Kütle çekim (gravitasyon) ya da çekim kuvveti, kütleli her
şeyin gezegenler, yıldızlar ve galaksiler de dahil olmak üzere birbirine doğru
hareket ettiği (ya da birbirine doğru çekildiği) doğal bir fenomendir. Enerji
ve kütle eşdeğer olduğu için ışık da dahil olmak üzere her türlü enerji kütle
çekimine neden olur ve onun etkisi altındadır.
Dünya'da, kütle çekimi, fiziksel nesnelere
ağırlık verir ve okyanus gelgitlerine neden olur. Evrendeki orijinal gaz
halindeki maddenin çekimi, orijinal gaza benzer maddeyi bir araya getirerek yıldızlar
oluşturmaya ve yıldızların galaksilere birleştirilmesine, dolayısıyla kütle
çekimin Evrendeki büyük ölçekli yapıların çoğundan sorumlu olmasına neden
olmuştur.
Kütle çekimi, sonsuz bir aralıkta bulunurken,
uzaktaki nesneler üzerindeki etkileri gittikçe daha zayıf hale gelmektedir.
Kütle çekimi, kütle çekimini bir kuvvet olarak değil, kütlenin / enerjinin
düzensiz dağılımının yol açtığı uzay-zaman eğriliğinin bir sonucu olarak
tanımlayan genel görelilik teorisi ile açıklanmaktadır.
Uzay-zamanının bu eğriliğinin en uç örneği,
hiçbir şeyin, ışığın bile, ufkuna girdikten sonra kara delikten kaçamamasıdır.
Ancak, çoğu uygulama için kütle çekimi, Newton'un evrensel çekim yasasıyla
anlatılır.
İki cismin kütlesinin çekim kuvveti, bunların
kütleleri çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters
orantılıdır. Kütle çekimi, doğanın dört temel etkileşiminin en zayıf olanıdır.
Kütle çekim kuvveti, güçlü kuvvetten yaklaşık 1038 kat,
elektromagnetik kuvvetten 1036 kat ve zayıf kuvvetten 1029
kat daha zayıftır.
Sonuç olarak kütle çekimi, atom altı partiküllerin
davranışı üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir ve günlük maddenin iç
özelliklerini belirleme konusunda rol oynamaz. Öte yandan, kütle çekimi,
makroskopik ölçekte egemen etkileşimdir ve astronomik cisimlerin oluşum şekli
ve yörüngesinin sebebidir.
Kütle çekimi, dünya ve evren boyunca
gözlemlenen çeşitli olaylardan sorumludur. Örneğin, Dünya ve diğer gezegenlerin
Güneş'in yörüngesinde, Ay'ın Dünyanın yörüngesinde olmasına, gelgitlerin oluşumuna,
Güneş Sistemi'nin oluşumuna ve evrimine, yıldızlara ve galaksilere neden olur.
Planck döneminde (Evrenin doğumundan 10-43 saniye sonrasına kadar)
geliştirilen, muhtemelen kuantum kütle çekimi, süper gravite veya kütle çekimi
tekilliği biçimindeki evrende kütle çekiminin en eski örneği, muhtemelen bir
sahte vakum, kuantum vakumu veya sanal partikül gibi ilkel bir durumdan bilinmeyen
bir biçimde meydana gelmiştir. Bu nedenle, kısmen ‘her şeyin teorisi’nin
araştırılması, genel görelilik teorisinin ve kuantum mekaniğinin (veya kuantum
alan teorisinin) kuantum kütle çekimine birleştirilmesi bir araştırma alanı
haline gelmiştir.
Bir nesnenin kütlesi tarafından üretilen uzaysal çarpıtmanın iki boyutlu analojisi. Madde uzay-zamanının geometrisini değiştirir, bu (kavisli) geometri kütle çekimi olarak yorumlanır. Beyaz çizgiler, uzayın eğriliğini göstermez; düz bir uzay süresinde doğrusal olacak şekilde kavisli uzamsal zamana uygulanan koordinat sistemini temsil eder
1. Kütle Çekim
Teorisinin Tarihsel Gelişimi
Fizikte, yer çekim teorileri kütleli cisimlerin hareket
mekanizmalarını kapsayan etkileşimleri esas alır. Antik zamanlardan bu yana
birçok yer çekim teorisi ortaya atılmıştır.
1.1. Antik Çağ
M.Ö. 4. Yüzyıl: Yunan
filozof Aristo, hiçbir etki ve hareketin sebepsiz olamayacağına inanmıştır.
Toprak gibi ağır cisimlerin aşağı doğru hareketi onların doğasına bağlıydı. Bu
onların doğal yeri olan evrenin merkezine gitmeleri anlamına geliyordu. Tam
tersi, ateş gibi hafif elementler doğaları gereği yukarı, Ay kürenin iç yüzeyine
doğru hareket ediyordu. Yani Aristo'nun sisteminde, ağır cisimler dışarıdan bir
yer çekim kuvvetine maruz kalmaz, ancak kendi ağırlıklarından evrenin merkezine
doğru eğilim gösterirler.
