Geleceğin İtki Sistemleri -7- Warp Sürüşü -1

 Faster than light travel

The USS Enterprise from Star Trek: The Next Generation.

Başlıklar

1) Kısaca
2) Yıldızlararası yolculuk ne kadar zor olabilir?
3) İmkansızın sınırında, mümkün olanı ve mümkün olmayanı ayırt etmek.
4) Warp sürücüsü nedir?
5) Kısaca özel görelilik
6) Işık hızına yaklaşıldıkça…
7) Işık hızı
8) Kısaca genel görelilik ve uzay-zaman eğrilmesi
9) Alcubierre warp sürücüsü
10) Negatif kütleli madde ve negatif enerji
11) Alcubierre metriği
12) Matematiğin gerçeğe yansıması
13) Chung-Freese metriği
14) White-Juday warp sahası interferometresi
15) Sonuç

1) Kısaca

Warp sürüşü mümkün mü?

Bilmiyoruz. Matematiksel modelleri mevcut ancak pratik uygulama için bazı bilimsel ve teknolojik imkansızlıkların aşılması gerekiyor. Bunları zaman içinde aşabilir miyiz; henüz bilmiyoruz. Tam olarak nasıl bir teknoloji gerekir, onu da bilmiyoruz. Bu konularda şu anda araştırmalar ve deneyler yapılıyor olsa da ümitlenmek için yüzlerce yıl erken olabilir. Kısa cevabımız sizi tatmin etmediyse, yazının geri kalanına buyurun.

2) Yıldızlararası Yolculuk Ne Kadar Zor Olabilir?

Çok… 1977’de fırlatılan 720 kilogramlık Voyager-1‘i ele alalım. 37 yıl önce fırlatıldı ve şu anda (Eylül, 2015) 132 AU mesafede. Eğer 4,3 ışık yılı mesafedeki Proxima Centauri’ye gidiyor olsaydı, oraya ulaşması yaklaşık 75 bin yıl sürecekti. Derin uzay sondalarımızın hepsi maalesef bu kadar yavaştır.


Güneş sisteminin dış sınırlarına doğru yol alan Voyager uzay aracı.

Ancak hayal gücümüz ve mühendisliğin sınırları çok daha hızlı olabilir. Deadelous Projesi, 6 ışık yılı mesafesindeki Barnard Yıldızı’na 50 yıl sürecek nükleer güçteki robotik bir görevin mümkün olabileceğini sunan bir konsept çalışması ile 1970’lerde yüreklere biraz su serpmişti. Tabii yüzde 96’sı yakıt olan 56 bin tonluk bir gemi geçmişte de pek ekonomik değildi, günümüzde de değil.

1980’lerde NASA ve donanma tarafından geliştirilen Longshot Projesi, Alpha Centauri’ye 100 yılda ulaşacak, yüzde 67’si yakıt olan 400 tonluk (yaklaşık Uluslararası Uzay İstasyonu kütlesi kadar) bir robot önererek biraz daha ekonomik bir yaklaşımda bulundu. Bunlar gibi birçok çalışma umut vaat eden fikirler sunuyor. Bunların bir kısmını yazı dizimizin önceki bölümlerinde okuyabilirsiniz.

Geleceğin İtki Sistemleri -3- Uzayda Nükleer Enerji ve Nükleer Roketler
Geleceğin İtki Sistemleri -4- Füzyon Roketleri
Geleceğin İtki Sistemleri -5- Antimadde Roketleri

Yaklaşık 100 yıl, yıldızlararası mesafeler için kısa sayılabilecek bir süredir ve teknolojimiz buna izin veriyor gibi görünüyor.

Peki Neden Gitmiyoruz?

Bir konsept çalışması olan Longshot Projesi, gidebileceğimizi göstermekle beraber şu anda gitmememiz için birçok sebep olduğunu hatırlatmaktadır.


Longshot projesi kapsamında tasarlanan hayali uzay aracı konseptlerinden biri.

Teknolojimiz teorik olarak izin verse de bunu pratik uygulamaya aktarmak çok yüksek fiyatlara ve onlarca yıllık Ar-Ge çalışmalarına mal olacaktır. Harcanacak yüzlerce milyar doların karşılığının alınması da 100 yıldan uzun sürecek ki bu, hiçbir hükümetin şu anda imza atacağı bir girişim değil. İnsan ırkı olarak böylesi uzun vadeli yatırımlara girişecek olgunluğa henüz erişmedik.

Sabırlı değiliz, büyük ihtimalle de asla yeterince sabırlı olamayacağız. Belki de bu yüzden imkansız denen şeyler ile bu kadar ilgileniyoruz ve bazen de biraz bu sabırsızlığımız sayesinde imkansızlıkları aşarak “yapılamaz” deneni başarıyoruz. Bunun en büyük örneklerinden biri havacılıktır. Birkaç yüzyıl önce uçaklar hayal bile edilemezken, yüzyıl önce kıtalararası yolculukların haftalar sürmesine alışık bir dünya varken, bugün uçaklar bu yolculuk sürelerini saatlere indirmeyi başarmıştır.

Benzer bir devrim, uzay görevleri için de düşünülebilir mi? Yıllar sürmesine alışık olduğumuz Güneş Sistemi görevleri ve yüzyıllar sürebileceği düşünülen yıldızlararası görevler aylara, hatta haftalara indirgenebilir mi?

