Boşluk acaba gözlemcinin hareketine mi bağlı? Teorik hesaplara göre, boşlukta titreştirilen iki ayna arasında oluşturulan bir aralık, bir ışıma meydana getirebilir. Bu kuantumlu sonuç Einstein'ın genel görelilik kuramını gündeme getiriyor.
EVRENÎN herhangi bir yerinde hcrhangi bir madde ya da parçacığın olmaması. hiçbir scy ol-mayacağı anlamına gel-miyor. 1948 yılında Ilollandalı araş-tırmacı Hendrik Casimir'in varsaydı-ğı bıı sonııca göre, boşlukta yerlcsci-rilcn iki ayna hirbirlerini çok zayıf bir kuvvctlc çckeccktir. 1 cm2'lik bir yüzeye sahip iki aynanın 0,5 mikro-metrc aralıkla yerlcşcirildiği zaman birbirlerinc etki cccirdiği bu kuvvct yaklaşık 0,2 miligramlık bir kiitlcnin yararcığı ağırlığa karşılık gclmcktc-dir. Casimir etkisi 1958 yılında. bas-ka hir Hollandalı fızikçi olan. çekim kuvvccini ve bunun plakalar arasın-daki aralığa göre değişimini gözler önünc scren Marcus Sparnay tarafın-dan sınandı.
Pcki bu Casimir etkisi nereden gcliyor? Bu sorunun cevabı elektro-manyctik teori ve kuantum fıziğinin yasalarının birlikrcliğini gerektiriyor. Kuancum yasalarına göre, elekcro-manyetik alanın en küçiik enerjisini hesapladığımızda, bunun sıfır olma-dığını görüyoruz. Bu sonuç, elektro-manyerik alanda kendiliğinden de-ğişmelcr olmasıyla yorumlanabilir. Öce yandan. "boşluk" gibi yerlerde cn küçük enerji değerine sa-hip elckcromanyecik alanın değerinin orcalama sıfır olması. onun hem eksi degerde hem de artı değerde sıfırın etra-fında sürekli ola-rak değişmesin-den kaynakla-nıyor. Tüm
m
evrcndc olan bıı değişmclcr "sıfır nokcası encrjisi" dediğimiz bir ener-jinin oluşmasına neden oluyor. Gö-rüldii ki bunun değeri sonsuz ve bu da hir zorluğu orcadan kaldırmış, olu-yor. Ancak fizikyiler, değeri sonsuz olsa da bunun gözlemlcnemeyip sa-decc enerji farkının gözlemlenebile-ceğini söylüyorlar.
Casimir carafından rasarlanan iki aynalı dıırumda, bu cisimler, varlıkla-rıyla elekcromanyetik alanın kendili-ğindcn değişip durmasına neden olııyorlar. Gerçekten de, clektrik alan değerinin. elektriği çok iyi ile-ten bir yüzeyde (mükemmel bir ay-nada olduğu gibi) sıfır olması gerekir. Böylece iki ayna arasındaki aralığın içinde elektromanyetik alan salınım-larının da her iki uçta sınır değerleri-ne uyması gerekiyor. Bu durum iki ucundan sabit noktalara bağlanmıs bir ipe benzetilcbilir; titreşimlerinin biiyiiklüğii bağlancı nokcalarında sıfır olmahdır. bıı da olası kiplerini sınır-lar. Bundan dolayı herhangi uzun-lukcaki bir dalgaya (ya da frekansa) kendiliğinden karşı koyan bu salı-nımlar, kendi dalgaboylarının ayna aralığının dalgaboyııyla uyuşup ııyuşmamasına göre ya büyüyor ya da küçülüyor. Iki ayna tarafından olıış-
Hendrik B.G. Casimir 1948'de, boşluğa yerleştirilen iki metal plakanın birbirini elektromanyetik alan salınımları sonucu oluşan bir kuvvetle çekeceğini tahmin et-mişti. 1909 yılında doğan bu Hollandalı fızikçi aynı zamanda süperiletkenlik üze-rine de çalışmıştı.
