Connect with us

Kozmik Anafor Arşivi

8 Maddede Günlük Hayatta Einstein’in Görelilik Kuramı

GÖRELİLİK KURAMININ HAYATIMIZA ETKİSİ
Bu yazıyı yaklaşık 11 dakikada okuyabilirsiniz.

Görelilik kuramı 20. yüzyıldan bu yana dünyanın en ünlü teorilerinden biridir. Ancak günlük yaşamımızda görelilik kuramından faydalanıldığını pek göremiyoruz. Peki gerçekten günlük yaşamımızda kuramdan dolaylı ya da dolaysız yararlanıyor muyuz? Kuramın günlük hayatta kullanım alanları var mı? Eğer varsa günlük hayatımızda karşılaştığımız olgular görelilik ile nasıl açıklanıyor?

1905’te Albert Einstein tarafından oluşturulan görelilik kuramı basitçe fizik kanunlarının her yerde aynı olduğunu savunan bilimsel bir görüştür. Görelilik kuramı nesnelerin uzay-zamandaki davranışlarını ve hareketlerini açıklar. Görelilik kuramı sayesinde karadeliklerin nerede olduğuyla ilgili tahminlerden tutun, yerçekiminin eğdiği ışık ya da Merkür’ün tuhaf yörüngesi probleminin çözümüne kadar pek çok şey hakkında tatmin edici açıklamalarda bulunulabilir.

Görelilik kuramı dışarıdan karmaşık gibi görünsede aslında inanılmaz sade bir kuramdır. Kuramın sade olmasını sağlayan üç basit kural vardır.

  • Birincisi, görelilikte tek ve kesin bir referans (başlangıç noktası) bulunmaz. Örneğin herhangi bir nesnenin hızını ya da momentumunu ölçtüğünüzde nesne her zaman başka bir referansa bağlıdır.
  • İkincisi, görelilik kuramına göre ışık hızı, ölçen kişinin veya cihazın hangi hızda hareket ettiğine bağlı olmaksızın daima sabittir.
  • Ve üçüncüsü, hiç bir şey ışıktan daha hızlı hareket edemez.

Einstein’ın ünlü teorisinin bu basit kurallarından çok önemli anlamlar çıkarılabilir. Örneğin ışık hızı her zaman sabitse, Dünya’nın hızına oranla daha hızlı hareket eden bir astronotun kol saatinin tıklamaları Dünya’da herhangi birinin kol saatinin tıklamalarından daha yavaş tıklıyor demektir. Çünkü görelilik kuramına göre, ışık hızına ne kadar yakın bir hızda hareket ediyorsanız, zaman (size göre) o kadar yavaş geçiyor demektir. Bu olguya ”zaman genişlemesi” adı verilir. Şimdi daha anlaşılır olması için cümleyi tekrarlayalım: görelilik kuramına göre, ışık hızına yaklaştıkça ”zaman genişlemesi” artar ve bu genişleme (size göre) zamanı yavaşlatır.

Ayrıca uzay-zamanın herhangi bir noktasında kütle çekimi ne kadar fazla ise bu alanın içindeki herhangi bir nesne kütle çekiminden dolayı daha hızlı hareket edecek ve bu yine zaman genişlemesine sebep olacaktır. Bu arada, astronotların içinde bulundukları uzay araçları zaman genişlemesinin farklı bir versiyonu olan “boy kısalmasına” uğrarlar. Yani gökyüzünde yüksek hızda hareket eden bir uzay aracının fotoğrafını çektiğinizde, fotoğrafta uzay aracının gerçekte olduğundan kısa göründüğünü fark edersiniz. Ancak elbette içerideki astronotlara göre her şey normaldir; astronotlar uzay aracının boyunun kısalmasından dolayı araç içinde ezilmemişlerdir ve hala hayattadırlar.

Göreliliğin etkileri ışık hızına yakın hızlarda ve yüksek yerçekimi bölgelerinde kendini daha çok hissettirir. Ancak yinede göreliliğin etki ettiği olayları gözlemleyebilmemiz için ışık hızına yakın hızlarda hareket eden uzay araçlarına ihtiyacımız yoktur. Keza günlük hayatta etrafımızda göreliliğin etkilerini görebileceğimiz çok örnek vardır. Nitekim, Einstein’ın teorisinin doğru olduğunu gösteren pek çok teknolojik alet ile yaşamımıza devam ediyoruz.

