Doğada Neden Anti Kütleçekimi Diye Bir Şey Yok?

Doğada birçok şeyin zıttı ile birlikte var olması alışıldık bir durumdur. Örneğin, günlük hayatta karşılaştığımız maddeye karşılık olarak anti-madde bulunur. Benzer şekilde, pozitif ve negatif elektrik yükleri ya da nötronun karşıtı olan anti-nötron gibi parçacık çiftleri de bu duruma örnek oluşturur. Peki, kütleçekim kuvvetinin zıttı sayılabilecek bir anti kütleçekimi var mıdır?

Evrenin dört temel kuvveti vardır. Ancak büyük kozmik ölçeklerde etkili olan yalnızca bir tanesi vardır: kütleçekimi. Diğer üç temel kuvvet — güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet — büyük mesafelerde etkisiz kalır. Çünkü çok sayıda parçacık bir araya geldiğinde, bu üç kuvvetin etkileri birbirini dengeler. Madde, bu kuvvetler açısından büyük ölçekte nötr görünür. Bu yüzden net bir kuvvet oluşmaz.

Ancak kütleçekimi böyle işlemez. Kütlesi ve/veya enerjisi olan her şey, diğer her şeyi kendine çeker. Bu etki küçük olsa da birikir. Zamanla çok büyük kütleçekimsel etkiler ortaya çıkar. Peki neden işler böyle? Neden evrende sadece çekici bir kütleçekim var da, itici bir versiyonu yok? Bu yazıda, anti-kütleçekimi diye bir şeyin neden var olamayacağını birlikte inceleyeceğiz.

İşe Önce Genel Göreliliği Anlayarak Başlayalım

Genel göreliliğin klasik temsili, uzay (ve uzay-zaman) dokusunu bir yüzey gibi düşünür. Tüm cisimler — kütleli ya da kütlesiz — bu dokunun içinde yer alır. Bir bölgede ne kadar çok madde veya enerji varsa, bu bölgedeki uzay-zaman o kadar fazla eğrilir. Bu eğrilik, o bölgeden geçen her şeyin hareketini belirler.

Bu temsil, bazı eleştirileri de beraberinde getirir. Uzayı iki boyutluymuş gibi gösterir. Eğriliği yalnızca aşağı yönde tarif eder. Ayrıca büyük bir kütleden uzaklaştıkça uzay sanki artık hiç eğrilmemiş gibi görünür. Oysa bunların hiçbiri doğru değildir.

Gerçek uzay-zamanda böyle bir yön kavramı yoktur. Buna ek olarak, çarşaf benzetmesinde topun etkisi belli bir mesafeden sonra sona eriyormuş gibi görünür. Ancak kütleçekimi, teorik olarak sonsuz menzile sahiptir ve etkisi hiçbir zaman tamamen yok olmaz.

Çarşaf benzetmesindeki yanlış anlamaları önlemek için uzayı üç boyutlu olarak düşünmek daha doğru bir yaklaşım olacaktır. Bunun için üç boyutlu kartezyen koordinat sistemi yeterlidir. Ancak burada önemli bir fark bulunur.

Bu koordinat sistemine bir cisim yerleştirdiğimizde, eksen çizgileri o cisme doğru bükülmelidir. Yani uzay-zaman dokusu, cismin bulunduğu noktaya doğru içeriye doğru eğilmelidir. Kütleçekim dalgalarının varlığı da bu düşünceyi destekler. O zaman şu soru kaçınılmaz olur: Kütleçekimi neden yalnızca çekicidir? Neden itici bir versiyonu yoktur?

Çünkü Kütleçekimi Pozitiftir!

Cevap, kütleçekimin diğer kuvvetlerden temel farkında yatar. Evrenimizde yalnızca bir tür kütleçekimsel yük vardır. Bu da pozitiftir. Genelde kütleçekimden söz ederken “kütle” ve “enerji” gibi kavramlar kullanırız, ama sonuçta bu da bir yük türüdür. Ve şimdiye kadar, ne klasik ölçekte ne de kuantum düzeyinde, negatif kütle ya da negatif enerji gözlemlenmemiştir. Kütle ve enerji her zaman pozitif olmalıdır.

Bu durumu elektromanyetik kuvvetle karşılaştırmak anlamayı kolaylaştırır. Elektriksel yüklerde pozitif ve negatif olmak üzere iki tür yük vardır. Elektromanyetik kuvvetin doğası gereği:

Pozitif yük, pozitif yükü iter.
Pozitif yük, negatif yükü çeker.
Negatif yük, negatif yükü iter.
Negatif yük, pozitif yükü çeker.

Yani kuvvetin yönü, yüklerin benzer ya da zıt olmasına bağlıdır.

*İki yük arasında oluşan bu itme çekme kuvvetini Colomb yasası formülüyle hesaplamak mümkündür.*

Aslında Colomb yasası formülünden de görebileceğimiz gibi elektromanyetik kuvvet son derece güçlü bir kuvvettir. Örneğin, iki pozitif yüklü protonu yan yana koyarsak, aralarındaki itici elektromanyetik kuvvet, çekici kütleçekim kuvvetine göre yaklaşık 10³⁶ kat daha güçlü olur. Peki neden evreni elektromanyetik kuvvet değil de kütleçekim kuvveti şekillendiriyor?

