“Çok yoruldum. Öte yandan başarı muhteşem.”
Yüz yıl önce bu Kasım ayıydı ve Albert Einstein ender rastlanan bir mutluluğun tadını çıkarıyordu. Günler önce, 25 Kasım 1915’te, Berlin’deki Prusya Bilimler Akademisi’nde sahneye çıkmış ve kütleçekiminin yeni ve daha derin bir şekilde anlaşılması için on yıl süren zorlu yolculuğunu tamamladığını duyurmuştu. Einstein’a göre genel görelilik kuramı artık tamamlanmıştı.
Einstein’ın bu tarihî açıklamasına kadar geçirdiği bir ay, hayatının entelektüel açıdan en yoğun ve kaygı dolu dönemiydi. Bu dönem, Einstein’ın uzay, zaman, madde, enerji ve kütleçekiminin karşılıklı etkileşimine dair, insanlığın en büyük entelektüel başarılarından biri olarak kabul edilen radikal yeni vizyonuyla doruğa ulaşmıştı.
O zamanlar genel göreliliğin sesi sadece fiziğin ezoterik dünyasının kıyısında köşesindeki bir grup düşünür tarafından duyuluyordu. Geçtiğimiz yüzyılda Einstein’ın buluşu, evrenin kökeni, kara deliklerin yapısı ve doğa güçlerinin birleştirilmesi gibi çok çeşitli temel meseleler için bir bağlantı noktası haline geldi. Teori aynı zamanda güneş dışı gezegenleri aramak, uzak galaksilerin kütlesini belirlemek için kullanıldı hatta yoldan çıkmış araba sürücülerinin ve balistik füzelerin yörüngelerine rehberlik etmek gibi daha pratik görevler için de. Bir zamanlar kütleçekiminin egzotik bir tanımı olan genel görelilik artık güçlü bir araştırma aracı haline gelmiştir.
Kütleçekimini kavrama arayışı Einstein’dan çok önce başladı. Isaac Newton, 1665’ten 1666’ya kadar Avrupa’yı kasıp kavuran veba salgını sırasında Cambridge Üniversitesindeki görevinden ayrılarak ailesinin Lincolnshire’daki evine çekildi. Boş zamanlarında, yeryüzündeki ya da gökyüzündeki her nesnenin, yalnızca nesnelerin ne kadar büyük olduklarına (kütlelerine) ve uzayda birbirlerinden ne kadar uzak olduklarına (mesafelerine) bağlı olan bir kuvvetle birbirlerini çektiğini kavradı. Dünyanın dört bir yanındaki okul çocukları, fırlatılan kayalardan yörüngede dönen gezegenlere kadar her şeyin hareketi için olağanüstü derecede doğru tahminler yapan Newton yasasının matematiksel versiyonunu öğrendi ve Newton’ın kütleçekimi konusunda son sözü söylediği düşünüldü. Ama söylememişti. Bundan ilk emin olan da Einstein oldu.
1905 yılında Einstein özel görelilik kuramını keşfederek, hiçbir şeyin (hiçbir nesnenin ya da sinyalin) ışık hızından daha hızlı hareket edemeyeceği yönündeki meşhur ilkesini ortaya koydu. İşin püf noktası da burada yatıyor. Newton yasasına göre, Güneş’i kozmik bir marakas gibi sallarsanız, kütleçekimi Dünya’nın da hemen sallanmasına neden olacaktır. Başka bir deyişle, Newton’ın formülü kütleçekiminin etkisini bir konumdan diğerine anında gösterdiğini ileri sürer. Bu ışıktan daha hızlı olmakla kalmaz, sonsuzdur da.