Ve işte günlük, sıradan hayatımıza görelilik kuramının birkaç etkisi…

GPS

1: Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS)

Dünya dışındaki uydulardan bilgi alarak kullanılabilen arabanızdaki navigasyon cihazınızın görevini tam bir şekilde yerine getirebilmesi için uyduların görelilik kuramını ve rölativistik etkileri hesaba katması gerekir. Bunun sebebi uyduların -ışık hızına yakın hızlara sahip olmasalar bile- hayli hızlı olmalarıdır.

Ayrıca uydular Dünya’daki istasyonlara sinyaller gönderirler. Dünyadaki bu istasyonlar ve arabanızda bulunan navigasyon cihazı Dünya’nın yerçekimini yörüngesinde dolanan uyduya oranla daha çok hissederler. Az öncede belirttiğimiz üzere, ağırlık veya hız ne kadar yüksekse rölativistik etkiler daha çok hissedilir.

Uydular ve cihazlar arasındaki bu küçük hız ve ağırlık farkları zamanın Dünya dışındaki uydular ve arabalarda bulunan navigasyon cihazı için nanosaniyeler boyutunda farklı akmasına neden olacaktır. Ancak uydu ve navigasyon cihazı arasındaki nanosaniyelik farklar bile büyük yanlışlıklara sebep olabilir. Bunu engellemek adına uydular, üzerlerinde zamanı saniyenin milyarda birine kadar hassasslıkla ölçen atomik saatler bulundururlar. Çünkü uydular, Dünya’nın 12,600 mil (20,300 km) kadar üzerinde bulunurlar ve saatte 6,000 millik (saatte 10,000 km’lik) hızlarla hareket ederler. Sadece bu, günde 4 mikrosaniyelik fark anlamına gelir. Birde bunun üstüne yerçekiminin etkisini koyduğumuzda ise fark, 7 mikrosaniyeye kadar çıkar. 7 mikrosaniyeyse 7,000 nanosaniye anlamına gelir. Bu da demek olur ki, eğer uydu ve GPS cihazları arasındaki rölativistik etkiler hesaba alınmazsa bu, navigasyon cihazınızın bir sonraki benzin istasyonunun konumunu yarım mil (0,8 km) hatalı göstermesine sebep olacaktır. Ve bu fark yalnızca bir günde 5 mile (8 km’ye) kadar çıkacaktır.

Bu yüzden tüm GPS temelli cihazlar, görelilik kuramının formülleri sayesinde neredeyse hatasız çalışabilmektedirler.

Magnets

2: Elektromanyetizma

Manyetizma, rölativistik bir etkiye sahiptir ve eğer bugün elektriği kullanıyorsanız Dünya’daki tüm elektrik güç istasyonlarının çalışmasına katkıda bulunduğundan Einstein’a ve kuramına teşekkür edebilirsiniz.

Spiral bir teli manyetik bir alan boyunca hareket ettirirseniz bir elektrik akımı oluşturmuş olursunuz. Tel içerisindeki elektrik yükü parçacıklar manyetik alan tarafından etkilenir. Bu, elektrik yüklü parçacıkların hareket etmesine, ardından ise bir elektrik akımı oluşmasına sebep olur. Ancak şimdi, hareketsiz bir parça teli ve hareket eden bir mıknatısı hayal edin. Bu durumda, teldeki elektrik yüklü parçacıklar (elektronlar ve protonlar) daha fazla hareket etmemelidir. Buna bağlı olarak da manyetik alan parçacıkları hareket ettirememelidir. Ancak şaşırtıcı bir şekilde yine de parçacıklar hareket ederler ve bir akım oluşur. Bu ise bizlere elektromanyetizma akımlarında göreliliğin basit kurallarından birinde olduğu üzere tek bir referans noktasının bulunmadığını gösterir.

Kaliforniya Pomona Üniversitesi’nden fizik profesörü Thomas Moore, görelilik ilkelerini kullanarak değişen manyetizma alanlarının elektrik akımı yarattığını söyleyen Faraday Kanunu’nun neden doğru olduğunun ispatını yapıyor. Profesör Moore, ”Güç dönüştürücülerin ve elektrik üreteçlerinin çalışmasında ana ilke olduğundan elektriği kullanan herkes görelilik kuramından yararlanır” diyor.