Maalesef bilim, bize fizik kanunlarında bir hız sınırı olduğunu gösteriyor ve teknolojimiz de bu sınıra uymak zorunda. Bu sınıra ışık hızı bariyeri diyoruz ve inşa edeceğimiz roketler ne kadar gelişmiş olurlarsa olsunlar; günümüzün sıvı yakıtlı roketleri, elektrikli iticiler, nükleer termal ve darbe roketleri, füzyon roketleri ve hatta antimadde roketleri dahi bu sınıra tabidir. En iyimser olasılıkla ve henüz geliştirmediğimiz en optimum teknoloji olan antimadde roketleri ile en yakın yıldıza en hızlı yolculuk yaklaşık beş yıl sürer.

             
Fizik kanunları açıktır: Toplam hacimsel ağırlığı havadan daha ağır olan hiçbir cisim uçamaz. Ancak, biz bu kanunun çevresinden dolaşmayı öğrendik. Resimde, boş ağırlığı 6586 kg ( 6,5 ton) olan JF-17 Thunder savaş jetini görüyorsunuz.

3) İmkansızın Sınırında, Mümkün Olanı Ve Olmayanı Ayırt Etmek

Peki, ışık hızı sınırına takılmadan, etrafından dolaşmanın bir yolu var mı, fizik kanunlarında kullanabileceğimiz arka kapılar mevcut mu? İmkansızı aşabilir miyiz? Bu soruya ne şimdi ne de yazı dizimizin sonunda kesin bir yanıt veremeyecek olsak da insanlık tarihi aşılmaz denen imkansızlıkların aşılmasıyla doludur.

Yüzlerce yıldan sonra, imkansız kavramının epey göreceli olduğunu öğrendik. Bir zamanlar imkansız denen şeyler bilim sayesinde, artık hayatlarımızın bir parçası. Onlara imkansız deniyordu çünkü arkalarında yatan bilim ve fizik kuralları o zaman bilinmiyordu.

Örneğin havacılık, uzay görevleri, karadelikler, eskiden ölümcül olan hastalıkların aşı ile yenilmesi, atların yerini alan otomobiller, küresel haberleşme, atom enerjisi. Bunlar en gözle görülür örneklerden bazıları. Çok değil, iki yüzyıl öncesinin hayallerine, bilim kurgusuna bakalım. 1828 doğumlu ünlü yazar Jules Verne’nin harikulade bilim kurgu eserleri belki de bugünkü dünyayı şekillendiren ilham kaynaklarının başındadır. Elektrikli denizaltılar, öldürücü olmayan elektrikli silahlar, ışık ile hareket eden uzay araçları, aya seyahat, televizyon… Bunlar, o günlerde bilim kurgu, bugün ise gerçeğin parçası olan şeylerdir.
bedava-enerji-6815

Enerjiyi ucuza üretebilirsiniz, verimli üretim teknikleri geliştirebilirsiniz. Ama asla sınırsız ve bedava enerji üretebilecek bir düzenek oluşturamazsınız.

Bilimin yeni alanlarını keşfettikçe, tıpkı Arthur C. Clarke’ın dediği gibi, teknolojisi gelişmemiş bir uygarlığa sihir gibi gelebilecek şeyler yaratabiliyoruz. Tabii ki bunu, bütün imkansızlıklar er ya da geç mümkün olacaktır diye yorumlamamak gerekir. Örneğin devridaim makinesi olarak geçen, yakın zamanda Erke Dönergeci olarak ismini duyuran ve sürekli çalışarak sonsuz enerji üreten makineler her zaman imkansız olarak kalacaktır çünkü bu fikir temel termodinamik kanunlarını çiğneyen bir cahilliktir.

Başka bir örnek de simya ile herhangi bir metali altına dönüştürmek. Geçmişte üstünde çok uğraşılmış, araştırılmış bir konu olsa da, ne kadar yarasa kanadı kullanılırsa kullanılsın metalleri altına çevirebilen sihirli bir taş ya da iksir yapılamaz.

Peki alternatif tıp? O da her zaman hikaye olarak kalacak. Bildiğimiz hiçbir bitki ya da vitamin, kanser ile kemoterapi ve radyoterapi gibi savaşamaz. B17 vitaminini tıbbi yöntemlere tercih etmek hastayı asla iyileştirmez, x çiçeği size uzun ömür vermez. Bunlar absürt imkansızlıklardır. Bir tarafta bilim geliştikçe imkansız sınırından çıkan konular, diğer tarafta her zaman imkansız kalacak, fizik kanunlarını çiğneyen şeyler var.
Akupunktur gibi alternatif tedavi tıp yöntemleri, hiçbir zaman bilimsel tıbbın sağladığı tedavilerden üstün olmamıştır.

Akupunktur gibi alternatif tedavi tıp yöntemleri, hiçbir zaman bilimsel tıbbın sağladığı tedavilerden üstün olmamıştır.

Peki yazı konumuz, uzay-zamanı büküp ışıktan hızlı yolculuğu mümkün kılabilecek bir warp sürücüsü bunlardan hangisidir?

Başta tamamen imkansız gibi görünüyor çünkü bize hala sihir gibi gelen yanları var. Nasıl bir madde ve teknoloji ile gerçekliğin dokusuna, bildiğimiz her şeyi barındıran uzay-zaman düzlemine şekil verebiliriz? Aslında matematiksel olarak gereken koşullar sağlandığında imkansız değil. Soru, bu gerekli koşullar mümkün mü?

Tek bildiğimiz, mümkün olup olmadığı gerçeğini bilmemiz, evreni ve fizik kanunlarını daha iyi anlamamıza bakar ve henüz ne ömrümüz içerisinde, nede bir kaç bin hatta on bin yıl içerisinde görmeyi beklemediğimiz şeylerdir. (Bu konuda haksız çıkmayı çok isteriz.)

4) Warp Sürücüsü Nedir?

