Zaman Yolculuğu Mümkün mü? Fizik Ne Diyor?
Geleceğe yolculuk gerçek: Atom saatleri, GPS uyduları ve astronotlar bunu kanıtlıyor. Peki geçmişe gitmek mümkün mü? Fizik ne diyor?
Bir astronot Uluslararası Uzay İstasyonu’nda altı ay geçirip Dünya’ya döndüğünde, burada kalan herkesten biraz daha az yaşlanmış olur. Ne kadar az? Yaklaşık 0,0045 saniye. Kulağa önemsiz geliyor, ama bu gerçek bir zaman yolculuğudur: Astronot, geleceğe bizden birkaç milisaniye “önden” varmıştır.
Bilim kurgunun en sevilen fikri, fizikte iki çok farklı soruya ayrılır. Geleceğe yolculuk mümkün mü? Evet, hem de ölçülmüş durumda. Geçmişe yolculuk mümkün mü? İşte orada işler karışıyor.
Geleceğe yolculuk: Hepimiz zaten yapıyoruz
Aslında hepimiz geleceğe gidiyoruz: saniyede bir saniye hızla. Asıl soru, bu hızı değiştirip değiştiremeyeceğimiz.
Newton’un dünyasında zaman evrensel bir saatti; herkes için aynı akardı. Einstein’ın görelilik kuramları bu fikri yıktı. Zaman, kimin ölçtüğüne göre farklı akar. Bunun iki yolu var: hız ve kütleçekim.
Hız zamanı yavaşlatır
Einstein’ın 1905’teki özel görelilik kuramına göre, sana göre hareket eden bir saat senin saatinden daha yavaş işler. Buna zaman genişlemesi (time dilation) denir. Günlük hızlarda etki fark edilemeyecek kadar küçüktür, ama ışık hızına yaklaştıkça hızla büyür.
Birkaç somut hesap:
- Işık hızının %99’uyla giden bir gemide geçen 1 yıl, Dünya’da yaklaşık 7,1 yıla karşılık gelir.
- Işık hızının %99,99’uyla giderken bu oran yaklaşık 71 kata çıkar. Gemide 1 yıl geçirip dönen yolcu, Dünya’yı 71 yıl sonrasında bulur.
Bu, ünlü ikizler paradoksunun özüdür. İkizlerden biri yüksek hızla yolculuk yapıp döndüğünde, Dünya’da kalan kardeşinden daha genç olur. Durum simetrik değildir, çünkü yolculuk yapan ikiz yön değiştirmek için hızlanıp yavaşlamak zorundadır; Dünya’daki ise değildir.
Sorun mühendislikte. Bir tonluk bir gemiyi ışık hızının %99’una çıkarmak için yaklaşık 5,5 × 10²⁰ joule enerji gerekir. Bu, kabaca insanlığın bir yılda tükettiği toplam enerji mertebesindedir. Üstelik bu hesap, yakıtın kendi kütlesini hiç saymıyor.
Kütleçekim de zamanı yavaşlatır
Einstein’ın 1915’te tamamladığı genel görelilik kuramı ikinci yolu gösterdi: Kütleçekimin güçlü olduğu yerde zaman daha yavaş akar. Bir dağın tepesindeki saat, deniz kıyısındaki saatten çok az daha hızlı işler. (Bunun nedenini genel görelilik yazımızda anlatıyoruz.)
Bu etki, bir kara deliğin yakınında uç noktalara varır. Interstellar filmindeki, bir saatin yedi yıla karşılık geldiği gezegen sahnesi ilke olarak bu etkiye dayanır; ancak böyle bir oran, çok hızlı dönen dev bir kara deliğin hemen yakınında bulunmak gibi son derece uç koşullar gerektirir.
Kanıtlar: Uçaklar, uydular ve astronotlar
Hafele–Keating deneyi (1971)
Ekim 1971’de fizikçi Joseph Hafele ve astronom Richard Keating, dört sezyum atom saatini sıradan yolcu uçaklarına bindirip dünyanın çevresinde iki tur attırdı: bir kez doğuya, bir kez batıya. Dönüşte saatleri ABD Deniz Gözlemevi’ndeki saatlerle karşılaştırdılar.