Aynı zamanda elektromıknatıslar da görelilik sayesinde çalışırlar. Doğru akım üzerindeki elektrik yükü yol aldıkça tel üzerindeki elektronlar da akım boyunca sürüklenirler. Normalde bir pozitif ya da negatif yük olmaksızın tel, elektriksel olarak nötr gözükmelidir. Bu, akımda aynı sayıda proton (pozitif yük) ve elektronların (negatif yük) bulunmasından kaynaklanan bir durumdur. Ancak, doğru akımın yanına ikinci bir tel daha koyarsanız akımın hangi yönde akıyor olduğuna bağlı olarak teller birbirini çekecek ya da iteceklerdir. Akımların aynı yönde olduğunu varsayarsak, birinci telde bulunan elektronlar ikinci telde bulunan elektronları hareketsiz olarak göreceklerdir. (Akımların yaklaşık olarak aynı dirençte olduğu varsayılmıştır.) Bu arada, elektronların görüş açısından her iki teldeki protonlar da hareket ediyor görünmektedir. Ayrıca boy kısalmasından ötürü birbirlerine daha yakın aralıklı görünmektedirler. Bu nedenle de tel uzunluğuna göre pozitif yük, negatif yükten daha fazladır. Tıpkı aynı iki elektriksel yükün birbirini itmesinde olduğu gibi, iki tel de birbirlerini itecekler, zıt yöndeki akımlar ise birbirlerini çekeceklerdir. Çünkü birinci telin bakış açısından diğer teldeki elektronlar daha sıkışıktırlar ve bu net bir negatif yük oluşturur. Bu sırada birinci teldeki protonlar net pozitif yük oluştururlar ve zıt yükler de birbirlerini çekerler.

Görüldüğü üzere elektromıknatısların çalışma prensiplerinde herhangi bir telin bakış açısına göre yükler değişebilmektedir. Bu bizi yine yazının başında belirtmiş olduğumuz, görelilik kuramının üç basit kuralından biri olan değişken referans maddesine götürür.

Elektromıktanısların ve elektromanyetizmanın kullanıldığı tüm teknolojik aletlerin doğru çalışabilmesi adına görelilik kuramı ve formülleri şarttır.

Altının Sarı Rengi

3: Altının Sarı Rengi

Birçok metal parlaktır çünkü atomlarındaki elektronlar ”yörünge” olarak da adlandırılan farklı enerji seviyelerine geçiş yaparlar. Metale çarpan bazı fotonlar uzun dalga boylarında bile emilirler ve yeniden yansırlar.

Altın, ağır bir atom çeşididir. Bu yüzden içerisindeki elektronlar rölativistik kütleyi önemli ölçüde artıracak (boy kısalması yaratacak kadar) oranda hızlı hareket ederler. Bu yüzden atom çekirdeğinin etrafındaki elektronlar daha hızlıdırlar ve daha kısa yörüngelerde hareket ederler. İçteki yörüngelerde bulunan elektronlar ise daha dışta ve yakınlarındaki yörüngelerde bulunan elektronlara enerji taşırlar. Böylece -ağırlık nedeniyle- emilen ve geri yansıtılan dalga boyları daha uzun olur. Uzun dalga boyuna sahip ışık ise görülebilir dalga boyundaki ışığın birazını emdiğinde geri yansıtacaktır. Ve bu ışık, tayfın sonunda mavi ışık olarak görünür.

Beyaz ışık ise, gökkuşağındaki tüm renklerin karışımından oluşur. Ancak altının rengi, ışığın emilip tekrar yansıtılmasından ortaya çıkar ve bu olduğunda -yukarıda da belirtildiği üzere ağırlık nedeniyle- ışığın dalgaboyu genellikle normalden daha uzundur. Uzun dalgaboyunun oluşması, bizim ışığın dalgaboylarının karışımını biraz mavi ve mor görmemize sebep olur. Bu yüzden bize göre altın, -görelilik nedeniyle kazandığı fazladan ağırlık sayesinde- turuncu ve kırmızı rengin mavi ışığa oranla daha uzun dalgaboyunda bulunması nedeniyle sarımsı renkte görünür.

4: Altın Kolay Kolay Paslanmaz

Altının elektronları üzerindeki rölativistik etkiler, altının kolaylıkla kimyasal reaksiyonlara girmemesi ve dolayısıyla paslanmaması için önemlidir.

Altın, en dıştaki yörüngesinde yalnızca bir elektron barındırır. Ancak yine de bu elektron, kalsiyum ve lityumda olduğu kadar duyarlı değildir. Bunun yerine rölativistik kuvvet nedeniyle, olması gerekenden daha ağır olan altındaki elektronlar, atom çekirdeğine daha yakında durmaktadırlar. Bu, en dıştaki elektronun herhangi bir şey ile tepkiye girebilmesi için tam olması gerektiği yerde olamayacağı anlamına gelir. Bu yüzden görelilik sayesinde ağırlaşan altın uzun süre paslanmaz.

