Kütleçekimi yalnızca artan entropiden mi ibaret? Uzak ihtimalli bir fikir yeniden gündemde.

Yeni bir argüman, düzensizliğin (entropinin) büyümesinin nasıl olup da büyük cisimlerin birbirlerine doğru hareket etmelerine yol açabileceğini inceliyor. Fizikçiler hem ilgili hem de kuşkucu.

Isaac Newton evrensel kütleçekimi yasasından hiç tam olarak hoşnut değildi. 1687’de yayımladıktan sonraki on yıllar boyunca, iki cismin tam olarak nasıl olup da uzaktan birbirlerini çekebildiğini anlamaya çalıştı. O ve başkaları, kütleçekimin bir çekim değil, bir itme olduğunu öne süren çeşitli mekanik modeller geliştirdi. Örneğin, uzayın görünmez parçacıklarla dolu olduğu ve bu parçacıkların cisimleri her yönden bombardımana tuttuğu varsayılabilirdi. Soldaki cisim soldan gelen parçacıkları soğurur, sağdaki sağdan gelenleri soğurur ve net etki onları birbirine doğru itmek olur.

Bu kuramlar hiçbir zaman tam anlamıyla işlemedi ve Albert Einstein sonunda kütleçekimine, uzay ile zamanın bir bozulması olarak, daha derin bir açıklama getirdi. Ancak ‘genel görelilik’ diye adlandırılan Einstein’ın anlatımı da kendi bilmecelerini doğurdu ve kendisi bunun nihai söz olamayacağının farkındaydı. Dolayısıyla kütleçekimin kolektif bir etki olduğu — temel bir kuvvet değil de daha ince bir ölçekte sürü davranışının sonucu olduğu — fikri hâlâ fizikçileri cezbediyor.

Bu yılın başlarında, bir kuramsal fizikçiler ekibi, 17. yüzyılın o mekanik modellerinin modern bir versiyonu sayılabilecek bir şeyi ortaya koydu. “Ortalıkta doğrudan göremediğimiz bir tür gaz ya da termal sistem var,” diyor çalışmayı yürüten Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Daniel Carney. “Ama bu sistem kütlelerle bir şekilde rastgele etkileşiyor; öyle ki ortalamada bildiğiniz tüm normal kütleçekimi davranışlarını görüyorsunuz: Dünya’nın Güneş etrafında dolanması ve benzeri.”

Bu proje, fizikçilerin kütleçekimini ve belki bükülebilir uzay-zaman sürekliliğinin kendisini, daha derin ve daha mikroskobik bir fizikten ‘türeyen’ olgular olarak anlama girişimlerinden yalnızca biri. Carney’nin düşünce hattı, ‘entropik kütleçekimi’ diye bilinir; bu daha derin fiziği özünde ısı fiziği olarak konumlandırır. Buna göre kütleçekimi, buhar kazanlarını, otomobil motorlarını ve buzdolaplarını yöneten aynı rastgele titreşim ve karışmanın — ve buna eşlik eden, kabaca düzensizlik olarak tanımlanan entropi artışının — sonucudur.

Kütleçekimi artan entropinin bir sonucu olarak modellendirme girişimleri, birkaç on yıldır ara sıra ortaya çıktı. Entropik kütleçekimi bugün hâlâ açık ara azınlıkta bir görüştür. Ama bir türlü ölmeyen bir görüştür; karşı çıkanlar bile tümden bir kenara atmaya isteksiz. Yeni modelin erdemi, deneysel olarak sınanabilir olması — evrensel çekimin gizemli temellerine dair kuramlar söz konusu olduğunda nadir rastlanan bir nitelik.

