Doğada birçok şeyin zıttı ile beraber var olmasına hepimiz alışkınız. Mesela bir normal madde dediğimiz günlük hayatta karşılaştığımız madde vardır, bir de anti-madde. Ya da pozitif ve negatif yükler ile karşıt parçacıklar (nötronun karşıtı olan anti-nötron gibi) da doğada birçok şeyin zıttı ile beraber var olmasına bir örnektir. Peki sizce kütleçekim kuvvetinin zıttı olan anti-kütleçekimi diye bir şey var mıdır?
Evrenden bilinen 4 temel kuvvet vardır: Kütleçekimi, elektromanyetik kuvvet, zayıf ve güçlü nükleer kuvvet. Elektromanyetik kuvvet, pozitif ve negatif yüklerinin birbirilerini itmesine veya çekmesine sebep olan kuvvettir. Güçlü nükleer kuvvet, protonları ve nötronları bir arada tutar. Zayıf nükleer kuvvetse radyoaktif bozunmalar ile kuarklar ve leptonlar arasındaki herhangi bir değişimlerden sorumludur. Kütleçekim kuvveti ise bu 4 kuvvet arasında en uzak mesafelerde bile etkili olan kuvvettir.
Kütleçekimi hariç diğer 3 kuvvet altında maddeye baktığımızda, maddenin nötr olduğunu görürüz. Yani net bir kuvvet yoktur. Ancak aynı durum kütleçekimi için geçerli değildir. Çünkü kütleçekiminde sadece pozitif yüklerden bahsedebiliriz. Bunu fizikle şöyle açıklayabiliriz. Einstein’ın genel göreliliğinde de madde ve enerji, uzay-zamanı eğip bükmektedir. O halde negatif kütle hatta negatif enerji diye bir şey varsa zamanın ters yönde bükülebileceğini ve bunun bir çeşit anti-kütleçekimine neden olacağını hayal etmek çok zor değildir. Ancak bu durum evrenimizin gerçekliğini yansıtmamaktadır.
Peki ama neden? Gelin bu yazımızda neden anti-kütleçekimi diye bir şeyin olamayacağını tartışalım.
İşe Önce Genel Göreliliği Anlayarak Başlayalım
Genel görelilikten bahsedilirken çoğunlukla yukarıdaki klasik gösterim kullanılır. Bu gösterime göre uzay-zaman dokusu bir çarşafmış gibi düşünürüz. Kütleli ve kütlesiz her cisim bu dokunun içerisinde bulunur. Eğer bir yerde ne kadar kütle ve/veya enerji varsa uzay-zaman dokusu o kadar bükülmektedir. Ve uzay-zaman dokusundaki bu eğrilik, uzayda var olan şeylerin nasıl hareket edeceğini belirler.
Fakat uzay-zaman dokusunu çarşafa benzeterek genel göreliliği anlamaya çalışmanın bazı eksileri vardır. Çünkü çarşaf analojisi uzayı 2 boyutlu bir nesneymiş gibi ele almaktadır. Ayrıca kütle ve/veya enerjinin uzay-zaman dokusunu bükmesini sanki aşağı yönlü olan bir şeymiş gibi gösterir. Çünkü gerdiğimiz bir çarşafa top koyarsak top çarşafı aşağı yönde bükecektir. Bir de bunlara ek olarak, topu çarşafa bıraktığınızda belli bir yerden sonra sanki çarşaf hiç bükülmemiş gibidir. Ancak kütleçekiminin menzili sonsuzdur.
Çarşaf analojisindeki bu yanılgılara düşmemek için uzayı 3 boyutlu olarak düşünmemiz faydalı olacaktır. Bunun için 3 boyutlu kartezyen koordinat sistemini düşünmemiz yeterlidir. Tek fark, bu koordinat sistemine bir cisim koyduğumuzda çizgiler o cisme doğru bükülmelidir. Yani şu şekilde görünmelidir:
Uzay-zaman dokusunu yukarıdaki animasyondaki gibi düşündüğümüzde şu soruyu sormamız gerekir? Kütleçekimi neden itici bir kuvvet değildir? Çarşaf analojisinde de uzay-zaman dokusu sadece aşağı yönde bükülebiliyormuş gibi görünüyordu. Yani kütleçekimi yine itici değil çekici bir kuvvettir. Aslında her iki durum da anti-kütleçekimi diye bir şeyin olmadığını bize söylüyor. Peki ama neden yok? Neden uzay-zaman dokusu sadece içindeki cisme doğru içeriye bükülüyor?