Mercury Element

5: Cıva Sıvı Bir Maddedir

Altın gibi cıva da elektronlarının çekirdeğe yakın olması ve bundan dolayı kazandığı ağırlık nedeniyle ağır bir atom çeşididir. Cıvanın kendisi ile birlikte diğer cıva atomları arasındaki oluşturduğu bağ, ağırlıkları nedeniyle oldukça zayıftır. Bu da, cıvanın düşük sıcaklıklarda bile erimesine ve sıvı olarak görünmesine yol açar.

Old television katot tube

6: Eski Televizyonlar

Bundan yalnızca birkaç yıl öncesine kadar çoğu televizyonun ekranları katot ışınlı tüplere sahipti. Katot ışınlı bir tüp ise, büyük bir mıknatıs sayesinde elektronların fosfor yüzeye ateşlenmesi ile çalışır. Her bir elektron ekrana çarptığında ise piksellik görüntüler oluşur. Ekranda anlamlı bir kare oluşturmak için ateşlenen elektronlar ışık hızının yüzde otuzu oranında bir hızla hareket ederler. Rölativistik etkiler bu noktada dikkate değerdir. Katot ışınlı tüp üreticileri mıknatısları bu etkilere göre şekillendirirler ve televizyonun doğru çalışması adına rölativistik etkileri hesaba katmak zorundadırlar.

Işık

7: Işık

Eğer Isaac Newton’un öne sürdüğü mutlak uzay-zaman fikri doğru olsaydı o zaman ışık hiç varolamayacağından, ışığın varlığı adına farklı bir açıklama bulmak zorunda kalacaktık.

Thomas Moore; ”Elektromanyetik alandaki değişimlerin sınırlı bir hızda olmasını zorunlu kıldığından görelilik olmasaydı ne manyetizma ne de ışık var olamazdı” diyor ve devam ediyor; ”Eğer görelilik bunu zorunlu kılmasaydı elektriksel alandaki etkileşimler elektromanyetik dalgalara gerek kalmaksızın anında olurdu. Ki bu da manyetizmayla birlikte ışığı da gereksiz kılardı”.

Nükleer Santraller ve Süpernovalar

8: Nükleer Santraller ve Süpernovalar

Görelilik, kütle ve enerjinin birbirine dönüşebilmesi sayesinde Güneş’in var olmasını ve bugün nükleer santrallerin çalışabilmesine olanak sağlar. Göreliliğin başka bir önemli sonucu ise evrende ağır yıldızların patlamalarının kalıntıları olan ”süpernovalar”dır.

Thomas Moore; ”Süpernovalar var olabilmişlerdir çünkü rölativistik etkiler, ağır yıldızların kendi kütleleri altında bir nötron yıldızı oluşturmak için çöküp oldukça küçülene dek çekirdeklerindeki kuantum etkileriyle başa çıkabilmesine izin vermiştir” diyor.

Bir süpernovanın oluşumunda yıldızın dış katmanları çekirdeğe doğru çöker ve bu, demirden daha ağır elementler yaratacak oranda devasa bir patlama açığa çıkarır. Aslında şu an vücudumuzda sahip olduğumuz tüm ağır elementler, süpernovalarda açığa çıkan elementlerle neredeyse aynıdır.

Profesör Moore’nun söyledikleri göreliliğin evrende varolmasının yaşamımıza olan en büyük etkisini gözler önüne seriyor; ”Bizler süpernovalar sayesinde yaratılan ve tüm uzaya yayılan maddelerden yapılmayız. Eğer görelilik olmasaydı evrendeki en ağır yıldızlar bile yaşamlarına hiç patlamadan, beyaz cüceler olarak son vereceklerdi. Bu yüzden şu an bunun hakkında konuşuyor olamayacaktık.”

Çeviri: Kemal Cihat Toprakçı
Düzenleme: Ögetay Kayalı

Kaynak
http://www.livescience.com/48922-theory-of-relativity-in-real-life.html?cmpid=514627_20150906_51784846&adbid=10152981668046761&adbpl=fb&adbpr=30478646760

Kozmik Anafor Arşivi

Video: Gökalp Gönen İle Animasyon ve CGI

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 1 dakikada okuyabilirsiniz.

Kozmik Anafor ve Hypatia Bilim işbirliği içinde hazırladığımız “Meğer Hepsi Kurguymuş” isimli programımızda; Pentagram’ın Sur klibindeki kısa animasyon filmi ile geniş bir tanınırlığa kavuşan Gökalp Gönen konuğumuz oldu…

Gökalp Gönen, dünya çapında Avarya gibi başarılı animasyon filmlerine imza atan, çok sayıda uluslararası ödüle sahip başarılı bir yönetmen ve animasyon sanatçısıdır. Nurcan Seven ve Ümit Çakır moderatörlüğündeki programımızın Youtube videosunu, aşağıdan veya bu linke tıklayarak izleyebilirsiniz.