Vitruvius (MÖ.
80-70-MÖ. 15): Romalı mimar ve mühendis,
‘De Architectura’sının 7. Kitabında, yer çekimin maddenin
ağırlığıyla değil doğasıyla alakalı olduğunu ele alır.
Eğer civa dolu bir kabın üzerine yüz pound
ağırlığında bir taş koyulursa taş cıva üzerinde yüzer, onu sıkıştırmaz ya da
onu kırıp geçmez. Eğer taşı kaldırıp yerine birkaç parça altın koyarsak altın
yüzmez ve sıvının dibine batar. Dolayısıyla bir maddeye etki eden kütle
çekiminin o maddenin ağırlığına değil doğasına bağlı olduğu reddedilemez.
Antik Hint astronom ve matematikçi Brahmagupta,
dünyanın küresel olduğu ve cisimleri kendine çektiği görüşüne sahipti. Hemdani ve Birûni Brahmagupta'nın
sözünü şöyle aktarmıştır: ‘Biz diyoruz ki dünya bütün yüzleriyle aynı,
dünyadaki bütün insanlar dik duruyor ve bütün ağır cisimler doğası gereği
dünyaya düşer. Çünkü suyun doğasında akmak, ateşin doğasında yanmak, rüzgarın
doğasında esmek olduğu gibi dünyanın doğasında da cisimleri çekmek vardır. Eğer
bir şey dünyadan derine inmek istiyorsa bırakın denesin. Dünya alçak olan tek
şeydir ve tohumları nereye atarsan at asla dünyadan yukarı çıkmazlar her zaman
ona dönerler’.
1.2. Modern Çağ
(Kütle Çekiminin Doğuşu)
16. Yüzyıl sonu-17. Yüzyıl başları: Kütle çekim kuramıyla ilgili modern çalışmalar
Galileo Galilei’nin çalışmaları ile başladı. Galileo, Pisa Kulesi'nden
topları atan meşhur deneyinde düşen eğik top ölçümleri ile, kütle çekim
ivmesinin tüm nesneler için aynı olduğunu gösterdi. Bu, Aristo'nun daha
ağır nesnelerin daha yüksek bir kütle çekim ivmesi olduğuna olan inancından
ciddi bir sapmaydı. Galileo, bir atmosferde daha az kütleye sahip nesnelerin
daha yavaş düşebileceği için hava direnci olduğunu öne sürdü. Galileo'nun
çalışmaları Newton'un kütle çekim kuramının formülasyonu için gerekli
altyapıyı hazırladı.
17. Yüzyıl sonları:
Robert Hooke'un mesafenin ters karesine bağlı olan bir kütle çekim kuvveti
olduğu önerisi üzerine, Isaac Newton o zaman bilinen 6 gezegen ve ay için
eliptik yörüngeleri de içeren Kepler'in üç kinematik gezegensel hareket
yasasını matematiksel olarak türetmeyi başarmıştır. Newton'un orijinal formülü:
1 objesinin kütlesi x 2 objesinin kütlesi
Gravite kuvveti µ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
(merkezlerden uzaklık)2
Bunu eşit taraflı bir formül ya da denklem haline getirmek
için, aradaki mesafe ya da kütleler ne olursa olsun doğru kütle çekimsel değeri
verecek bir sabit olması gerekiyordu. Bu gravitasyonal sabiti G, ilk defa Henry Cavendish tarafından
1797 yılında ölçülmüştür. [G, yaklaşık 6,67x10ˉ¹¹ N (m/kg)2]
1644: René
Descartes, kütle çekimini açıklamak girdapları kullanmıştır.
1671: Robert
Hooke; her cismin dalgalar yaydığını ve bu dalgaların başka cisimlerin çekimini
sağladığını varsaymıştır.
1687: İngiliz
matematikçi Isaac Newton evrensel kütle çekiminin ters kare kuralını hipotez
haline getirdiği Principia'yı yayımladı ve evrensel çekim kuvvetinin ters kare
yasasını hipotez haline getirdi. Kendi sözleriyle, "Gezegenleri küreler
içinde tutan güçlerin karşılıklı olarak etraflarındaki merkezlerden
uzaklıklarının kareleri olması gerektiği ve dolayısıyla ayı Orb'da tutmak için
gereken kuvveti karşılaştırdıklarını dile getirdim. Newton denklemi: F =G (m1.m2)
/ r2 (F kuvvet, m1 ve m², etkileşen nesnelerin kütleleri, r
kütlelerin merkezleri arasındaki uzaklık, G kütle çekim sabitidir)
1690: Christiaan
Huygens; kütle çekimini açıklamak için girdapları kullanmıştır.
1690: Nicolas
Fatio de Duillier; bir çeşit tarama ve gölgeleme mekanizması kullanarak bir partikül
modeli önermiştir.
17. Yüzyıl:
Galileo, Aristo'nun öğretilerinin
tersine bütün cisimlerin düşerken eşit ivmelendiğini bulmuştur.
