Kütle Çekim Kuvveti Evren İçin Neden Önemli?
Doç. Dr. Selçuk Topal, Bilim Genç sesli yayınının yeni bölümünde kütle çekim kuvvetinin ne olduğundan ve evren için öneminden bahsediyor.
vchal/iStock
Evrende kütleye sahip her cisim arasında bir kütle çekim kuvveti vardır. Peki kütle çekim kuvveti nedir? Kütle çekim kuvvetini etkileyen etmenler neler? Kütle çekiminden kurtulmak mümkün mü? Kütle çekim kuvvetinin evren için önemi ne?
Bilim Genç sesli yayınlarını SoundCloud, YouTube, Spotify, Google ve Apple podcast kanallarımız üzerinden dinleyebilir ve güncel içeriklerimizden anında haberdar olmak için kanallarımızı takip edebilirsiniz.
Bu sesli yayını
Kütle Çekim Kuvveti Evren İçin Neden Önemli?
Uzaya ve bilime meraklı dostlar merhaba! Bilim Genç sesli yayınının bu bölümünde muhtemelen adını sıkça duyduğunuz ancak adı nedeniyle kolaylıkla yanlış anlaşılabilecek bir konudan bahsedeceğim. Kütle çekimi! Sesli yayının hemen başında en önemli bilgiyi vereyim: Kütle çekimindeki çekim sözcüğü zihnimizde canlandığı gibi, bir şeyin başka bir şeyi çekmesi olayı değildir. Peki kütle çekimi derken tam olarak kastedilen şey nedir?
Kütle Çekimi Nedir?
Herhangi bir cismi yukarıya doğru fırlattığınızda bir süre sonra yere düştüğünü fark etmiş olmalısınız veya zıplarsanız bir süre sonra ayaklarınız yine yere ulaşacaktır. Ne kadar güçlü zıplarsanız zıplayın önünde sonunda yine yere geri dönersiniz. Sanki siz ve çevrenizdeki her şey, görünmez esnek bir halatla Dünya yüzeyine bağlanmış ve Dünya’yı terk etmenizi engelliyormuş gibi. Peki aslında olan şey nedir?
Kütle Çekimine Günlük Yaşamdan Örnekler Neler?
Kütle çekiminin aslında ne olduğunu zihnimizde daha iyi canlandırabilmek için günlük yaşamda deneyimlediğimiz birçok şeyden yararlanabiliriz. Örneğin yatağınıza uzandığınızda sahip olduğunuz kütle nedeniyle, yatak yüzeyinin önceki şeklinin bozulduğunu ve vücut kütlenize göre yatağın bazı yerlerinde derin, bazı yerlerinde ise sığ çukurlar oluştuğunu fark etmiş olmalısınız. Yani yatak, Dünya’nın sizin vücut kütlenize uyguladığı kütle çekim etkisini, bir başka ifadeyle ağırlığınızı hisseder. Bir kuş tüyünün de kütlesi vardır ancak o, bırakın yatağın kendisini, yatağın üzerindeki örtüde bile gözle görünür bir çukur oluşturamaz. Bu noktada iki terimin farkından da bahsetmek gerekir: kütle ve ağırlık.
Kütle Nedir?
Kütle, en basit tabirle bir hacim içerisinde ne kadar madde olduğunun bir ölçüsüdür. Örneğin “Kaç kilosun?” sorusuna verdiğiniz yanıt sizin kütlenizdir.
Ağırlık Nedir?
Ağırlık ise aslında bir kuvvettir. Kütle çekiminin bir kütleye nasıl etki ettiğinin bir ölçüsüdür. Eğer Dünya’da 60 kilogramlık bir kütleye sahipseniz Ay yüzeyinde de 60 kilogramlık bir kütleye sahip olursunuz. Ancak Ay’daki çekim kuvveti Dünya’dakinin yaklaşık 6’da 1’i olduğu için Ay’daki ağırlığınız Dünya’dakine kıyasla 6’da 1’dir. Yani Ay, Dünya’ya kıyasla daha sığ bir çukur oluşturur. Dünya’nın oluşturduğu çukurun yaklaşık 6’da 1’i kadar. O hâlde kütlenin miktarı o kütlenin bulunduğu ortamda ne kadar çukur oluşturabileceğini belirler.