Hypatia Bilim ve Kozmik Anafor ortaklığında Youtube kanalımızda, yeni çalışmalarımızla sizlerle birlikte olmayı sürdüreceğiz. Kozmik Anafor Astronomi Platformu olarak, her zaman popüler bilim platformlarının işbirliği içinde olmasının, ülkemizde bilimin tüm halk tabanında yeterince değer görmesi açısından gerekliliğini dile getiriyoruz ve bildiğiniz gibi ülkemizin BilimfiliGerçek BilimAçık Bilim,  Gelecek Bilimde ve Feza Gezginleri gibi takdir edilesi popüler bilim platformlarıyla her zaman işbirliği içinde oluyoruz.

Unutmayın, popüler bilim platformları ve bilim insanları, birbirleriyle işbirliği içinde olmazlar, yalnız başlarına hareket etmeyi tercih ederlerse, ülkemizde bilim halk tabanında yeterince yaygınlaşamaz ve değer göremez!

Hypatia Bilim‘i Youtube üzerinden takip etmek için bu linke,
Kozmik Anafor‘u Youtube üzerinden takip etmek için ise bu linke tıklayıp abone olabilirsiniz.

Okumaya devam et

Güneş Sistemi

Maat Mons, Venüs’teki Dev Volkan

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 2 dakikada okuyabilirsiniz.

Maat Mons, Venüs’teki en yüksek ikinci dağdır. Onu Venüs’ün diğer yüksek dağlarından ayıran şey ise, gezegenin en yüksek yanardağı olmasıdır.

Venüs’ün atmosferi kalın bulutlarla kaplıdır. Bu nedenle yörüngeden yüzeyinin görüntülenebilmesi mümkün değildir. Ancak, 1990’lı yıllarda Magellan Uzay Aracı sayesinde, yüksek çözünürlüklü radar görüntüleri ile kalın Venüs bulutlarını yarıp geçerek gezegenin ilginç yüzey oluşumlarını inceleme fırsatını elde etmiş olduk.

Venüs yüzeyinde bilinen en belirgin oluşumlar, hiç kuşkusuz ki volkanlardır. Gezegen üzerinde 1.100 den fazla volkan oluşumu olduğunu biliyoruz. Henüz onların hala etkin birer yanardağ olup olmadıkları ile ilgili kesin bir kanıya sahip olmasak da, bu oluşumların Venüs yüzey şekillerini son 300 ile 500 Milyon yıl öncesine kadar önemli ölçüde değiştirdiklerinden eminiz.

Üstteki fotoğrafta yer alan bu üç boyutlu görüntü, Venüs’ün bilinen en büyük volkanı olan Maat Mons yanardağına ait. Macellan Sondasından alınan radar görüntülerini ve Venüs yükseklik verilerini birleştiren gökbilimciler, sonuçta bu üç boyutlu Venüs volkan yapısı görüntüsünü oluşturmayı başardılar.

İsmini Eski Mısır’ın adalet ve doğruluk tanrısı Maat’dan alan bu volkan oluşumu, yaklaşık 395 km çapa ve yüzeyden yaklaşık 8 km yüksekliğe sahip. Görselde Maat Mons’u, zirvesinden 560 km uzakta ve yerden yaklaşık 1,6 km yukarıdaki bir bakış noktasından görüyoruz. Ön tarafta görmüş olduğumuz oluşumlar, katılaşmış lav akıntılarıyla kısmen kapalı duruma gelmiş ve ciddi oranda parçalanmış ovalardır.

Araştırmalar, Maat Mons’un zirvesinden lav akış izleri olduğunu gösteriyor. Bu da volkanın nispeten yeni bir tarihte patladığının, hala aktif bir volkan olduğunun işareti olarak niteleniyor. Yine de, radar verileri ile bu görüşü doğrulamak mümkün değil. Dünya’ya yakın büyüklük ve kütlesiyle Venüs’ün jeolojik olarak hala aktif bir gezegen olduğuna eminiz ancak, tüm atmosferini kaplayan bulutların görünür ışık dalga boyunda gözleme izin vermemesi nedeniyle kesin bir kanıta şimdilik ulaşamıyoruz.