Doğuya giden saatler 59 nanosaniye geri kalmıştı; kuramın öngörüsü 40 ± 23 nanosaniyeydi. Batıya giden saatler ise 273 nanosaniye ileri gitmişti; öngörü 275 ± 21 nanosaniyeydi. Fark yönle ilgiliydi: Dünya doğuya doğru döndüğü için doğuya uçan uçak, Dünya’nın merkezine göre daha hızlı hareket ediyordu.
Bir nanosaniyede ışık yaklaşık 30 santimetre yol alır. 273 nanosaniye, ışığın yaklaşık 82 metre gidebileceği bir süredir. Minik, ama tam da Einstein’ın öngördüğü kadar.
GPS: Cebindeki görelilik laboratuvarı
Telefonundaki konum servisi, görelilik hesaba katılmasa çalışmazdı. GPS uyduları yaklaşık 20.200 kilometre yükseklikte, saniyede yaklaşık 3,9 kilometre hızla dolanır. İki etki birbirine karşı çalışır:
- Hız yüzünden uydu saatleri günde yaklaşık 7 mikrosaniye yavaş işler.
- Zayıf kütleçekim yüzünden günde yaklaşık 45 mikrosaniye hızlı işler.
Net sonuç: Uydu saatleri yerdeki saatlerden günde yaklaşık 38 mikrosaniye ileri gider. Işık 38 mikrosaniyede yaklaşık 11 kilometre yol aldığı için, bu fark düzeltilmeseydi konum hesapları hızla bozulurdu. Bu yüzden uydu saatlerinin frekansı, daha fırlatılmadan önce bu farkı telafi edecek şekilde ayarlanır.
Uzay istasyonundaki zaman yolcuları
Uluslararası Uzay İstasyonu yaklaşık 400 kilometre yükseklikte, saniyede yaklaşık 7,7 kilometre hızla döner. Bu alçak yörüngede hız etkisi baskın çıkar. Hesaplarımıza göre istasyondaki saatler yerdekilerden günde yaklaşık 25 mikrosaniye geri kalır.
Altı ayda bu fark yaklaşık 4,5 milisaniyeye ulaşır. Uzayda toplam 1.111 gün geçirerek rekor kıran Rus kozmonot Oleg Kononenko için ise yaklaşık 27 milisaniye eder. Yani insanlık tarihinin en uzun “zaman yolculuğu” bile saniyenin otuzda birinden kısa.
Geçmişe gitmek: Denklemlerdeki arka kapılar
Geleceğe gitmenin yolu belli. Geçmiş ise bambaşka bir mesele. Genel göreliliğin denklemleri, ilginç biçimde, geçmişe dönüşü tamamen yasaklamaz. Bazı çözümler kapalı zamansı eğriler (closed timelike curves) içerir: Uzay-zamanda ilerleyen bir yolcunun sonunda kendi geçmişine vardığı yollar.
- Gödel evreni (1949): Matematikçi Kurt Gödel, bütünüyle dönen bir evrende böyle yolların var olabileceğini gösterdi. Ancak gözlemler, bizim evrenimizin bu şekilde dönmediğini gösteriyor.
- Solucan delikleri: 1988’de Michael Morris, Kip Thorne ve Ulvi Yurtsever, uzayın iki noktasını birbirine bağlayan, içinden geçilebilir bir solucan deliği (wormhole) var olsaydı, ağızlarından biri yüksek hızla gezdirilerek bir zaman makinesine dönüştürülebileceğini gösterdi. Ağızlar arasında oluşan saat farkı, birinden girip diğerinden geçmişe çıkmaya izin verirdi.
Ama büyük bir sorun var: Böyle bir solucan deliğinin çökmeden açık kalması için egzotik madde, yani negatif enerji yoğunluğuna sahip bir şey gerekir. Kuantum fiziğinde Casimir etkisi gibi olgular çok küçük ölçeklerde negatif enerji yoğunluklarına izin verir. Bunun bir solucan deliğini açık tutacak miktarda ve biçimde elde edilip edilemeyeceği ise bilinmiyor. Bugüne kadar hiçbir solucan deliği de gözlenmedi.
