Zaman ve mekan gerçekten bir yapı mı?
Yerçekimi, insanlık tarihinde keşfedilen ilk temel kuvvet olabilir, ancak pek çok açıdan, hala insanlar tarafından en az anlaşılan dört temel güçten biridir. Newton evrensel çekim yasasını ortaya koyduktan sonra, insanlar evrendeki herhangi iki kütlenin birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun, çekimin var olduğunu bilirler.
Einstein genel göreliliği önerdiğinde, büyük bir ilerleme, zaman ve uzayın tek bir varlıkta birleştirildiğinin fark edilmesiydi: zaman ve uzay. Einstein'ın görüşüne göre, maddenin ve enerjinin varlığı uzay-zamanın yapısını bozmuştur ve kavisli uzay-zaman da maddenin nasıl hareket ettiğini belirler, bu da yerçekiminin nedenidir.
Çoğu durumda, uzay-zaman yapısının aşağıdaki şematik diyagramını göreceğiz:
Üç boyutlu uzayda yaşıyoruz, ancak gördüğümüz şematik diyagramlar genellikle iki boyutlu yapılardır. Öyleyse, gerçekte, zaman ve mekan gerçekten bir yapı mı? Öyleyse, zamanın ve uzayın gerçek yapısı nedir?
Gerçekten de kavisli düzlem, yaşadığımız gerçek dünyayı yansıtmıyor. Çoğu diyagramda, eğri boşlukları temsil eden eğimli iki boyutlu ızgaraların resimlerini sıklıkla görüyoruz. Kütlenin varlığıyla mekanın yapısının büküldüğünü tasvir ediyor gibi görünüyor, bu nedenle, bu yapı boyunca hareket eden herhangi bir nesnenin hızlanma ve yerçekiminin kaynağına yaklaşma eğilimi vardır. Kütle ne kadar büyükse, o kadar yakın, eğrilik o kadar büyük ve eğrilik derecesi o kadar büyük olur.
En azından sezgisel olarak, bu son 100 yılda genel göreliliği doğrulayan deneylerin ve gözlemlerin sonucu gibi görünüyor. O yılki tam güneş tutulması sırasında arka plandaki yıldız ışığının bükülmesinden bugünün kütleçekimsel merceklenme etkisine kadar, en azından niteliksel olarak, böyle bir uzamsal tasvir, gerçek durumla tutarlı görünüyor.
Peki bu tasvir ne anlama geliyor? Uzay bir yapı gibiyse, kütle uzayı nasıl büker?
İki boyutlu bir resimden bu, uzaysal yapıyı bir dereceye kadar "aşağı" çeken bir nesneye benzer ve daha sonra diğer nesneler bu boşluktan geçerken bazı görünmez kuvvetler tarafından "aşağı" çekilir. Açıkçası, bu yanlış, çünkü hiç dış çekim yok. Ek olarak, ızgara çizgileri kütleye doğru olmaktan çok uzaktadır, bu doğru olamaz, özellikle yerçekimi çekici ise.
Genel göreliliğin kütleçekim alanı denklemine göre, yerçekimi aslında geometrik bir etkidir. Bu doğal görselleştirme kesinlikle yanlış olsa da, kütle enerjisinin uzayı bükeceğine inanmak doğrudur.
Doğru uzamsal boyut (üç boyutlu) aracılığıyla uzay eğriliğinin daha iyi görselleştirilmesini sağlayabiliriz. Tamamen boş bir alan olduğunu hayal edin. Bu boşluğun bükülmesine neden olabilecek kütle, radyasyon, karanlık madde, karanlık enerji, nötrinolar veya başka herhangi bir şey yoktur, bu nedenle bu tamamen boş uzayın içsel eğriliği yoktur.
Ya da mekanın düz, durağan ve boş olduğunu hayal edebilirsiniz. Bir ızgara çizmekte ısrar edersek, üç boyutlu uzay yapısı şöyle görünmelidir:
Şimdi bu zaman ve mekana bir nitelik koyalım. Bu kütle, zamanı ve mekanı bükecektir, ancak aslında bir yapı değildir: sadece boş evrenin kendisinin hiçliğini oluşturur. Genel görelilik denklemleri bize bu eğriliğin nasıl bir etkiye sahip olduğunu söyler, ancak bize onu nasıl görselleştireceğimizi söylemezler.