Hazırlayan: Sinan DUYGULU

https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc1994/pdf/1475.pdf
https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00106

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Negatif Enerji ve Negatif Kütleli Madde Nedir?

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 3 dakikada okuyabilirsiniz.

Negatif enerji ve negatif kütle, özellikle “warp sürüşü” veya “solucan deliği” gibi kavramların konuşulduğu ortamlarda sıklıkla dile getiriliyor.

Bu kavramların gerçekliği her ne kadar tartışmalı olsa ve bilim insanlarının büyük kısmı tarafından spekülasyon olarak görülse de, ne olup olmadıklarını açıklamak gerektiğini düşündük.

Negatif Kütleli Madde

Negatif kütleli madde denildiğinde çoğumuzun aklına Antimadde ya da Karanlık Madde geliyor. Ancak, bunlarla karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir.

Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey, bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji

Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti.

Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Hazırlayan: Berkan Alptekin

Okumaya devam et

Kozmik Anafor Arşivi

Fantastik Uzay Projeleri: Yıldız Motoru

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 8 dakikada okuyabilirsiniz.

Görünen o ki insanlık Ay’dan sonra Mars’ı da gözüne kestirdi. Önümüzdeki 10 yıllık süreç, bu konuda çok ciddi gelişmeler gösterecek gibi duruyor. Tabii Mars ile de kalınmayacak, eğer kendi türümüzü yok etmezsek, 21. Yüzyıl sona ermeden Güneş Sistemi’nin pek çok noktası muhtemelen insan oğlunun ulaştığı yerler haline gelecek. Peki ya bunun da sonrası? Bir yıldız motoru yapıp yıldızımızla birlikte yolculuğa çıkmak mı?

Başka yıldızlara gitmeye çalışacak uzak gelecekteki torunlarımız. Ama bu huzur dolu yuvamızı, biricik Güneş’imizi terk etmek istemezsek ne olacak? Başımızı alıp gitmektense, Güneş’imizi de yanımızda götürsek, olmaz mı? Hmm… Bunun da bir yolu var, tek ihtiyacımız ise bir Yıldız Motoru. Kemerlerinizi bağlayın, Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz.

İlk bakışta ütopik gibi gelmiş olabilir. Ancak unutmayın; “Fantastik Uzay Projeleri” yazı serisindeyiz. Hem hatırlatmak isteriz ki önceki yazılarımızda “Gök Kancaları” yapıp, Dünya’mızın yörüngesine yerleştirmiştik. Bununla kalmadık, başka gezegenlere, onların uydularına ve hatta gök taşlarına bile gök kancaları kurarak Güneş Sistemi’nin dört köşesini su yolu yaptık. Ender bulunan madenleri ve füzyon için gerekli elementleri Dünya’mıza getirip, füzyona hükmederek enerji sorunumuzu büyük oranda çözdük.

Füzyon da kesmedi, Güneş’in ürettiği her 1 kalori enerjiyi kontrol altına almaya karar verdik. Merkür’ü feda edip bir Dyson küresi yaptık. Bu sayede Kardashev ölçeğinde 2. seviye medeniyet seviyesine yükseldik.

Teknolojide ulaştığımız bu noktayla, hedeflerimizi çok daha ileriye taşıyabileceğiz. Güneş Sistemi artık bizden sorulduğuna göre yeni hedef Güneş Sistemi’nin dışı olmalı. Ancak, uzay boşluğu; karanlık, soğuk ve sıkıcı… Üstelik yakınlarda da ilgi çekici pek fazla şey yok. Örnek verecek olursak, bize en yakın yıldızları içeren Alfa Centauri yıldız sistemi Güneş Sistemi’mizden 4.3 ışık yılı mesafede.

Yani ışık hızıyla gitsek, ulaşmamız 4.3 yıl sürecek. Işık hızının yaklaşık %0.1’i ile yolculuk etsek, 4300 yıllık bir yolculuktan bahsediyoruz. Kaldı ki, şu ana kadar insan yapımı bir aracın ulaşacağı en yüksek hız olarak, Nasa’nın Parker Güneş Sondası’nın 193km/sn’lik hızı öngörülüyor ki bu da ışık hızının sadece %0.064’üne tekabül ediyor. Elbette Dyson küresi teknolojisine ulaşmış bir medeniyet için çok daha hızlı yolculuklar öngörmek yanlış olmasa da uzay boşluğundaki mesafelerin büyüklüğünü de göz ardı etmemek gerekir. Üstelik hedef noktamıza vardığımızda bulacaklarımızın da bu çileli yolculuğa değer olması gerekir.

