bilimkurgu kulubu

Bilim & Teknoloji

Tarih: 12 Şubat 2016 | Yazar: Sinan İpek

0

Uzay ve Zaman Nasıl Ortaya Çıktı? (1. Bölüm)

Hafiften bunamaya başlamış olan Kral Lear ülkesini üç kızı arasında paylaştırmaya karar vermiştir. Bu amaçla kızlarını yarışa sokar. Saçma bir şekilde kızlarından babalarına olan sevgilerini güzel sözlerle ifade etmelerini ister. Ta en başından riyakârlığa çanak tutan bir istektir bu. Ancak Lear bu durumun farkında değildir.

İki büyük abla babalarını parlak sözlerle överler ve karşılığını da alırlar.

Büyük kızlarının övgülerini memnuniyetle karşılayan kral, asıl gözdesi olan en küçük kızı Kordelya’dan daha güzel sözler beklemektedir:

—Sırada sonuncu olsa da sevgide sonuncu olmayan, göz bebeğimiz Kordelya, diğerlerinden daha iyi bir parça için sen ne söyleyeceksin? diye sorar.

Ancak Kordelya’nın yanıtı dürüst ve kısadır:

—Hiçbir şey efendimiz!

Kordelya’ya göre, sevgiyi sözlerle ifade etmek gereksizdir, çünkü gerçek sevginin belagate ihtiyacı yoktur. Ama kral bu durumu pek de hoş karşılamaz.

—Hiçten hiç çıkar, bir şey söyle! diye azarlar kızını.

Shakespeare’nin bu muhteşem trajedisi, her cümlesi yüreğimize batarak akıp giderken, biz insan ruhunun derinliklerine doğru yapılan bu yolculuktan çok, Lear’ın şu sözleriyle ilgileneceğiz: “Hiçten hiç çıkar. Bir şey söyle!”

uzayzaman

Hiçten Hiç mi Çıkar?

Bu ifade, varlık sorunu karşısında çoğu fizikçinin tutumunu özetlemektedir. Fizikçiler de hiçlik karşısında benzer şeyler söylemekten öteye geçemezler çoğu zaman.

—“Elektron noktasal ve temel bir parçacıktır” derler.
—“Uzay-zaman fiziğin temel bileşenidir” derler.
—“Evrenin öncesi ve sonrası yoktur” derler.
—“Zaman, büyük patlamayla birlikte yaratıldığı için ‘öncesinde ne vardı?’ diye sormak anlamsızdır,” dediklerini de duyarsınız ara sıra. Fizikçiler için “temel” sözcüğü, onun en baştan beri var olacağı, değişmeyeceği ve yok olmayacağı anlamına gelir. Peki, neden fizikçilerin çoğunluğu Lear gibi hiçten hiç çıktığına inanmaktadır?

Bu soruları sormamalı mıyız gerçekten? Varlıkla ilgili düşünmek boş ve anlamsız mıdır? Yoksa düşüncelerimizi sağlam matematiksel temellere oturtarak bu bilmeceyi çözmenin bir yolunu bulabilir miyiz? Fizikçiler hangi olayların neyle sonuçlanacağını önceden tahmin edebilmek için formüller bulmak isterler. Ancak, olguların nedeni ve kökeni konusunda çekingendirler. Genellikle bu alanı teoloji (dinbilim) ve felsefeye bırakmayı tercih ederler. Yine de bir çok fizikçi, olguların kökeni ile ilgili teoriler oluşturmaktan kendini alamamıştır. Her ne kadar bütün teorilerin gelip dayandığı bir çin seddi bulunsa da zannımca bu set aşılmaz değildir. Sonuçta Pisagor, Demokritos, Newton, Eflatun, Kepler gibi devlerin yapmaya çalıştığı da bu değil miydi? Ellerinde mantık ve matematikten başka hiçbir araç olmaksızın, varlığın özünü keşfetmeye çalışmadılar mı?