1748: Georges-Louis
Le Sage; bir çeşit tarama ve gölgeleme mekanizması kullanarak bir partikül
modeli önermiştir.
1797: Henry
Cavendish tarafından Kütle çekim
sabitinin ilk defa ölçülmesi. [G, yaklaşık 6,67x10ˉ¹¹ N (m/kg)2]
1869: James
Challis; her cismin dalgalar yaydığını ve bu dalgaların başka cisimlerin
çekimini sağladığını varsaymıştır.
1871: William
Thomson (Lord Kelvin), her cismin titreştiğini ve bu titreşimin kütle çekimi
ve elektriksel yükleri açıklayabileceğini savunmuştur.
1875: Hendrik
Lorentz; Işığın yansıması ve kırınımı üzerine adlı doktora tezinde elektromagnetik
radyasyon teorisini geliştirmiştir.
19. yüzyıl sonu:
Merkür'ün yörüngesinin Newton'un teorisiyle tam olarak açıklanamadığı
biliniyordu, ama gezegenin yörüngesini karıştıracak başka bir cisim (Güneş'e
Merkür'den yakın bir gezegen gibi) içi yapılan hiçbir arama meyve vermemiştir.
1907: Albert
Einstein, kendisinin "hayatımın en mutlu düşüncesi" olarak tanımladığı,
bir binanın çatısından düşen gözlemcinin bir yer çekimi alanı hissetmediğini
fark etmiştir.
1915: Albert
Einstein, Merkür'ün yörüngesindeki tutarsızlığı
da açıklayan ‘genel görelilik teorisini ileri sürdü.
1916: Albert
Einstein tarafından göreliliğin genel kuramı olan ‘kütle çekimin geometrik kuramı’
yayımlandı; bu kuramın, bugün modern fizikteki kütle çekimi tanımladığı
düşünülen kuramdır. Genel görelilik, özel görelilik ve Newton'ın evrensel kütle
çekim yasasını genelleştirerek kütle çekimin uzay ve zaman ya da uzay-zamanda
tanımlanmasını sağlar.
1919: Arthur
Stanley Eddington’ın 29 Mayıs 1919 tarihinde gerçekleşen güneş tutulması
sırasında yaptığı gözlemlerle ışığın sapması öngörüsü teyit edilmiştir.
1976:
Einstein eşdeğerlik İlkesi deneyleriyle İnce yapı sabitleri, zayıf etkileşim
sabitleri ve proton mıknatıssal oranı değişme limitleri saptandı.
2002:
Einstein eşdeğerlik İlkesi deneyleriyle elektron-proton kütle oranı değişme
limitleri saptandı.
2012:
Çin’deki bir araştırma ekibi, dolunay ve yeni ay boyunca oluşan Dünya’nın
gelgitleri arasındaki faz gecikmesini bulduğunu açıkladı.
2015: LIGO
(Lazer İnterferometre Kütle Çekim Dalga Gözlemevi), dünyadan 1.3 milyar ışık
yılı uzaklıktaki iki kara deliğin çarpışmasından doğan kütle çekimi dalgalarını
kaydetti.
1.3. Newton Evrensel
Kütle Çekim Yasası
Newton'un teorisi en büyük başarısını, Uranüs'ün diğer
gezegenlerin etkileriyle açıklanamayan hareketleri kullanılarak Neptün'ün
keşfini sağlamasıyla yaşamıştır. John Couch Adams ve Urbain Le Verrier'in
hesapları gezegenin genel pozisyonunu tahmin etti ve Johann Gottfried Galle'nin
gezegeni keşfetmesini sağlayan bu hesaplar oldu.
Paul Dirac yer çekiminin evrenin tarihi boyunca yavaş
ve sürekli olarak azalması gerektiği hipotezini geliştirmiştir.
Newton'un teorisinin yerini genel göreliliğe bırakmasına
rağmen çoğu modern görelilik gerektirmeyen kütle çekimi hesapları hala
Newton'un teorisi kullanılarak yapılmaktadır, çünkü çalışması çok daha kolay ve
çoğu uygulama alanı için yeterince doğrudur.
1.4.
Eşdeğerlik (Denklik) ilkesi
Galileo, Loránd Eötvös ve Einstein
gibi bir araştırmacları tarafından araştırılan eşdeğerlik ilkesi, tüm
nesnelerin aynı şekilde düştüğü ve kütle çekiminin etkilerinin ivme ve
yavaşlamanın bazı yönlerinden ayırt edilemez olduğunu ortaya koymaktadır. Zayıf
eşdeğerlik prensibini test etmenin en basit yolu, farklı kütlelerin veya
kompozisyonların iki nesnesini vakumda bırakıp aynı anda zemine çarpıp
vurmadıklarını görmektir.