Negatif enerji, basınçsız toz parçacığı üzerindeki kuvveti temsil ediyormuş gibi ızgara çizgileri çizmek iyi bir yöntemdir. Parçacık üzerindeki kuvvet ne kadar büyükse, uzay-zamanın eğriliği o kadar büyük olur. Çizersek, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi çok farklı ve muhtemelen daha faydalı bir sahne elde ederiz:
Bu sahnenin en büyük sorunu, çizim yapmanın zor olmasıdır. Neyse ki, bilgisayar animasyonunun gelişiyle birlikte, hareket halindeki nesneler için bile alanın kendisinin nasıl büküldüğünü hayal edebiliyoruz.
Aslında uzay bir yapı değil, tüm evreni kaplar. Basitçe söylemek gerekirse, zaman ve uzay: evrendeki her şeyi aldığımızda, alabileceğimizi bırakır. Evrene kütle gibi şeyler koyduğumuzda, zaman ve uzay hala oradadır, ancak özellikleri içindeki şeyler tarafından değiştirilir. Girilen kütle daha büyükse, uzay-zaman eğri olacaktır.
Ancak uzayı bir ölçüde bir yapı olarak düşünebiliriz. Ancak bunu yaparsak, bunun perspektifi iki boyutlu bir analojiye indirgemek anlamına geldiğini anlamalıyız. Evrenimizdeki uzay üç boyutludur, uzay ve zaman birleştiğinde dört boyutlu bir nicelik elde edilecektir. Uzay-zaman eğriliği kavramı söz konusu olduğunda, genel görelilik teorisinin kastettiği şey budur.
Ama hiçbir koşulda uzayı madde olarak düşünmemeliyiz ve uzay herhangi bir fiziksel madde değildir. Bu sadece matematiksel bir yapı, onu yazabilir ve yerçekimi alanı denklemi ile tanımlayabiliriz. Madde ve radyasyon, yerçekimi alan denkleminin öngördüğü şekilde uzayın eğriliğine tam olarak yanıt verse de, bu, uzayın aslında bir yapı olduğu anlamına gelmez.
Ek olarak, birçok kez genişleyen evreni "uzamsal yapı gerilmesi" bağlamında tartışacağız, ancak hiçbir yapı ve gerçek bir gerilme olmamasına rağmen. Mevcut durum, genel göreliliğe göre, evrendeki herhangi iki nokta arasındaki mesafenin bir dizi özel kurala göre değişmesidir. Galaksiler, birbirinden uzakta, ekmeğin içine gömülü kuru üzüm gibidir. Zirvelerin ve çukurların uzunluğu da genişliyormuş gibi, radyasyonun dalga boyu da uzadı.
Ancak gerçekte hiçbir yapı genişlemeye neden olmaz. Kuru üzüm / ekmek benzetmesinde kuru üzümler (galaksiler) gerçektir, ancak ekmek (uzayın yapısı) sadece bir görselleştirmedir.
Tüm fizikte, en çelişkili fikirlerden biri, evreni tanımlayan denklemin, fiziksel olarak gözlemleyebileceğimiz şeyleri tanımlayan bir denklem olmasıdır. Boş uzayın bir hiçlik olduğunu gözlemlemek yerine "uzayın yapısını" gözlemleyemeyiz, sadece vardır. İster iki boyutlu bir yapı, ister üç boyutlu bir ızgara veya bir kuru üzüm / ekmek yapısı olsun, vermeye çalıştığımız herhangi bir görsel efekt insan bilişi tarafından yaratılır ve teorinin kendisi buna ihtiyaç duymaz.
Ancak, gözlemleyebildiğimiz şey, bu uzay maddesi ve radyasyonda var olan varlıklardır. Bunlar ölçebileceğimiz varlıklardır ve davranışları Einstein'ın genel görelilik teorisini test etmemize izin verir. Matematiğin ne olduğunu kabul etmekte iyi değiliz, bu yüzden evrende neler olup bittiğini açıklamamıza yardımcı olması için analojiler kullanmayı seçiyoruz. Genel göreliliğin ölçülebilir sonuçlarını gözlemleyebiliriz, ancak temeldeki teorinin kendisi tarafından tahmin edilse bile, zaman ve uzayın gerçek yapısını göremeyiz.
Bu bağlamda, tüm analojilerin sınırları ve kusurları vardır. Genel görelilik, bize evrenin maddeyi ve enerjiyi, gözlemlerimizle tutarlı bir şekilde belirli bir şekilde nasıl dağıttığını anlatır. Bizim için en mantıklı olan herhangi bir şekilde görselleştirmeyi seçebiliriz, ancak tüm görselleştirmeler kusurludur. Yapabileceğimiz en iyi şey, evreni anlamaya çalışmaktır. Asıl durum çok kafa karıştırıcı olsa da, bu gerçektir.