Çünkü Kütleçekimi Pozitiftir!
Bu cümle kulağa biraz tuhaf geliyor, haklısınız. Çünkü günlük hayatta kütleçekimini pozitif veya negatif olarak sınıflandırmayız. Ama elektriksel yükleri pozitif ve negatif olarak sınıflarız. Kütleçekimi dediğimizde ise kütle ve enerji gibi kavramlardan bahsederiz. Ve şimdiye kadar hem makroskobik hem de kuantum ölçekte var olduğu kanıtlanmış hiçbir negatif kütle veya enerji diye bir şey yoktur.
Kütleçekiminin daima pozitif olmasını elektromanyetik kuvvetle karşılaştırarak daha kolay anlayabiliriz. Elektromanyetik kuvvette tek değil iki tane yük türü vardır: Pozitif ve negatif. Bu kuvvetin doğası gereği zıt yükler birbirini çekerken aynı yükler birbirini iter.
Aslında Colomb yasası formülünden de görebileceğimiz gibi elektromanyetik kuvvet son derece güçlü bir kuvvettir. Hatta kütleçekiminden 1036 kat daha güçlüdür. O halde neden kütleçekimi yerine elektromanyetik kuvvet evrene hakim değil?
Çünkü evrenin kendisi nötrdür. Atomlarda pozitif ve negatif yükler elektriksel olarak birbirini dengelediğinden atomlar nötrdür. Gezegenler ve yıldızlar da atomlardan oluştuğundan onlar da elektriksel olarak nötrdür. Bu yüzden de evrende negatif ve pozitif yükler birbirini dengeler.
Bu bağlamda bakacak olursak kütleçekimini evrene hakim kılan şey, çok güçsüz olmasına rağmen kümültatif bir kuvvet olmasıdır. Yani kütleçekimi daha önce de belirttiğimiz gibi sonsuz menzile sahip bir kuvvettir. Elektromanyetik kuvvetle birlikte diğer iki kuvvet de kısa mesafelerde etkilidir. Bu durum da bizi kütleçekiminin kendisiyle baş başa bırakıyor.
Peki Anti Kütleçekimi Yaratamaz mıyız?
Elbette negatif kütle ve enerjinin dolayısıyla da anti-kütleçekiminin olduğu bir evren hayal etmek mümkün. Bu hayali evrende aynı kütle/enerji durumları birbirini çekerken, zıt kütle/enerji durumları birbirini itecektir. Ve eğer bu durum gerçekliğimizin bir parçası olsaydı onları manipüle ederek birçok şey ortaya koyabilirdik. Mesela serbest düşüşe gerek kalmadan ağırlıksızlığı deneyimleyebilirdik.
Negatif kütle ve enerjiyle yapılabilecek en ilginç şeylerden birisi de bir warp motoru icat etmek olurdu. Daha önceki bir yazımızda da bahsettiğimiz warp motoru, önündeki ve arkasındaki uzay-zaman dokusunu farklı biçimlerde bükerek ışık hızında seyahati mümkün kılmayı amaçlamaktadır. Ancak anti-maddenin davranışı sebebiyle bu hayalimiz maalesef gerçek olamayacak. Işık hızında seyahat için başka alternatif yollar düşünmemiz gerekiyor.
Sonuç Olarak;
Gerçek evrenin kendisine dönecek olursak negatif kütle ve enerji diye bir şey yoktur. Kozmolojik sabitin yani karanlık enerjinin etkilerinin ölçülmesiyle belirlendiği üzere, boş uzaya özgü toplam enerji miktarı pozitiftir. Bu değer küçük olsa da sıfırdan büyüktür ve uzaydan bir şeyler alıp toplam enerjisini negatifleştirmek mümkün değildir.
Elbette bir bölgede diğerine göre daha düşük enerji durumları elde etmek için uzayı manipüle edebilirsiniz. Ancak burada da hala kütleçekimi mevcuttur. Elde ettiğimiz şey, bir bölgenin diğerine göre daha az çekici olması durumudur. Bu nedenle de 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
- Ask Ethan: Why is there no antigravity? ; Bağlantı: Ask Ethan: Why is there no antigravity? – Big Think ;Yayınlanma tarihi: 1 Aralık 2023
Matematiksel
