Stephen William Hawking, dünya tarihinde Einstein’dan sonra kozmoloji ve teorik fizik alanlarında adını duyurmayı başarmış önemli bir bilim insanıdır. II. Dünya savaşı sırasında İngiltere’de doğdu. Ailesi tıp okumasını istese de, o evrenbilimine merak duyuyordu. Oxford üniversitesinde fizik eğitimini bitirdi. Ardından Cambridge üniversitesinde kozmoloji üzerine doktorasını tamamlayarak bilimsel çalışmalarına hızlı bir şekilde başladı. İlerleyen nörolojik rahatsızlığına rağmen, ürettiği teknolojik iletişim sistemiyle düşüncelerini dünyaya aktarmayı sürdürdü. 2018’de yaşamını yitiren ünlü fizikçi Stephen Hawking’in gözünden, evrenin temeli ve kara delikler üzerine yaptığı çığır açan çalışmaları sizler için listeledik. Keyifli okumalar!
1. Tekillik Teoremleri
Tekillik fizikte, sıcaklık ve uzay-zaman gibi niceliklerin sonsuz değere ulaştığı ve tanımsız olduğu noktaya denir. Hawking’in tekillik teoremlerinin amacı, kütle çekiminin uygun şartlarda tekilliklerin oluşup oluşmamasına etkisini matematiksel olarak ispatlamaktır. Teoremlerde, kara deliklerin içinde yer alan büyük bir kütle, belli bir bölgeye sıkıştığında olay ufku denilen, geri dönüşü olmayan hayali bir noktanın oluştuğu ve tekilliklerin kaçınılmaz olduğu öngörülür. Diğer yandan teoremler, zamanda geriye doğru gidildiğinde, evrenin daha sıcak ve yoğun bir duruma büzülerek sonsuz yoğunlukta tekilliğe ulaşmasını desteklemektedir. Bu da, büyük patlamanın oluşumunu ve evrenin belirli bir başlangıcı olduğu düşüncesini ortaya çıkarmaktadır. Ünlü ve dahi bir fizikçi olan Stephen Hawking’in gözünden bu teoremler, kara delikler ve evreni anlamak üzerine yapılan önemli çalışmalardır.
2. Büyük Patlama ve Kara Delikler
Hawking, kara deliklerin özellikleri üzerine oldukça değerli çalışmalar yapmıştır. Ayrıca, kara deliklerin merkezinde tekilliklerin mutlaka oluşacağını matematiksel olarak kanıtlamıştır. Büyük patlama öncesinde, uzay ve zamanın büzülmüş tek boyutlu bir halde olduğu bilinmektedir. Bu bağlamda Hawking, büyük patlama sırasında ve öncesinde fizik kanunlarının hükümsüz olduğunu söylemektedir. Evreni tanımak için “sınır koşulu olmayan evren” sistemini önermektedir. Bu sistemin temel fikirleri içerisinde, Hawking’in bildiğimiz gerçek zaman kavramından farklı olarak öne sürdüğü “hayali zaman” kavramı vardır. Hayali zamanda, zaman doğrusal bir hat yerine dairenin bir yüzeyinde ilerler. Bu nedenle, evrenin başlangıcı net ve kesin bir nokta olmak zorunda değildir. Gerçek zamana baktığımızda bu başlangıç, evrenin genişlemesi olan büyük patlamayı meydana getirir.
3. Kütle Çekiminin Zaferi
Gezegenlerin ve diğer nesnelerin, maddeleri merkez bir noktaya çekmesine kütle çekimi kuvveti denilmektedir. Buradan hareketle kütle çekimi aslında, kütleli nesnelerin uzay-zaman eğriliği sonucu birbirlerini çekmesidir. Bu eğrilik örneğin, gerilmiş bir çarşafa doğru ağır bir top atıldığında oluşan bükülmeye benzetilebilir. Çarşafın üzerinde küçük misketlerin de olduğunu varsayarsak, bu bükülmeyle birlikte çekilircesine topa doğru hareket edeler. Dünya’nın Güneş etrafında dönmesi, gerçekte kütle çekiminden kaynaklanan eğride Dünya’nın düz bir çizgi izlemeye çalışmasının sonucudur. Ancak bu çizgiler, uzay-zaman eğrisi sebebiyle yay şeklinde ilerliyor gibi görünür. Hawking ise çalışmalarında, kara delikler ve evrenin başlangıcı gibi olağanüstü şartlarda kütle çekiminin etkisini araştırmış, uzay-zaman eğriliği kavramından fazlaca bahsetmiştir.
