Stephen Hawking bilim dünyasına neler kazandırdı?

BURSA ARENA / Haber Merkezi

2018 Yılında aramızdan ayrılan Stephen Hawking bilim dünyasına neler kazandırdı? Ünlü fizikçinin en büyük 5 başarısını görelim. Ardından da bonus olarak teorik fiziğe yeni açılımlar getiren 3 devrimsel teorisini inceleyelim. İşte size büyük patlamadan kara deliklere evrenin en kısa tarihi.

Bilimle geçen bir ömür

Çağımızın en büyük fizikçisi Stephen Hawking 14 Mart 2018, Çarşamba günü, Cambridge’deki evinde 76 yaşında hayata veda etti. Hawking doktorların sadece iki yıl ömür biçmesine rağmen, bir ALS hastası olarak tam 55 yıl yaşadı.

Böylece hem beklentilere meydan okudu, hem de felçlilere iletişim ve hareket kabiliyeti kazandıran yenilikçi tekerlekli sandalyesiyle fiziksel engellilerin temsilcisi oldu.

Bir yandan göz hareketleri ve düşünce komutlarını sözlere döken teknolojilere sahip sandalyesiyle fiziksel engellilere yardım ederken, diğer yandan ünlü Zamanın Kısa Tarihi kitabıyla bilimin geniş kitlelere yaygınlaştırmasına katkıda bulundu.

Büyük fizikçi olmak kolay değil

Bazıları Stephen Hawking’i bilimsel araştırma yapmaktan çok etkinliklerde konuşma yapan ve robotların insanları yok edeceğini söyleyen popülist bir entelektüel olarak gördü.

Oysa boynundan aşağısı felçli olan Hawking’in, hasta bakıcılar dahil olmak üzere yüksek harcamaları vardı ve gelirini artırması gerekiyordu. Dünyanın en büyük zihinlerinden biri olarak öncelikle insan olduğu için özel ilgiyi hak ediyordu.

Hawking aynı zamanda duygusal ve bilge bir insandı. Bir keresinde, “Sevdiklerinizin yuvası olmasa pek de ilginç bir evren olmazdı” demişti.

En büyük başarıları

Sıra dışı bir dehası olan Hawking, kara deliklerden büyük patlamaya kadar birçok alanda çalışmalar yaparak astrofizik, kozmoloji ve teorik fizikte devrimsel teoriler geliştirdi.

Evrenin oluşumu ve kozmik kökenimiz hakkında yepyeni ve şaşırtıcı bilgiler sağladı, öğrendiklerini de toplumla her fırsatta paylaştı. Stephen Hawking’in fiziğe ve insanlığa armağan ettiği en büyük beş başarısını birlikte görelim:

1. Kara delik enformasyon paradoksu

Kara delikler çok yakına gelen her şeyi yutuyorsa ve kara deliklerin içine giren cisimler (astronot, politikacı, asteroit, gezegen, yıldız hiç fark etmez) bir daha asla dışarı çıkamıyorsa kara delikler enformasyonu (bilgiyi) yok ediyor demektir.

Stephen Hawking bu önermeden yola çıkarak kara deliklerde enformasyon paradoksunu inceledi. Buna paradoks diyoruz; çünkü enerjinin korunumu yasasına göre, evrende yoktan enerji yaratamaz ve enerjiyi yok edemezsiniz.

Enformasyon da en temelde enerjinin bilgisi olduğundan, kara deliklerin bilgiyi yutarak yok ediyor olması Hawking için büyük bir problemdi. Ömrü boyunca bu sorunu çözmek için uğraştı. 2016 yılına kadar bu alandaki çalışmalarını sürdürdü.

Hawking radyasyonu

Kara delikler Hawking radyasyonu ile buharlaşıyordu; ama yazımızın bonus kısmında göreceğimiz gibi, Hawking radyasyonu kara deliklerin içine düşen cisimlerle ilgili hiçbir bilgi içermiyordu. Hawking bunu sicim teorisinin öncülerinden olan yakın arkadaşı Leonard Susskind’le çok tartıştı.