Örneğin Pisagor, her şeyin sayı olduğunu söylerken bilime matematiksel anlayışı sokmuş oluyordu. İki bin beş yüz yıl önce Demokritos maddenin ve ruhun atom denen zerrelerden oluştuğunu söylerken de yanılmamıştı. Benzer şekilde Eflatun, göklerin özünün beşinci element dediği eterden oluştuğunu söylerken kendisinden binlerce yıl sonra gelen Newton’a yol açmış oluyordu. (Newton da benzer bir şey iddia etmiştir. Ancak Newton, uzay ve zamanın mutlak olduğuna da inanıyordu.) Kepler ise Eflatun’un beş elementle özdeşleştirdiği beş Platonik katıyı kullanarak gezegenlerin yörüngelerini açıklamaya çalışırken kendisinin ünlü yasalarına (Kepler Yasaları) ulaşmıştı.

Sonuçta, bütün filozoflar, “temel” olan ve diğer şeylerden “çıkarsanamayan” bir şeylerin varlığını ve çoğu da uzay ve zamanın “mutlak” bir yapısı olduğunu kabul etmişlerdir. Newton ve ondan iki yüz yıl sonra gelen Einstein gibi devler uzay ve zamanın “değişmez ve sürekli” olduğunu iddia etmiş, aksini düşünenlerle savaşmışlardır. Ancak, ne kadar ilginçtir ki, Einstein’in evrenin durağanlığına yönelik bütün iddiaları, yine kendi denklemleri tarafından çürütülmüştür.

O halde evren nasıl başladı? Madde ve enerji nereden geldi? Zaman ve uzay nasıl ortaya çıktı?

Hepsinden ötesi, bu soruların yanıtını bir gün bulabilecek miyiz?

Annemizden ayrı, bağımsız bir varlık olduğumuzu ilk fark ettiğimiz gün, çevremizi saran gerçekliğin doğasıyla ilgili merakımız da başlar. Ne yazık ki, gelişen bilimsel yöntemlere, olağanüstü hassas gözlem araçlarına ve binlerce insanın çabasına rağmen varlığın doğasıyla ilgili bilmecenin çözümüne henüz ulaşabilmiş değiliz. Yanıtları bilmiyoruz, ancak bu durum soru sormamıza engel olmuyor yine de. Fizikçiler zaman zaman parlak fikirlerle ortaya çıkmaya devam ediyorlar. Bu yazımda bu fikirleri kısaca özetlemeye çalışacağım. Öncelikle uzayın ortaya çıkışıyla ilgili üç teoriyi ele aldıktan sonra zamanın ortaya çıkışıyla ilgili birkaç şey söylemekten kendimi alamayacağım.

uzayzaman-3

Yerellik ve Metrik Uzay Kavramı

Her şeyden önce uzayı yerellik kavramıyla birlikte düşünmemiz gerekiyor. Ama bu kavramı anlamak için önce nokta kavramını anlamalıyız. Çünkü birazdan uzayı bütün noktaların kümesi olarak tarif ederken, yerellik kavramına başvuracağız.

Şimdi, nokta nedir?

Matematikte nokta tanımsız kabul edilir. Daha önceki bir yazımızda sözünü ettiğimiz matematik sistemlerinde kimi kavramlar tanımsız kabul edilir. Bunlar genelde o sistemin temel kavramlarıdır. Yani noktanın tanımını yapmaktansa, onu olduğu gibi kabul ediyoruz. Ancak bu, noktanın tarifini yapamayacağımız anlamına gelmez. Nokta, boyutsuz ve niteliksiz bir işaret olarak tarif edilebilir. Ancak boyutsuz ve niteliksiz olan bir şey, nasıl var olabilir ki? Olmayan bir şey üzerinde durmanın bize ne yararı var?

Nokta kavramını yararlı yapan onun “yer” bilgisini içermesidir. Zaten içerdiği tek bilgi de budur. Biz buna “konum” ya da “pozisyon” bilgisi diyoruz. Yani noktaların görevi yer belirtmektir. Bir nesnenin yerini anlatmak için sadece “bu cisim A noktasındadır” dememiz yeterli olur. Günlük hayatta da yer belirtirken noktaları kullanırız. Örneğin, “sokağın köşesine bak” deriz. Ya da “şu arabanın yanı boş mu?” diye sorarız. Bütün bu ifadeler örtük olarak nokta kavramını içermektedir.