Bir Kuvvet Türeyebilir

Einstein’ın kütleçekimi kuramını olağanüstü kılan yalnızca işlemesi (ve bunu yüce bir matematiksel güzellikle yapması) değildir; aynı zamanda kendi eksikliğini ele vermesidir. Genel görelilik, yıldızların çökmeyle kara delikler oluşturabileceğini ve bu cisimlerin merkezlerinde kütleçekimin sonsuz derecede güçlü hâle geldiğini öngörür. Orada, uzay-zaman sürekliliği sanki aşırı yüklenmiş bir alışveriş poşeti gibi yırtılır ve kuram bundan sonrası için bir şey söyleyemez. Dahası, genel görelilik, geliştirilirken tek bir termal kavram bile kullanılmamış olmasına karşın, ısı fiziğiyle tuhaf paralellikler sergiler. Kara deliklerin yalnızca büyüyeceğini, asla küçülmeyeceğini; yalnızca yutacağını, asla geri kusmayacağını öngörür. Böylesi geri döndürülemezlik, ısının akışına özgüdür. Isı aktığında enerji daha rastgele, daha düzensiz bir biçime bürünür; bir kez büründüğünde de kendiliğinden yeniden düzenli hâle gelmesi pek olası değildir. Entropi bu düzensizlik artışını niceler.

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan kuramsal fizikçi Daniel Carney, kütleçekimini bir ‘entropik kuvvet’ olarak açıklamaya yönelik son girişimin öncülüğünü yaptı.

The Regents of the University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory

Gerçekten de fizikçiler, bir kara deliğin çevresindeki bozulmuş uzay-zamanda neler olduğunu kuantum mekaniğiyle incelediklerinde, kara deliklerin tıpkı sıcak bir cisim gibi enerji yaydığını buluyorlar. Isı, parçacıkların rastgele hareketi olduğuna göre, bu termal etkiler birçok araştırmacıya kara deliklerin, ve genel olarak uzay-zaman sürekliliğinin, aslında bir tür parçacıklardan ya da başka mikroskobik bileşenlerden oluştuğunu düşündürüyor.

Kara deliklerden gelen ipuçlarını izleyen fizikçiler, uzay-zamanın nasıl daha mikroskobik bileşenlerden türeyebileceğini anlamaya dönük birçok yaklaşım geliştirdiler. Önde gelen yaklaşım, ‘holografik ilke’ diye bilinen şeyden yola çıkar. Uzay-zamanın ortaya çıkışı, sıradan bir hologram gibi çalışır. Nasıl ki bir hologram düz bir yüzeye kazınmış dalgalı bir desenden derinlik duygusu uyandırıyorsa, evrenin mikroskobik bileşenlerindeki örüntüler de bir başka uzamsal boyutun doğmasına yol açabilir. Bu yeni boyut eğridir; böylece kütleçekimi organik biçimde ortaya çıkar.

Maryland Üniversitesi’nden kuramsal fizikçi Ted Jacobson’un 1995 tarihli ünlü makalesiyle tanıtılan entropik kütleçekimi, akraba ama farklı bir yol izler. Daha önce fizikçiler Einstein’ın kuramından başlayıp onun ‘ısımsı’ sonuçlarını türetmişlerdi. Jacobson ise tersini yaptı. Uzay-zamanın termal özelliklere sahip olduğu varsayımından başlayarak genel göreliliğin denklemlerini türetti. Onun çalışması, kütleçekimi ile ısı arasındaki paralelliklerde kayda değer bir şeyler bulunduğunu doğruladı.

“Jacobson kara delik termodinamiğini tersine çevirdi,” diyor Carney. “Yetişkin hayatım boyunca bu sonuç beni hayrete düşürmüştür.”

Görünür Çekim

Kütleçekimsel çekim daha mikroskobik bileşenlerden nasıl türeyebilir? Jacobson’ın yaklaşımından esinlenen Carney ve çalışma arkadaşları — Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh ve Jacob Taylor — iki model önerdi.

İlkinde, uzay kuantum parçacıklarının, yani kübitlerin kristalimsi bir ızgarasıyla doludur. Her birinin, bir pusula iğnesi gibi, bir yönelimi vardır. Bu kübitler, kütleye sahip yakın bir cisimle hizalanır ve o cisim üzerinde bir kuvvet uygular. “Eğer ızgarada bir yere bir kütle koyarsanız, yakındaki tüm kübitlerin kutuplaşmasına yol açar — hepsi aynı yöne gitmeye çalışır,” diyor Carney.
Dört bilim insanının portrelerinden oluşan kolaj.

Carney ve birlikteyazarları Roshni Singh, Jacob Taylor, Thilo Scharnhorst ve Manthos Karydas (sol üstten saat yönünde), entropinin yükselişinin cisimlerin birbirini çeker gibi görünmesine nasıl yol açabileceğini gösteren somut modeller geliştirdiler.