turulan arahğın içindeki alanın salı-nımları üzerindeki bıı sınırlama da, arahğın enerjisini değişikliğe uğrat-mak gibi bir sonuc doğuruyor. He-saplanabilen bu enerji farkı aslında Casimir çekim kuvvetinin temelidir. Boşluk, bu sıralarda araşcırmacı-ları şaşırcmaya devam ediyordu. I970'li yıllarda birçok araşcırmacı, hareket halindeki cisimlcr üzerin-dc, boşluğu cckileycn dcğijimlerin sonuçları iizerindc ilgilcnmeye baş-ladı. Sonııçlar, sabic hızda ilerleyen tek bir ayna durumıında. harckctin hiçbir şckildc boşluğu bozmadığını gösterdi. Einste-in'ın görelilik kura-mına tamamcn uygun bir sonuç; değişmez bir hal olan boş-lıık, göz-
lliliın vr Trkulk
lemci ister hareketsiz olsun ister sa-bit hızda ilerlesin. değişmemiş bir şekilde kalır.
Ivmeli hareketlerin hesaba katıl-masıyla işler tııhaf bir şekilde kar-maşık hale gcldi. Örneğin 196H'de iinlii fızikçi Andrej Sakharov'un önerisinc göre kütleçckimi, boşlu-gun salınıp dıırmasından kaynakla-nan bir etki olabilirdi. Bundan esin-lenerek Rus bilim adamları Yaakov /el'dovich ve Lev Pitacvskii 1971 yılında, uzay-zaman cğrisinin varlı-ğıyla (yani genel görelilik kuramına ııygtın bir kûtleçekim alanıyla), boşjugun değişikligc uğradığını gösterdiler. Ingiliz astrofizikçi Step-hen Hawking. karadcliğin boşluk salınımlarının ışık yaydığı sonucuna vardı.
Kanadalı fizikçi VV'illiam Unruh 1976yılında. karadeliğin ışıması için bir model ararken, sabit bir ivme ilc hareket eden bir gözlcmci tarafın-dan bakıldığında. boşluk dcğişimle-rinin ısıl değişimler olarak görülcce-ğini varsaydı. Diğer bir deyişle, böy-le bir gözlemciye göre boşltık. sıcak-lıgı mutlak sıfırdan farklı bir derece-ye ısıtılmış bir fırının içine karşılık geliyor. Buna karşılık, aynı dönem-lerde, Avusttalyalı Paul Davies vc Stephen Fulling, boşjuktaki bir ay-nanın hareketiyle oluşacak ışımayı hesapladılar ve ivme sabit oldıığıın-da (büyilklüğü ve yönii bakımından) ıs,ımanın gercekleşmeyeceği sonu-cuna vardılar.
Davies ve Fulling'in sonuçlan, Unruh'un sonuçlarıyla uyuşmuyor-du: bıı çelişki günümüzde bile fizik-çiler arasında tartışmalara neden olu-yor. Ne olursa olsun, bizi burada ilgi-lendircn, aynanın sabit olmayan bir ivmeye sahip olma durumudur (ör-neğin aynayı titreştirerek oluşturu-lan durum). Öngöriilen sonuçlar en az Casimir etkisinin açıklanması ka-dar şaşırtıcıdır. Davies ve Fulling'in hesaplarına göre hoşjııkta fotonların yayılması gerekir. Bu aşamada soru-lacak sorıı, yayılan enerjinin nereden
Kütleçekimin boşluğun salınıp durmasından kaynaklanan bir etki ola-bileceğini söyleyen Andrei Sakharov, Sovyet hidrojen bombasının babası olarak da biliniyor.
geldiğidir. Bu bir sır değil; enerjinin korunumu yasası söz konusu olma-dığından, madem ki boşluk enerji sağlayamayacak. bunun mekanik bir harekettcn kaynaklanması gerekir. Işımadan sorumlu ayna enerji kay-bediyor ve durmaya başlıyor. O za-man, boşluğun sabit olmayan ivme-ye sahip cisimlerin hareketlerini en-gellediğini söyleycbiliriz.
