Stephen Hawking'i meşhur eden keşifleri

Philip Ball

ALS hastalığına karşı gösterdiği inanılmaz direnç, hemen tanınabilen robotik sesi, Simpsons ve Star Trek gibi dizilerde rol almasının dışında Stephen Hawking gerçekten neden ünlü?

Kara delikleri keşfetmedi mi? Ya da Big Bang'i (Büyük Patlama)? Ya da bize zaman gibi bir şeyleri anlatmadı mı? Hayır, hayır ve yine hayır. Kendisine ilişkin efsanevi anlatıların etrafındaki çalıları keserek gerçekten keşfettiği şeylere ulaşmak zor. Hawking'in kendisine ilişkin efsaneler gerçek başarılarının üstünü örtme riskini taşıyor.

Bugün Hawking, Reith Konuşmaları'nda (BBC'nin ilk Genel Müdürü John Reith'ın anısına, 1948'den beri düzenlenen Reith konferanslarının 2016'daki oturumu) konuşacak: Konuşmacının sadece kendi alanında uzmanlığını değil, halkın gözündeki entellektüelliğini de vurgulayan bir durum bu. Aynı zamanda şimdi Hawking'i bir ikon olarak kenara koyup fizikçi olarak ele almanın da zamanı.

Düzenlenen bazı anketlerde 20. yüzyılın en önemli fizikçileri ya da yaşayan en iyi fizikçiler arasında Hawking ya yok ya da listenin sonlarında yer alıyor. O zaman o kadar da büyük bir isim değil mi?

Tam tersine, modern fiziğin en büyük isimlerinden biri. Sadece fizik bilimi çok sayıda hayranlık uyandıran zeki isme sahip, Hawking de bunlardan biri.

Hawking'in dehası, büyük ihtimalle Nobel Ödülü'nü hak ediyor, fizik teorisinin çok sayıda temel alanlarını bir araya getiriyor: Yerçekimi, kozmoloji, kuantum fiziği, termodinamik ve bilgi teorisi.

Öncelikli olarak izafiyet ile başlıyor: 1910'larda Albert Einstein'ın keşfettiği ve Isaac Newton'ın yerine geçen teori.

Newton'ın yerçekimi görüşü büyük objelerin bir nevi manyetik alan gibi bir 'alan' yaratarak uzaya nüfuz ettiği yönündeydi. Bu alan Dünya gibi büyük bir kütlenin bir diğerine güç uygulamasını sağlıyordu, Ay ya da elma gibi. Newton bu gücün tam olarak ne olduğunu bildiğini iddia etmedi. Sadece kütleye sahip nesnelerin yarattığı doğanın bir gerçeğiydi.

Einstein'ın izafiyet teorisine göre ise yerçekimi uzayda bir alan değil, uzayın sahip olduğu bir şey.

Fikir, uzayın Güneş gibi büyük kütlelerin etrafında kıvrıldığına yönelik. Uzayın bu şekilde bozulması, etrafındaki her şeyin hareketini etkiliyor. Örneğin Dünya'yı Güneş'in yörüngesinde tutuyor, tıpkı bir kâsenin içinde dönen bilye gibi.

Einstein'ın iddilarından biri, çok büyük bir yıldız gibi yeterince büyük bir objenin kontrolden çıkması durumunda kendi yerçekimi altında çöküşe geçebileceğine dair. Bütün bir kitle sonsuz yoğunluğun içinde tekillik denilen çok küçük bir noktaya dönüşebiliyor.

Çöküş yerçekimi tarafından sarılan öyle bir uzay alanı yaratıyor ki ışık bile ondan kaçamıyor. Buna kara delik diyoruz.

Bütün bunlar daha sonra atom bombasını geliştirecek olan Amerikalı fizikçi Robert Oppenheimer ve öğrencisi Hartland Snyder'ın 1939'da yazdığı makalede öne sürüldü.

Ancak çok sayıda fizikçi tekillik adı verilen acayip şeye inanamadı. Bazıları başka süreçlerin araya girerek buna engel olduğunu düşündüğünden yıllar boyunca bu fikir güçlenemedi.

Ancak fizikçiler Hawking'in Oxford Üniversitesi'ne başladığı 1959 yılında bu fikri ciddiye almaya başladı. Kara deliklere adını verdiği söylenen New Jersey'deki Princeton Üniversitesi'nden John Wheeler, İngiltere'deki Roger Penrose ve Sovyetler Birliği'ndeki Yakov Zel'dovich tarafından bu fikir yakından incelendi.