Einstein bu konuda hiçbir şey söylemedi. Kütleçekiminin daha gelişmiş bir tanımı mutlaka olmalıydı ve bu tanımda kütleçekimsel etkiler ışığın önüne geçmiyordu. Einstein kendini bunu bulmaya adadı. Bunun için de görünüşte temel bir soruyu yanıtlaması gerektiğini fark etti: Kütleçekimi nasıl çalışıyordu? Güneş nasıl olur da 93 milyon mil boyunca uzanır ve Dünya üzerinde bir çekim kuvveti uygular? Günlük deneyimin daha tanıdık çekimleri için (bir kapıyı açmak, bir şarap şişesinin tıpasını açmak) mekanizma açıktır. Eliniz ile çekimi deneyimleyen nesne arasında doğrudan temas vardır. Ancak Güneş Dünya’yı çektiğinde, bu çekim uzayda (boş uzayda) gerçekleşir. Doğrudan temas yoktur. Peki kütleçekiminin buyruklarını yerine getiren hangi görünmez el iş başındadır?
Newton’ın kendisi de bu soruyu son derece kafa karıştırıcı bulmuş ve kütleçekiminin etkisini nasıl gösterdiğini tespit edememesinin, tahminleri ne kadar başarılı olursa olsun, teorisinin kesinlikle eksik olduğu anlamına geldiğini itiraf etmiştir. Yine de 200 yılı aşkın bir süre boyunca Newton’ın bu itirafı, gözlemlerle tam olarak örtüşen bir teorinin gözden kaçan bir dipnotundan başka bir şey olmamıştır.
1907’de Einstein bu soruyu yanıtlamak için ciddi bir şekilde çalışmaya başladı; 1912’ye gelindiğinde bu onun tam zamanını alan bir takıntı haline gelmişti. Ve bu birkaç yıl içinde Einstein, ifade etmesi kolay olduğu kadar kavraması da zor olan önemli bir kavramsal dönüm noktasına ulaştı: Eğer Güneş ile Dünya arasında boş uzaydan başka bir şey yoksa, o zaman karşılıklı çekim kuvveti uzayın kendisi tarafından uygulanmalıdır. Peki ama bu nasıl olur?
Einstein’ın hem güzel hem de gizemli yanıtı, Güneş ve Dünya gibi maddelerin etraflarındaki uzayın bükülmesine neden olduğu ve bunun sonucunda uzayın bükülmüş şeklinin yanından geçen diğer cisimlerin hareketini etkilediğidir.
Düz bir ahşap zemin üzerinde yuvarladığınız bir bilyenin izlediği düz yörüngeyi hayal edin; şimdi de bilyeyi sel nedeniyle eğrilmiş ve bükülmüş bir ahşap zemin üzerinde yuvarladığınızı. Bilye aynı düz yörüngeyi takip etmeyecektir çünkü zeminin kıvrımlı hatları tarafından bir o tarafa bir bu tarafa itilecektir. Yerde olduğu gibi, uzayda da durum böyledir. Einstein, uzayın kavisli hatlarının sopayla vurulan bir beyzbol topunu bilindik parabolik yolunu izlemesi için dürteceğini ve Dünya’yı her zamanki gibi elips şeklindeki yörüngesine oturtacağını öngörmüştü.
Bu nefes kesici bir adımdı. O zamana kadar uzay soyut bir kavramdı, bir tür kozmik kap gibiydi, değişimi etkileyebilecek somut bir varlık değildi. Aslında adım daha da büyüktü. Einstein zamanın da bükülebileceğini fark etti. Sezgisel olarak hepimiz saatlerin, nerede olduklarına bakılmaksızın, aynı hızda işlediğini düşünürüz. Ancak Einstein, saatlerin Dünya gibi büyük bir cisme ne kadar yakınsa o kadar yavaş işlediğini, bunun da kütleçekiminin zamanın geçişi üzerindeki şaşırtıcı etkisini yansıttığını öne sürdü. Uzaysal bir çarpıklık bir cismin yörüngesini ne kadar saptırabilirse, zamansal bir çarpıklık da o kadar saptırabilir: Einstein’ın matematiği, nesnelerin zamanın daha yavaş geçtiği yerlere doğru çekildiğini öne sürdü.