 

Bu bağlamda bir yıldız motoruna sahip olmak beraberinde çok farklı avantajlar getirebilir. Yıldız motoru, Güneş’i (ya da genel manada bir yıldızı) mevcut yörüngesinden oynatmak ve farklı yönlere doğru hareket ettirmek için tasarlanmış, olası farklı varyasyonları bilimsel olarak kanıtlanmış, hipotetik mega yapıya verilen addır. Güneş’i yerinden oynatacağız deyince tabii, “Eee, Dünya’dakiler ne yapacak? Dünya Güneş’siz mi kalacak?” endişesine kapılabilir insan. Telaşa hiç gerek yok. Dünya ve Güneş Sistemi’nin diğer tüm üyeleri kütle çekim kuvveti ile Güneş’e sabitlenmiştir. Güneş nereye, herkes oraya.

İşte yıldız motorunu güzel kılan en temel özellik de bu diyebiliriz. Yazımızın başında “Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz” derken kast ettiğimiz buydu. Hayata geçirilen bir yıldız motoru ile kolonize edilmiş halde Güneş Sistemi’ni toptan hareket ettirebiliriz.

Peki bunu neden yapmak istiyoruz?

  • Samanyolu Gökadası’nda bulunan diğer sistemleri kolonize etmek için, onlara doğru tüm Güneş Sistemi olarak gitmek isteyebiliriz. Yeteri kadar yaklaştığımızda görev araçları gönderip, ihtiyacımız olan kaynakları elde edebiliriz. Ya da yakınlarında bir yere park edip, sürekli yeni komşumuzdan faydalanabiliriz.
  • Dünya’mızı hatta Güneş Sistemi’ni topyekûn yok edecek bir süpernova patlamasının etkilerinden kaçmak zorunda kalabiliriz. Tip 2 seviyesine ulaşmış bir medeniyet, çevresindeki pek çok yıldızın yapısını ve ne kadar ömrünün kaldığını çok detaylı şekilde hesaplayabilmiş olacaktır. Bu da onlara olası süpernova patlamalarını milyonlarca yıl önceden tespit etme kabiliyeti verecektir. Bu medeniyet, kendisini tehdit edecek bir patlamayı ön görmüş ve ondan kaçma mücadelesine girmek zorunda kalabilir.

(Burada bir ayrıntıyı belirtelim, böyle bir olayı gözlemleyerek önceden bilemeyiz. Süpernova patlaması yaşamış bir yıldızı tespit ettiğimizde, o yıldız aslında çoktan patlamış ve ışığı bize ancak ulaşmıştır. O nedenle, önlem alabilmek için yıldızın formasyonunu çok iyi bilip, ne kadar ömrü kaldığını hesaplamak gerekecektir. Bugün, Dünya’mıza zarar vereceği düşünülen süpernova adayı yıldız yoktur.

Betelgeuse isimli büyük kütleli yıldızın her an patlayacağı düşünülse de çok uzak olması nedeniyle, gökyüzünde haftalar sürecek bir ışık şöleninden öteye gitmeyecektir. Bu olay, siz bu satırlar okurken de gerçekleşebilir, milyonlarca yıl sonra da. Dünya’yı tehlikeye atabilecek süpernova patlamalarının 15 milyon yılda bir gerçekleştiği düşünülmektedir.)

  • Bir başka yıldızın yakınlarına sokulmak ve Dünya’mızı onun yörüngesine sokarak Güneş Sistemi’ni terk etmek.

Shkadov İticisi

Aynı Dyson küresinde olduğu gibi, 1937 yılında Olaf Stapledon tarafından yazılan Star Maker romanında yıldız motoru konusu da işlenmiştir. Ancak bilimsel literatüre girmesi, ilk olarak Leonid Mikhailovich Shkadov tarafından 1987 yılında tanıttığı makalesi ile olmuştur. Shkadov, Güneş’in etrafına kurulacak devasa ama çok ince bir ayna tasarlamıştır.

Aslında, Shkadov Thruster (Shkadov İticisi/Roketi) olarak adlandırılan bu yapı, Dyson küresi ebatlarında bir roket motoru olarak düşünülebilir. Prensipte bir roket gibi çalışan motorumuz, birbirlerine ters vektörler olan Güneş’in kütle çekim kuvveti ve radyasyon basıncı sayesinde sabit konumda kalacak, Güneş’ten gelen ışığı, yani fotonları yansıtarak itki kuvveti oluşturacak ve hareket sağlayabilecektir. Ancak Shkadov İticisi’nin bazı dezavantajları vardır:

  • Bu yöntem ile elde edilecek hız muhtemelen tatmin edici olmayacaktır. Galaktik ölçekte kayda değer mesafeler almak yüz milyonlarca yıl sürebilir.
  • Shkadov İticisini, yani aynamızı; gezegenleri ve tabii Dünya’mızı yakma riskini karşı sadece Güneş’in kutuplarının üzerine koyabiliriz. Bu da istediğimiz her yöne gidemeyeceğimiz anlamına gelir.

