Karadelikler ve görelilik teorisi üzerine yaptığı önemli çalışmalarla tanınan, 40 dile çevrilen kitaplarıyla milyonlarca insanı Evren hakkında düşündüren, çağımızın en büyük dehalarından teorik fizikçi ve kozmolog Stephen Hawking’i aramızdan ayrılışının 3. yılında özlemle anıyoruz. Bu vesileyle, geçtiğimiz aylarda yayımlanan ve derneğimizin Yazı İşleri komisyonu tarafından Türkçeye çevrilen önemli bir çalışmayı sizlerle paylaşmak istedik…
Laboratuvarda geliştirilen kara delik analoğu, tıpkı Stephen Hawking’in önerdiği gibi davranıyor
Stephen Hawking 1974 yılında, Evrenin en karanlık kütle çekimsel devleri olan kara deliklerin, gökbilimcilerin hayal ettiği gibi karanlık yıldızları yutmadıkları, aksine kendi başlarına ışık yaydıkları yönünde bir kuram öne sürmüştü; bu, günümüzde Hawking radyasyonu (ışınımı) olarak adlandırılan bir fenomendir. Ne var ki Hawking’in gizemli radyasyonunu bugüne kadar hiçbir gökbilimci gözlemleyemedi; çok sönük olduğu tahmin edilen bu ışımayı görmek asla mümkün olmayabilir. Bu nedenle bilim insanları artık kendi kara deliklerini yaratıyorlar.
İşte tam da bunu yapan Technion-İsrail Teknoloji Enstitüsündeki araştırmacılar, birkaç bin atomdan bir kara delik analoğu yaratmayı başardı. Amaçları, Hawking’in en önemli öngörülerinden ikisini —Hawking radyasyonunun hiçlikten var olduğunu ve yoğunluğunun zamanla değişmediğini (yani sabit olduğunu)— doğrulamaktı. Çalışmanın bulguları 4 Ocak 2021’de Nature’da yayımlandı.
Enstitüde fizik profesörü olan ve Phys.org’a konuşan, çalışmanın yazarlarından Yrd. Doç. Dr. Jeff Steinhauer şöyle belirtti: “Bir kara deliğin tıpkı kara bir kütle gibi, yani sabit düzeyde kızılötesi radyasyon yayan sıcak bir nesne gibi ışıdığı varsayılır. Hawking, kara deliklerin tıpkı normal yıldızlar gibi sürekli olarak belirli bir tür radyasyon yaydığını öne sürmüştü. Çalışmamız yoluyla kanıtlamak istediğimiz olgu buydu ve bunu da başardık.”
Olay Ufku
Bir kara deliğin kütle çekimi o kadar güçlüdür ki, olay ufku (event horizon) adı verilen ve geri dönüşü olmayan sınırın ötesine geçen bir foton (ışık parçacığı) bile onun çekim gücünden kurtulamaz. Bir parçacığın bu sınırı geçmesi için fizik kanunlarını çiğnemesi ve ışık hızından daha hızlı hareket etmesi gerekir.
Olay ufkunu aşan hiçbir şey kara deliğin kütle çekiminden kaçamıyor olsa da, Hawking, kuantum mekaniği ve “sanal parçacıklar” sayesinde bir kara deliğin bu sınırdan öteye kendiliğinden ışık yayabileceğini göstermişti.
Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre, uzay boşluğu bile var olup yok olan ‘sanal’ parçacık çiftleriyle doludur. Karşıt enerjilere sahip bu kısa süreli parçacıklar genellikle birbirlerini neredeyse anında yok ederler. Ancak Hawking, bir olay ufkundaki aşırı çekim kuvveti nedeniyle foton çiftlerinin ayrılabileceğini, parçacıklardan birinin kara delik tarafından emilirken diğerinin uzaya kaçacağını önermişti. Emilen foton negatif enerjilidir ve kara delikten kütle formunda enerji eksiltir; bu esnada kaçan foton da Hawking radyasyonu haline gelir. Tek başına bu bile, yeterli zaman tanındığı takdirde (Evrenin yaşından çok daha uzun bir zaman) bir kara deliğin tamamen buharlaşmasına yol açabilir.
“Hawking’in teorisi devrimseldi, çünkü Kuantum Alan Teorisi fiziğini Genel Görelilikle —maddenin uzay-zamanı nasıl büktüğünü açıklayan Einstein’ın teorisiyle— birleştirdi.” diyen Steinhauer, sözlerine şöyle devam etti: “Hawking’in teorisi, bu iki teorinin kombinasyonunu fiziksel bir örnek üzerinden incelememize ve yeni fizik yasaları aramamıza hala yardımcı oluyor. İnsanlar bu kuantum radyasyonunu doğrulamak istiyor, ancak bunu gerçek bir kara delikle yapmak çok zor, çünkü Hawking radyasyonu uzayın arka plan ışımasına kıyasla aşırı zayıf.” İşte bu sorun, Steinhauer ve meslektaşlarına gerçek çalışmadan daha güvenli ve çok daha küçük olan kendi kara deliklerini yaratmak konusunda ilham verdi.
Kendi kara deliğini kendin yap!
Araştırmacıların laboratuvarda ürettiği kara delik, neredeyse mutlak sıfır derecesinde soğutulmuş ve bir lazer ışınıyla yerinde tutulan yaklaşık 8.000 Rubidyum atomundan oluşan akıcı bir gazdan meydana geliyordu. Bunun için, Bose-Einstein yoğunlaşması (Bose-Einstein Condensate; BEC) olarak bilinen ve binlerce atomun tek bir atom gibi hareket etmesini sağlayan bir madde hâli yarattılar.
Ekip, ikinci bir lazer ışını kullanarak, gazın tıpkı bir şelaleden aşağı akan su gibi akmasını sağlayan bir potansiyel enerji uçurumu oluşturdu; böylece gazın yarısının sesten daha hızlı, diğer yarısının ise sesten daha yavaş aktığı bir olay ufku yarattı. Bu deneyde araştırmacılar, foton çiftleri yerine gazın içinde kendiliğinden oluşan fonon çiftleri (kuantum ses dalgaları) arıyordu. Steinhauer’ın dediğine göre, daha yavaş yarıdaki bir fonon, gaz akışına karşıt yönde hareket ederek uçurumdan uzaklaşacak; hızlı yarıdaki fonon ise süpersonik akan gazın hızından dolayı kaçamayacaktı. “Bu, çok hızlı bir akıntıya karşı yüzmeye çalışmak gibi bir şey. Bir kara deliğin içinde olmak gibi; yani içeri girdikten sonra ufka ulaşmak imkansız.”
Araştırmacılar aradıkları fonon çiftlerini bulduktan sonra, onların birbirleriyle ilişkili olup olmadıklarını ve Hawking radyasyonunun zaman içinde sabit kalıp kalmadığını doğrulamak zorundaydı. İşin zor kısmı da buydu; çünkü oluşturdukları kara deliğin fotoğrafını her çektiklerinde kara delik bu işlemin yarattığı ısının etkisiyle yok oluyordu. Fonon çiftlerinin karşılıklı ilişkilerini anlamak için deneyi 97.000 kez tekrarlayan ekip, 124 günden uzun süren bu sabır gerektiren sürecin sonunda şu sonuca ulaştı (Steinhauer): “Hawking radyasyonunun, tıpkı Hawking’in öngördüğü gibi sabit olduğunu, yani zamanla değişmediğini gösterdik.”