Timothy Michael Pinkhassik; T. Ventsias/University of Maryland; Timothy Michael Pinkhassik; Sarah Wittmer/UC Berkeley Physics

Yakındaki kübitleri yeniden yönlendirerek, kütleli bir cisim, normalde rastgele yönelimli kübitlerin ızgarasında yüksek düzenli bir cep oluşturur. Izgaraya iki kütle yerleştirirseniz, iki böyle düzen cebi yaratırsınız. Yüksek düzen, düşük entropi demektir. Oysa sistemin doğal eğilimi entropiyi en büyüklemektir. Bu yüzden, kütleler kübitleri hizalayıp kübitler de karşılığında kütleleri itip kakarken, net etki, düzenliliği daha küçük bir bölgeye hapsetmek için kütleleri birbirine doğru sıkıştırmak olacaktır. İki kütle, aslında tüm işi kübitler yaptığı hâlde, kütleçekimsel olarak birbirlerini çekiyormuş gibi görünecektir. Ve tıpkı Newton yasasının buyurduğu gibi, görünür çekim, kütleler arası mesafenin karesiyle azalır.

İkinci model ızgarayı tamamen ortadan kaldırır. Kütleli cisimler hâlâ uzayın içinde bulunur ve kübitlerin etkisine maruz kalır, ancak bu kübitler belirli herhangi bir konumu işgal etmez ve hatta çok uzakta olabilir. Carney, bu özelliğin, Newtoncu kütleçekimin yerel olmama niteliğini yakalamayı amaçladığını söylüyor: Evrenin her bir cismi, bir dereceye kadar, diğer her cisim üzerinde etki gösterir.

Modeldeki her bir kübit bir miktar enerji depolayabilir; miktar, kütleler arası uzaklığa bağlıdır. Uzaklık büyük olduğunda, bir kübitin enerji kapasitesi yüksektir; dolayısıyla sistemin toplam enerjisi yalnızca birkaç kübite sığabilir. Ama kütleler daha yakınsa, her bir kübitin enerji kapasitesi düşer; bu yüzden toplam enerji daha fazla kübite yayılmak zorundadır. İkincisi daha yüksek entropiye tekabül eder; dolayısıyla sistemin doğal eğilimi kütleleri yine Newtoncu kütleçekimle uyumlu biçimde birbirine doğru itmek olacaktır.

Güçlü Yanlar ve Zayıflıklar

Carney her iki modelin de ad hoc olduğunu vurguluyor. Bu kübitlere dair bağımsız bir kanıt yok ve o ile meslektaşları, kübitlerin uyguladığı kuvvetin şiddetini ve yönünü ince ayar yapmak durumunda kaldı. Bu durum, kütleçekimini ‘temel’ kabul etmekten daha iyi midir diye sorulabilir. “Bunun işlemesi için aslında pek tuhaf, mühendis işi gibi görünen bir etkileşim gerekiyor gibi,” diyor Carney.

Ve işleyen şey yalnızca Newton’un kütleçekim yasası; Einstein’ın kuramının tüm aygıtı değil — yani kütleçekimin uzay-zamanın eğriliğine eşdeğer olduğu çerçeve değil. Carney’ye göre bu modeller, evrenin gerçekten nasıl çalıştığına dair gerçekçi bir modelden ziyade bir ‘ilke kanıtı’dır — kütleçekimsel çekimi sürü davranışının açıklamasının en azından mümkün olduğunun bir gösterimi. “Bütün bunların ontolojisi muğlak,” diyor.
Bir masada oturan, beyaz yakalı gömlekli bir bilim insanının portresi.

Fizikçi Angelo Bassi, entropik kütleçekim modellerinin sınanmasında kullanılabilecek deneyler üzerinde çalışıyor.

University of Trieste

British Columbia Üniversitesi’nden fizikçi Mark Van Raamsdonk, modellerin gerçekten bir ‘ilke kanıtı’ temsil ettiğinden kuşkulu. Türeyen uzay-zaman için önde gelen yaklaşım olan holografinin bir uygulayıcısı olan Van Raamsdonk, yeni entropik modellerin kütleçekimini özel kılan niteliklerin hiçbirine sahip olmadığını — örneğin uzay-zamanda serbest düşerken hiçbir kütleçekimsel kuvvet hissetmemeniz gibi — belirtiyor. “Onların inşasının kütleçekimiyle gerçekten bir ilgisi yok,” diyor.