Yine de Einstein’ın kütleçekimini uzay ve zamanın şekli açısından köklü bir şekilde yeniden yorumlaması onun zafer kazanması için yeterli değildi. Fikirlerini uzay, zaman ve maddenin dansının tam olarak tanımlanmasını sağlayacak öngörülü bir matematiksel koreografiye dönüştürmesi gerekiyordu. Albert Einstein için bile bunun muazzam bir meydan okuma olduğu kanıtlandı. Denklemleri oluşturmaya çalışırken 1912’de bir meslektaşına “Hayatımda daha önce kendime hiç böyle eziyet etmemiştim” diye yazmıştı. Yine de sadece bir yıl sonra, Zürih’te matematiksel olarak daha uyumlu meslektaşı Marcel Grossmann ile çalışırken, Einstein cevaba kışkırtıcı bir şekilde yaklaştı. 1800’lerin ortalarında elde edilen ve eğri şekilleri tanımlamak için geometrik bir dil sağlayan sonuçlardan yararlanarak, kütleçekiminin uzay ve zaman geometrisi açısından tamamen yeni ve bütünüyle titiz bir yeniden ifadesini yarattı.
Ardından her şey sanki tepetaklak oldu. Einstein yeni denklemlerini araştırırken önemli bir teknik hata yaptı ve bu da önerisinin her türlü sıradan hareketi doğru bir şekilde tanımlayamadığını düşünmesine neden oldu. İki uzun ve yorucu yıl boyunca umutsuzca sorunu düzeltmeye çalıştı ama başaramadı.
Her zamanki gibi inatçı olan Einstein yılmadı ve 1915 sonbaharında en sonunda ileriye giden yolu gördü. O zamana kadar Berlin’de profesördü ve Prusya Bilimler Akademisine kabul edilmişti. Buna rağmen boş vakti vardı. Ayrı yaşadığı karısı Mileva Maric sonunda Einstein’la olan hayatının bittiğini kabul etmiş ve iki oğluyla birlikte Zürih’e geri taşınmıştı. Giderek gerilen aile ilişkileri Einstein’ın üzerinde ağır bir yük oluştursa da, bu durum ona Berlin’deki ıssız dairesinin sessiz yalnızlığında gece gündüz rahatsız edilmeden matematiksel içgüdülerini özgürce takip etme imkânı verdi.
Kasım ayına gelindiğinde bu zamansal özgürlük meyvelerini verdi. Einstein daha önce yaptığı hatayı düzeltti ve genel görelilik kuramına giden son adımı attı. Ancak ince matematiksel ayrıntılar üzerinde yoğun bir şekilde çalışırken, koşullar beklenmedik bir şekilde tehlikeli bir hal aldı. Birkaç ay önce Einstein ünlü Alman matematikçi David Hilbert ile bir araya gelmiş ve yeni kütleçekim teorisi hakkındaki tüm düşüncelerini paylaşmıştı. Görünüşe göre, Einstein bu görüşmenin Hilbert’in ilgisini ne denli artırdığını ve artık Einstein’la bitiş çizgisine kadar yarıştığını şaşkınlıkla öğrendi.
İkilinin Kasım 1915 boyunca birbirlerine gönderdikleri bir dizi kartpostal ve mektup, her ikisi de genel görelilik denklemlerine yaklaşırken yaşanan samimi ama yoğun rekabeti gözler önüne seriyor. Hilbert, gelecek vaat eden ama henüz tamamlanmamış bir kütleçekim teorisinde bir açılım peşinde koşmanın adil bir oyun olduğunu düşünürken; Einstein, Hilbert’in zirveye bu kadar yakın bir yerde tek başına keşif gezisine çıkmasının insafsızca izlenen kötü bir yol olduğunu düşünüyordu. Üstelik Einstein, Hilbert’in daha derin matematiksel kaynaklarının ciddi bir tehdit oluşturduğunu endişeyle fark etti. Yıllar süren sıkı çalışmasına rağmen, Einstein’ı alt edebilirdi.
Endişeleri haklıydı. Einstein 13 Kasım Cumartesi günü Hilbert’ten “büyük probleminizin çözümünü” “ayrıntılı” bir şekilde öğrenebilmek için ertesi Salı günü Göttingen’de kendisine katılması için bir davet aldı. Einstein reddetti. “Şimdilik Göttingen’e gitmekten kaçınmalıyım ve sisteminizi basılı makaleden inceleyene kadar sabırla beklemek zorundayım, zira yorgunum, mide ağrılarım da cabası.”
