Enerji genellikle sıfırın üzerinde, pozitif bir nicelik olarak düşünülür. Oysa fizikçiler enerji için sıfır noktasını keyfi olarak tanımlayabilirler. Örneğin klasik mekanikte gravitasyonel potansiyel enerji genellikle sonsuz uzaklığı sıfır referans alacak şekilde tanımlanır. Bu yüzden çekimle bağlı iki kütlenin potansiyel enerjisi negatif bir değere sahip olur – cisimler birbirine yaklaştıkça potansiyel enerji daha da negatife gider, kinetik enerji artar ve böylece toplam enerji korunur. Benzer şekilde bir atomda elektronu protona bağlayan enerji de negatif olabilir; örneğin hidrojen atomunun temel hal enerjisi yaklaşık –13.6 eV'dir. Bu negatif değer, elektronun bağlı durumda olduğunu ve onu tamamen serbest hale getirmek (yani sonsuza götürmek) için enerji vermek gerektiğini gösterir. Yani negatif enerji, çoğunlukla enerji referans noktasının altında kalan bir durumu ifade eder.
Fizikte negatif enerji kavramı, farklı alanlarda farklı biçimlerde karşımıza çıkar. Kuantum mekaniği ve kuantum alan teorisinde, vakum dalgalanmaları nedeniyle yerel olarak negatif enerji yoğunlukları oluşabilir. Genel görelilikte ise uzayzamanı bükmek için gereken egzotik maddede negatif enerji yoğunluğu kavramı ortaya çıkar. Hatta termodinamikte bile, belirli koşullarda sistemlerin enerjisi veya sıcaklığı için beklenmedik (örneğin negatif mutlak sıcaklık gibi) değerler tanımlanabilir.
Kuantum alan teorisi, boşluğun (vakumun) aslında tamamen boş olmadığını, sürekli olarak parçacık-antiparçacık çiftlerinin ortaya çıkıp kaybolduğu bir vakum dalgalanması içerdiğini söyler. Bu sanal parçacıklar çok kısa süreliğine var olabilir ve sonra birbirlerini yok ederler. İlginç olan bu geçici parçacıkların enerjilerinin her zaman pozitif olmak zorunda olmamasıdır. Kuantum belirsizlik ilkesine göre bazı sanal parçacıklar negatif enerjiye sahip olabilir. E tabii bu durumla doğrudan günlük deneyimlerimizde karşılaşmasak da kuantum teorisinin matematiksel olarak izin verdiği bir özelliktir.
Negatif enerji kavramının en tanınmış örneklerinden biri Casimir etkisidir. 1948'de fizikçi Hendrik Casimir tarafından öngörülen bu etki kuantum vakumundaki enerji yoğunluğunun sınırlandırılmış bir boşlukta değişebileceğini gösterir. Casimir, iki iletken plakanın çok yakın ve paralel yerleştirilmesi durumunda, aralarındaki boşlukta belirli dalga boyundaki vakum dalgalanmalarının kısıtlanacağını hesapladı. Plakalar arasındaki dar boşlukta, var olabilecek sanal parçacıkların türü ve sayısı sınırlanır. Plakaların dışındaki boşlukta ise böyle bir kısıtlama yoktur. Yani plakalar arasındaki vakum enerjisi, dışarıya kıyasla daha düşük (negatif yönde) bir seviyeye iner. Bu enerji farkı, plakalar arasında sanki onları birbirine çeken gizemli bir kuvvet varmış gibi görünmesine yol açar. Aslında, dış taraftaki vakum basıncı iç tarafa göre biraz daha büyük olduğu için plakaları iterek bir araya getirir.
Casimir etkisi teorik bir merak olmaktan çıkıp deneysel olarak da doğrulanmıştır bu arada. 1990'lı yıllardan itibaren yapılan hassas deneylerde, çok yakın mesafelerdeki iletken yüzeyler arasında Casimir kuvveti gözlemlenmiştir. Yani kuantum dalgalanmaların kısıtlanmasıyla oluşan negatif enerji yoğunluğu gerçekten de ölçülebilir bir etki yaratmaktadır.
Casimir etkisi bize aslında önemli bir ders veriyor: Kuantum fiziği, uzayın küçük bölgelerinde enerjinin "sıfır" vakum seviyesinin altına inebileceğini, yani negatif olabileceğini göstermiştir. Ancak bu negatif enerji yoğunluklarının da bir sınırı vardır. Teorik hesaplar, enerjiyi keyfi olarak çok fazla negatif yapamayacağımızı gösterir; aşırı durumlarda fiziksel teori geçerliliğini yitirir veya diğer etkiler devreye girer. Bu durum doğanın negatif enerjiye izin verse de "bedava öğle yemeği" sunmadığını ima eder.