Einstein'in eşdeğerlik İlkesi hakkındaki açıklaması:
Biraz düşünüldüğünde eylemsiz
kütle ve kütle çekimsel kütlenin eşitliğinin, Kütle çekim alanı tarafından
ivmelendirilen cismin ivmesinin cismin doğasından bağımsız olduğu iddiası ile
denk olduğu görülecektir. Newton’un kütle çekimsel bir alanda hareket için olan
formülü tam hali ile yazıldığında:
(eylemsiz
kütle) (ivme) = (kütle çekimsel alanın yoğunluğu) (kütle çekimsel kütle)
İvmelenme, cismin doğasından
bağımsız olan eylemsiz kütle ve kütle çekimsel kütle arasında sayısal eşitlik
olduğu zaman olmaktadır.
Bu tür deneyler, diğer kuvvetlerin (hava
direnci ve elektromagnetik etkiler gibi) önemsiz olduğu durumlarda tüm
nesnelerin aynı hızda düştüğünü göstermektedir. Daha sofistike testler Eötvös
tarafından icat edilen bir torsiyon dengesini kullanıyor. Uzayda daha doğru
deneyler için uydu deneyleri, örneğin STEP, planlanmaktadır.
Eşdeğerlik ilkesinin formüllerinin içerdiği
kuramlar:
1. Zayıf eşdeğerlik ilkesi: Bir kütle
çekimi alanındaki bir nokta kütlesinin yörüngesi yalnızca başlangıçtaki
konumuna ve hızına bağlıdır ve bileşiminden bağımsızdır.
2. Einstein'ın eşdeğerlik ilkesi: Serbest
düşen bir laboratuarda herhangi bir kütle çekimsiz deneyin sonucu, laboratuarın
hızından ve uzay-zamanındaki yerinden bağımsızdır.
3. Yukarıdakilerin
her ikisini de gerektiren güçlü eşdeğerlik ilkesi.
1.5. Genel Görelilik
Genel görelilikte,
kütle çekiminin etkileri, bir kuvvet yerine uzay-zaman eğriliğine atfedilir.
Genel görelilik için başlangıç noktası, serbest düşüşe
atalet hareketi eşlik eden eşdeğerlik ilkesidir ve serbest düşen atalet
nesneleri yerdeki atıl olmayan gözlemcilere göre hızlandırılmış olarak
tanımlar. Bununla birlikte, Newton fiziğinde, nesnelerden en az birisi bir
kuvvet tarafından işletilmedikçe böyle bir ivme oluşabilir.
Einstein, uzay zamanının madde tarafından kıvrıldığını ve
serbest düşen cisimlerin kavisli uzayda yerel düz yol boyunca ilerlediğini
önermişti. Bu düz yollara jeodezik denir. Newton'un hareket ilk yasası gibi,
Einstein'ın teorisi, bir cisim üzerine bir kuvvet uygulanıyorsa, bir
jeodezikten sapacaktır. Mesela, Dünya'nın mekanik direnci üzerimizde yukarı
doğru bir kuvvet uyguladığından ayakta dururken jeodezik çalışmaları
izlemiyoruz; bunun sonucu olarak yeryüzünde eylemsiz durumdayız. Bu,
uzayda jeodeziklerin birlikte hareket etmenin neden
atalet olarak kabul edildiğini açıklar.
Einstein Alan Denklemlerinin Başlıca Çözümleri
Reissner–Nordström Çözümü: Bu metrik, Maxwell denklemlerini de içeren Einstein alan
denklemlerinin statik çözümü olarak varsayımsal biçimde ortaya çıkmıştır.
Kütlesi "M" olan, yüklü ama dönmeyen küresel yapıdaki gravitasyonal alana tekabül etmektedir. Bu metrik Hans Reissner ve Gunnar Nordström
tarafından bulundu. Bu dört çözüm aşağıdaki tablodagösterildiği gibi
özetlenebilir:
Dönmeyen (J = 0)
|
Dönen (J ≠ 0)
|
|
Yüksüz (Q = 0)
|
Schwarzschild
|
Kerr
|
Yüklü (Q ≠ 0)
|
Reissner–Nordström
|
Kerr–Newman
|
Q elektrik
yükü, J açısal momentum
Schwarzschild Çözümü: Bu çözüm, küresel olarak simetrik
dönmeyen yüksüz kütleli bir nesneyi çevreleyen uzay-zamanı tarif etmektedir.
Yeterince kompakt olan nesneler için bu çözüm, merkezinde tekillik bulunan bir
karadelik yaratır. Merkezden radyal uzaklığı Schwarzschild yarıçapından çok
daha büyük olan noktalarda, Schwarzschild çözümü tarafından ön görülen
ivmelenmeler pratik olarak Newton’un kütle çekim teorisi tarafından ön görülen
ivmelenmeler ile aynıdır.
Kerr Çözümü: Bu çözüm dönen
kütleli cisimler ile ilgilidir. Benzer şekilde, bu çözümde de birden fazla olay
ufku olan kara delikler üretilmektedir.
Kerr-Newman Çözümü: Yüklü, dönen ve kütleli nesneler ile
ilgilidir. Bu çözümde de birden fazla olay ufku olan kara delikler
üretilmektedir.
