Fotonların Kırmızıya Kayması Enerji Korunumu Yasasını İhlal Ediyor mu?
Oyuncak bir evrenin nihai bir versiyonunu hayal edin: Genişleyen, içi madde dolu ve tüm bunların içinde takip ettiğimiz ve diğer parçacıklarla etkileşimini engellediğimiz tek bir foton (veya bir "ışık tutamı") var. Herhangi bir zamanda bu foton, bir elektromanyetik radyasyon kuantumunun (enerjinin ölçülebilen en küçük birimi) sahip olmasını beklediğiniz tüm özelliklerine sahiptir: Bir yayılma yönü, manyetik ve elektrik alanları için bir polarizasyonu ve ne kadar enerjiye sahip olduğunu belirten bir dalga boyu vardır.
Fotonlar, genişleyen bir evrende yol aldıkça, bu genişleme, fotonların dalga boylarını büyütmeye başlar. Daha büyük dalga boyu, enerjinin azaldığına işaret eder; enerjinin azalması ise ya enerjinin korunmadığı ya da enerjinin bir yere gittiği anlamına gelir. İki türlü de bu, devasa bir kozmik muammadır.
Kütle ve Enerjinin Korunumu
Bugüne kadar enerjiyle ilgili öğrendiğimiz tek bir şey varsa, bu da onun yoktan var edilemeyeceği veya vardan yok edilemeyeceğidir. Ateş yakmak için odunu tutuşturduğunuzda enerji yarattığınızı düşünebilirsiniz, ama gerçekte olan şey çok daha inceliklidir:
- Moleküler bağlar daha az kararlı durumdan (odun ve oksijen) daha kararlı bir duruma geçer (kül ve su buharı) ve bu süreç esnasında enerji açığa çıkar.
- Eğer çıkan enerjiyi ölçecek ölçüp, Einstein'ın meşhur formülünü kullansaydınız (E=mc2E=mc^2), tepkime sonunda çıkan ürün ve tepkimeye giren moleküller arasında çok küçük bir kütle farkı olduğunu görecektiniz.
- Gerçekte, kütle de dahil her formunda enerji, tepkimenin her basamağında değişmeden kalır.
Bu kütle farkı, Güneş’in içinde gerçekleşen nükleer reaksiyonlar gibi durumlarda daha da barizdir. Hatta Güneş'in oluştuğu gün ile bu günkü kütlesine bakacak olsaydınız, enerji yaydığı bu 4.5 milyar yıllık süre içinde, yaklaşık Satürn kadarlık bir kütle kaybettiğini görürdünüz.
Bildiğimiz enerjinin korunduğu bütün reaksiyonlar içinde, işin zor kısmı, başlangıçtaki ve sondaki enerji kaynaklarının nerede olduğunu takip etmektir. Bir fizikçiye göre bu sadece bir hesap problemidir; ancak öylesine önemli bir problemdir ki bazı bozunumlarda (beta bozunumları) enerjinin korunmadığı görülünce, enerji korunumunu sağlamak için yeni bir parçacık önerilmiştir: nötrino! Pauli'nin nötrino fikrini önermesiyle bu parçacığın tespit edilmesi arasında 26 yıl geçmiş olsa da bu, enerji korunumunun öngörü gücüne bir kanıt niteliğindedir.
Genişleyen Bir Evren'de Kütle ve Enerji Korunur mu?
Ancak bazen, karşılığında hiçbir şey enerji (veya kütle) kazanmıyor olmasına rağmen bir şeylerin kütle ve enerji kaybediyor gibi göründüğü durumlar vardır. Genişleyen Evren'de olan da tam olarak budur.
Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi'yle birlikte gelen yeni şeylerden biri de uzayın, her şeyin bulunduğu sabit bir koordinat sistemi olmadığı, daha ziyade değişebilir bir yapıda olduğu gerçeğidir. Evren, içinde bulunan enerji ve maddelerin miktar ve konumlarına göre kıvrılabilir ve kıvrılmak da zorundadır; dolayısıyla Evren'in dokusu, genişleyip daralmaya elverişlidir.
Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, sitemizin/uygulamamızın çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, %100 reklamsız ve çok daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.Kreosus
Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.
Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.Patreon
Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.
Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.YouTube
YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.
Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.Diğer Platformlar
Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.Giriş yapmayı unutmayın!
Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.
İşin can alıcı noktası ise, herhangi bir fotonun (veya ışık parçacığının) tam da dalga boyuyla tanımlanan bir enerjiye sahip olmasıdır. Yani eğer Evren genişlerken Evren'in dokusu geriliyorsa veya Evren daralırken aynı doku büzüşüyorsa, o ışığın dalga boyu, dolayısıyla enerjisi de değişmelidir.
Bu durum, sizin de canınızı sıkmalı! Sonuçta Evren'de gerçekleşen tüm fiziksel süreçlerde enerjinin korunması gerekiyor. Genel Görelilik enerji korunumuna aykırı bir durum mu açığa çıkarıyor? Bu sorunun cevabı, korkutucu bir şekilde, evet.