Warp sürücüleri, en ünlüsü Uzay Yolu olan, birçok bilim kurgu yapıtında geçen spekülatif bir ışıktan hızlı ulaşım metodudur.

Uzay yolunun ünlü yıldız gemisi “Atılgan” warp sürücülerini çalıştırdığında, çevresindeki uzay-zaman düzlemini öyle büker ki, gemiyi uzayın geri kalanından ayıran bir küre içine alır (Bu küreye Warp Bubble/Warp Baloncuğu denir). Daha sonra Atılgan, bu uzay-zaman küresini ışıktan hızlı hareket ettirerek inanılmaz mesafeleri dakikalar içerisinde kateder. Atılgan aslında yerinden bir milim kıpırdamamıştır, yer değiştiren o an içerisinde bulunduğu uzay-zaman bölgesidir ve uzay-zamanın kendisi için bir ışık hızı sınırı yoktur.



Kulağa oldukça çekici gelen ve üzerinde araştırmalar yapılmaya başlanan bu fikri, ne yazık ki nasıl çalışır hale getireceğimizi anlamaktan çok uzağız, çünkü uzay-zamanı bu şekilde bükmek için ihtiyaç duyulan şeyleri henüz yeterince anlamadık.

Uzay-zamanı bükme fikri ile kendimize ziyafet çekmeden önce uzay-zamanın ne olduğunu, özel ve genel göreliliği, hayal ettiğimiz şeyin zorluğunu ve neden gerekli olduğunu daha iyi anlamamız gerekiyor. Öncelikle gerekli olduğunu söyleyelim çünkü ışık hızı sınırı ile özellikle yüzlerce, binlerce ışık yılı mesafelere yapılacak yolculuklar hiç pratik değildir.

Nedir peki bu ışık hızı sınırı, hızlandıkça ne oluyor, bize nasıl engel oluyor, neden aşamıyoruz?
Özel Görelilik yazı dizimiz sizlere ışık hızı ile ilgili oldukça detaylı bilgiler verecektir, burada konuyu bağlamak açısından Einstein’ın teorileri, ışık hızı ve ışık hızına yakın relativistik hızların etkileri üzerine kısa bilgiler verelim.
(Relativistik hız, Newton mekaniklerinin geçerliliklerini yitirmeye başladığı, ışık hızının yüzde 10’u ve üstü hızlara denir.)

Özel Görelilik Serisi
1) Referans Sistemleri
2) Lorentz Dönüşümleri
3) Michelson Morley Deneyi
4) İkizler Paradoksu
5) Boy Kısalması
6) Kütlenin ve Momentumun Göreliliği

5) Kısaca Özel Görelilik

Einstein’ın uzay-zaman teorisi iki ana başlığa ayrılır; 1905’te yayınladığı özel görelilik ve 1915’te yayınladığı genel görelilik.

Özel görelilik, birbirlerine görece sabit hızlarda hareket halinde olan gözlemcilerin gözlemlediği fizik kurallarını ele alır. Özel görelilik, birçok deneyle gözlemlenmiştir ve temelleri oldukça iyi anlaşılmıştır. Einstein özel göreliliği hazırlarken iki temel sabiti keşfetti: Işık hızı (c) bütün gözlemciler için aynıydı ve sabit hızlarda hareket eden gözlemciler için de fizik kuralları aynıydı.

Newton’ın fizik kanunlarına göre ışıktan hızlı hareket etmemize engel bir limit yoktu, biz yanından geçip giderken ışık gerimizde kalacaktı. Ancak bu fikir daha gençliğinde bile Einstein’a saçma gelmeye başlamıştı. Albert Einstein, kolejde Maxwell’in elektromanyetizma teorisi üzerinde çalışırken, Maxwell’in bile keşfetmediği bir şeyin farkına vararak özel görelilik teorisinin temellerini attı. Ne kadar hızlı hareket ederseniz edin; ışığın hızını ölçtüğünüzde değeri aynıdır, değişmez. Hızınız ne olursa olsun, ışık sizden saniyede 299.792 kilometre hızla uzaklaşacaktır.


Normalde hareket halindeki bir arabadan başka bir arabanın hızını ölçer ve sizin arabanızın hızını buna ekler ya da çıkarırsanız, gözlemlediğiniz arabanın hızını bulursunuz. Ancak ışık bu mantığımıza tamamen aykırı hareket eder. Ne kadar hızlı hareket ederseniz edin ışığa yetişemezsiniz, ışık her zaman sizden ışık hızı ile uzaklaşıyor olacaktır. Bunun sebebi nedir?

Newton mekanikleri, gerçek fizik kurallarını çok kabaca tasvir etmeye çalışmış ve başarısız olmuştur. Newton’a göre evrende zaman akışı her yerde aynıydı. Buna göre Dünya’nın, Venüs’ün, Mars’ın veya bir karadeliğin yakınlarındaki gözlemciler için zaman aynı hızda akacaktı. Yanlış. Artık zaman akışının, gözlemin yapıldığı yerdeki kütle çekimine ve görece hareket hızına göre değişebileceğini biliyoruz. Uydularımızdaki atom saatlerimizle bile çok düşük zaman farklılıklarını ölçebiliyoruz.

Yine Newton’a göre bir metrelik bir cetveli nerede kullanırsak kullanalım aynı ölçümü yapacaktı. Yanlış. Işık hızına yaklaştıkça, hareket yönüne göre daralırsınız, bir metrelik cetvelimizin boyu da giderek kısalır. İşte bu sebeple ışık hızının ölçümü her durumda aynı olmaktadır.

6) Işık Hızına Yaklaşıldıkça….