İlginç bir ayrıntı: Böyle bir makine, kurulduğu andan daha önceye götüremez. Yani bir gün yapılsa bile, dinozorları görmeye gitmek mümkün olmazdı.
Paradokslar: Büyükbabanı engelleyebilir misin?
Geçmişe yolculuğun en bilinen sorunu büyükbaba paradoksudur: Geçmişe gidip büyükbabanın büyükannenle tanışmasını engellersen, sen hiç doğmazsın. Doğmazsan geçmişe gidemezsin. O hâlde engelleyemezsin.
Fizikçiler bu soruya farklı cevaplar önerdi:
- Öz tutarlılık ilkesi: Rus fizikçi Igor Novikov ve meslektaşlarının savunduğu bu görüşe göre yalnızca kendi içinde tutarlı tarihler mümkündür. Geçmişe gidebilsen bile olayları değiştiremezsin; çabaların zaten olmuş olanın parçasıdır.
- Kuantum dalları: David Deutsch gibi bazı fizikçiler, kuantum mekaniğinin çok dünyalar yorumunda geçmişe giden bir yolcunun farklı bir tarih dalına varabileceğini öne sürdü.
Bir de bilgi paradoksu var: Gelecekten bir kitabı alıp geçmişteki yazarına verirsen, kitap kimin eseri olur? Bu sorular, geçmişe yolculuğun fizik yasalarıyla bağdaşıp bağdaşmadığı konusunda derin şüpheler doğurur.
Zamanın neden hep ileri aktığı sorusu ise ayrı bir bilmece; onu da entropi yazımızda ele alıyoruz.
Hawking’in kronoloji koruma varsayımı
1992’de Stephen Hawking, kronoloji koruma varsayımı (chronology protection conjecture) adını verdiği bir öneri yayımladı. Buna göre fizik yasaları, büyük ölçekli zaman makinelerinin oluşmasını engeller.
Hawking’in hesaplarına göre bir zaman makinesi oluşmak üzereyken kuantum boşluğundaki dalgalanmalar aynı bölgede tekrar tekrar üst üste binerek büyür ve enerji, makineyi daha doğmadan yok edecek düzeye çıkabilir. Bu güçlü bir argüman, ama bir kanıt değil. Kesin cevap, kütleçekimi ve kuantum mekaniğini birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı gerektiriyor ve böyle bir kuram henüz yok.
Hawking konuya mizahla da yaklaştı. 28 Haziran 2009’da Cambridge’de zaman yolcuları için bir parti verdi ve davetiyeleri ancak parti bittikten sonra gönderdi. Kimse gelmedi. Hawking bunu, şakayla karışık, zaman yolculuğunun mümkün olmadığına dair “deneysel bir kanıt” diye yorumladı.
Özetle: Geleceğe yolculuk bilim kurgu değil; uçaklardaki atom saatleri, GPS uyduları ve astronotlar bunu ölçülebilir biçimde yaşıyor. Geçmişe yolculuk ise genel göreliliğin denklemlerinde kuramsal bir olasılık olarak duruyor, ama egzotik madde ve paradokslar gibi büyük engellerle çevrili. Bilim insanları kesin cevabın, henüz sahip olmadığımız bir kuantum kütleçekim kuramından geleceğini düşünüyor.
Kaynaklar
- Hafele, J. C. ve Keating, R. E. (1972). “Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains” ve “Observed Relativistic Time Gains”. Science, 177, 166–170.
- Ashby, N. (2003). “Relativity in the Global Positioning System”. Living Reviews in Relativity, 6, 1.
- Morris, M. S., Thorne, K. S. ve Yurtsever, U. (1988). “Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition”. Physical Review Letters, 61, 1446.
- Hawking, S. W. (1992). “Chronology protection conjecture”. Physical Review D, 46, 603.
- Gödel, K. (1949). “An Example of a New Type of Cosmological Solutions of Einstein’s Field Equations of Gravitation”. Reviews of Modern Physics, 21, 447.