Ne var ki o perşembe günü Einstein postasını açtığında Hilbert’in el yazısıyla karşılaştı. Einstein öfkesini güçlükle gizleyerek hemen cevap yazdı: “Verdiğiniz sistem gördüğüm kadarıyla ya da görebildiğim kadarıyla son birkaç hafta içinde bulduğum ve Akademi’ye sunduğum sistemle tam olarak uyuşuyor.” Einstein arkadaşı Heinrich Zangger’e şu itirafta bulundu: “Kişisel tecrübelerime dayanarak… insan türünün içinde bulunduğu sefilliği bu teori vesilesiyle öğrendiğim kadar hiçbir şekilde öğrenmiş değildim.”
Bir hafta sonra, 25 Kasım’da, Prusya Akademisi’nde sessiz bir dinleyici topluluğuna ders veren Einstein, genel görelilik kuramını oluşturan son denklemleri açıkladı.
O son hafta boyunca neler olduğunu kimse bilmiyor. Einstein son denklemleri kendi başına mı buldu, yoksa Hilbert’in makalesi beklenmedik bir yardım sunmuş muydu? Hilbert’in taslağı denklemlerin doğru biçimini içeriyor muydu, yoksa Hilbert, Einstein’ın çalışmasından esinlenerek bu denklemleri aylar sonra yayımladığı makalenin versiyonuna sonradan mı ekledi? Hilbert’in makalesinin kanıtları içeren sayfaların tüm bu soruları çözebilecek önemli bir bölümünün kelimenin tam anlamıyla kesilip atıldığını öğrendiğimizde durum daha da derinleşiyor.
Sonunda Hilbert doğru olanı yaptı. Nihai denklemlerin ortaya çıkmasındaki rolü ne olursa olsun, genel görelilik kuramının haklı olarak Einstein’a atfedilmesi gerektiğini kabul etti. Nitekim öyle de oldu. Hilbert de hakkını aldı, şöyle ki genel görelilik denklemlerini ifade etmenin teknik ama özellikle kullanışlı bir yolu her iki adamın da adını taşıyor.
Hiç şüphesiz, bu övgü ancak genel görelilik kuramının gözlemler yoluyla doğrulanması halinde değer kazanacaktı. Dikkat çekici bir şekilde, Einstein bunun nasıl yapılabileceğini görebilmişti.
Genel görelilik, uzak yıldızlardan yayılan ışık demetlerinin Güneş’in yakınındaki eğri bölgeden geçerek Dünya’ya ulaşırken eğri yörüngeler boyunca ilerleyeceğini öngörmekteydi. Einstein bunu kesinleştirmek için yeni denklemleri kullandı, ki bu da eğimli yörüngelerin matematiksel şeklini hesapladı. Ancak gökbilimcilerin bu tahmini test edebilmeleri için Güneş tam ön plandayken uzak yıldızları görmeleri gerekir ki bu da ancak Ay, Güneş’in ışığını engellediğinde, yani bir güneş tutulması sırasında mümkündür.
Böylece 29 Mayıs 1919’daki bir sonraki Güneş tutulması genel göreliliğin kanıtlanma alanı olacaktı. Sör Arthur Eddington liderliğindeki İngiliz astronomlardan oluşan ekipler, tam Güneş tutulmasının yaşanacağı iki yerde, Brezilya’nın Sobral kentinde ve Afrika’nın batı kıyısındaki Príncipe’de bir araştırma merkezi kurdular. Zorlu hava koşullarıyla mücadele eden her ekip, Ay, Güneş’in üzerinden geçerken anlık olarak görünen uzak yıldızların bir dizi fotoğrafını çekti.
Sonraki aylarda görüntülerin dikkatli bir şekilde analiz edilmesi boyunca Einstein sabırla sonuçları bekledi. En sonunda, 22 Eylül 1919’da Einstein, tutulma gözlemlerinin öndeyisini doğruladığını bildiren bir telgraf aldı.