Einstein, ışık hızına yaklaşan bir gemide işlerin günlük algılarımızdan farklı işleyeceğini keşfetti. Bu gemi hızlandıkça daralarak sıkışacak, içerisinde zaman giderek yavaş akacak ve kütlesi artacaktı. Dilerseniz bu üç değişkeni biraz irdeleyelim.

Dünyadan teleskopla bakan bir gözlemci, relativistik hızlardaki bir gemide saatlerin yavaş hareket ettiğini, insanların ağır çekimde yürüdüğünü ve giderek yassılaştıklarını, düzleştiklerini fark etti. Dışarıdan bakan bir gözlemci, örneğin ışık hızının yüzde 90’ı (0.9 c) hızla hareket eden bir gemi gözlemlediğinde, aslında boyu kısalmış halini görmektedir. Bu hızlarda 1 kilometrelik bir gemi, L = √ [1 – (v2/c2)] x (Lp) denklemine göre 435 metre olarak gözlemlenecektir. Elbette gemidekiler bunun farkına varmayacaktır.

(Denklemdeki harfler şunları ifade eder: Lp (Gerçek Uzunluk), L (Gözlemlenen Uzunluk), √ [1 – (v2/c2)] (Bir eksi, hızın metre cinsinden karesi bölü ışık hızının metre cinsinden karesi))

Aynı şekilde ışık hızının yüzde 90’ı (0,9 c) ve üstünde zaman akışı katlanarak, artan bir oranda yavaşlayacaktır. Öyle ki, ışığın yüzde 99.999….9’luk süratindeki bir geminin mürettebatı için Andromeda Gökadası’na yapılacak bir yolculuk belki de birkaç saat sürebilir. Zaman bu hızlarda o denli yavaş akar. Tabii ki gemimiz Andromeda’ya ulaşana kadar Dünya’da 2,5 milyon yıldan fazla zaman geçecektir.


Andromeda galaksisine ışık hızının yüzde 99.999 gibi bir süratle sadece birkaç saatte ulaşmanız mümkün. Ama bu süre, sadece sizin için geçerli. Siz birkaç saatte Andromeda’ya vardığınızda, Dünya’da geride bıraktığınız hiçbir şey kalmayacak, çünkü 2,5 milyon yıl geçmiş olacak.

Yeri gelmişken hadi abartalım; “time dilation” denen bu zaman yavaşlamasına güzel bir örnek verelim. Eğer galaksimizdeki bütün maddeyi saf enerjiye çevirip gemimizi hızlandırmak için kullanabilsek dahi, ışık hızının ancak ölçemeyeceğimiz bir yüzde 99.999…..9’luk yüzdesine ulaşırız. Bu hızda zaman bizim için o kadar yavaş akar ki, yıldızların doğumunu ve ölümünü, galaksilerin birbirlerinden uzaklaşıp sönükleşmesini ve hatta evrenin nihai sonunu dahi gözlemleyebiliriz. Kulağa zaman yolculuğu gibi gelen bu olay aslında böyle yüksek hızlarda zamanın bizim için çok yavaş akmasıdır.

İlgili formülü ve linkteki sitedeki talimatları kullanarak siz de hızın zaman üzerindeki etkilerini bulabilirsiniz.

Son olarak relativistik hızların kütle üzerindeki etkisine gelirsek; herhangi kütle sahibi bir aracın yukarıda bahsettiğimiz hızlara ulaştırılması için ihtiyaç duyulan enerji, böylesi yüksek relativistik hızlarda katlanarak artar. Hızlandıkça aracımızın kütlesi de katlanarak artar ve daha çok hızlanması için hep daha çok enerji gerekir. Bunu ifade eden formülümüz de şudur:
m = (1/√ [1 – (v2/c2)]) mo

mo: Orijinal kütle, m: Artan hızlarda değişen göreli kütle, denklemin geri kalanı da bir bölü, bir eksi, hızın metre cinsinden karesi bölü ışık hızının metre cinsinden karesi)

Bu basit formül aslında ışık hızını neden geçemeyeceğimizi açıklar. Işık hızına yaklaşıldıkça kütle sonsuza kadar artar ve sonsuza kadar artan bir kütleyi daha fazla hızlandırabilmek için sonsuz enerji gerekmektedir.

7) Işık Hızı

Işık hızına ulaşmanın bir yöntemi yoktur. Yukarıdaki formüllerden de anlaşılacağı üzere evrendeki bütün madde ve enerji çeşitlerini kullanabilsek dahi bizi ışığın yüzde 99.999…..9’luk hızına ulaştırmaktan başka bir işe yaramaz. Ama diyelim ki bilinmeyen bir yöntemle hiçbir kütleli parçacığın ulaşamayacağı, sadece kütlesiz fotonların ulaşabileceği ışık hızına ulaştık, ne görürüz?

Her şeyi. Işık hızında giden bir gemi için bütün her şey bir anda olup biter. Dışarıda 1 quadrilyon yıl geçer, güneşimiz önce beyaz cüce ve ardından siyah cüceye dönüşür, protonlar stabil değillerse 10^34 yıl içinde pion ve pozitronlara bozunmaya başlarlar, 10^100 yıl sonra karadeliklerin çoğu buharlaşmış, 10^1000 yıl sonra da evrenin ısı ölümü gerçekleşmiş olur ancak gemimizde bir saniye dahi geçmez, her şey tek bir ana sıkışır. Bu tam anlamıyla matematiksel bir tekilliktir.
Eğer yıldızlararası yolculuklarını ışık hızına yakın hızlarda yapıyor olsalardı, Star Trek tayfaları Uhura ve Sulu'nun Dünya'da bırakmış oldukları yakınları çoktan ölmüş olacaktı.

