Evrenin Geri Dönüşü Olmayan Kapıları: Kara Delikler ve Hawking'in Alan Teoremi

Credits: NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI) Süper kütleli bir kara deliği gösteren bilgisayar simülasyonu. Merkezdeki siyah bölge ışığın bile kaçamadığı olay ufkunu temsil ediyor.

Evrendeki en gizemli ve büyüleyici yapılar arasında kara delikler gelir. Doğrudan gözle görülemeyen bu kozmik cisimler, uzun yıllardır bilim insanlarının ve meraklıların ilgisini çekiyor. Eğer onları daha iyi anlayabilirsek evrenin nasıl işlediğini, yapılandığını ve evrim geçirdiğini de keşfedebiliriz.

Kara delikler özellikle, evrenin doğuşuna dair temel sorulara ışık tutabilir. Genel görelilik kuramına göre, kara deliklerin merkezinde yoğunluğun ve uzay-zaman eğriliğinin sonsuza ulaştığı, yani fiziksel yasaların artık geçerli olmadığı ve tekillik adı verilen bir nokta vardır.

Her ne kadar günümüzde Büyük Patlama artık evrenin mutlak başlangıcı olarak değil, modern kozmoloji içinde açıklanması gereken bir geçiş evresi olarak yorumlansa da genel görelilik kuramına göre evren, yaklaşık 13.8 milyar yıl önce, bir tekillikten, yani son derece küçük bir noktadan genişlemeye başlamasıyla oluşmuştur.

Dolayısıyla her iki tekillik de Einstein'ın genel görelilik kuramı çerçevesinde, uzay-zamanın sınırlarını tanımlayan benzer matematiksel yapılar olarak ortaya çıkar.

Kuantum Kütleçekimi Kuramı

Kara delikleri anlamak, yalnızca tek bir astronomik nesneyi anlamaktan ibaret değildir; çünkü onlar modern fiziğin en derin sorularının kesiştiği yerler olarak görülür.

Genel görelilik kuramı, kara deliklerin oluşumunu ve evrimini başarıyla açıklar. Ancak kuantum mekaniği, atom altı parçacıkların davranışlarını yönetse de, kara deliklerin iç yapısını anlamakta yetersiz kalır.

Bu iki büyük fizik teorisi ayrı ayrı mükemmel işlerken söz konusu bir kara delik olunca birlikte uyum içinde çalışmamaktadır. Uzayın bu karanlık kuyuları, söz konusu iki büyük teorinin aynı anda geçerli olması gereken yerlerdir.

Bu nedenle, genel görelilik kuramı ile kuantum mekaniği arasındaki boşluğu kapatmak için daha birleşik ve kapsamlı bir fizik kuramına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kuram genellikle Kuantum Kütleçekimi olarak adlandırılır.

Denilebilir ki, kara delikler evrenin temel fizik yasalarının hem sınandığı hem de birbirleriyle çatıştığı noktalardır. Onlar olmasaydı, bu çelişkileri fark etmek mümkün olmayabilirdi.

Hawking'in Alan Teoremi: Kara Delikler Küçülmez

Stephen Hawking, 1971 yılında kara deliklerin davranışlarıyla ilgili çok önemli bir fikir ortaya attı: Kara deliklerin olay ufku denen yüzey alanı zamanla asla küçülmez.

Buna göre, kara delik madde yutarsa olay ufku genişler. Ya da iki kara delik birleştiğinde ortaya çıkan yeni kara deliğin yüzey alanı ya öncekilerin toplamına eşit ya da daha büyüktür. Bu öneriye Hawking'in alan teoremi denir.

Bu fikir, o zamanlar kara delikler hakkında bilinenlerin çok ötesindeydi ve evrenin temel yasalarıyla ilgili derin çıkarımlar yapılmasını mümkün kılmıştı.

Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı

Alan teoremini daha iyi anlamak için önce genel görelilik kuramı'na kısaca göz atmak gerekiyor. Einstein, 1915’te geliştirdiği bu teoriyle, kütleli cisimlerin uzay ve zamanı bükerek çekim kuvveti oluşturduğunu ortaya koydu. Yani aslında bizim yerçekimi dediğimiz şey, aslında uzay-zamanın eğilmesidir.

Kara delikler, bu bükülmenin en uç hâlidir. Öyle yoğundurlar ki çevrelerinde öyle güçlü bir çekim alanı oluşur ki ışık bile içlerine girdiğinde bir daha dışarı çıkamaz. Kara deliğin bu noktası bir sınırdır, ve buna, olay ufku denir. Bu sınırı geçen hiçbir şey ister madde ister ışık olsun bir daha geri dönemez.

Kara Deliklerde Fiziksel Çatışma: Klasik Fizik Ve Kuantum Fiziği

Hawking'in Alan teoremi, tamamen klasik fizik yani genel görelilik kuramı çerçevesindedir. Kuantum etkiler dikkate alınmaz. Kuantum etkiler işin içine girince de teorem zorlanmaya başlar. Çünkü kara deliklerin kuantum fiziğiyle açıklanmaya çalışılması, Hawking’in alan teoreminin tam tersi bir sonuca götürür.