Hatta onun da para kazanmasına yardımcı oldu; çünkü Susskind, Hawking’le olan tartışmalarını Kara Delik Savaşları adlı kitabında topladı.

Kara delik savaşları

Sonunda tartışmayı kazanan Susskind oldu: Her ikisi de kara deliklerin dış sınırı olan olay ufkunun kara deliğin içine düşen cisimlere ait bilgiyi içerdiğini, yani kara deliklerin enformasyonu yok etmediğini gösterdiler (bu hâlâ tartışmalı bir konu).

Kuantum fiziğinin dolanıklık özelliği sayesinde tam olay ufkunda (yuvarlak şekilli kara deliğin yüzeyinde) bulunan parçacıklar, kara deliğin içindeki parçacıklarla uzaktan etki yoluyla etkileşime giriyordu. Bu bilgiyi de kara deliğin hemen dışında bulunan ve evrenin teorik olarak erişebileceğimiz son sınırında saklıyordu.

Her ne kadar olay ufkundaki bilgi bizim için okunaksız olsa da (enformasyonun okunamayacak kadar düzensiz bir halde saklanmış olmasına rağmen) parçacıklara ait bilgi yok edilmiyordu. Tersine, kara deliklerin hemen dışında saklanıyordu. Hawking bu hipotezi ile ünlü TV dizisi Big Bang Theory’ye de konuk oldu.

2. Büyük patlama ve tekillik

Evren kendisini doğuran büyük patlama anında sonsuz küçük bir noktaya sıkışmış olan sonsuz yoğunluktaki bir cisimdi. Büyük patlamadan sonra hızla genişleyerek bugünkü boyutlarına ulaştı, yani yaklaşık 90 milyar ışık yılı çapındaki bir küre şeklini aldı (ve genişlemeye devam ediyor).

Biz de maddenin sonsuz küçük bir noktaya sıkışarak sonsuz yoğunluğa ulaşmasına tekillik diyoruz; çünkü Einstein’ın görelilik teorisi uyarınca bu durumda yerçekimi de sonsuza ulaşmış oluyor. Ancak sorun da burada:

Yerçekimine yol açan kütleçekim kuvveti de dahil olmak üzere evreni oluşturan bütün fizik yasaları tekillikte yok oluyor, geçerliliğini yitiriyor.

Bu bağlamda Einstein’ın görelilik teorisi denklemi de hata veriyor ve bizim de evrenin fiziğin geçerli olmadığı bir hiçlikten kendiliğinden ortaya çıktığını, fizik yasalarının da evrenle birlikte oluştuğunu kabul etmemiz gerekiyor.

Büyük çelişki

Hawking’den önce fizikçiler bu çelişkiyi ezeli evren döngüsü teorileriyle kırmaya çalıştılar. Buna göre ezeli bir evrenler silsilesi vardı. Her evren büyük patlamayla doğuyor, genişliyor ve zamanla kendi içindeki maddenin yarattığı yerçekimiyle genişlemesi duruyordu.

Ardından evren tekrar büzülmeye başlıyor ve kara deliğe dönüşüyordu. Ardından da bu kara delik bir şekilde tekrar patlayarak yeni bir evren doğuruyordu. Bugün de Lee Smolin gibi fizikçiler büyük sekme denilen bu teoriyi savunuyorlar.

Ancak, Hawking evrenin mutlaka kendinden önce gelen bir evrenin kalıntılarından oluşması gerekmediğini gösterdi. 1970’lerde Roger Penrose ile yayınladığı Kütleçekim Çökmesine Bağlı Tekillikler ve Kozmoloji¹ başlıklı makalesinde yeni bir fikir ortaya attı:

Evrenden önceki yoklukta hüküm süren kuantum salınımları evrenimizin kendiliğinden oluşmasını sağlayabilirdi. Buna da bonus kısmında geri geleceğiz.