Eğer yıldızlararası yolculuklarını warp drive yerine ışık hızına yakın hızlarda konvansiyonel yöntemlerle yapıyor olsalardı, Star Trek tayfaları Uhura ve Sulu’nun Dünya’da bırakmış oldukları yakınları çoktan ölmüş olacaktı.

Sözün özü ışık hızına ne kadar yaklaşırsak, gitmek istediğimiz yere o kadar çabuk ve ömrümüz içerisinde varırız. Ancak geride bıraktıklarımız çoktan ölmüş olur. Relativistik hızlar bu denli bencildir işte. Bu nedenle, geride bıraktıklarımızı tekrar görebileceğimiz, ömrümüz içerisinde uzak yıldızlara gidip, geri dönebileceğimiz imkanları sağlayacak fikirlere bu kadar meraklıyız.

Işık hızı bariyerini normal yollarla aşamıyoruz. Ancak fizik kanunları bize bazı arka kapılar sunuyor. Bu arka kapılar, Einstein’ın 1915’te, özel görelilikten sonra kaleme aldığı genel görelilik teorisi sayesinde açığa çıkmıştır.

Genel görelilik teorisine göre; içinde bulunduğumuz uzay-zaman düzlemi genişleyip, daralabilen, eğrilebilen bir yapıdır ve çeşitli şartlar altında ışıktan hızlı genişleyebilir. Tıpkı Büyük Patlama sonrasında evrenin ışıktan hızlı genişlediğini bildiğimiz gibi. Bu olay özel göreliliği ihlal etmez. Işıktan hızlı genişleyen uzayın kendisidir ve bilgi taşımaz. Yine genel göreliliğe göre uzay-zaman düzleminde uzaydaki farklı bölgelerin ve/veya zamanların birbirlerine bağlandığı bölgeler olması mümkündür. Bu bölgelere bildiğiniz gibi “Solucan Deliği” yada “Einstein-Rosen Köprüleri” denir. Solucan Delikleri, başka bir yazımızda detaylı işleyeceğimiz fenomenlerdir.

Einstein-Rosen köprüsü.

8) Kısaca Genel Görelilik Ve Uzay-Zamanın Eğrilmesi

Einstein, genel göreliliği, çok güçlü kütle çekimsel etkileri anlatmak için hazırladı. Çalışmalarında kütle çekiminin, Newton mekaniklerinin söylediğinin aksine iki cismin birbirine uyguladığı kuvvet yerine, uzay-zaman düzleminin madde çevresinde kıvrılması/eğrilmesi sonucu vuku bulduğunu keşfetti. Dört boyutlu evrenimizde, uzay-zaman kütle çevresinde eğrilir ve bu eğrilme kütle çekimi olarak bize yansır. Elektromanyetik dalgalar, hatta ışık bile bu eğime ayak uydurmak zorundadır çünkü uzay-zaman düzleminin yapısını takip ederler. Küçük kütlelerde bu ölçülemeyecek kadar düşükken, büyük kütlelerin, örneğin Dünya’nın ve Güneş’in kütle çekiminin etkilerini gözlemleyebiliyoruz.

Güneş sistemimizde farklı kütle çekimi etkilerinde, uzay araçlarında zaman akışı çok düşük miktarlarda değişiyor. Haberleşmede kullanılan radyo dalgaları, direkt bir çizgi yerine uzay-zaman eğrisini takip ederek ölçülebilir gecikmeler yaşıyor. Daha büyük kütleler, örneğin galaksilerin kütle çekimi, ışığı öylesine büküyor ki çevrelerinde kütle çekimsel merceklenme denilen etkileri gözlemleyebiliyoruz. Beyaz cüceler, nötron yıldızları ve tabii ki kara deliklerin kütle çekimlerinin ise çok daha ciddi ve gözlemlenebilir etkileri olduğunu biliyoruz.

Sonuçta uzay-zaman devasa kütlelerin etrafında eğriliyor. Yani madde çevresinde uzaydaki x, y, z koordinatları ile beraber zaman akışında da değişiklikler meydana geliyor. Eğri uzay zaman hakkındaki yazımızı bu noktada gözden geçirmenizi tavsiye ederiz. (Bkz. Eğri Uzay Zaman)

Geleceğin İtki Sistemleri -7- Warp Sürüşü -2


Doğada uzay-zamanın şekil ve akış değiştirdiğini biliyoruz. Peki, biz bunu yapay olarak kendi amaçlarımız doğrultusunda uygulayabilir miyiz? Uzay-zamanın kendisini öylesine büküp, hareket ettirebilecek bir teknoloji yaratabilir miyiz? Artık konumuza giriş yapabiliriz. Ancak, başlamadan önce eğer okumadıysanız, kavramları algılayabilmeniz için yazımızın ilk bölümünü okumanız gerektiğini belirtelim.

9) Alcubierre Warp Sürücüsü

Uzay-zaman düzlemini esnetip sıkıştırmanın en ünlü örneği olan Alcubierre sürücüsü 1994’te Einstein’ın genel görelilik teorisini kullanan fizikçi Miguel Alcubierre tarafından öne sürülmüştür.

“Şu anki fiziksel modeller çerçevesinde, herhangi bir kozmik mesafeyi ışık-hızı bariyerini aşmadan çok kısa süreler içerisinde kat etmenin bir yolu var mı?” Alcubierre’yi motive eden işte bu soruydu. Böylece kafasındaki bu soruya cevap olabilecek matematiksel modeli hazırladı.