Şimdi bu analojiyi üç boyutlu düşünelim ve kütlenin içinde bulunduğu ortama yaptığı bu etkinin her yönde olduğunu zihnimizde canlandırmaya çalışalım. Bir nesnenin kütlesi ne kadar fazla ise o nesnenin uzayda oluşturduğu çukur o derece fazladır. Burada kullandığım çukur benzetmesinin bilimsel karşılığı ise kütle çekim alanıdır.
Kütle Çekim Alanı Nedir?
Kütle çekim alanı denilen şeyi basitçe şöyle ifade edebiliriz: Düz bir örtünün üzerine bir bilye koyduğunuzda, bilyenin örtü yüzeyinde oluşturduğu çukur o bilyenin kütle çekim alanı olsun. Eğer örtünün başka bir köşesine ikinci bir bilye koyarsanız o bilye de örtü üzerinde kendi çukurunu yani kendi çekim alanını oluşturacaktır. İşte bu iki bilyenin oluşturduğu kütle çekim alanları veya bir başka ifadeyle çukurlar, belli bölgelerde birbirine temas ettiği için bilyeler birbirinden haberdar olur. Yani kütle çekim alanını kütlelerin bir nevi haberleşme yöntemi olarak düşünmenizde bir sakınca yoktur. Bir cismin kütlesi ne kadar büyükse o kadar derin bir çukur oluşturacak yani bir başka ifadeyle çevresine o kadar şiddetli bir haberleşme sinyali gönderecektir. Bir trambolin üzerine çıkan 20 kilogramlık bir çocuğun ayağının altında oluşan çukurun derinliği ile 100 kilogramlık bir yetişkinin ayağının altında oluşan çukurun derinliği farklı olacaktır. Tahmin ettiğiniz gibi 100 kilogramlık kişi çok daha derin bir çukur oluşturur.
Evrenin, büyük ölçeklerde bakıldığında maddenin homojen yani eşit miktarda dağıldığı bir yapıya sahip olduğu söylenebilir. Ancak küçük ölçeklerde baktığımızda evren bir kâğıdın yüzeyi gibi düz değildir. Kütlesi olan her şey bulunduğu uzayda bir çukur oluşturur ve bu da uzayın geometrisini belirler. İşte kütlenin varlığı nedeniyle oluşan o çukurlar kütle çekimi dediğimiz şeyi ortaya çıkarır. Demek ki kütle çekimi, zihnimizde şekillendiği gibi aslında bir çekim değildir. Uzayın eğri oluşunun bir sonucudur. Dolayısıyla kütleler aslında birbirini çekmez, birbirine düşer. Hangi cismin bir diğerine hangi hızla düşeceğini ise cisimlerin kütlesinin birbirine kıyasla büyüklüğü veya küçüklüğü belirler. Küçük kütleli cisimler büyük kütlelilere doğru düşme eğilimde olacaktır ya da daha doğru bir ifadeyle söylersek küçük kütleli cisimler büyük kütlelilere doğru daha hızlı bir şekilde düşecektir. Nitekim büyük kütleliler de aslında küçük kütlelilere doğru düşer. Kütle çekim kuvvetinin bu ve buna benzer detaylarından bu sesli yayın serisinin gelecek bölümlerinden birinde bahsedeceğiz.
Kütleler Hangi Hızda Birbirlerinden Haberdar Olur?
Peki kütleler hangi hızda birbirinden haberdar olur? Yani az önce verdiğim örnekteki örtü üzerine koyduğum o bilye örtünün diğer kısmına koyduğum ikinci bir bilyenin örtüde oluşturduğu çukuru anında fark eder mi? Yoksa biraz zaman geçmesi mi gerekir?
Isaac Newton Kütle Çekim Kuvvetini Nasıl Tanımladı?
Isaac Newton kütle çekimini tanımlarken her kütlenin bir diğer kütle ile arasında bir kuvvetin olduğunu ve bu kuvvetin uzaklıkla ters orantılı şekilde değiştiğini söylemişti. Ters orantı ile kastedilen şey ise şudur: Birbirine bağlı iki parametre düşünün. Eğer bu parametreler arasında bir ters orantı varsa parametrelerden biri artarken diğeri azalır veya biri azalırken diğeri artar. Örneğin trafik kurallarına uyan kişi sayısı arttıkça trafik kazalarının sayısı azalır. Benzer bir şekilde iki nesne arasındaki mesafe arttıkça o iki nesnenin birbirine uyguladığı kütle çekim etkisi de azalır. Çünkü iki nesne birbirinden ne kadar uzakta ise oluşturdukları çukurların merkezleri de birbirinden o kadar uzakta olacaktır.