Geniş ölçekte baktığımızda, Evren'de enerjinin korunmaması oldukça olasıdır. Genel Görelilik'in kusursuz ve titizlikle tanımladığı çok sayıda nicelik var; ancak enerji, bunlardan biri değil. Eğer genişleyen bir evren varsa, bu evren zaman içinde değişir ve eğer evreniniz zaman ötelenmelerine karşı değişmez değilse, o halde enerjinin korunumunu zorunlu kılan bir kural da olamaz.
Diğer bir deyişle, Einstein'ın denklemlerinde enerji korunmak zorundadır diye bir kural yok, hatta enerji genişleyen bir evrende tanımlı bile değil!
Fakat bu, enerjiye bir tanım bulamayacağımız anlamına gelmiyor; sadece daha dikkatli olmamız gerektiğini söylüyor.
Enerjiyi Nasıl Tanımlarız?
Güzel bir analoji olarak gazdan yola çıkabiliriz. Eğer gaza enerji (ısı) verirseniz ne olur? Gazın içindeki moleküller enerji kazandıkça daha hızlı hareket etmeye başlar, yani süratlerini arttırırlar ve daha hızlı bir şekilde daha geniş alan kaplamak için yayılırlar.
Ama peki ya kapalı bir kabın içindeki gazı ısıtırsanız ne olur?
Evet moleküller ısınır, daha hızlı hareket ederler ve daha çok yayılmaya çalışırlar, ancak bu durumda çoğunlukla kabın duvarlarına çarparak ekstradan pozitif bir basınç oluştururlar. Kabın duvarları dışarıya doğru itilmiş olur, bu da enerjiye mal olur. Bu enerji de, iş yapan moleküllerden gelmelidir.
Bu genişleyen Evren'de olan duruma çok benzer bir olaydır. Fotonların dalga boylarından dolayı sahip oldukları enerjileri vardır ve evren genişledikçe, fotonların dalga boyları da esner. Tabii fotonlar enerji kaybeder, ancak Evren’in üzerinde de, içindeki her şey tarafından ve dışarıya doğru pozitif bir basınç şeklinde iş yapılmış olur!
Tam anlamıyla söylemek gerekirse, daha önce de bahsettiğimiz gibi, Genel Görelilik'te enerji, Evren için tanımlanmamıştır. Ama eğer Evren'in dokusunu alıp, onun büzüşmesini sağlasaydık, içindeki fotonlara ne olurdu? Büzüşen (küçülen) bir Evren, fotonlar üzerinde iş yapardı (tam tersi olması yerine) ve bu da fotonların enerji kazanmasını sağlardı.
Peki ne kadar enerji kazanırlardı? Tam olarak Evren'in genişlemesiyle kaybettikleri enerji kadar!
Sonuç
Yani evet, Evren genişledikçe fotonlar enerji kaybeder. Ancak bu enerjinin korunmadığını göstermez; bu sadece, enerjinin Evren'in genişlemesinde iş formunda kullanıldığını belirtir. Ve eğer Evren genişlemeyi tersine döndürüp daralmaya başlarsa, yapılan iş de tersine dönerek fotonlara gidecektir.
Kuantum Kütleçekimi gibi daha kapsamlı bir teoride enerjinin daha katı bir tanımının ortaya çıkması muhtemel, bu sayede de enerjinin gerçekten korunup korunmadığını anlayabileceğiz. Ama katı bir tanımın yokluğunda yapabileceğimiz tek şey elimizde olan bilgileri ve araçları kullanarak çalışmak. Evet fotonlar enerji kaybeder; ama bu enerji sonsuza dek yok olmaz, enerji kaybı (veya kazancı) tam olarak genişleyen (veya daralan) Evren'inkine karşılık gelir.
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
İlginizi Çekebilecek Sorular
- Karbon nedir Ne işe yarar?
- Asit yağmurları yağmadan önce tarihi eserlerin üzerine baz koyup tarihi eserleri koruyabilir miyiz?
- Herhangi bir sınava hazırlanan kişiler için haftanın belli günleri izin(tatil) günü yapanlar ve yapmayanlar arasındaki başarı farkı nedir?
- 4
- 3
- 2
- 2
- 1
- 1
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 08/08/2022 22:06:38 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/12156
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.
- Bilim Ağacı> Doğa Bilimleri> Fizik> Astronomi> Astrofizik> Fiziksel Kozmoloji
- Bilim Ağacı> Doğa Bilimleri> Fizik> Görelilik> Genel Görelilik
- Enerji Evren Evrenin Genişlemesi Foton Kütle Dalga Boyu
This work is an exact translation of the article originally published in Forbes. Evrim Ağacı is a popular science organization which seeks to increase scientific awareness and knowledge in Turkey, and this translation is a part of those efforts. If you are the author/owner of this article and if you choose it to be taken down, please contact us and we will immediately remove your content. Thank you for your cooperation and understanding.