Dahası, modeller fizikçilerin zaten anladıklarını düşündükleri kütleçekimin tek bir yönü üzerinde oyalanıyor. Newton yasası, kütleçekimin karşılaştırmalı olarak zayıf olduğu — Dünya’da olduğu gibi — durumda, Einstein’ın kuramından kendiliğinden çıkar. Kütleçekimin güçlü olduğu, kara delikler gibi yerlerde ise işler tuhaflaşır ve entropik modelin buna dair söyleyecek bir şeyi yok. “Kütleçekim fiziğinde asıl meydan okuma, onun güçlü bağlaşım, güçlü alan rejimini anlamaktır,” diyor Ben-Gurion Üniversitesi’nden kuramcı Ramy Brustein; bir zamanlar entropik kütleçekime sempatik olduğunu, ama artık soğuduğunu belirtiyor.

Entropik kütleçekimin savunucuları ise fizikçilerin kütleçekimin zayıf olduğu durumda nasıl davrandığından bu kadar emin olmamaları gerektiğini söylüyor. Eğer kütleçekim gerçekten kübitlerin kolektif bir etkisiyse, Newtoncu kuvvet yasası istatistiksel bir ortalamayı temsil eder ve anlık etki bu ortalama etrafında salınır. “Çok zayıf alanlara gitmeniz gerekir, çünkü bu dalgalanmalar o zaman gözlenebilir hâle gelebilir,” diyor Amsterdam Üniversitesi’nden Erik Verlinde; entropik kütleçekimi 2010’da çok tartışılan bir makalede savunmuş ve fikri geliştirmeyi sürdürmüştür.

Entropik Kütleçekimin Sınanması

Carney, yeni modellerin asıl faydasının kütleçekim hakkında kavramsal sorular tetiklemek ve yeni deneysel yönelimler açmak olduğunu düşünüyor.

Diyelim ki kütleli bir cisim iki farklı konumda bulunmanın kuantum birleşiminde, yani ‘süperpozisyon’unda. Onun kütleçekimi alanı da benzer bir süperpozisyonda olup düşen cisimleri iki farklı yöne doğru mu çekecek? Yeni entropik-kütleçekim modelleri, kübitlerin bu kütleli cisim üzerinde etkide bulunarak onu Schrödinger’in kedisi benzeri ikileminden ‘çıkaracağını’ öngörüyor.

Bu senaryo, dalga fonksiyonunun çökmesi denen ve bir süperpozisyondaki bir kuantum sisteminin ölçümünün, çoklu olası hâllerini nasıl olup da tek bir kesin hâle dönüştürdüğü sorusuna bağlanır — çokça dert edinilmiş bir mesele. Bazı fizikçiler, bu çöküşün evrendeki içkin bir rastlantısallıktan kaynaklandığını öne sürdü. Bu öneriler ayrıntıda Carney’ninkilerden farklıdır, ancak benzer biçimde sınanabilir sonuçlara sahiptir. İzole bir kuantum sisteminin, hiç ölçülmese ya da dışarıdan etkilenmese bile, sonunda kendiliğinden çökeceğini öngörürler. “Aynı deney düzenekleri ilke olarak ikisini de sınamak için kullanılabilir,” diyor Trieste Üniversitesi’nden Angelo Bassi; böylesi deneyleri yürütme çabasına öncülük etmiş ve bazı çöküş modellerini çoktan elemiştir.

Van Raamsdonk, tüm kuşkularına karşın, entropik-kütleçekimi yaklaşımının denemeye değer olduğu konusunda hemfikir. “Evrenimizdeki gerçek kütleçekimin holografik olarak ortaya çıktığı saptanmadığına göre, kütleçekimin doğabileceği başka mekanizmaları araştırmak elbette değerlidir,” diyor. Ve eğer bu uzak ihtimalli kuram işlerse, fizikçilerin sanatçı Gerry Mooney’nin ünlü kütleçekimi posterini güncellemesi gerekecek; posterde şöyle yazar: ‘Gravity. It isn’t just a good idea. It’s the law.’ Belki de kütleçekimi aslında bir yasa değil, yalnızca istatistiksel bir eğilimdir.