Kütle Çekim Kuvvetini Neler Etkiliyor?
Newton iki kütle arasındaki kütle çekim kuvvetinin zamandan bağımsız olduğunu zannediyordu. Yani Newton’a göre evrenin öbür ucundaki bir yıldız ile sizin aranızdaki kütle çekimi zamandan bağımsızdır, anında oluşur. Yani evrendeki her bir şeyin diğerlerinden anında “haberdar” olduğunu düşünüyordu. Ancak bunun böyle olmadığını ve kütle çekim kuvvetinin de ışık hızında ilerlediğini Albert Einstein sayesinde anlamış olduk.
Kütle Çekiminin Işık Hızında İlerlemesi Ne Demek?
Peki kütle çekiminin ışık hızında ilerlemesi ne demek? Bunu bir örnekle basitçe açıklayabiliriz. Eğer Güneş bir anda kaybolursa onun kaybolduğunu yaklaşık 8 dakika sonra fark ederiz. Çünkü Güneş’in ışığının yaklaşık 150 milyon kilometrelik bir yolu katedip Dünya’ya gelmesi için geçen süre yaklaşık 8 dakikadır. Bu durum sadece ışık için geçerli değildir. Benzer şekilde, Güneş anında yok olduğunda onun oluşturduğu çukur da yok olacaktır. Ancak bu anında olmaz. Yani Güneş’in oluşturduğu kütle çekim kuvvetinin yok oluşu anında gerçekleşmez. Dünya’nın olduğu bölgede çukurun veya bir başka ifadeyle kütle çekim etkisinin yok oluşu 8 dakika sonra gerçekleşir. Dünya için Güneş’in kütle çekimi ortadan kalktığında Dünya adeta yaydan fırlamış bir ok gibi galaksi içinde düz bir doğru boyunca ilerlemeye başlar. Ta ki başka bir kütlenin veya kütlelerin oluşturduğu bir çukurun yani kütle çekim kuvvetinin etkisini hissedene kadar.
Bu durumu zihninizde daha iyi canlandırmak için trambolin örneğine geri dönelim. Trambolinde zıpladığınızı hayal edin. Ayaklarınız trambolinin esnek malzemesine her temas ettiğinde, o esnek malzemeyi trambolinin kenarlarına birleştiren yaylar, sizin varlığınızı hisseder. Çünkü trambolini esneterek o yaylara adeta orada olduğunuzun bir sinyalini gönderirsiniz. Ancak trambolinin en çok gerilimi hisseden ve en fazla çöküntüye uğrayan bölgesi, ayaklarınızın hemen altındaki kısımdır. Siz yukarıdayken trambolin normal konumuna geri döner. Ancak kenarlardaki yaylar bunu hemen fark edemez. Minik de olsa bir zaman gecikmesi olacaktır. Buna benzer olarak Güneş sisteminden Güneş’i anında alırsanız sistemdeki gezegenler, cüce gezegenler, asteroitler, kuyruklu yıldızlar ve sistemin bir parçası olan diğer her şey bunu anında hissetmez. Güneş’e en uzak olan Güneş’in kaybolduğundan en geç haberdar olur.
Kütle Çekim Kuvveti Evren İçin Neden Önemli?
Hatırlarsanız kütle çekim kuvvetini sizi yeryüzüne bağlayan, görünmez esnek bir halata benzetmiştim. Bu hayali esnek halat sadece bizler ile Dünya arasında bulunmaz. Gezegenler ve yıldızlar arasında, galaksiler arasında ve hatta evrende kütleye sahip her şey arasında bir kütle çekim kuvveti vardır. Örneğin Güneş sistemindeki gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketi, kütle çekim kuvveti ve gezegenlerin yörünge hızı arasındaki bir dengeye bağlıdır. Bunu basit bir örnekle açıklayayım.
