Ana sayfa 146. Sayı Uzay nasıl var olur?

Uzay nasıl var olur?

324
PAYLAŞ

Furkan Semih Dündar

Mutlak uzay cisimlerin içinde hareket edebildiği atmosfere benzer. Her cisim üç farklı yöne doğru çeşitli hareketler yaparak ilerleyebilir. Öte yandan mutlak zaman ise evrende ne kadar sürenin geçtiğini bize söyleyen kozmik bir duvar saati gibidir. Mutlak uzayda ne olup bitiyorsa bu saate göre işler.

Mutlak uzayda hareket eden üç parçacık. (Çizim: Umut Can)

Mutlak uzay ve mutlak zamanın gerçekten var olup olmamasıysa ayrı bir soru. Bunun için İngiliz fizikçi Newton meşhur sepet deneyini öne sürdü. Deney içi su dolu ve bir iple yukarı bağlanmış bir sepetten oluşuyor. Sepet döndürülüyor ve serbest bırakılıyor. Burulan ip yavaş yavaş dönmeye başlıyor ve beraberinde sepeti de döndürüyor. Sepet dönerken içindeki suyu da döndürüyor ve suyun üzeri kavisli bir hal alıyor. Bundan sonra Newton’ın yorumu şu şekilde oluyor: Eğer evrendeki tüm hareket göreceliyse suyun yüzeyinin kavis almaması gerekirdi. Çünkü sepetin içindeki su sepete göre hareket etmiyor ki bu durum ilk başta da bu şekildeydi. Ama bu böyle olmadı. Demek ki nesnelerin içinde dönebileceği bir mutlak uzay vardır.

Filozof Ernst Mach’ın bu deneye yorumuysa daha farklı. O eğer sepet birkaç kilometre genişliğinde olsaydı deneyin daha farklı olacağını savunuyor. Mach ilkesine göre mutlak nicelikler yoktur. Fizikte sadece göreceli olan kavramlar geçerli olmalıdır.

Newton’un sepet deneyinde su da sepetle beraber dönüyor ve yüzeyi kavisli bir şekil alıyor. (Çizim: Umut Can)

Şekil dinamiği ilk olarak İngiliz fizikçi Julian Barbour tarafından Mach ilkesini sağlamak üzere ortaya atılan bir kuram. Şekil dinamiğinde mutlak uzay yoktur, sadece göreceli olan parçacıklar arası mesafeler vardır. Bu kuram genel göreliliğe alternatif bir kuramdır. Bu alandaki çalışmalar genelde kütle çekimi, zamanın yönü gibi klasik kavramlar üzerine odaklandı. Biz bu kuramı atomların kuantum yapısına uyguladık. Elde ettiğimiz sonuç ise şaşırtıcıydı: kuram uzayı klasik olarak doğuruyordu.

Şekil dinamiği eldeki fiziki sistem üzerine bazı kısıtlar koyar. Bunlardan birincisi toplam enerjinin sıfır olmasıdır. Bu sayede dinamiğin gerçekleşeceği harici bir zaman ortadan kalkar. Bu kıstas mutlak zamanın var oluşunu engeller.

Açısal momentum dönme hareketi yapan cisimlerin bir özelliğidir. Onların ne kadar kuvvetle ve ne yönde döndüğünü belirtir. Şekil dinamiğinin bir diğer kıstasıysa toplam açısal momentumun sıfır olmasıdır. Bu sayede tüm sistem topyekun olarak bir dönme hareketi yapamaz. Bu şart da mutlak uzay kavramının doğuşunu engeller. Çünkü bu sayede cisimlerin içinde dönebileceği bir uzay ortadan kaybolur. Bu şartlar klasik bir sisteme uygulanırsa arzu edildiği üzere ne mutlak zaman ne de mutlak uzay ortaya çıkar.

Fakat eldeki kuram atomları öngören bir kuantum kuramı ise sonuçlar biraz değişiyor. Proton ve elektronlardan oluşan bir evren düşünelim. Burada mutlak olan hiçbir şey yok, sadece parçacıklar arası mesafeler ve bunların zamana göre değişimi mevcut. Sistemde bir hidrojen molekülü oluşabilir ve bunun orbitallerinin (elektron bulutunun) belirli bir açısal momentumu vardır. Fakat toplam açısal momentum sıfır olmalı. Demek ki sistemdeki atomlar ve moleküller bu açısal momentumu sıfırlayacak şekilde hareket etmelidirler. Eğer biz kuantum nicelikler yerine sadece klasik niceliklere odaklanırsak toplam açısal momentumun sıfır olmadığını görürüz. Buradan da sisteme klasik gözle bakan birinin mutlak uzayın varlığını hissettiği sonucu çıkar. Bu sonuç kuantum kütle çekimi açısından da yerindedir. Çünkü kuantum kütle çekiminde şu ana kadar süren çalışmalar uzay-zamanın temel bir kavram olmadığını başka bir şeylerin tezahürü olduğunu destekledi.

Kaynaklar

– Julian B. Barbour ve Herbert Pfister, Mach’s Principle: from Newton’s bucket to quantum gravity, Birkhauser, 1995

– Furkan Semih Dündar ve Barış Tamer Tonguç, Emergence of Spacetime in Quantum Shape Dynamics, arXiv:1511.09197

– Flavio Mercati, A Shape Dynamics Tutorial, arXiv:1409.0105

– Julian Barbour, Shape Dynamics. An Introduction, arXiv:1105.0183.