Uzay-zaman düzlemenin genişlemesi ve sıkışması herhangi bir hız sınırına sahip olmadığı için Alcubierre, genel göreliliği ihlal etmeden fizik kanunlarındaki bu arka kapıyı kullanarak, Uzay Yolu’nun warp sürücüsüne çok benzeyen, yine de bazı ciddi farklılıkları olan bir model ortaya çıkardı.


Spekülatif bir Alcubierre sürücüsü çevresindeki uzay-zamanı bükerek (yada eğrileştirerek diyebiliriz) kendi çevresinde “warp baloncuğu” denen bir uzay-zaman sahası oluşturur.

Aşağıdaki dalga benzeri ünlü geometrik şekil dört boyutlu bir uzay-zaman baloncuğunun üç boyutlu tasviridir. Gerçekte oluşacak uzay-zaman bölgesinin yapısını kabaca algılayabilmemiz için bu şekilde sunulur.

Bu warp baloncuğu içerisinde her şey normaldir. Fizik kanunları aynen geçerlidir ve warp sürücüsünü taşıyan gemi hareket etmemektedir. Ancak warp baloncuğunun duvarlarında uzay-zaman düzleminde müthiş bozulmalar olmaktadır. Bu baloncuğun hareket ettirilmesi ise baloncuk önündeki uzay-zamanın sıkıştırılması ve gerisindekinin genişletilmesi esasına dayanır.


Bu hareket hiç bir fizik kanununu ihlal etmeyerek ışıktan hızlı gerçekleştirilebilir.
Miguel Alcubierre, fikrin matematiksel temellerini oluştururken, uzay-zamanı bükmek için yüklü miktarda negatif enerji ve/veya negatif kütleli madde denen egzotik madde gerektiğini buldu. Bunların ne olduğunu birazdan uzun uzun anlatacağız. Şu anda sadece hiçbirine sahip olmadığımızı, nerede bulacağımızı ve nasıl üreteceğimizi de bilmediğimizi söyleyelim.

Birçok araştırma, bir warp sürücüsü için ihtiyaç duyulan bu negatif enerji veya negatif kütleli madde için farklı miktarlar öngörüyor. Özellikle ilk modeller, “gözlemlenebilir evrendeki kütleden daha fazlası gerekir” derken yakın zamanda Chung-Freese metriği ile birlikte ihtiyaç duyulan kütlenin, warp baloncuğunun duvar kalınlığına göre bir Jüpiter kütlesi ile Voyager-1’in kütlesi (740 kg) arasında. Değişken miktarı bu kadar yüksek olunca neden çok umutlu olmadığımız daha iyi anlaşılıyor.

10) Negatif Kütleli Madde ve Negatif Enerji

Egzotik madde: Yukarıda bahsi geçen egzotik maddeler, normal maddeden ve anti-maddeden farklı karakteristik ve fiziksel özelliklere sahip spekülatif madde çeşitlerine denir ve bu spekülatif maddelerden bazıları çeşitli fizik kanunlarını ihlal eder. Egzotik maddelerin yapı taşları bizim yapı taşlarımızdan farklı olabilir. Hepimizi oluşturan baryonlar (proton ve nötronlar) yerine farklı atom altı parçacıklar içerebilirler. Egzotik madde örnekleri şunlar olabilir.


Bose-Einstein yoğunlaşması: Normalde mutlak sıfıra çok yakın, düşük sıcaklıklarda gözlemlenen, Kuantum mekaniklerinin makroskopik boyutlarda vuku bulduğu, bir maddenin bütün atomlarının tek bir atommuş gibi birlik halinde titreşmesi durumudur. Yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesi durumunda ışınlanma, oda sıcaklığında süper iletkenlere kadar birçok inanılmaz uygulaması bulunabilecek bir madde halidir.

Kuark-Gluon plazması: Normal şartlarda çok yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda (örneğin Big-Bang sonrasındaki ilk bir kaç mili saniyede) vuku bulabilecek bir madde halidir. CERN gibi parçacık hızlandırıcılarda 4-5 trilyon Kelvin derecelik sıcaklıklarda oluşturulmaya çalışılan bu plazmada, maddenin en temel yapı taşları kuarklar ve gluonlar kendilerini bir arada tutan kuvvetlerden kurtulurlar. Yani bu plazmada atom bulunmaz, atomu oluşturan yapı taşları serbest halde bulunur.

Karanlık madde: Ne de olsa kütle çekimi haricinde normal madde ile hiç bir etkileşimini henüz gözlemleyemedik. Ne olduğunu bilmediğimiz için egzotik demekte henüz bir sakınca yok.

Takyon: Işıktan hızlı hareket ettiği öne sürülen, normal madde ile kesinlikle hiç bir etkileşimi ve gerçekliğine dair hiç bir kanıt bulunmayan spekülatif parçacıklar.

Yukarıdaki egzotik madde çeşitleri ardından konumuzda ismi geçen, uzay-zaman düzlemini bükmek için gerekli olduğu düşünülen negatif kütle sahibi maddeye bakalım.

Negatif kütleli madde: Antimadde ya da Karanlık Madde ile karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir. Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.


Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji: Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti. Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)


Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Buraya kadar kısaca özel ve genel görelilikten, ışık hızından, warp sürücüsü fikrinin ne olduğundan, Alcubierre warp sürücüsünün temel mantığından ve ihtiyaç duyduğu şeylerden bahsettik. Ancak bütün bunları nasıl bir araya getirip çalıştıracağımızı hala bilmiyoruz.

11) Alcubierre Metriği

Bu kadar karmaşık bir konuyu bir ileri okuma bölümü ile devam ettirmeden olmaz. Yazımızın bu bölümünde Alcubierre metriği ve uzay-zamanı bükme işinin matematiğini, anlaşılır bir biçimde anlatmaya çalışacağız.