Kedi olmadan fare yakalama meraklısı insanlık, madem Shkadov İticisi ciddi dezavantajlar barındırıyor, öyleyse daha iyisini tasarlayalım demiş ve de Illinois Üniversitesi’nden Fizik profesörü Matthew Caplan yeni bir tasarım yapmıştır. Shkadov İticisi gibi yıldız motorlarına “Pasif iticiler” tanımlaması yapan Caplan, bir yıldız motoru inşa edecek olan medeniyetin Dyson küresi sahibi olduğu varsayımından hareketle, bu Dyson küresi yardımıyla, termonükleer enerji kullanan ve “Aktif itici” olarak tanımladığı yeni bir yıldız motorunu ortaya çıkarmıştır. En azından kâğıt üzerinde.

Görsel Telif: Getty/Cokada

Caplan İticisi

Caplan iticisinin/roketinin, gerekli kuvveti elde edebilmesi için ihtiyaç duyulan yakıt, Dyson küresinin Güneş üzerinde küçük bir noktaya odaklanması ile oluyor. Aşırı derecede ısınan bölgeden Güneş için küçük ama bizim için büyük kütleler kopması bekleniyor. Bu malzeme, aktif iticimizce yakalanıp, motor üzerinde bulunan füzyon reaktörlerinde enerjiye çevriliyor ve aşırı yüksek ısıdaki nükleer atık, motorumuzun Güneş’e uzak ucundan dışarı atılarak çok büyük bir itki kuvveti elde ediliyor.

Elbette, motorun Güneş’e saplanmaması ve Güneş’i itebilmesi için de motorun Güneş’e bakan ucundan yine motor üzerinde bulunan parçacık hızlandırıcılarda hızlandırılmış hidrojen Güneş’e doğru ateşleniyor. Böylece, Caplan iticisi hem kendini dengelemiş hem de elde ettiği itkiyi Güneş’e yönlendirmiş oluyor.

Caplan, yaptığı çalışmada, iticinin gücünü maksimuma çıkardığımızda, Güneş’in, yıldız motoruna 100 milyon yıl yetecek kadar enerji vereceğini gösteriyor. Ancak, aktif itki yöntemi ile varılacak hızlar sayesinde, bunun çok daha altında bir zaman diliminde yukarıda belirttiğimiz amaçlarımıza ulaşabiliriz.

Güneş’in kütlesini yakıt olarak milyonlarca yıl boyunca harcadığımızda, Güneş’in ömrünü kısalttığımız düşünülmemelidir. Bilakis, bir yıldızın ömrü kütlesi ile ters orantılıdır. Güneş, kütlesinden kaybettikçe, kendi yakıtını daha yavaş harcayacak ve ömrünün kısalması şurada dursun, bilakis uzayacaktır.

Elimizde, böyle bir yıldız motorunun var olduğunu düşünsenize… Kim bilir, belki Samanyolu’ndan sıkılır ve “neden başka gökadaları da kontrol altına almayalım ki?” bile diyebiliriz.

Bekle Andromeda, biz geliyoruz!

Hazırlayan: Uğur Çontu
Düzenleyen: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynaklar ve Referanslar: 

1. Mosher, D. (2018, Kasım 05). NASA just smashed the record for the fastest human-made object – Its $1.5 billion solar probe is flying past the Sun at up to 213,200 mph. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.businessinsider.com/nasa-parker-solar-probe-fastest-human-object-2018-11

2. Hadhazy, A. (2018, Şubat 15). How to move an entire solar system. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a10885/the-shkadov-thruster-or-how-to-move-an-entire-solar-system-17000392/

3. Badescu, V., & Catchcart, R. B. STELLAR ENGINES AND THE CONTROLLED MOVEMENT OF THE SUN. Erişim Adresi: https://www.dynamical-systems.org/zwicky/stellarengines.pdf

4. Caplana, M. E. Stellar Engines: Design Considerations for Maximizing Acceleration. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://drive.google.com/file/d/1ZpjAWcPhbCMTFYqPI5HnqtlHGWqzL45S/view

Okumaya devam et

Çok Okunanlar