7976 yılına doğru yapılan hesaplar, boşluktaki bir aynanın foton ışıması yapacağını gösterdi (A). Bu ışıma, çok zayıf olmakla beraber esas iki ayna tarafından oluşturulan aralık durumunda ortaya çıktı (B). Eğer bir nanometre büyüklüğünde bir milyar hertz'lik bir frekansta, kusursuz iki ayna birlikteliğini titreştirirsek, saniyede yaklaşık on civarmda foton aralık dışına ışıyacaktır. Böyle bir ışımanın saptanması, fotonların meydana geldiği boşluğun sabit olmayan ivmelere karşı farklı davrandığını kanıtlayacaktır.
Trmnııiü l'J-17
31
Aynanın hareketinden kaynakla-nan ışıma çok zayıf olduğıından. saptanacak sayıda foton yaratmak için çok şiddetli ivme değişimleri oltışturmak gerekir. Bu yayılmanın gözlemlenmesi pek gereekçi göriin-miiyor. Oysa bu olay göreli ve mut-lak harcket kavramları hakkında önemli ve hassas soruları giindemc getiriyor. Öyle görünüyor ki boşluk, ivmcsi sabit olmayan bir hareketin farkına varıyor, ancak öte yandan sa-bit ivmeli bir hareket göze çarpma-dan geçiyor. Şu halde boşluk bazı hareketleri diğerlerine göre daha fazla tercih ederek, tercihi referans-lar tanımlıyor. Bu da Einstein'ın. "her hareket görelidir" diyen göreli-lik kavramına ters düşüyormuş. gibi görünüyor.
Değişen ivmeli bir harckctin olıışturacağı ışımayı algılama dilşiin-cesi. boşjuğun kuantumlanması ilc genel görelilik arasında doğrııdan bir iliski kurduğu için çok ilginç bir bakış açısıdır. Nasıl daha gerçekei bir deneysel durum vcrilcbilir? Boş-lııkta tek birayna ycrine, titreşcn iki aynanın arasındaki ara bölgcyi düşü-nebiliriz. Bıı dıırıım optik rezonans ile ayıklanır. Aynalar arasında gidip gekn ve uzunluğu ara bölgenin u/unluğuna uyumlu olan dalgaların şiddeti büyürken, diğer dalgaboyları söniime gidccektir.
Sabit olmayan ivmeli harekece sahip ayna aralığında roplanmış enerjiylc ilgili birçok hesap, geçmiş-te özellikle Davies ve Fulling tara-fından yapıldı. Bu hcsaplar için ku-sursuz yansıtan aynalar kullanıldığı farzedildi. Olustıırdukları aralık ta-mamen kapalı bir sistem gibi diişü-nülcbilir. Bu durumda meydana ge-len fotonlar bir aynadan diğer bir ay-naya giderken dışarıya kaçamazlar (burada bir aynadan diğerine yayılan fotonlarla ilgileniyoruz, yani esas olarak ayna aralığıyla etkileşim ha-linde olanlarla). Oysa bu kadar mü-kemmel aynalar gerçekte yok. Öte yandan, kavramsal birtakım zorluk-lar da var: Kaybın olmadığı bir du-rıımda biriken fotonlar zamanla son-suz büyüklüğe ulaşacaktır.
Bir aralığın cicreşjmiyle meydana gelen ışımayı saptamak: zor bir de-ney ama gerçekleşmesi olanaksız değil. Son giinlerdc. Marc Thierry
Karadeliğin boşluk salınımlannın ışık yaydığı sonucuna varan Stephen Hawking, 1974 yılında karadeliklerin ışıdığını bul-masıyla uluslararası üne kavuştu. Havvking, "Zamanın Kısa Tarirti" adlı kitabıyla ülkemizde de tanınıyor.