Kozmolojik Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker Çözümü: Bu çözüm evrenin genişlediğini öngörmektedir.
Genel Göreliliğin
Testleri
Genel göreliliğin bu kadar başarılı olmasının sebebi eski
teorinin tahmin edemediği fizikler olayları tahmin edip açıklayabilmesidir. Örneğin,
Genel görelilik, Merkür gezegeninin günberi devinimini
açıklamaktadır.
Teorinin tahminlerinden biri olan düşük potansiyellerde
zamanın daha yavaş geçmesi (kütle çekimsel zaman genişlemesi) Pound-Rebka
deneyi (1959), Hafele-Keating deneyi ve GPS tarafından teyit edilmiştir.
Işığın sapması öngörüsü, ilk olarak Arthur Stanley
Eddingtontarafından 29 Mayıs 1919 tarihinde gerçekleşen güneş tutulması
sırasında yaptığı gözlemler yolu ile teyit edilmiştir. Eddington yaptığı
ölçümlerde, yıldız ışıklarındaki sapmanın Newton’un partikül teorisine göre iki
kat fazla ve genel göreliliğin öngörüleri ile uyumlu olduğunu görmüştür. Ancak,
sonuçlar hakkında yaptığı yorumlar daha sonra eleştirilmiştir. Güneşin
arakasından geçen kuvasarların radyo girişim ölçümlerini kullanan daha yakın
zamanda yapılan testler, daha kesin ve tutarlı bir biçimde ışığın genel
görelilik tarafından öngörülen miktarda saptığını göstermişlerdir.
Kütleli bir cismin yakınından geçen ışığın zamansal
gecikmesi, ilk olarak Irwin I. Shapiro tarafından 1964 yılında
gezegenler arası uzay araçlarının sinyallerini incelemesi sırasında ortaya
çıkarılmıştır.
Kütle çekimsel
radyasyon, çiftli pulsarların incelenmesi sırasında dolaylı olarak
ortaya konmuştur. 11 Şubat 2016 tarihinde, LIGO ve Virgo işbirlikleri, bir kütle çekim dalgasının ilk
defa olarak tespit edildiğini duyurmuşlardır.
1922 yılında Alexander Friedmann, Einstein’in denklemlerinin
(kozmolojik sabitin varlığında dahi) durağan olmayan çözümlerinin olduğunu
bulmuştur. 1927 yılında Georges Lemitres, ancak kozmolojik sabitin varlığında
mümkün olan Einstein denklemlerinin durağan çözümlerinin kararsız olduklarını
göstermiştir. Buradan hareketle de Einstein tarafından öngörülen durağan
Evren’in var olamayacağı sonucuna varılmıştır. Daha sonra, 1931 yılında
Einstein’in kendisi de Friedmann ve Lemaitre’nin sonuçlarına katıldığını
belirtmiştir. Böylelikle, genel göreliliğin öngördüğü Evren, statik olmamalıdır
– ya genişlemeli, ya da daralmalıdır. Evrenin genişlediği 1929
yılında Edwin Hubble tarafından
keşfedilmiştir ve böylece teorinin bir diğer öngörüsü daha teyit edilmiştir.
Teorinin öngörülerinden olan çerçeve sürüklenmesi, yakın
zamanda alınan Kütle Çekim Uydusu B’nin sonuçları ile uyumludur.
Genel görelilik, büyük kütleli cisimlerden uzaklaşan ışığın
kütle çekimsel kırmızıya kayma nedeniyle enerji kaybedeceğini öngörmektedir. Bu
öngörü, 1960’lı yıllarda hem dünyada hem de güneş sisteminde teyit edilmiştir.
1.6. Kütle Çekimi ve
Kuantum Mekaniği
Genel göreliliğin keşfini takip eden birkaç yıl sonra ,
genel göreliliğin kuantum mekaniği ile uyumsuz olduğu görülmüştür.
Diğer temel kuvvetlerde olduğu gibi kütle çekimini de kuantum alan teorisi
çerçevesinde açıklamak mümkündür. Burada, kütle çekiminin çekimsel kuvvetinin,
tıpkı sanal fotonların değiş tokuş edilmesi yolu ile elektromanyetik
kuvvetlerin açığa çıkması gibi, sanal gravitonların alışverişi sırasında ortaya
çıktığı düşünülür. Bu açıklama, genel göreliliği klasik limitte ortaya çıkarır.
Ancak, bu yaklaşım, Planck uzunluğu ölçeğindeki kısa mesafelerde
başarısızdır. Bu ölçeğe inildiğinde, kuantum çekiminin daha eksiksiz bir teorisine
(veya kuantum mekaniğine daha yeni bir yaklaşıma) ihtiyaç bulunmaktadır.
Kuantum mekaniği; madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını
inceleyen bir bilim dalı. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da
anılır. Kuantum mekaniği; moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren
elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi partiküllerin özelliklerini
açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, partiküllerin birbirleriyle ve ışık, X
ışını, gama ışını gibi elektromagnetik radyasyonlarla olan etkileşimlerini de
kapsar.