3. Uzay-zaman ve yerçekimi

Stephen Hawking uzay ve zamanın büyük patlamayla oluştuğu fikrini netleştirdi. Evreni film gibi geriye sararsak ve büyük patlama tekilliğine ulaşırsak uzayın önce zamanın yerine geçeceğini, sonra da evrenin dokusu olan uzay-zamanın tümüyle anlamını yitireceğini gösterdi.

Nitekim kara deliklerin içine düşen bir cisme de aynı şey oluyor. Önce uzay sadece kara deliğin içine düşen tek boyutlu bir çizgiye dönüşüyor. Zaman ise üç boyutlu uzayın yerine geçiyor ve zamandaki her nokta kara deliğin merkezindeki tekilliğe ulaşıyor (kara deliğin merkezindeki tekilliğin sonsuz yerçekimine sahip olduğunu hatırlayalım).

Zamanda yolculuk

Hepimiz her an zamanda yolculuk ediyoruz. Geçmişten geleceğe gidiyor ve yaşlanıyoruz. Ancak, Stephen Hawking geçmişe yolculuğun imkansız olduğunu gösterdi. Buna tam olarak fiziksel bir kanıt diyemeyiz; çünkü teorik solucandelikleri ile zamanda yolculuk mümkün olabilir

Gerçi bu teoriyi ortaya atan ve Interstellar bilimkurgu filmine de danışmanlık yapan fizikçi Kip Thorne, aynı zamanda enerjinin korunumu yasası yüzünden zaman makinelerinin çalışamayacağını gösterdi. Her durumda Hawking daha teorik davrandı ve 2009 yılında bir parti düzenledi.

Evet, Batı kültürüne uygun olarak evde bir parti vereceğini söyledi. Ancak bu partiyi kimseye duyurmadı ve kimseye davetiye göndermedi.

Tabii partiye gelen olmadı; ama bu geçmişe yolculuğun da imkansız olduğunu gösteriyordu; çünkü bu mümkün olsaydı, zaman makinesini gelecekte keşfedecek olan torunlarımız, Stephen Hawking’in partisini öğrenerek geçmişe gidip partiye katılacaklardı. Gelmediklerine göre zamanda geçmişe yolculuk imkansızdı.

Bonus: Hawking’in 3 devrimsel fizik teorisi

1. Hawking Radyasyonu

Kara deliğe düşen hiçbir şeyin dışarı çıkamamasına rağmen, kara delikler zamanla buharlaşarak küçülüyor ve yok oluyor. Kara deliğin buharlaşmasına neden olan fiziksel sürece de Hawking radyasyonu diyoruz ve adında da anlaşıldığı gibi bu teoriyi Stephen Hawking geliştirdi.

Aslında Hawking Radyasyonu boş uzayda (vakum) gerçekleşen kuantum salınımlarıyla ortaya çıkıyor. Buna göre Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle vakumda sürekli sanal parçacık çiftleri oluşuyor. Bunlar proton ve antiproton gibi madde-antimadde çiftleri oluyor.

Yine belirsizlik ilkesi nedeniyle, olay ufkunda oluşan parçacık çiftlerinin eşleri aniden yer değiştirerek birbirinden uzaklaşabiliyor. Eşlerden biri (örneğin proton) kara deliğe düşerken, diğer eşi olan antiproton kara deliğin dışında kalarak uzaya kaçabiliyor.

Uzaya kaçan antiproton aynı zamanda momentumun korunumu yasası nedeniyle kara deliğin momentumunun (kendi çevresinde dönme hızı da diyebiliriz) çok küçük bir parçasını çalarak uzaya kaçıyor. Buna Hawking radyasyonu diyoruz.