Negatif enerji, sadece metal plakalarla sınırlı bir durum değildir. Sıkıştırılmış ışık adı verilen kuantum optiği durumlarında da vakum dalgalanmaları belirli bölgelerde bastırılarak negatif enerji yoğunlukları oluşturulabilir. Lazer ışınları özel düzenlerde üst üste bindirilip girişim yaptığında, elektrik alanının kuantum dalgalanmaları bir bölgede azaltılırken başka bir bölgede arttırılır. Bu sıkıştırılmış vakum durumu uzayın bazı bölgelerinde enerji yoğunluğunun negatif olmasına yol açar. Yani ışığın dalga deseni, pozitif ve negatif enerji bölgelerinin periyodik olarak oluşmasını sağlayabilir.
Kuantum teorisinde tarihsel bir not olarak ünlü fizikçi Paul Dirac 1930'da Dirac denizi kavramını ortaya atmıştır. Dirac denizi, tüm uzayın aslında negatif enerjili elektronlarla dolu olduğu bir varsayımdır. Dirac, denklemlerindeki negatif enerjili çözümün anlamını açıklamak için vakumun bu şekilde dolu olduğunu ve normalde gözlemlediğimiz elektronların bu denizdeki "boşluklar" (eksikler) olduğunu öne sürmüştü. Ne var ki 1930'ların başında Wolfgang Pauli ve Hermann Weyl gibi bilim insanlarının çalışmalarıyla bu fikir yerini daha tutarlı bir yoruma, yani antimadde kavramına bıraktı. 1932'de Carl Anderson, pozitif yüklü elektron yani pozitronu keşfederek, Dirac'ın denizdeki boşluk fikrinin aslında antimadde parçacığı olduğunu doğrulamış oldu.
Einstein'ın genel görelilik kuramı, kütle ve enerjinin uzayzamanı eğip bükerek yerçekimini yarattığını anlatır. Normal madde (yıldızlar, gezegenler, vs.) uzayzamanda hep "pozitif enerji yoğunluğu" ile ilişkilidir ve uzayzamandaki eğrilik de buna göre oluşur. Peki uzayzamanı alışılmadık biçimde bükmek için negatif enerji mümkün olabilir mi? Teori bunu tamamen dışlamaz. Hatta, bazı en ilginç genel görelilik çözümleri ancak negatif enerji veya egzotik madde varlığıyla mümkün olabilmektedir.
Bilim kurgu eserlerinde sıkça duyduğumuz solucan deliği (wormhole) kavramı, genel görelilik denklemelerinin spekülatif bir çözümüdür. Solucan delikleri, uzayzamanda iki uzak noktayı doğrudan bağlayan tüneller olarak düşünülebilir. Teoride, bu tüneller sayesinde evrenin bir ucundan diğerine neredeyse anında yolculuk etmek mümkün olabilir. Ancak Einstein denklemlerinin gösterdiği acı gerçek şudur: Bir solucan deliğinin ağzını açık tutmak, yani deliğin anında çöküp kara deliğe dönüşmesini engellemek için alışılmadık bir maddeye ihtiyaç duyarız. Bu madde, normalde bildiğimiz tüm enerji koşullarını ihlal eden, negatif enerji yoğunluğuna sahip egzotik maddedir. Normal pozitif enerjiye sahip madde, kütlesi nedeniyle çekim uygular ve solucan deliğinin çökmesini hızlandırır. Oysa negatif enerjili egzotik madde, yerçekimini adeta itici yönde etkiler (bir nevi anti-yerçekimi). Bu solucan deliğinin duvarlarını dışa doğru itip deliği açık tutabilecek tek yoldur. Kuantum teorisi, kısa süreli ve küçük miktarlarda da olsa negatif enerjiye izin verdiği için, prensipte böyle egzotik madde imkânsız değildir. Nitekim Casimir etkisi gibi fenomenler laboratuvarda negatif enerji yoğunluğu oluşturabildiğimiz örnekler sunar. Yani kuantum dünyası, genel göreliliğin ihtiyaç duyduğu egzotik maddeye kapıyı aralık bırakır.
Ancak bu kapı pek de aralık sayılmaz onu da belirtelim. Lawrence Ford ve Thomas Roman, negatif enerjinin doğası gereği çok sıkı kısıtlamalara tabi olduğunu gösterdiler. Negatif enerji üretebildiğimiz her durumda bunun üç önemli şartı vardır:
Süre kısıtı yani negatif enerjinin etkin olduğu puls (darbe) ne kadar uzun sürerse, elde edilebilecek negatif enerji miktarı o kadar küçük olur. Yani uzun süreli bir negatif enerji etkisi yaratmak istersek, yoğunluğu çok zayıf olmak zorundadır.