Okyanusta oluşan dev bir girdaba kapılmış iki tekneyi düşünelim. Teknelerden biri girdabın merkezine yakın, diğeri ise biraz daha uzakta olsun. Sizce hangi teknenin girdaptan kurtulma şansı daha yüksektir? Elbette girdaba daha uzak olan tekne daha şanslıdır. Çünkü o tekne girdabın merkezine daha uzakta olduğu için girdabın “çekim” etkisini daha az hissedecektir. Şimdi bu analojiyi Güneş sistemine uygulayalım. Uzaydaki cisimlerin kütlesi ne kadar büyükse etrafında o kadar güçlü, adeta görünmez bir girdap oluşacaktır. Dünya ve Güneş sistemindeki diğer gezegenler Güneş’in oluşturduğu girdabın etrafında sürekli olarak dönerler ancak asla Güneş’e düşmezler. Çünkü gezegenlerin ve Güneş etrafında tur atan diğer her şeyin bir yörünge hızı vardır. Güneş’e yakın gezegenler daha kısa sürede Güneş etrafında tur atar, uzak olanlar ise daha uzun bir sürede. Çünkü bir tekne girdabın merkezine yaklaştıkça daha hızlı hareket etmeli ki girdabın merkezine düşmeden etrafında tur atabilsin. Güneş etrafında tur atan gezegenleri okyanustaki bir girdap etrafında tur atan teknelere benzetmekte bir sorun yoktur.
Buraya kadar anlattıklarıma dikkat ederseniz iki nesne arasındaki kütle çekiminin tam olarak ne olduğunu tanımlarken iki önemli şeyden bahsettim: kütle ve nesneler arasındaki uzaklık. Kütle arttıkça veya nesneler arasındaki mesafe azaldıkça kütle çekim kuvveti artar. Diğer yandan, kütleler azaldıkça veya nesneler arasındaki mesafe arttıkça kütle çekim kuvveti azalır.
Gezegenlerin Küre Şeklinde Olmasının Sebebi Nedir?
Minik bir hatırlatma... Dünya’nın küre şeklinde olmasının nedeni de kütle çekimidir. Büyük bir kütleye her yönde madde düşerse sonunda elde edeceğiniz şey bir küre olur. Kartopu yapmak için avucunuza aldığınız karı her yönden merkeze doğru sıkıştırmanız gerekir. Bunu ne kadar iyi yaparsanız küreye o derece yakın bir kartopu elde edersiniz. İşte bu nedenle gezegenler küreseldir. Aslına bakarsanız kabaca birkaç yüz kilometreden daha geniş gök cisimleri küresel olma eğilimindedir. Diğer yandan galaksilerin, yıldızların, gezegenlerin, doğal uyduların ve tüm gök cisimlerinin oluşma nedeni de kütle çekimidir. Çünkü kütle çekimi sayesinde küçük kütleler büyük kütlelere doğru düşer ve toplam kütle giderek büyür.
Kütle Çekiminden Kurtulmak Mümkün mü?
Bizler önce bu gezegene bağlıydık. Yeryüzünü terk edemiyorduk. Ancak yüzlerce yıldır gelişen bilim ve teknoloji sayesinde Dünya’nın kütle çekiminden kurtulmanın yollarını keşfettik, yeni yöntemler icat ettik ve Ay’da yürüdük. Güneş sistemindeki her gezegene en az bir uzay aracı gönderdik. Kütle çekiminin ne olduğunu anladığımız için bunları başarabildik. Tüm bu başarılarımızın arkasında yatan en önemli soru şudur: Nasıl? Bu soruyu durmaksızın sorarak etrafımızdaki evrenin nasıl işlediğini anlamamız bizi bugünlere getirdi. Kim bilir gelecekte neler başaracağız.
Bilim Genç sesli yayınlarının bir bölümünün daha sonuna geldik. Bu bölümde kütle çekim kuvvetinin tam olarak ne olduğundan bahsettim ve bunu yaparken gündelik yaşamdan bazı örnekler verdim. Ancak dikkat ederseniz kütle çekiminin zamana ve ışığa olan etkisinden veya sadece küçük kütlenin büyük kütleye doğru değil aynı zamanda büyük kütlenin de küçük kütleye doğru düşme eğilimde olduğundan detaylı olarak bahsetmedim. Yani zıpladığınızda siz Dünya’ya doğru düşerken aslında Dünya da size doğru düşer. Zamanı doğru kullanmak adına kütle çekiminin bu ve buna benzer ilginç detaylarını bir başka bölüme saklayalım.
Bilim Genç sesli yayınlarının bir sonraki bölümünde, etrafımızı saran evreni anlamaya devam edeceğiz. Şimdilik hoşça kalın!
Kaynaklar:
- Newton, I., Principia, 1687.
- Topal, S., Kaostan Kozmosa Evrenin Hikayesi, Destek Yayınları, 2020.
- https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-trans/110
- https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/What_is_gravity
Hazırlayan ve Seslendiren Hakkında:
Doç. Dr. Selçuk Topal
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fizik Bölümü
Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Anabilim Dalı