Sanal parçacıklar

Hawking radyasyonu kara deliğin içindeki parçacıklarla ilgili hiçbir bilgi içermemesine karşın, kara deliklerin zamanla kütle kaybederek buharlaşmasına yol açıyor. Stephen Hawking, enformasyon paradoksu bölümünde anlattığımız gibi, buharlaşan kara deliklerin yuttuğu enformasyonun bilgisini uzaya geri kustuğunu gösterdi.

2. Kuantum salınımları

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi kuantum salınımlarına yol açıyorsa bu durum evreni oluşturan büyük patlama için de geçerli olmalı. Biz de bunu daha iyi anlamak için tekillik kavramına geri dönelim:

Fizik yasaları sonsuz yerçekimine sahip tekillikte yok olduğuna göre, evrenin fiziğin geçerli olmadığı bir yoklukta nasıl kendi başına oluştuğunu açıklamak fizik biliminde büyük bir paradoksa yol açıyor. Stephen Hawking meslektaşlarıyla birlikte bunu aşmanın bir yolunu buldu:

Kısmi tekillik

Büyük patlama anında evrenin sonsuz yoğunlukta, sonsuz küçük, sonsuz sıcak ve sonsuz yerçekimine sahip bir noktaya değil de küçük; ama sonlu büyüklükteki bir noktaya sıkıştığını düşünün. Bu nokta evrenimizde geçerli olan fizik yasalarının işlemeyeceği kadar küçüktü.

Ancak, tüm olası evrenlerin fizik yasalarının temelini oluşturan kuantum alan kuramının varlığını sürdürebileceği kadar büyüktü. Elbette bu durumda evrenden önce mutlak yokluk (hiçlik) olmadığını ve bunun yerine, gerçek uzay olmasa da sanal parçacıklardan oluşan sanal bir uzay olduğunu kabul etmemiz gerekiyor.

İşte Stephen Hawking bu tavuk mu yumurtadan çıkar, yumurta mı tavuktan çıkar problemini çözmek için kuantum salınımlarını formüle etti ve evreni doğuran büyük patlamanın sanal parçacık uzayında kendiliğinden ortaya çıkabileceğini gösterdi.

Büyük sekme sorunu

Böylece her evrenin kendinden önce yok olan bir evrenden oluşmasından kaynaklanan çelişkileri de çözmüş oluyoruz. Sonuçta kısmi tekillik söz konusu ile bir evrenin başka bir evrenden doğması çok zor:

Enerji ve enformasyon kısmi tekillikte yok olmayacağı için her evren kendinden önce gelen evrenin bilgisini okunaksız olsa da içermek zorunda kalacaktır. Oysa yaşlı evrenlerde enerjinin akışı yavaşlıyor, düzensizlik ve kaos artıyor (evrenin küçülerek tekrar kara deliğe dönüşmesi neticesinde).

Bu da her evrenin kendinden önce gelen evrenin entropisini içermesine yol açıyor. Evrenlerin büyük sekme ile sonsuz bir silsile halinde oluştuğunu var sayarsak evrenimizden kendinden önce gelenlerin bütün evrenlerin entropisini içererek ölü doğması gerekirdi.

Öte yandan sanal parçacık uzayında entropinin saklanması, rastgele kuantum salınımlarından doğan evrenleri hiçbir şekilde etkilemiyor (evrenimiz başka bir evrenin kısmi tekilliğinden doğsa bile). Stephen Hawking, kuantum salınımlarıyla entropi zehirlenmesi sorununu çözerek evrenimizin başka bir evrenin yok olmasıyla oluşabileceğini veya kendi başına ortaya çıkabileceğini gösterdi.

Kozmik mikrodalga artalan ışıması

Stephen Hawking aynı zamanda ikincil kuantum salınımlarını öngördü. Bunlar da büyük patlamadan hemen sonra ve tümüyle evrenimize özgü olarak evrenimizin içinde oluşan enerji salınımlarıydı. Ardından, fizikçi Alan Guth evrenin oluştuktan hemen sonra çok kısa bir süre için ışıktan trilyonlarca hızlı olarak balon gibi şiştiğini gösterdi (kozmik şişme).