Dünyanın dört bir yanındaki gazeteler, Einstein’ın zaferini ilan eden ve onu neredeyse bir gecede dünya çapında bir üne kavuşturan nefes kesici manşetlerle hikâyeyi duyurdu. Tüm bu heyecanın ortasında genç bir öğrenci, Ilse Rosenthal-Schneider, Einstein’a gözlemler genel göreliliğin öngörüleriyle uyuşmasaydı ne düşüneceğini sordu. Einstein büyüleyici bir tavırla, “Sevgili Lord için üzülürdüm çünkü teori doğru” diye cevap verdi.
Gerçekten de tutulma ölçümlerinden bu yana geçen on yıllar içinde, genel göreliliğe kaya gibi sağlam bir güven duyulmasını sağlayan, bazıları devam etmekte olan pek çok başka gözlem ve deney yapılmıştır. Bunların en etkileyici olanlarından biri, NASA’nın en uzun soluklu projeleri arasında yer alan ve yaklaşık elli yıla yayılan bir gözleme dayalı testtir. Genel görelilik, Dünya gibi bir cismin kendi ekseni etrafında dönerken, uzayı bir kova pekmezin içinde dönen bir çakıl taşı gibi girdap halinde sürüklemesi gerektiğini iddia eder. 1960’ların başında Stanford fizikçileri bu öngörüyü test etmek için bir düzenek hazırladılar: Dünya’ya yakın yörüngeye dört adet ultra hassas jiroskop fırlatmak ve jiroskopların eksenlerinin yöneliminde, teoriye göre dönen uzayın neden olması gereken küçük kaymaları aramaya koyuldular.
Gerekli jiroskop teknolojisini geliştirmek için bir nesil bilimsel çaba harcandı ve ardından, diğer şeylerin yanı sıra, jiroskopların uzayda edindiği talihsiz bir yalpalamanın üstesinden gelmek için yıllarca süren veri analizi yapıldı. Ancak 2011 yılında, projenin bilinen adıyla Gravity Probe B’nin arkasındaki ekip, yarım asırdır süren deneyin başarılı bir sonuca ulaştığını duyurdu: Jiroskopların eksenleri Einstein’ın matematiğinin öngördüğü miktarda dönüyordu.
Geriye kalan ve yirmi yılı aşkın süredir üzerinde çalışılan bir deney var ki, pek çok kişi tarafından genel görelilik kuramının son sınaması olarak kabul ediliyor. Teoriye göre, ister yıldız ister kara delik olsun, çarpışan iki nesne uzayın dokusunda dalgalar yaratacaktır, tıpkı sakin bir gölde çarpışan iki teknenin su dalgaları yaratması gibi. Ve bu tür kütleçekim dalgaları dışarıya doğru dalgalandıkça, uzay, bir hamur topunun dönüşümlü olarak gerilmesi ve sıkıştırılması gibi, onların ardından genişleyecek ve daralacaktır.
1990’ların başında MIT ve Caltech’teki bilim insanlarının başını çektiği bir ekip kütleçekimsel dalgaları tespit etmek üzere bir araştırma programı başlattı. Buradaki zorluk, ki oldukça büyük bir zorluktur bu, eğer çok uzaklarda çalkantılı bir astrofiziksel karşılaşma meydana gelirse, ortaya çıkan uzaysal dalgalanmalar Dünya’ya ulaştığında o kadar geniş bir alana yayılmış olacaklardır ki, belki de uzayı bir atom çekirdeğinin sadece bir kısmı kadar esnetip sıkıştırarak olağanüstü derecede seyrelmiş olacaklardır.
Yine de araştırmacılar, Dünya’nın yanından geçerken uzayın dokusunda meydana gelen bir dalgalanmanın küçük belirtilerini görebilecek bir teknoloji geliştirdiler. 2001 yılında, LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) olarak bilinen dört kilometre uzunluğunda L şeklinde iki cihaz Livingston, Louisiana ve Hanford, Washington’da konumlandırıldı. Amaçlanan strateji, geçen bir kütleçekimi dalgasının her bir L’nin iki kolunu dönüşümlü olarak germesi ve sıkıştırması ve her bir kolda yukarı ve aşağı doğru yarışan lazer ışığı üzerinde bir iz bırakmasıdır.