Denge şartı yani negatif enerjili bir pulsun ardından, hesabı kapatmak için mutlaka onu dengeleyecek pozitif enerjili bir puls gelmelidir. Adeta evrenden enerji borç alırsak, hemen ardından bu borcu fazlasıyla geri ödememiz gerekir. Temizinden kredi batağı hayırlı olsun.
Aralık-ödeme ilişkisi yani negatif ve pozitif enerji atımları arasındaki zaman aralığı büyüdükçe, dengeleyici pozitif enerji pulsunun büyüklüğü de artmak zorundadır. Yani borcu ne kadar geç öderseniz, o kadar yüksek faizle ödersiniz diyebiliriz.
Bu kısıtlar da kuantum mekaniğinde enerji koşulları (quantum inequalities) olarak bilinir ve evrenin negatif enerjiye izin verirken suistimal edilmesini önleyen kuralları gibidir. Solucan deliği gibi bir yapıyı makroskopik ölçekte açık tutmak ise bu kurallar nedeniyle muazzam miktarda negatif enerji gerektirir. Hesaplamalara göre, sadece proton boyutunda bir solucan deliğini bir anlığına stabil tutmak için bile, 10 milyar Güneş'in bir yılda ürettiği enerjiye eşdeğer büyüklükte negatif enerji gerekir. Bu akıl almaz rakam, günümüz teknolojisiyle (ve hatta hayal gücümüzle) erişilmesi imkânsız bir büyüklüktür. Dolayısıyla solucan delikleri ve benzeri egzotik uzayzamansal yapılar şimdilik teorik birer fantezi olarak kalmaktadır. Nitekim ünlü fizikçi Roger Penrose gibi isimler, pratikte bu tür konseptlerin gerçekçi olmadığını, bilim kurgudan öteye geçemeyeceğini belirtmiştir.
Negatif enerjinin ilginç bir rol oynadığı bir diğer genel görelilik olgusu, Stephen Hawking'in ünlü kara delik buharlaşma teorisinde karşımıza çıkar. Hawking, kuantum etkilerini kara delik fiziğine uygulayarak 1974'te şaşırtıcı bir tahminde bulundu: Kara delikler, mutlak siyah cisimler değildi, çok yavaş da olsa kütle kaybederek ışınım yapıyorlardı. Bu Hawking ışınımı mekanizmasını açıklamak için negatif enerji kavramı devreye girer.
Kara deliğin olay horizontu (geri dönüşsüz sınırı) yakınlarında sürekli sanal parçacık çiftleri oluşur. Normalde bu çiftler kısa sürede birbirini yok eder. Ama bazen talihsiz bir şekilde bu çiftlerden biri kara deliğe düşerken diğeri kaçabilir. Düşen parçacık, kara deliğin muazzam kütleçekim alanında öyle bir duruma gelir ki enerjisi negatif olur. Diğer eş parçacık ise pozitif enerjiyle kaçıp uzaklaşır (bizim Hawking radyasyonu olarak tespit edeceğimiz parçacık budur). Enerji korunumu gereği, kara deliğe düşen negatif enerjili parçacık, kara deliğin toplam enerjisinden (dolayısıyla kütlesinden) bir miktar azaltmış olur. Bu süreç uzun zaman ölçeklerinde kara deliğin kütle kaybedip buharlaşmasına yol açar. Burada negatif enerji, sıradışı bir biçimde, maddeyi yok eden değil ama kara deliğin enerji bütçesinden eksilten bir rol oynar.
Genel görelilikte negatif enerji kavramının bir diğer spekülatif uygulaması da warp sürüşü (özgün adıyla Alcubierre motoru) fikridir. Miguel Alcubierre adlı fizikçi, 1994 yılında Einstein denklemlerinin izin verdiği, teorik olarak ışıktan hızlı gidebilecek bir uzay aracı taslağı ortaya koydu. Bu senaryoda, uzay gemisinin önünde uzay büzülürken arkasında genişleyecek, adeta bir uzay-zaman balonu içinde yolculuk yapacaktı. Bu balonu oluşturmak için yine negatif enerji gerekmekteydi. Egzotik madde kullanarak uzayzamanı bu şekilde eğip, geminin etrafında bir "warp balonu" yaratmak prensipte mümkün görünüyordu. İlginç bir şekilde bu fikir genel görelilik kurallarıyla çelişmez; çünkü gemi yerel olarak ışık hızını aşmasa da uzay balonu, uzayın kendisini taşıyarak sınırları aşabilir. Ne var ki tıpkı solucan delikleri gibi, böyle bir motoru çalıştırmak için gereken negatif enerji miktarı ve onu elde etme zorluğu, bu fikri de şimdilik kuramsal bir egzersiz seviyesinde tutuyor. Valla özet geçecektim de yine 1500 kelime oldu 😅 Artık okuyanlara da teşekkürlerimi sunuyorum.