Kuantum mekaniğinin temelleri 20. yüzyılın ilk yarısında Max Planck, Albert
Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von
Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim adamlarınca atılmıştır.
Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara cisim ışınımı,dalga kuramı,
Kuantum alan kuramı gibi kavram ve kuramlar bu alanda geliştirilmiş ve klasik
fiziğin sarsılmasına ve değiştirilmesine sebep olmuştur.
2. İlişkili Konular
Dünyanın Kütle Çekimi
Bütün gezegensi cisimler kendi kütle çekimsel alanları ile
çevrelenmişlerdir. Bu alanlar, Newton fiziği kullanılarak bakıldığında, bütün
cisimler üzerinde çekim gücü uyguluyor olarak tarif edilebilirler. Küresel
olarak simetrik bir gezegen varsaydığımızda, bu alanın, gezegensi cismin
yüzeyinin üzerindeki herhangi bir noktadaki gücü, cismin kütlesi ile doğru
orantılı, cismin merkezine olan uzaklığın karesi ile ters orantılıdır.
Yer çekimsel alanın kuvveti, etkisi altındaki cisimlerin
ivmelenmesine sayısal olarak eşittir. Dünya’nın yüzeyi yakınındaki düşen
cisimlerin ivmelenme oranları yüksekliğe, dağlar ve tepeler ve belki sıra dışı
oranda yüksek veya düşük yüzey altı yoğunluğuna bağlı olarak çok düşük
miktarlarda değişkenlik gösterir. Ağırlıklar ve uzunluklar ile ilgili
olarak Uluslararası Ağırlıklar ve Uzunluklar Bürosu tarafından
standart bir kütle çekim değeri tanımlanmıştır. Bu değer Uluslararası
Birimler Sistemi altında belirtilmektedir.
Standart kütle çekimi g ile gösterilir:
g = 9.80665 m/s2 (32.1740
ft/s2)
Bu 9.80665 m/s2’lik değer, Uluslararası
Ağırlıklar ve Uzunluklar Komitesi tarafından ilk seferinde benimsenmiş olan
değerdir. 1901 yılında yapılan ölçüme dayanan bu bilgi, her ne kadar 10 binde
beş oranında fazla yüksek olduğu gösterilmiş olsa da, halen standart değer
olarak kullanılmaya devam etmektedir. Bu değer meteorolojide kullanılmaya
devam edilmiştir ve bazı standart atmosferlerde, her ne kadar asıl değer
45 derece 32 dakika 33 saniye olsa da, 45 derecelik enlemdeki değer olarak kabul
edilmektedir.
Bu, G için standart değeri baz alırsak ve hava direnci ihmal
edersek, Dünya’nın yüzeyinde serbest bir biçimde düşen bir nesnenin, düştüğü
her saniye için 9.80665 m/s (32.1740 ft/saniye) hızlanacağı anlamına
gelmektedir. Böylece, durağan konumdan harekete geçen bir cisim, bir saniye
sonunda 9.80665 m/s (32.1740 ft/saniye) hıza ulaşacaktır. Bu hız,
ikinci saniye sonunda yaklaşık 19.62 metre/saniye (64.4 ft/s) olacak ve bu
şekilde, sonrasında geçen her saniye içim hıza 9.80665 m/s
(32.1740 ft/saniye) eklenecektir. Ayrıca, yine hava sürtünmesini ihmal
ettiğimizde, aynı yükseklikten bırakıldığı takdirde herhangi ve bütün cisimler
yere aynı anda çarpacaklardır.
Newton’un üçüncü kanununa göre, düşen bir cisme uyguladığı
kuvvetin aynısını kendisi de aynı büyüklükte fakat tam tersi yönde
hissetmektedir. Bu, iki cisim birbirleri ile çarpışıncaya kadar, Dünya’nın da
cisme doğru ivmelendiği anlamına gelmektedir. Dünya’nın kütlesi devasa
olduğundan, bu tersine yönlü kuvvet ile Dünya üzerinde oluşan ivmelenme,
nesnenin yaşadığı ivmelenmenin yanında çok küçüktür. Eğer nesne Dünya ile
çarpıştıktan sonra sekmezse, bu sefer her biri diğerine itici bir temas kuvveti
uygulayacak ve bu kuvvet çekim kuvvetini dengeleyerek daha fazla herhangi bir
hareket olmasını engelleyecektir.
Dünya üzerindeki kütle çekim kuvveti iki kuvvetten
kaynaklanır ve bu iki kuvvetin vektörel toplamıdır:
1. Newton’un evrensel yasaları uyarınca uygulanan kütle çekimi.
2. Merkezkaç kuvveti; bu kuvvet, dünyaya bağlı dönen bir
referans noktası almamızdan kaynaklanmaktadır.