Şimdi artık uzayı “olabilecek bütün noktaların kümesidir” diye tarif edebiliriz. Kendi amaçlarımız için yararlı bir tariftir bu—bizi uzayın şekli, özelliği ya da niteliği konusunda bilgilendirmez. Bize sadece uzayın bir noktalar kümesi olduğunu söylemekle yetinir. Yani bu tanım bize uzayın, içerdiği noktaların hiçbir düzene ya da kurala bağlı olmaksızın, üst üste yığılmasından ibaret olduğunu söylemekten öteye geçemez. Noktalar öylece üst üste yığılırsa, aralarındaki ilişki belli olmaz. Her nokta her noktaya temas edebilir ve iki nokta arasında “ani” etkileşimler söz konusu olur. (Noktalar boyutsuz olduğuna göre, hepsinin bir arada bulunması akla aykırı değildir.) Böylesi bir durumda her nokta birbiriyle “hiçbir gecikme olmaksızın ve aniden” etkileşime girebilir. Yani bir nevi kozmik kısa devre durumu oluşur. Anlaşıldığı kadarıyla başlangıçta böylesi bir durum söz konusuydu. Her nokta her noktaya temas edebiliyor, kozmik bir yumak halinde, tek bir yerde bulunuyordu. Yani uzay henüz var olmamıştı.

Peki, ama uzaydaki noktaları birbirinden ayıran, onları belli bir “hiyerarşi” ya da “sıra düzeni” içine sokan nedir? Dolmuş durağında dolmuşların iç içe geçerek, bir kargaşa yaratmasını engelleyen bir nevi kozmik değnekçi ya da kozmik trafik polisi bulunması gerekmez mi?

İşte bu kozmik değnekçiye Metrik Uzay deniyor.

uzayzaman-4

Metrik, uzaydaki noktaların konumlarının birbiriyle ilişkili olması gerektiğini söyler. Ancak bir metriğin çalışabilmesi için uzaklık kavramının tanımlanmış olması gerekir. İki nokta arasındaki uzaklığı veren matematiksel formüller vardır. Bu formüller, noktaların konumları ile yapılan aritmetik işlemler sonucunda, bize iki nokta arasındaki uzaklığı verirler. Yani A ve B noktaları arasında tanımlanmış bir |AB| uzaklık formülümüz olmalıdır. Bu formül, herhangi bir formül olabilir. Ancak, rastgele bir formül bildiğimiz anlamdaki uzayı yaratmayabilir. Ancak bazı koşulları sağlayan bir formül bildiğimiz uzayı verecektir. Bu koşullar:

a) Pozitiflik (A’nın B’ye uzaklığı negatif olamaz.)

b) Özdeşlik (A’nın B’ye uzaklığı sıfırsa, A ile B aynı noktadır.)

c) Simetri (A’nın B’ye uzaklığı, B’nin A’ya uzaklığına eşittir.)

d) Üçgen eşitsizliği (A’nın C’ye uzaklığı, A’nın B’ye olan uzaklığı ile B’nin C’ye olan uzaklığının toplamından küçük ya da eşittir.)

gibi cebirsel özelliklerdir.

Elimizde bu şartları sağlayan bir uzaklık formülü bulunuyorsa, o zaman noktaların birbirinden ne kadar uzakta olduklarını da biliyoruz demektir.

Fizikte yerellik ilkesi bize noktaların birbiriyle uzaklıklarına bağlı olarak etkileşebileceğini söylemektedir. Yani kısaca “gözden ırak olan, gönülden ırak” olur. A ve B noktaları yakın iseler, daha güçlü etkileşirler. Uzak iseler, etkileşimleri de zayıf olur. Sevgiliniz çok uzaktaysa, sizi fazla etkileyemez. Eğer sobaya çok yaklaşırsanız, yanarsınız. Bütün bu durumlar yerellik ilkesinin sonuçlarıdır.

Özetlersek, uzay belli bir hiyerarşiye göre (uzaklık) düzenlenmiş bir noktalar kümesidir.

