu bir cisme ait olduğunu fizik/matematik kullanarak açıklar, teoreminde öngördüğü sonuçlar deneylerle örtüşür ancak biz yine de 2 boyutlu algılarımızla bunu kabullenmekte zorlanırdık. Tıpkı bu örnekte olduğu gibi 3 boyutlu olarak gördüğümüz bir kütlenin 4 boyuta sahip uzay-zamanı büktüğü gerçeği algılarımıza ters düşer veya algılanamaz ancak genel görelilik teoreminin öngördüğü sonuçlar, kontrollü deneylerle doğrulanmıştır; 4 boyuta sahip uzay-zaman kendi uzamlarında aynı anda kütleye doğru bükülmektedir.

Umarım yaralı olmuştur, hatam varsa affola :)