4. Hawking Radyasyonu
Hawking radyasyonu, kara deliklerin olay ufkundan yayıldığı teorik bir radyasyondur. Kuantum mekaniğinde, sanal parçacık-antiparçacık çiftlerinin sürekli olarak meydana çıkıp kaybolma hali gerçekleşir. Kara deliğin olay ufkunun yakınında böyle bir parçacık çifti meydana geldiğinde, parçacıklardan biri kara deliğe düşebilir. Diğeri ise uzaya doğru hareket edebilir. Negatif enerji bulunduran bir parçacığın kara delik tarafından emilmesi halinde kara deliğin toplam enerjisini azaltır ve kütlesini de düşürür. Diğer parçacık ise pozitif enerjiyi götürür. Böylelikle kara delik, enerji kaybederek küçülmeye doğru gider. Buna Hawking ışınımı ya da radyasyonu denilmektedir. Hawking radyasyonu bugüne kadar net bir şekilde gözlemlenmemiştir. Ancak bununla ilgili birçok deney yapılmaktadır. Ayrıca, Einstein’in genel görelilik teorisince bu durum doğrulanmaktadır.
5. Kara Delik Termodinamiği
1970’lerde Hawking’in temelini attığı kara delik termodinamiği, termodinamik kurallarının kara deliklere uygulanmasını ele alan bir fizik dalıdır. Bu alanda, kara deliklerin termodinamik özelliklere sahip oldukları varsayılır. Başlangıçta sıcaklıklarının, ulaşabileceği en soğuk nokta olduğu kabul edilir. Ancak, kuantum etkileri nedeniyle kara delikler sonlu bir sıcaklığa sahiptir. Bu sıcaklık, kara delik kütlesiyle ters yönde bir değişim göstermektedir. Küçük kara deliklerin sıcaklığı fazlayken, büyük kara deliklerin ise daha düşüktür. Termodinamiğin diğer kuralı ise, kara deliklerin rastgele ve düzensiz denilen entropi bir enerji barındırdığı, bunun zamanla da azalmayacak olmasını belirtmektedir. Hawking, kara deliklerin düzensizliğinin olay ufkunun alanıyla orantılı olduğunu göstermiştir. Bu, kara deliklerin aslında çok yüksek bir entropiye sahip olduğu anlamına gelmektedir.
6. Bilgi Paradoksu
Bu paradoks, kara deliklerin doğası ve kuantum mekaniğinin kuralları arasındaki çelişkileri ifade etmektedir. Kara deliğe düşen bilgilerin ne olduğu, temel soru olarak tartışılmıştır. Hawking radyasyonuna göre, kara deliklerin kütleleri zamanla azalarak buharlaşır ve nihayetinde kaybolur. Kuantum mekaniğine göre bilgiler aslında tamamen yok olmazlar. Örneğin, bir kağıdı istediğiniz gibi parçalayabilir ve yakabilirsiniz. Ancak fizik yasalarına göre bilgiler tekrar birleştirilebilir. 2004 yılında fizikçiler, paradoksu çözdüklerini iddia ederek, kara delik tamamlayıcılığının tanımını yapmışlardır. Kara deliğin olay ufkundan geçen bir bilginin hem dışarı yansıyabildiğini hem de içeri girebildiğini ve asla kaçmayacağını ileri sürmüşlerdir. Ancak Hawking 2014 yılında bilginin sonunda kaçacağını, karmaşık bir biçimde kaçmasından dolayı asla yorumlanamayacağını öne sürmüştür.