Aksini düşünmek size saçma gelebilir. Uzay içinde yaşamaya öylesine alışkınızdır ki, bir A noktasından bir B noktasına “anında” gidememek bizi hiç şaşırtmaz. Karşımıza çoğu zaman engeller çıkaran uzaklık kavramı bize çok doğal, hatta zorunlu bir şeymiş gibi gelir. Binlerce, hatta milyonlarca kilometre uzaklıktaki bir noktaya elimizi uzatıp dokunma fikri şairane, ama çılgıncadır. Ancak matematik bize başka seçeneklerimiz de olduğunu söylemektedir. Öbür türlü uzaylar neden var olmasın? Hatta belki de bizim uzayımız neden böyle bir uzay olmasın?

dolanıklık

Kuantum Kuramının tuhaflıklarından bazıları bizim uzayımızın da böylesine fantastik bir alt yapısı olabileceğini fısıldamaktadır. İlk kez Einstein’in sözünü ettiği kuantum dolanıklık ilkesini ele alalım. Buna göre birbiriyle dolanık olan iki foton ya da elektron, aralarında hiç mesafe yokmuş gibi anında etkileşebilirler. Bu ilke öylesine gariptir ki Einstein bu ilkeye inanmamış, hatta bu ilkenin Kuantum Kuramını çürüttüğünü söylemiştir. (Bu etkiye Einstein’in verdiği isim: Uzaktan Tuhaf Etkileşim.)

Dolanık iki elektrondan biri evrenin öteki ucunda bile olsa, diğeri üzerinde yaptığımız ölçüm, anında yanımızdaki elektrona yansımaktadır. Günlük hayatın terimleriyle, kanki elektronlardan birini öperseniz, evrenin öteki ucunda olsa bile ötekinin yüzü anında kızarmaktadır. Demek ki Kuantum Kuramının dünyasında uzaklık diye bir engel yoktur. Bütün noktalar aynı yerde, birbiriyle derhal etkileşebilecek konumdadır.

Peki, ama birbiriyle bu kadar hızlı bir şekilde etkileşebilen kuantum nesnesi ne olabilir? Madde olamaz, çünkü kütlesi olan hiçbir şey ışıktan hızlı hareket edemez. Dolanık elektronların birbirine bu denli hızlı bir şekilde iletebildiği bu kuantum bilgisi hangi uzayda hareket ediyor? Bize çok sıradan gelen olguların altında aslında uzay ve zaman yokmuş gibi hareket eden olasılık genlikleri (yine bir kuantum kavramı) yatmaktadır. Olasılık genlikleri, hayalet gibi hareket eden, bir noktadan ötekine anında gidebilen, zaman ve uzaydan bağımsız kuantum özellikleridir.

Işığın madde ile etkileşimi bu genlikler sayesinde olmaktadır. Buna bir örnek verelim. İlkokuldan beri ışığın düz bir çizgide hareket ettiğini söyleriz. Ya da aynadan yansıyan ışığın geliş açısının yansıma açısına eşit olduğunu… Bu tür bilgiler bize doğal ve zorunlu şeylermiş gibi gelir, başka türlüsü düşünülemezmiş gibi… Oysa bunlar şaşırtıcı olgulardır ve bu olguların açıklamasını yapmak için olağanüstü karmaşık kuantum hesaplarıyla Kuantum Elektrodinamiği kanunlarını devreye sokmamız gerekir. Işık zerreleri düz bir çizgide gideceklerini nereden biliyorlar? Onları boş uzayda yönlendiren kılavuz nedir? Ya da bir ışık parçacığı gelme açısını nasıl ölçüyor? Yansıma açısını gelme açısına eşit olacak şekilde nasıl ayarlayabiliyor? Ve çift yarık deneyinde fotonları tek tek yolladığımızda perdede girişim deseni nasıl oluşuyor?

İşte kuantum kuramı bu sorulara yanıt vermek için oluşturulmuştur.

Yanıt, kabaca özetlersek, kuantum olasılık genlikleri denen (minik zerreler gibi düşünebileceğimiz) yapıların evrendeki olası bütün yollardan aynı anda gitmesi ve sonuç olarak, taşıdıkları bilgiyi tek bir neticede birleştirmesidir. İşte Kuantum Elektrodinamiği bunun kuramıdır. Yalnızca ilk kez karşılaşanlara değil, bu alanda uzman olanlara dahi şaşırtıcı gelen bir sonuçtur bu. Sonsuz sayıda olasılık genliği tüm evrene yayılıp olası tüm yollardan geçerek, bir an içinde, yani hiç zaman harcamadan evrenden bilgi toplamakta ve bu bilgi, fotonun yolunu çizmekte. Olasılık genlikleri nedir ve bunu nasıl yapıyorlar, bilemiyoruz. Ancak, bu kuramsal nesneler gerçekten varmış gibi düşünüldüğünde muhteşem bir yapı ortaya çıkıyor. İşte evrenimizin tuhaf gerçeği budur.

korunum

Peki, ama olasılık genlikleri nasıl bir anda her yerde bulunabiliyor, milyonlarca kilometrelik mesafeleri bir anda aşabiliyorlar? Evrenin işleyiş mekanizması gerçekten de tuhaftır.