Stephen Hawking, 1974 yılında ortaya koyduğu ve günümüzde Hawking Radyasyonu olarak bilinen kuramsal bulgusuyla, kara deliklerin enerji kaybederek radyasyon yayabileceğini öngördü. Bu süreçte, olay ufku alanının zamanla küçüleceğini ve belli bir süre sonunda kara deliğin tamamen buharlaşarak yok olabileceğini söyledi.

Böylece, Hawking Radyasyonu, klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki çatışmayı kara delikler üzerinden görünür ve tartışılır hale geldi.

LIGO Gözlemevi Ve Deneyleri

(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

Görsel: Credit: Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulation data, d'Ascoli et al. 2018 Çevrelerinden yayılan ışık eşliğinde dönen ve birleşmek üzere olan iki kara deliğin simülasyonu.

Kara delikler yalnızca teorik açıdan değil, aynı zamanda gözlemsel olarak da büyük önem taşımaktadır. Araştırmalar, kara delikler ve Hawking'in alan teoremi üzerine odaklanarak evrenin gizemlerine yeni kapılar aralamaktadır.

Son yıllarda çekilen kara delik görüntüleri ve kütleçekim dalgalarının tespitiyle birlikte, kara delikler artık sadece teorik kavramlar değil, doğrudan ölçülebilen ve gözlemlenebilen kozmik cisimler haline gelmiştir.

Uzaydaki devasa kara deliklerin ve nötron yıldızlarının çarpıştığı anlarda oluşan kütleçekim dalgalarını tespit eden LIGO gözlemevi, kara deliklerin birleşme anlarını doğrudan kaydetmeyi başarmıştır.

4 Eylül 2015'te GW150914 adı verilen ilk doğrudan yerçekimsel dalga gözlemiyle, iki kara deliğin yaklaşık 1.3 milyar yıl önce birleşip tek bir kara delik oluşturduğu kanıtlanmıştır. Buna göre:

• Kara deliklerin kütleleri yaklaşık 36 ve 29 Güneş kütlesiydi.

• Birleşmeden sonra oluşan kara deliğin kütlesi yaklaşık 62 Güneş kütlesine ulaştı.

• Fark olarak kaybolan yaklaşık 3 Güneş kütlesi enerji olarak yerçekimsel dalgalar şeklinde uzaya yayıldı.

Bu çalışma bir çok açıdan çok önemlidir. Hem kara deliklerin birleşme sürecine dair doğrudan kanıt sağlamış hem de uzay-zamanın dalgalanabileceğini ve bu dalgaların doğrudan tespit edilebileceğini göstermiştir.

Ayrıca, yerçekimi dalgalarının varlığını ve kara deliklerin birleşmesi sırasında uzay-zamanın dalgalanacağını öngören Einstein'ın genel görelilik teorisi'ni, 100 yıl sonra doğrulamıştır. 1

LIGO ekibi, yaptıkları bu keşif nedeniyle 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı (Rainer Weiss, Kip Thorne, Barry Barish).

14 Ocak 2025'te kaydedilen GW250114 adlı bir kara delik birleşme olayı ise LIGO tarafından şimdiye kadar kaydedilen en güçlü yerçekimsel dalga sinyalinin elde edilmesini sağladı.

Olay, yaklaşık 1.14 milyar ışık yılı önce, biri yaklaşık 140 Güneş kütlesinde, diğeri ise yaklaşık 100 Güneş kütlesindeki iki kara deliğin birleşme sürecidir. Bu çalışma, Hawking'in alan teorisi'ni deneysel olarak doğrulayan en net sinyali elde etmiştir. 2

Alan Teoreminin Önemi

Alan Teoremi, evrenin gizemlerini anlamada bir mihenk taşıdır. Basit bir matematiksel formülden çok daha fazlasını ifade eder:

• Kara deliklerin davranışlarını öngörür,

• Evrenin temel yasalarıyla mükemmel bir uyum içinde çalışır,

• Modern fiziğin en büyük meydan okumalarından biri olan kuantum kütleçekimi çalışmalarına sağlam bir temel sunar.

Bugün hâlâ bilim insanları bu teoremi heyecanla test etmeye devam etmektedir. Her yeni doğrulama, kara deliklerin evrenin işleyişindeki rolüne dair güveni arttırmaktadır.

Kara delikler gibi uç fiziksel durumlar, mevcut kuramlarımızın sınırlarını açıkça ortaya koyar. Bu sınırlar, kuramsal ilerlemenin hangi yönde olması gerektiğine dair önemli ipuçları sunar. Böylece, doğa yasalarının nasıl işlediğine dair yeni ve daha derin bir anlayış geliştirme yoluna gireriz.

Mevcut bilgilerimizle bu işleyişi tam anlamıyla kavrayabilmek için kuantum mekaniği ile genel görelilik kuramını birleştiren, aralarındaki çelişkileri gideren yeni kuramların geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır.

Bu doğrultuda sağlanacak teorik ilerlemeler, hem kara deliklerin iç yapısına dair anlayışımızı derinleştirecek hem de doğa yasalarının uç koşullar altında nasıl işlediğine ilişkin daha bütüncül ve tutarlı bir kavrayış geliştirmemizi mümkün kılacaktır.