7. Saçlı Kara Delikler
Bilim insanları kara deliklerin “kel” olduğunu, yani etrafında karmaşık detayların olmadığını düşünmekteydiler. Aynı zamanda, kütleleri, açısal momentumları ve dönüşleri dışında hepsinin aynı olduğu görüşündeydiler. Ancak 2016 yılında Hawking ve meslektaşları Malcolm Perry ve Andrew Strominger, kara deliklerin olay ufuklarından yayılan uzun ve düşük enerjili parçacıklar şeklinde “yumuşak saçlara” sahip olabileceğini iddia etmişlerdir. Bu saçlar, kara deliğin olay ufkunda yer alan ve tahmini olarak zayıf bir enerjide olan kuantum titreşimleri şeklinde tanımlanan bir yapıdır. Hawking ve arkadaşlarına göre, kara deliğe düşen bazı bilgiler bu saçlar tarafından saklanabilmektedir. Ama yine de bu saçların, bilgilerin hepsini depolayabilecek kapasitede olduğu kanıtlanamamıştır.
8. Solucan Delikleri ve Zaman Yolculuğu
Stephen Hawking, evrenin solucan delikleriyle dolu olduğunu ve uzay-zaman boşluklarında meydana geldiğini ifade etmektedir. Uzay-zaman yüzeyinde bulunan küçük boşluklar ve kısa yollar, solucan delikleri olarak tarif edilebilir. Örneğin, bir elmanın içerisinde ilerleyen kurdun yoluna benzetilebilir. Bu sebeple adına solucan delikleri denilmiştir. Hawking, eğer solucan deliklerinin iki uç kısmı ayrı kütle çekim alanlarına uğrar veya birbirlerine göre hareket ederlerse, zaman içinde bir kayma oluşabileceğini belirtmiştir. Bu durumda, teorik olarak zamanda yolculuğun mümkün olacağı düşünülmektedir. Ancak solucan delikleriyle ilgili bu teori, Einstein tarafından matematiksel olarak kabul edilse de, fiziksel anlamda henüz ispatlanamamıştır. Dünyaca ünlü bir fizikçi olarak Stephen Hawking’in uzaya bakan gözünden kara delikler, merak uyandıran özelliklerle doludur.
9. Evrenin Sonu Hipotezi
Evrenimizin dışında farklı evrenlerin de olduğu, aynı zamanda giderek genişlediği ve genişlemenin ivmelendiği belirtilmektedir. Ancak Hawking, çoklu evrenlerin boyutlarının sınırsız veya büyük olması halinde bu teorinin asla test edilemeyeceği görüşündedir. Ölümünden önce Stephen Hawking, bilim insanı Thomas Hertog ile yaptığı bir araştırmada, sonu olan bir evren teorisi ortaya koymuştur. Bu çalışmada, evrenlerin hepsinin, birbirine benzer, düzgün ve sınırlı olduğu öne sürülmüştür. Büyük patlamanın oluşmasıyla birlikte, evrenin en başta çok hızlı bir şekilde genişlediği savunulur. Ancak, Hawking radyasyonu yayılımının, kara deliklerde oluşması olasılığı düşünülmektedir. Buna bağlı olarak, evrenin nihayetinde enerji kaybedileceği ve ‘ısı ölümü’ senaryosu ortaya çıkacaktır.
10. Kara Delik Simülasyonları
Hawking’in evren ve kara delikler üzerine yaptığı çalışmalar, bilim dünyasına farklı bir boyut kazandırmıştır. Bu alandaki teorilerini test etmek için fizikçiler, 2022 yılında bir araştırmaya imza atmışlardır. Araştırmada, tek sıra halinde atom kullanılarak kara deliğin olay ufkunu yani sınırını taklit etmişlerdir. Sonucunda, Hawking radyasyonunun bir benzerine tanık olmuşlardır. Buna benzer bir çalışma Kasım 2022’de Lotte Mertens ve öğrencileri tarafından da gerçekleştirilmiştir. Sahte bir olay sınırının, teorideki benzer bir kara delikte beklenen sıcaklık artışını gösterdiği belirtilmiştir. Ancak atom zincirinin sadece bir kısmı, bu sınırın ilerisine ulaştığında sıcaklık artışının meydana geldiği açıklanmıştır. Bu durumun, atomların birbirine bağlı olmasından dolayı sınırın ötesine geçen parçacıkların, Hawking radyasyonunun oluşmasında büyük bir etkisi olduğu düşünülmektedir.