Kara deliklerin içindeki tuhaf matematiği bir sessizlik nasıl çözdü
Roger Penrose, 1964’ün berrak bir Eylül gününde eski bir arkadaşını ziyaret etti. İngiliz kozmolog Ivor Robinson, yaşadığı ve çalıştığı Dallas, Teksas’tan İngiltere’ye geri dönmüştü. İkisi ne zaman bir araya gelse, sohbetten asla mahrum kalmazlar ve bu vesileyle konuşmaları aralıksız ve geniş kapsamlı olurdu.
İkili, Penrose’un Londra’daki Birkbeck Koleji’ndeki ofisinin yakınında yürürken, kaldırım kenarında kısa bir süre durarak trafikte beklediler. Gezintilerindeki anlık duraklama, konuşmadaki bir sükunete denk geldi ve yolu geçerken sessizliğe sessiz kaldılar.
O anda Penrose’un zihni sürüklendi. Uzay boşluğunun içinden 2,5 milyar ışık yılı yolculuk yaparak dönen bir kuasarın kaynayan kütlesine ulaştı. Kütleçekimsel çöküşün tüm galaksiyi daha derine ve merkeze daha da yaklaştırarak nasıl ele geçirdiğini hayal etti. Kollarını vücuduna yaklaştıran dönen bir patenci gibi, kütle kasıldıkça gittikçe daha hızlı dönüyordu.
Bu kısa zihinsel titreme bir ilhama yol açtı -ne de olsa 56 yıl sonra ona Nobel Fizik Ödülü’nü kazandıracaktı.
Tekillik içinde, bilinen fizik yasaları – Einstein’ın bunu öngören kendi görelilik teorisi de dahil olmak üzere – artık geçerli olmayacaktı.
Pek çok görecelikçi gibi – Albert Einstein’ın Genel Görelilik Teorisini test etmek, keşfetmek ve genişletmek için çalışan teorik fizikçiler – Penrose 1960’ların başını “tekillik sorunu” olarak bilinen tuhaf ama özellikle düğümlü bir çelişkiyi inceleyerek geçirmişti.
Einstein, 1915’te bilim adamlarının uzay, zaman, yerçekimi, madde ve enerji anlayışında devrim yaratan Genel Teorisini yayınladı. 1950’lere gelindiğinde, Einstein’ın teorisi çılgınca başarılıydı, ancak tahminlerinin çoğu hala olasılıksız ve test edilemez olarak görülüyordu. Denklemleri, örneğin, kütleçekimsel çöküşün, ışığın bile kaçamayacağı bir “tekillik” oluşturarak sonsuz yoğunlaşacak kadar yeterince küçük bir bölgeye zorlamasının teorik olarak mümkün olduğunu gösterdi. Bunlar kara delikler olarak bilinmeye başladı.
Ancak böyle bir tekillik içinde, bilinen fizik yasaları – Einstein’ın onu öngören kendi görelilik teorisi de dahil olmak üzere – artık geçerli olmayacaktı.
Tekillikler matematiksel görecelikçiler için tam da bu nedenle büyüleyiciydi. Ancak çoğu fizikçi, Evrenimizin bu tür bölgeleri gerçekten içeremeyecek kadar düzenli olduğunu kabul etti. Ve tekillikler olsaydı bile, onları gözlemlemenin bir yolu olamazdı.
Penrose, “Uzun süre büyük bir şüphe vardı” diyor. “İnsanlar bir sıçrama olmasını bekliyordu: bir nesnenin çöküp karmaşık bir şekilde dönüp tekrar dışarı çıkması.”
1950’lerin sonlarında, ortaya çıkan radyo astronomisi alanındaki gözlemler bu fikirleri kargaşaya sürükledi. Radyo gökbilimciler çok parlak, çok uzak ve çok küçük görünen yeni kozmik nesneler tespit ettiler. İlk önce “yarı yıldız nesneler” olarak bilinen – daha sonra “kuasarlar” olarak kısaltıldı – bu nesnelerin çok küçük bir alanda çok fazla enerji sergilediği görüldü. İmkansız görünse de, her yeni gözlem, kuasarların tekilliklere dönüşme sürecindeki eski galaksiler olduğu fikrine işaret ediyordu.