Böylece kuantum salınımlarından doğan madde ve enerji büyük ölçeklerde evrene eşit olarak dağılmış oldu. Ancak, küçük ölçeklerde madde bazı yerlerde topaklandı ve bazı yerler de uzay boşluğu olarak kaldı. Nitekim uzayda 1 milyar ışık yılı uzağa baktığımız zaman her yönde trilyonlarca galaksi görüyoruz. Bunların ortalama sayısı her yönde aynı ve evrende 2 ila 10 trilyon galaksi var.

Öte yandan galaksimizde gezegenler, yıldızlar ve bunların arasında da sadece çok seyrek gaz atomları içeren büyük bir boşluk bulunuyor. Kısacası Stephen Hawking, kuantum salınımları ile hem evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu hem de genişleyip şekil değiştirerek günümüze nasıl geldiğini açıkladı.

Kara delikler

Hawking’in kısmi tekillik tasarımıyla büyük patlama anındaki tekillik sorunu ile kara deliklerin merkezindeki tekillik problemini nasıl çözdüğünü anlattık. Ancak, kısmı tekilliğin nasıl oluştuğunu açıklamadık. Şimdi buna değinelim.

Sonsuz olmayan, ama aşırı yüksek enerjiye ulaşan kısmi tekillikler uzay ve zamanın yer değiştirmesiyle oluşuyor. Einstein’ın gösterdiği üzere evrenin dokusunu oluşturan uzay-zaman ayrılmaz bir bütündür. Uzay zamanı ve zaman da uzayı etkiliyor.

Güneş ve kara delik gibi büyük kütleli cisimlerin yanında zamanın göreli olarak daha yavaş akmasını ve ışık hızına yaklaşan cisimlerde zamanın yavaşlamasını, aynı zamanda bu cisimlerin boyunun gittikçe kısalarak neredeyse tek boyutlu varlıklara dönüşmesini buna borçluyuz.

İşte Hawking bu fikri daha ileri götürerek kısmi tekillikte uzay ve zamanın yazının başında anlattığımız gibi yer değiştirdiğini gösterdi. Böylece tekillik gibi mikroskobik cisimlerde yerçekiminin nasıl işlediğini bilmesek ve dolayısıyla atom altı dünyayı tanımlayan kuantum fiziği ile galaksileri tanımlayan görelilik teorisini birleştiremesek de kısmi tekilliği açıklayabildik.

Stephen Hawking uzaya yürüdü

21. yüzyılın en büyük fizikçisi, geçen hafta tekerlekli sandalyesinden kalkarak uzayın derinliklerine yürüdü; ama aynı zamanda fiziğin en büyük sorunu olan tekillik problemini kuantum fiziği ile göreliliği birleştirmeye gerek kalmadan çözdü. Tüm evreni tek denklemle açıklayabilecek şekilde görelilikle kuantum dünyasını birleştirme ve her şeyin teorisini bulma görevini ise gelecek kuşaklara bıraktı.

Hawking gerçek bir paradokslar adamıydı: Vücudunu hareket ettirememesine rağmen zihni özgürdü. Konuşamamasına rağmen büyük fikirleri vardı ve kitap kurduna benzese de aslında romantik bir insandı.

Bununla birlikte hiçbir fizikçi onun kadar çok paradoksu çözmedi veya çözülmesi için makul önerilerde bulunmadı. Hawking’in teorileri ister doğru çıksın, ister yanlış fizik onun mirası üzerinden yürüyecek. Stephen Hawking’i Einstein’ın doğum gününde kaybettik. Jean-Paul Sartre’ın dediği gibi hayatın anlamı hayata anlam katabilecek olmamızdır.  

khosann.com

Carl Sagan, Stephen Hawking ve Arthur C. Clarke ile Evren Üzerine Her Şey