Metrik nedir? Metrik; tensör olarak da geçer ve kabaca uzayda iki nokta arasındaki mesafenin ölçüm yöntemidir. Ya da daha detaylı bir açıklama ile, uzayın geometrik karakteristiklerinin bir koordinat sistemi vasıtası ile anlatılmasına yarayan bir tanımlama yöntemidir. Bu tanımlama boyut, hacim, eğrilik, açı, gelecek ve geçmiş gibi değerler ile yapılır.


Alcubierre, evrenin ilk anlarındaki kozmik genişlemeden esinlenen bir metrik hazırlamıştır. Bu metrik; t, x, y, z (üç uzay ve bir zaman boyutu) koordinatlarını ve; x = x(t), y = 0, z= 0 eğrilerini içerir. (x = uzay aracının hareket yönünü temsil eder.)

ds² = c²dt² + [dx – v(t)∫(r)dt]² + dy² + dz²

Gözünüz korkmasın.

Bu metrikteki değerler bize uzay aracının çevresindeki uzay-zaman eğriliğinin hızı (v) ve aracın bu eğriliğe göre radyal konumunu (r) verir.

Metrikte geçen ∫(r), eğrilmiş uzay-zaman şeklinin fonksiyonudur ve şu şekilde gösterilir:

∫(r) = tanh( σ (r + R)) – tanh( σ (r – R)) / 2tanh( σR )

Bu denklemde σ parametresi warp baloncuğunun duvar kalınlığıdır ve R ise warp baloncuğunun yarı çapıdır. Warp baloncuğunun duvar kalınlığının azalması, uzay-zaman eğriliğinin daha çok artması anlamına gelmektedir.

Yani denklem der ki;

σ değeri ne kadar büyürse, duvar kalınlığı o kadar incelir.

Bu denklemler kabaca warp baloncuğunun yapısını verir. Warp baloncuğunun hareket etmesi fenomenine ise “York Time” denir. York Time, bu warp baloncuğunun önünde kalan uzay-zaman düzleminin sıkışıp daralması ve gerisindeki uzay-zaman düzleminin genişlemesidir. Bu daralma ve genişleme, warp baloncuğunun hareket etmesine ve hatta hayalini kurduğumuz ışıktan hızlı yer değiştirmesini sağlar.


York Time, “θ” işareti ile gösterilir ve eşitliği şöyledir.

θ = v{s}/c . x{s}/r{s} . df/ds{s}.

Sonunda {s} olan değerler, ilgili değerin uzay gemisine ait olduğunu gösterir.

Yani geminin hızı bölü ışık hızı ve geminin hareket yönü bölü geminin warp baloncuğuna göre konumu gibi. Denkleme göre warp baloncuğunun kalınlığı azaldıkça York Time değeri artar.

12) Matematiğin Gerçeğe Yansıması

Düşük enerji yoğunlukları bize zayıf bir uzay zaman eğriliği ve kalın bir warp duvarı verir. Ancak warp baloncuğunun merkezindeki “düz” uzay-zaman bölgesinin hacmi küçüktür. Duvar kalınlığını düşürmek yani uzay-zaman eğriliğini arttırmak için enerji yoğunluğunu kat kat arttırmak gerekmektedir. Warp baloncuğunun içerisindeki hacimde böylece artacaktır.

Anlaşılacağı üzere duvar kalınlığı fazla olan, zayıf bir eğimi olan uzay zaman baloncuğu oluşturmak daha kolaydır. Alcubierre metriğinin ünlü şekline yakın bir warp baloncuğu oluşturmak ise kat kat daha fazla enerji ister. Alcubierre metriğini yani uzay-zaman baloncuğunu oluşturduktan sonra baloncuk içerisinde hızlanma anlamına gelen “α” sıfırdır. Baloncuk içerisinde herhangi bir hızlanma hissedilmez. Zaman değeri de baloncuk dışındaki zaman değeri ile aynıdır, herhangi bir sapma olmaz.

Uzay gemimizi Dünya yörüngesinden geleneksel roketler ile çıkardık. Ardından gemiyi terk ettiği noktaya görece “durdurduk”. Warp sürücüsünü çalıştırdık ve warp baloncuğu oluştu. Ancak bir sorun var; gemimiz hangi yöne gideceğini bilmiyor. Buna simetri paradoksu diyoruz.


Sorun, ihtiyaç duyulan enerji yoğunluğu simetrik bir yapıya sahipken York Time metriği asimetrik bir yapıya sahip oluyor. Sonuçta warp baloncuğumuzun x ekseninde hareket yönü rastlantısal diyebileceğimiz bir hal alıyor.

Alcubierre, teorisini ilk ortaya koyduğunda bu sorunu çözebilmek için, geminin terk ediş noktasında bir istasyonun warp baloncuğunu hızlandıracak ve varış noktasında ise başka bir istasyonun baloncuğu durduracak şekilde yönlendirmesi gerektiğini belirtmişti. Bu “otoban” yaklaşımı hayal ettiğimiz warp konseptine kıyasla pek konvensiyonel değil. Atılgan istediği yöne gidebiliyorken, Alcubierre sürücüsü kendisini hızlandıracak ve yavaşlatacak harici kaynaklara muhtaç.

Neyse ki, yakın zamanda warp sürücüleri üzerindeki çalışmaları ile ismini duyuran NASA mühendisi ve fizikçisi Harold G. White, Alcubierre metriğini modifiye ederek bu sorunun üstesinden gelinebileceğini öne sürdü. Harold G. White, son zamanlarda NASA’nın warp üzerine araştırmalarını temsil eden önemli bir isim. Son yıllardaki optimistik tavrı kendisine borçluyuz.