Bilim adamları, tekilliklerin herkesin düşündüğü kadar olası olmadığını kendilerine sormak zorunda kaldılar. Bu görelilik tahmini, matematiksel bir fantezi uçuşundan daha fazlası mıydı?
Austin, Princeton ve Moskova’da, Cambridge ve Oxford’da, Güney Afrika, Yeni Zelanda, Hindistan ve başka yerlerde kozmologlar, astronomlar ve matematikçiler kuasarların doğasını açıklayabilecek kesin bir teori bulmak için çabaladılar.
Kullandıkları yöntemlerle bu konuda kesin bir sonuca varma ihtimallerinin düşük olduğuna dair güçlü bir hisse kapıldım – Roger Penrose
Çoğu bilim adamı, bir tekilliğin oluşabileceği oldukça özelleşmiş durumları belirlemeye çalışarak bu soruna yaklaştı.
O zamanlar Londra’daki Birkbeck Koleji’nde okuyan Penrose farklı bir yaklaşım benimsedi. Doğal içgüdüsü her zaman genel çözümler, temel ilkeler ve temel matematiksel yapıları aramaktı. Birkbeck’te uzun saatler geçirdi, kendi tasarımı kıvrımlarla ve kıvrımlarla kaplı büyük bir kara tahtada çalışıyordu.
1963’te, Isaac Khalatnikov liderliğindeki bir Rus teorisyen ekibi, çoğu bilim insanının hala inandığı şeyi doğrulayan alkışlanan bir makale yayınladı – tekillikler fiziksel Evrenimizin bir parçası değildi. Evrende, dediler ki, çöken toz bulutları veya yıldızlar, tekillik noktasına ulaşmadan çok önce yeniden genişleyeceklerdi. Kuasarlar için başka bir açıklama olmalıydı.
Penrose şüpheliydi.
“Kullandıkları yöntemlerle, bu konuda kesin bir sonuca varabileceklerinin pek mümkün olmadığını hissettim” diyor. “Bana göre, soruna onlardan daha genel bir şekilde bakılması gerekiyordu, bu biraz sınırlı bir odak noktasıydı.”
Yine de, argümanlarını reddederken, tekillik sorunu için genel bir çözüm geliştiremedi. Bu Robinson’un ziyaretine kadardı. Robinson da tekillik sorununu araştırsa da, ikili 1964’ün o sonbahar gününde Londra’da yaptıkları sohbette bunu tartışmadı.
Ne var ki, bu uğursuz sokak geçişinin kısa sessizliği sırasında Penrose, Rusların hatalı olduğunu fark etti.
Tüm bu enerji, hareket ve kütlenin birlikte küçülmesi o kadar yoğun bir ısı yaratır ki, radyasyon her yöndeki her dalga boyunda patlar. Ne kadar küçük ve hızlı olursa, o kadar parlak parlar.
Geri dönüşü olmayan bir nokta olurdu. Işık, uzay ve zaman tamamen dururdu. Kara delik.
Kara tahta çizimlerini ve günlük eskizlerini zihinsel olarak o uzaktaki nesneye haritaladı, zihninde Rusların tahmin ettiği noktayı, bu bulutun tekrar patlayacağı noktayı araştırdı.
Böyle bir nokta yoktu. Penrose, zihninin gözünde sonunda çöküşün nasıl engelsizce devam edeceğini gördü. Yoğunlaşan merkezin dışında, nesne galaksimizdeki tüm yıldızlardan daha fazla ışıkla parlayacaktı. Ve derinlerde, ışık dramatik açılarda bükülür, her yön birbiriyle birleşene kadar uzay-zaman eğrilirdi.
Geri dönüşü olmayan bir nokta olurdu. Işık, uzay ve zaman tamamen dururdu. Bir kara delik.
O anda Penrose, bir tekilliğin herhangi bir özel koşul gerektirmediğini biliyordu. Evrenimizde tekillikler imkansız değildi. Kaçınılmazdı.
Kuasarın ne olduğunu açıklamaktan daha fazlasını yapmıştı – Evrenimizin altında yatan gerçeklikle ilgili büyük bir gerçeği ifşa etmişti
Bu, Evren hakkındaki anlayışımızı altüst edecek ve bugün onun hakkında bildiklerimizi şekillendirecek bir fikirdi.