Jaeckel. Serge Reynaud ve Astrid I.ambrechc, geçirgenligi sıfır olmasa da çok diişük olan gerçek aynalar üzerinde hesaplamalar yaptılar. Bu, özellikle "kip" (Kip burada fotonun aynalararası gidip gelme sayısını -ay-naların birinden geçmeden önce-gösteriyor. Tabii bu aynaların yansıt-ma gücüne bağlı) etkisini nicel ola-rak değerlendirmeyi sağlar. Boşluk-ta cicreşririlen cek bir ayna durumu-na kıyasla iki aynanın harekeci ne-deniyle oluşan foton akısı aralığın kip katsayısı ile büyüyebilir. Bu ara-da yalnızca biiyüme olmaz. Aynala-nn titreşim frekansları. aralığın rezo-nans frekansının tam katı olduğu za-man, ışımanın önemli bir kısmı bazı ışık frekanslarında toplanır ki bıınlar aynı zamanda rezonans frekansının katlarıdır.
Aralığın harekeciyle oluşan ışı-mayı nasıl anlayabiliriz? Bunun de-neyi zor, ama imkânsız olmayacak-cır. Siiperilecken aynalardan olu§an bir arahğın kullanıldığını düşünebi-liriz ki, bu şekilde yiiksek yansıcma gücünde vc 10g mercebesinde bir incelik sağlayabiliriz. Eğer bu aralığı I nanomecre büyüklüğünde, 1 giga-hertz frekansıyla cicrcsrirebilirsek -gcrçek dışı olmayan değerler- ayna-lar arasında, zayıf olmakla bcraber. saniyede on foconluk bir akı yerine
buntı ölçebiliriz. Aynı zamanda bu aralıkcan, çok uyarılmış acomları (Rydberg acomları) geçirmeyi düşii-ncbiliriz. Bu acomlar elekcromanye-cik alanlara karşı çok hassas oldukla-rından, aralıkcan çıkışlarındaki uya-rılma durumlarını ölçerek aralığın icerisindeki fotonların sayısı hak-kında bilgi sahibi olabiliriz.
Lambrecht, bazı önlemler alın-masınm gerekeceğini söylüyor. Isıl hareketlerden dolayı oluşan ışımalar nedeniyle meydana gelebilecek katkıları yok ecmek için, deneyler cok düşiik sıcaklıkta (birkaç on mili-kelvin derecesinde) gerçekleştiril-melidir. Gerekli olan bu ceknikler, giinümüzde ustahkla uygulanmak-tadır. Bıı şekilde, optik rezonansın büyütülmesi sayesinde, ticreşim ne-deniyle oluşan ışımanın sapcanması ilk defa miimkün görünüyor. Geriye sadece deneyin yapılması kalıyor.
Kavramsal kapsamın daha iyi an-laşılması için dikkat etmemiz gere-ken, aynalann titreştiği bir durum-da, aralarındaki mesafe sabit kala-cak sekilde titreşimlerin aynı fazda olması. Oysa bu durumda dahi bir ışıma bekleyebiliriz. Bu, şu şekilde anlaşılabilir: Iki aynanın hareketi sı-rasında, elektromanyetik alan aralık icinde yayılmaya devam ediyor. Her ne kadar geomctrik uzunluğu sabit kalsa da, alan referans çcrçevesin-dcn bakıldığında aralığın uzunluğu pcriyodik olarak dcğişiyor. Buna rağmen, fotonların yayılması bu du-rumda çelişkili görünüyor; aralık boşlukca harekec ediyor ve bu hare-kerin boşluk dışında hiçbir referan-sı yok. Tek aynada olduğu gibi, boş-Iıık sanki. sabic olmayan ivmeli ha-rekeclerle, sabic hızh ya da ivmeli harckecler arasında bir ayırım göze-tiyor.
Oysa, Einstcin'ın genel görclilik kuramına görc ayrıcalığı olan hiçbir referans sistemi yoktur; fizik yasa-ları, gözlemcinin hareketi ne olursa olsun hep aynıdır. Boşluğun kuan-tumsal özelliklcri bu ilkede bir ge-dik oluşturuyor; bu da kuantum fı-ziği ile genel görelilik kuramı ara-sındaki bağın sorgulanmasına yol açıyor.