2010 yılında LIGO, herhangi bir kütleçekim dalgası izi tespit edilemeden hizmet dışı bırakıldı; cihaz, Dünya’ya ulaşan bir kütleçekim dalgasının neden olduğu küçük seğirmeleri kaydetmek için gerekli hassasiyetten neredeyse kesinlikle yoksundu. Ancak şimdi LIGO’nun gelişmiş bir versiyonu, on kat daha hassas olması beklenen bir yükseltme uygulanıyor ve araştırmacılar birkaç yıl içinde uzak kozmik rahatsızlıkların neden olduğu uzaydaki dalgalanmaların tespitinin sıradan olacağını tahmin ediyor.
Başarı heyecan verici olacaktır çünkü kimse genel görelilikten gerçekten şüphe duymamaktadır, ancak teori ve gözlem arasındaki bağlantıların doğrulanması güçlü yeni uygulamalar sağlayabilir. Örneğin, kütleçekiminin ışığın yörüngesini büktüğünü ortaya koyan 1919 tutulma ölçümleri, şu anda uzak gezegenleri bulmak için kullanılan başarılı bir tekniğe ilham vermiştir. Bu tür gezegenler ev sahibi yıldızlarının önünden geçtiklerinde, yıldızın ışığını hafifçe odaklayarak gökbilimcilerin tespit edebileceği bir parlama ve kararma modeline neden olurlar. Benzer bir teknik, gökbilimcilerin, daha uzak kaynaklardan yayılan ışığın yörüngesini ne kadar bozduklarını gözlemleyerek belirli galaksilerin kütlesini ölçmelerine de olanak sağlamıştır. Daha tanıdık bir başka örnek ise Einstein’ın kütleçekiminin zamanın geçişini etkilediği keşfine dayanan küresel konumlandırma sistemidir. Bir GPS cihazı, yörüngedeki çeşitli uydulardan aldığı sinyallerin seyahat süresini ölçerek konumunu belirler. Kütleçekiminin uydular üzerinde zamanın nasıl geçtiği üzerindeki etkisini hesaba katmadan, GPS sistemi arabanız veya güdümlü bir füze de dahil olmak üzere bir nesnenin konumunu doğru bir şekilde belirleyemez.
Fizikçiler, kütleçekim dalgalarının tespit edilmesinin, gözlemsel astronomiye yeni bir yaklaşım getirerek, son derece önemli bir uygulama yaratma potansiyeline sahip olduğuna inanıyor.
Galileo’dan bu yana teleskopları gökyüzüne çevirerek uzaktaki nesnelerden yayılan ışık dalgalarını topluyoruz. Astronominin bir sonraki aşaması, uzak kozmik çalkantılar tarafından üretilen kütleçekim dalgalarını toplamaya odaklanabilir ve evreni tamamen yeni bir şekilde incelememize olanak tanıyabilir. Bu özellikle heyecan vericidir çünkü ışık dalgaları Büyük Patlama’dan birkaç yüz bin yıl sonrasına kadar uzayı dolduran plazmaya nüfuz edememiştir ancak kütleçekim dalgaları nüfuz edebilmiştir. Böylece bir gün evrenin ilk anlarına dair en etkili araştırma aracımız olarak ışığı değil kütleçekimini kullanabiliriz.
Kütleçekimi dalgaları uzayda bir şekilde ses dalgalarının havada dalgalanması gibi dalgalandığından, bilim insanları kütleçekimi sinyallerini “dinlemekten” bahsederler. Bu metaforu benimsersek, genel göreliliğin iki yüzüncü yılının fizikçiler için en sonunda yaratılışın sesini duymuş olmayı kutlama nedeni olabileceğini hayal etmek ne kadar da keyifli.
Orijinal Başlık: The Theory of Relativity, Then and Now
Yazar: Brian Greene
Türkçeye Çeviren: Özlem Kırtay
Editör: Bekir Demir