Penrose, iki ay içinde teorem üzerine konuşmalar yapmaya başlamıştı. Aralık ortasında, Ivor Robinson ile karşı karşıya geldikten sadece dört ay sonra 18 Ocak 1965’te yayınlanan Physical Review Letters akademik dergisine bir makale sundu.
Tepki umduğu gibi değildi. Penrose Tekillik Teoremi tartışıldı. Reddedildi. Çelişkili…
Tartışma, o yıl Londra’da düzenlenen Uluslararası Genel Görelilik ve Yerçekimi Kongresi’nde zirveye ulaştı.
“Pek dostça değildi. Ruslar oldukça sinirlendi ve insanlar yanıldıklarını kabul etme konusunda isteksizlerdi ”diyor Penrose. Konferans, tartışmanın çözülmemesiyle sona erdi.
Ancak kısa bir süre sonra, Rus gazetesinin hesaplamalarında hatalar olduğu ortaya çıktı – matematik ölümcül derecede kusurluydu, tezleri artık savunulamaz.
Penrose, “Bunu yapma biçiminde bir hata vardı” diyor.
1965’in sonlarında, Penrose Tekilliği Teoremi tüm dünyada ilgi görüyordu. Tekil kavrayışı kozmolojide itici bir güç haline geldi. Kuasarın ne olduğunu açıklamaktan daha fazlasını yapmıştı – Evrenimizin altında yatan gerçeklikle ilgili büyük bir gerçeği ifşa etmişti. O andan itibaren Evren insanının ürettiği hangi modeller tekillikleri içermeli, bu da göreliliğin ötesine geçen bilimi içermesi anlamına geliyordu.
Amerikan bilim gazetecisi Ann Ewing tarafından kamuoyunda ilk kez kullanılan bir terim olan “kara delikler” olarak anımsatıcı olarak tanınmaları sayesinde, tekillikler de halkın bilincine sızmaya başladı.
Stephen Hawking, çift tekillikler üzerinde birlikte çalıştıktan sonra, Evrenin kökeni hakkındaki teorileri tersine çevirmek için Penrose’un teoremini temel aldı. Tekillikler, Evrenin doğası, tarihi ve geleceği hakkındaki her teorinin merkezi haline geldi. Deneyciler, bu yıl Nobel Fizik Ödülü’nü Penrose ile paylaşan Reinhard Genzel ve Andrea Ghez tarafından keşfedilen kendi galaksimizin merkezindeki hiper kütleli kara deliğin kalbindeki tekillikler de dahil olmak üzere diğer tekillikleri belirlediler.
Penrose, Konformal Döngüsel Kozmoloji olarak bilinen Big Bang Teorisine bir alternatif geliştirmeye devam etti; bunun kanıtı eski kara deliklerden kalan sinyallerden gelebilir. (Evrenin bir sonu olup olmadığı hakkında daha fazlasını okuyun.)
2013 yılında, mühendis ve bilgisayar bilimcisi Katie Bouman, kara deliklerin fotoğraflanmasına izin vereceğini umdukları bir algoritma geliştiren bir araştırma ekibine liderlik etti. Nisan 2019’da, Event Horizons teleskopu, bir kara deliğin ilk görüntülerini yakalamak için bu algoritmayı kullandı ve hem Einstein’ın hem de Penrose’un bir zamanlar tartışmalı teorilerinin çarpıcı görsel onayını sağladı.
Şu anda 89 yaşında olan Penrose, fizikteki en yüksek onur olan Nobel Ödülü’ne layık görüldüğü için mutlu olsa da, aklına baskı yapan başka bir şey var.
Garip geliyor. Kendimi ayarlamaya çalışıyordum. Bu çok gurur verici ve çok büyük bir onur ve çok takdir ediliyor ”dedi haberi aldıktan birkaç saat sonra. “Ancak öte yandan, aynı anda üç farklı (bilimsel) makale yazmaya çalışıyorum ve bu, işi eskisinden daha zor hale getiriyor.” İnsanların kendisini tebrik etmesiyle ve röportaj isteyen gazetecilerle telefonun çalmayı bırakmadığını açıklıyor. Ve tüm bu yaygara, onu son teorilerine odaklanmaktan alıkoyuyor.
Penrose, sessizliğin gücünü ve sunabileceği içgörü ışıltısını herkesten daha iyi bilir.