Yer çekim kuvveti, ekvatorda en düşük düzeydedir. Bunun iki
nedeni vardır: Birincisi, ekvatorun üzerindeki noktalar, Dünya’nın merkezine en
uzak noktalardır. İkincisi ise, merkezkaç kuvvetinin en güçlü biçimde
hissedildiği yerin Ekvator olmasıdır. Yer çekim kuvveti enlemin artması ile
birlikte ekvator çizgisi üzerindeki 9.780 m/s2’lik değerinden
kutuplar üzerindeki 9.832 m/s2’lik değere doğru artar.
Dünya’nın Yüzeyi
Yakınında Serbest Düşen Bir Cisme Ait Denklemler
Sabit bir kütle çekim kuvveti varsayımı altında, Newton’un
evrensel çekim kuvveti kanunu, F=mg formülüne
indirgenir. Burada m, cismin kütlesi, g ise Dünya üzerindeki ortalama büyüklük
değeri 9.81m/s2 olan sabit bir vektördür. Ortaya çıkan kuvvete
cismin ağırlığı denir.
Başlangıçta durağan olan bir cisim, serbest bırakıldığı
takdirde, serbest düşüş sırasında geçirdiği zamanın karesi ile orantılı bir
biçimde yol alır.
Aynı sabit kütle çekimi varsayımları altında, h
yüksekliğinde duran w ağırlığındaki bir cismin potansiyel
enerjisi,
Ep = m g h Ep
= w h
Bu gösterim, Dünya’nın yüzeyine olan mesafe olan h’ın
yalnızca çok kısa olduğu mesafeler için geçerlidir. Benzer şekilde, ilk hız v
ile fırlatılan bir cismin ulaşabileceği en büyük yüksekliğin gösterimi de h = v2
/ 2g küçük yükseklikler ve küçük başlangıç hızları için geçerlidir.
Kütle Çekimsel
Astronomi
Yer çekimi, içerisinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisi’ni
oluşturan yıldızlara etki eder.
Newton’un kütle çekim kanunlarının uygulanması, Güneş
Sistemi’ndeki gezegenler, Güneş’in kütlesi, kuvasarların detayları ve hatta
karanlık maddenin varlığı hakkında bile bugün sahip olduğumuz detaylı bilginin
çoğunun kaynağını oluşturmaktadır. Her ne kadar ne bütün gezegenlere ne de
Güneş’e yolculuk etmemiş olsak da, bunların kütlelerini biliyoruz. Bu kütleler,
kütle çekim kanunlarının yörüngenin ölçülen karakteristiklerine uygulanması
yolu ile elde edilmektedirler. Uzayda bir cisim, ona etki eden kütle çekimi
nedeniyle yörüngesini muhafaza eder. Gezegenler, yıldızların yörüngesinde
dolanır, yıldızlar ise galaktik merkezlerin çevresinde dolanırlar. Galaksiler,
yığınların ortasındaki ağırlık merkezinin çevresinde dolanırlar ve yığınlar da
süper yığınların yörüngesindedirler. Bir cisim üzerine diğer bir cisim
tarafından etki eden kütle çekim kuvveti, bu cisimlerin kütlelerinin çarpımı
ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.
Muhtemelen kuantum çekimi, süper çekim veya kütle çekimsel
tekillik şeklindeki en erken kütle çekimi, uzay ve zaman ile birlikte, Evren’in
başlangıcını takip eden 10-43 saniyelik bir süre olan Planck
evresinde ortaya çıkmıştır. Daha öncesinde ise Evren’in sahte vakum, kuantum
vakumu veya sanal partikül gibi daha ilkel bir düzeyde olduğu düşünülmekte
fakat Planck evresine nasıl geçiş yaptığı bilinmemektedir.
Kütle Çekimsel
Radyasyon
Genel göreliliğe göre, kütle çekimi radyasyonu, uzay-zamanın osilasyonu
gösterdiği yerlerde ortaya çıkar. Bu, birbirinin çevresinde yörüngeye girmiş
cisimlerde görülür. Güneş sistemi tarafında yayılan kütle çekimsel radyasyon
ölçülemeyecek kadar küçüktür. Ancak, ikili pulsar sistemlerde zaman içerisinde
oluşan enerji kaybı olarak kütle çekimi radyasyonunun dolaylı gözlemi
yapılabilmiştir. PSR B1913+16 bu tip pulsarlara bir örnektir. Nötron yıldızı birleşmelerinde
ve kara delik oluşumlarının da tespit edilebilir büyüklükte kütle çekimi
radyasyonu oluşturabileceği düşünülmektedir.
Lazer İnterferometre Kütle çekimsel Dalga Gözlemevi (LIGO)
gibi kütle çekimsel radyasyon gözlem evleri, bu problem üzerinde çalışmak üzere
inşa edilmişlerdir. 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO, dünyadan 1.3 milyar ışık yılı
uzaklıktaki iki kara deliğin çarpışmasından doğan kütle çekimi dalgalarını ilk
kez kayıt etti. Bu gözlemler, Einstein ve diğerlerinin, bu tip dalgaların var olduğuna
ilişkin teorik tahminlerini teyit etmiştir. Olay aynı zamanda ikili kara delik
sistemlerinin varlığını da göstermiş ve kütle çekiminin doğasının, Büyük Patlama ve sonrası dahil evrendeki
olayların anlaşılmasına yönelik olarak pratik gözlemlerin de önünü açmıştır.