Cevap, evrenin elektriksel olarak nötr olmasıdır. Pozitif ve negatif yükler birbirini dengeler. Atomlar nötrdür. Çekirdekteki pozitif yük, elektronların negatif yüküyle tam olarak dengelenir. Gezegenler, yıldızlar ve galaksiler de atomlardan oluşur ve genel olarak elektriksel açıdan nötrdür. Bu nedenle, elektromanyetik kuvvetin etkisi büyük ölçeklerde birbirini dengeler. Ancak kütleçekimde yalnızca bir tür yük olduğu için bu kuvvet birikir.

Diğer iki temel kuvvet, yani güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler de büyük ölçeklerde etkili değildir. Zayıf kuvvette etkileşimler, çok büyük kütleye sahip W ve Z bozonları tarafından taşınır. Bu parçacıklar çok ağır oldukları için etkileşim mesafesi çok kısadır. Genellikle sadece kuantum tünelleme yoluyla etkileşim gerçekleşebilir. Mesafe arttıkça bu etki hızla azalır. Bu nedenle, zayıf kuvvet atom altı ölçeğin ötesinde bir rol oynamaz.

Bu durumda geriye yalnızca kütleçekim kalır. Tüm kütleler pozitiftir, tüm enerjiler de pozitiftir. Ve uzayın her noktasında bulunan bu kütle ve enerji, uzaydaki eğriliği belirler. Bu eğrilik de kütleçekim kuvvetini ortaya çıkarır. Bu nedenle, kütleçekim kuvveti her zaman çekicidir.

Peki Anti Kütleçekimi Yaratamaz mıyız?

Bildiğimiz evrende durum böyledir. Ancak farklı bir evren de hayal edebilirdik. Örneğin, negatif kütle ya da negatif enerji durumlarının var olduğu bir evren. Elektromanyetik kuvvette benzer yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker. Bu hayali evrende aynı kütle/enerji durumları birbirini çekerken, zıt kütle/enerji durumları birbirini itecektir. Bu durumda, kütleçekimin işleyişi tersine dönebilirdi:

Aslında Uluslararası Uzay İstasyonun’daki astronotlar kütleçekimi olmadığı için hava süzülmüyor. Zira istasyon Dünya’dan sadece 400 km civarı yüksekte. Ve o yükseklikte de yeryüzündeki kadar olmasa da Dünya’nın yerçekimi kuvveti mevcuttur. İstasyondaki astronotların havada süzülmesinin sebebi ise istasyonun sürekli Dünya’ya doğru serbest düşüş halinde olmasıdır.

Eğer negatif kütle veya enerji gerçekliğimizin bir parçası olsaydı, bunları oldukça akıllıca ve önemli şekillerde kullanabilirdik. Bu negatif durumları hareket ettirerek kendimizi kütleçekim kuvvetinden “izole” edebilirdik. Böylece serbest düşüşte olmadan da ağırlıksızlık deneyimi yaşamak mümkün olurdu.

Alcubierre motoru olarak da bilinen warp motoru yapmak için Einstein’ın E=mc² ‘sine göre pozitif kütlesi olmasına rağmen anti-maddenin negatif çekimsel kütlesi varmış gibi davranması gerekmektedir. Böylece warp motoru, arkasındaki uzayı genişletip önündekini büzerek çok hızlı hareket edebilecekti. Ancak artık anti-maddenin bu şekilde davranmadığını biliyoruz.

Belki de en dikkat çekici olasılık, yeterli miktarda pozitif ve negatif enerji durumunu kullanarak bir warp alanı oluşturmak olurdu. Bu durumda: Uzay aracının önündeki uzay pozitife eğrilir ve sıkışır.
Arkasındaki uzay negatife eğrilir ve genişler. Uzay aracının bulunduğu bölge düz kalır, böylece kütleçekimsel gelgit kuvvetleri araca zarar vermez. Bu fikir, Alcubierre sürücüsünün temelini oluşturur. Genel görelilik içinde warp sürüşünü mümkün kılan çözüm budur.

Sonuç Olarak;

Gerçekçi bir warp sürücüsü oluşturmanın yolu, uzay aracının çevresindeki enerji alanını ve uzay-zaman eğriliğini manipüle etmeyi gerektirir. Aracın önündeki uzayı sıkıştırıp arkasındaki uzayı seyrelterek, başlangıç noktasıyla varış noktası arasındaki mesafe kısaltılabilir. Ancak bu tür bir teknoloji, bir şekilde negatif kütle ya da enerji gerektirir.

Negatif kütle veya enerji durumlarının var olabileceğini gösteren yeni bir tür fizik ortaya çıkmadığı sürece anti-kütleçekimi, matematiksel bir merak olarak kalmaya devam edecektir.

Kaynaklar ve İleri Okumalar