Olasılık genlikleri düşüncesi, bize yine uzayın ve hatta zamanın var olmayabileceği, ya da bizim gerçeklik düzlemi olarak algıladığımız katmanın altında, bir başka uzay ve zaman katmanının var olabileceğini düşündürüyor. Yoksa uzay-zaman, tek bir nokta ve tek bir anda yığılmış ilişkiler yumağından mı ibarettir? Birazdan bu konularda bir şeyler söyleyen kuramları ele almaya çalışacağız.

Birçok fizikçi yerellik ilkesinden vazgeçmek gerektiğini düşünmeye başlamıştır. Yerellikten vaz geçmek, yazının başında sözünü ettiğimiz “uzaydaki noktalar arasında uzaklık kavramına göre düzenlenmiş bir hiyerarşisinin olmadığını” kabul etmek anlamına gelir. Bu da bizi nasıl bir keşmekeşe götürür? Belki de gerçekten yıldızlara dokunabilirsiniz. Yerellik ilkesinden vaz geçilmesi Nazım Hikmet’in Moskova’dan elini uzatıp İstanbul’daki vapurları okşayabilmesi demektir. Peki ama bu kadar apaçık olan bir ilkeden vazgeçebilir miyiz?

Kuantum mekaniğinin biraz önce sözünü ettiğimiz olguları, yerellik ilkesini tartışmamıza zemin hazırlamakta. Eğer, dolanıklık ve olasılık genlikleri gibi olgular olmasaydı yerellik ilkesinden şüphelenmek için elimizde hiçbir gerekçe bulunmayacaktı. Anlaşıldığı kadarıyla iki ilkedende vaz geçemiyoruz. Yerellik, bildiğimiz anlamda uzayı anlamlı hale getiriyor. Yerellik olmadan, uzay anlamsız bir karmaşa, üstüste yığılı bir noktalar kümesi olmaktan öteye gidemezdi. Böyle bir uzayda yaşamın mümkün olabileceğini sanmıyorum. Hatta evrenimizde çok önemli olan korunum ve simetri yasaları da bu ilkenin varlığına bağlı olabilir. Öte yandan ışığın düz bir çizgide gitmesi gibi çok temel görünen kimi olguları açıklamak için, yerellik dışı geometriler ve zaman dışı bir matematiğe başvurmamız gerekiyor.

O halde gerçek hangisi?

Modern fiziğin sık sık karşısına çıkan düalizmlerden (ikilik) birisi de bu mu?
Belki de aslında bu iki olgu birleşik, daha büyük bir olgunun çeşitli görünümleridir. Tıpkı suyun buz ve buhar şeklinde halleri olması gibi uzay da biri yerel olan ve diğeri olmayan iki fazın birleşiminden ibarettir. Belki de yerellik ilkesinin geçerli olduğu uzay bir istisnadır.

Etiketler: , , , , , , , , , , , , , , ,


Yazar Hakkında

Yazar, çizer, düşünür, öğrenir ve öğretmeye çalışır. Temel ilgi alanı Bilimkurgu yazarlığıdır. Bunun dışında Matematik, bilim, teknoloji, Astronomi, Fizik, Suluboya Resim, sanat, Edebiyat gibi konulara ilgisi vardır. Ara sıra sentezlediklerini yazı halinde evrene yollar. ODTÜ Matematik Bölümü mezunudur ve aşağıdaki başarılarıyla gurur duyar:TBD Bilimkurgu Öykü yarışmasında iki kez birincilik, 2. Engelliler Öykü yarışmasında birincilik, Ya Sonra Öykü Yarışması'nda finalist, Mimarlık Öyküleri Yarışması'nda finalist, 44. Antalya Altın Portakal Belgesel Film Yarışmasında finalist. Ithaki yayınları Pangea serisinin 5. üyesi "Beyin Kırıcı" adlı bir romanı var. https://www.ilknokta.com/sinan-ipek/beyin-kirici.htm