Kütle Çekim Hızı
2012 yılının Aralık ayında, Çin’deki bir araştırma ekibi,
dolunay ve yeni ay boyunca oluşan Dünya’nın gelgitleri arasındaki faz
gecikmesini bulduğunu açıkladı. Bu sonuçlar, kütle çekimi hızının ışık hızı ile
aynı olduğunu gösteriyordu. Bunun anlamı şudur; eğer güneş bir anda ortadan
kaybolacak olsa, dünya, ışığın bu mesafeyi kat etmesi için gereken süre olan 8
dakika daha normal bir şekilde yörüngesinde kalacaktır. Takımın bulguları Şubat
2013 tarihli Çin Bilim Bülteni’nde yayınlanmıştır.
3. Anormallikler ve
Çelişkiler
Mevcut teori ile açıklanamayan bazı gözlemler de
bulunmaktadır. Bu gözlemlerin varlığı, daha iyi kütle çekim teorilerinin
yapılması gerektiğine işaret ediyor olabilir veya bilim adamlarını farklı
açıklama yollarına sevk edebilir.
Ekstra-hızlı yıldızlar: Galaksilerdeki yıldızların
belirli bir hız dağılımları vardır. Dış kısımlarda bulunan yıldızlar, normal
maddenin gözlemlenen hız dağılımına göre olması gerekenden daha hızlı hareket
ederler. Galaksi kümeleri içerisindeki galaksilerde de benzer bir durum
gözlemlenmektedir. Yer çekimi ile etkileşime girmesi beklenen ve elektromagnetik
olarak etkileşimsiz olduğu tahmin edilen karanlık madde bu farkın nedeni
olabilir. Newton dinamiğine yapılacak çok sayıda modifikasyonlar da çözüm önerisi
olarak sunulmuştur.
Yakınından geçme anomalisi: Yer çekimsel destek
manevraları sırasında birçok uzay aracı beklenenden daha fazla ivmelenme
yaşamıştır.
Hızlanan genişleme: Uzayın metrik genişlemesi
hızlanıyor gibi görünmektedir. Bunu açıklamak üzere karanlık enerji kavramı
ortaya atılmıştır. Yakın zamanda ortaya atılan bir diğer teori ise, galaksi
kümeleri nedeniyle, uzayın geometrisinin homojen olmayabileceği şeklindedir.
Teoriye göre, veriler bu gerçekler ışığında yeniden incelenirse, genişlemenin
hızlanmadığı sonucuna bile varılabilir. Bu teori yapılan çalışmalar neticesinde
çürütülmüştür.
Astronomik sabitin anormal bir biçimde yükselmesi: Yakın
zamanda yapılan ölçümler gezegen yörüngelerinin sadece Güneşin enerji yayarak
kütle kaybetmesine bağlı olarak olması gerekenden çok daha yüksek hızda
genişlediğini olduğunu göstermektedir.
Ekstra enerjili fotonlar: Galaksi kümelerinden
geçen fotonların bu kümelere girişleri sırasında enerji kazanmaları, çıkarken
de bu enerjiyi geri vermeleri beklenmektedir. Evrenin hızlanan genişlemesi
nedeniyle, bu fotonların kazandıkları enerjinin tümünü geri vermemeleri
beklenebilir. Fakat bu dikkate alındığında dahi, kozmik mikro dalga arka plan
radyasyonuna ait fotonların beklenenden iki kat fazla enerji kazandıkları
görülmektedir. Bu durum, belirli uzaklıklar söz konusu olduğunda kütle çekimin,
mesafenin karesinden daha hızlı bir biçimde azaldığı anlamına gelebilir.
Ekstra kütleli hidrojen bulutları: Lyman-alfa ormanını spektral çizgileri belirli ölçeklerdeki
hidrojen bulutlarının beklenenden daha fazla bir biçimde birbirlerinin içine
kümelenmiş olduğunu göstermektedir. Siyah akışa’a benzeyen bu durum, belirli
mesafe ölçeklerinde kütle çekiminin mesafenin karesinden daha yavaş bir biçimde
sönümlendiği anlamına gelebilir.
Güç: Önerilen
ekstra boyutlar kütle çekim kuvvetinin neden bu kadar zayıf olduğunu açıklayabilmektedir.
Yararlanılan
Kaynaklar
http://www.wikizero.biz/index.php?q=aHR0cHM6Ly90ci53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvS3VhbnR1bV9tZWthbmklQzQlOUZp
https://tr.wikipedia.org/wiki/K%C3%BCtle_%C3%A7ekimi
https://tr.wikipedia.org/wiki/K%C3%BCtle_%C3%A7ekimi_teorisi_tarihi
29 Mayıs 2019