White’ın katkıları ile modifiye edilen Alcubierre metriği, “uzay-zaman yükseltmesi” (space-time boost) denen bir prensip kullanır. Kabaca anlatmamız gerekirse, uzay-zaman yükseltmesi, uzay gemisinin sahip olduğu ilk hızı katlayarak arttırıp warp baloncuğuna yansıtır. Yani normal roketler ile 0.1c hıza çıkan bir gemi, örneğin 100 değerinde bir yükseltme ile 10 c (ışık hızının 10 katı) hıza çıkabilir. Tekrar hatırlatmakta fayda var bütün bunlar henüz oldukça spekülatif çalışmalardır.

13) Chung-Freese Metriği

Alcubierre’den sonra 2000’de astrofizikçiler Daniel J. H. Chung ve Katherine Freese’in öne sürdüğü Chung-Freese metriği, evrenin süper-sicim teorisi ile ünlenen şekilde 10 boyuttan oluştuğu fikrine dayanır.
Aşina olduğumuz 4 boyutlu uzayımızın “Bulk” denilen fazladan bir boyutun etrafında eğrilmesi fikrini anlatmak için bir örnek verelim. Kalınlığı olmadığını varsaydığımız tamamen iki boyutlu bir kağıdın eğilmesi, kıvrılması. Kağıt bu şekilleri 3 boyutlu uzay içinde gerçekleştirir. Bizim 4 boyutlu evrenimiz de Bulk denen bir üst boyut “içerisinde” bu şekilde eğrilmektedir.

Bu üst boyutun ve diğer üst boyutların sayıları ve hacimleri başka yazılarımızın konuları olacaktır.

Az önce bahsettiğimiz H. G. White’ın “uzay-zaman yükseltmesi” değeri, Chung-Freeze metriği ile bir “Bulk değeri”ne dönüşür. Gemimiz warp sürücüsünü çalıştırdığında “yükseltme” yerine bir “Bulk değeri” kazanır ve bu “Bulk değeri” aynı şekilde geminin ilk hızı üzerinde yükseltici bir etki sağlar. Tabii geometrik olarak “Bulk koordinatı” kazanan bir geminin bizim uzayımız ile elektromanyetik etkileşimi azalacaktır.

Chung-Freese metriğinin warp araştırmalarına en büyük katkısı, uzay-zaman düzlemini bükmekten bahsederken üst boyutları, bu çok bilinmeyenli denkleme katarak, enerji ihtiyaçlarını büyük ölçüde düşürmesi olmuştur.


Üstteki tabloda da göreceğiniz üzere warp duvarı ince ve büküm yüksek olduğunda ihtiyaç duyulan kütle Jüpiter kadarken, kalın warp duvarı ve zayıf büküm Voyager kütlesine denk gelen birkaç yüz kilogramlık egzotik maddeye ihtiyaç duymaktadır. Daha önce de bahsettiğimiz gibi, ince warp duvarı çok daha yüksek hızlara olanak sağlar. Bu sebeple ihtiyaç duyulan kütle/enerji bu denli fazladır.

14) White-Juday Warp Sahası İnterferometresi

İsmini Harold G. White ve Dr. Richard Juday’den alan bu deney, yapay uzay-zaman eğrilmesini ölçme amacıyla yapılan bir deneydir. Cihaz bir helyum-neon lazeri kullanır, lazer ikiye ayrılır ve ışınlardan bir tanesi warp sahası oluşturması beklenen halkanın içinden geçirilir. Eğer, halka warp sahası oluşturursa, lazerin faz değişimine uğraması ve dedektörde diğer lazer ile karşılaştırıldığında bunun anlaşılması gerekmektedir.

İlk deneyde kullanılan yüksek voltajlı bir elektrik alanı üreten yüksek-k (yüksek dielektrik sabitine sahip) baryum titanit seramik kapasitör halka, yeterli hassaslıkta ve dikkate değer bir veri elde etmeyi başaramamıştır.


Aynı deney düzeneği, başka bir spekülatif itki teknolojisi olan EmDrive deneylerinde kullanılmış, daha doyurucu ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmiştir. Bu deneylerde ayrılan lazer demetlerinden bazılarının hedefe ulaşması diğerlerinden daha uzun sürmüştür ve bunun olası bir uzay-zaman eğrilmesine işaret ettiği düşünülmektedir.

15) Sonuç

Göründüğü üzere warp sürücüleri hakkında çalışmalar, deneyler yapılıyor. Matematiği hakkında fikir sahibiyiz, negatif kütleli madde/enerji gerektiğini biliyoruz. Bazı çalışmalar egzotik madde olmadan da warp sürücülerinin mümkün olabileceğini söylese de henüz kesin bir fikir için çok erken. Ancak teknolojinin tam olarak nasıl çalışacağını ve mühendisliğini bilmiyoruz. Eğer mümkün olursa ne kadar ekonomik olacak ondan da emin değiliz. Sonuçta Alpha Centauri‘ye hızla gitmek için bir Jüpiter kütlesi kadar negatif kütleli madde “yakmak” çok cazip olmayacaktır. Bütün bunların yanında warp sürücülerini ciddi ciddi düşünmeden önce, Sicim Teorisi, Süper Sicim Teorisi, M-teorisi gibi alanlarda ciddi aşamalar kat etmemiz ve evrenin temel kanunlarınI bugün olduğundan çok daha kesin ve net anlıyor olmamız gerekmekte.

Hazırlayan: Berkan Alptekin

Geleceğin İtki Sistemleri 1: Elektrostatik İyon İticisi.

Geleceğin İtki Sistemleri-8 : Solucan delikleri