Hawking, fizikten mezun olduktan sonra kozmolog Denis Sciama denetiminde Cambridge Üniversitesi'nde doktoraya başladı. Dikkatini izafiyet teorisi ve kara delikler etrafında canlanan bu yeni ilgiye verdi.

Bing Bang ve kara delik

Hawking'in inanılmaz dehası bu noktada parlamaya başladı. Oxford'dan daha yeni mezun olmuştu, matematik alanında da yakalaması gereken çok sayıda konu vardı. Aynı zamanda kendisini sonunda tamamen felce uğratacak ALS-Amyotrofik Lateral Skleroz hastalığının teşhisi kendisine daha yeni konmuştu.

Sciama'nun rehberliğinde Hawking, Big Bang teorisi hakkında düşünmeye başladı: Teori, evrenin küçük bir zerreden başlayıp daha sonra genişlediğini söylüyordu. Bu günlerde bu teori çokça kabul edilmiş olsa da o zamanlar halen tartışılmaktaydı.

Hawking, Big Bang'in bir kara deliğin çöküşünün tam tersi olduğunun farkına vardı.

Fikrini Penrose ile beraber geliştirdi. 1970 yılında ikisi birlikte, genel izafiyet teorisinin evrenin bir tekillik olarak başladığına işaret ettiğini anlatan bir makale yayımladı.

Bu sıralarda Hawking'in hastalığı ilerlemişti, koltuk değnekleriyle bile yürümesi zordu. 1970'lerin sonunda, bir gece zar zor yatağa gittiğinde kara deliklerle ilgili nasıl hareket ettiklerini aydınlatacak bir seri keşfe yol açacak ani bir aydınlanma yaşadı.

Hawking bir kara deliğin boyutunun sadece büyüyebileceğini, hiçbir zaman küçülemeyeceğini fark etti.

Balon gibi büyüyen kara delikler

Bu çok bariz görülebilir. Yaklaşan herhangi bir şey kaçamayacağı için kara delikler sadece daha çok malzeme içerebilir ve böylece kitleleri büyür.

Böylelikle kara deliğin kütlesi büyüklüğünü belirler, bu da hiçbir şeyin kaçamayacağı noktaya kadar olan olay ufkunun yarıçapı olarak hesaplanır. Şişirilen bir balon gibi bu sınır dışarıya doğru engellenemez bir şekilde büyüyecektir.

Ancak Hawking daha da ileri giderek, iki kara deliğin çarpışması halinde bile bir kara deliğin hiçbir zaman küçük parçalara ayrılamayacağını belitti.

Hawking, bir başka aydınlatıcı adım daha attı. Olayın sürekli genişleyen ufkunun fiziğe göre sadece büyüyebilen bir boyutla karşılaştırılabileceğini söyledi.

Bu büyüklük, bir sistemde yer alan düzensizliği ölçen entropiydi. Bir kristalde yer alan atomlar düşük bir entropiye sahipken bir gazın içinde dolanan atomlar yüksek entropiye sahip oluyor.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre evrenin toplam entropisi sadece büyüyebilir, azalamaz. Diğer bir deyişle evren yaşlandıkça daha çok düzensiz bir hal alıyor. Hawking doğanın bu iki kuralına işaret etti, kara deliğin sürekli büyüyen alanı ile evrenin sürekli artan entropisi garip bir şekilde benzerdi.

Kara delikler küçülür mü?

Hawking, 1970'in sonunda bu duyuruyu yaptığında, genç fizikçi Jacob Bekenstein cesaret gerektiren bir teklifte bulundu: Ya bu sadece bir benzerlik değilse? Bekenstein, bir kara deliğin olay ufkunun alanının kara deliğin entropisinin ölçümü olabileceğini söyledi.

Ancak bu kulağa doğru gelmiyordu. Eğer bir nesnenin entropisi varsa, ısısı da olmalıydı. Eğer ısısı varsa, enerji yaymalıydı, ancak kara deliğin bütün olayı kendisinden hiçbir şeyin kaçamamasıydı.

Bu yüzden Hawking dahil olmak üzere çok sayıda fizikçi Bekenstein'ın iddiasının bir anlamı olmadığını düşündü. Bekenstein'ın kendisi de bir paradoksa yol açacağı için kara deliğin görünen ısısının 'gerçek' olamayacağını söyledi.

Ancak Hawking ne zaman Bekenstein'ın yanlış olduğunu ispat etmek için yola çıktı, o zaman daha sonradan itiraf edeceği şekilde genç öğrencinin 'temelde doğru' olduğunu gördü. Bunu yapmak için de fiziğin daha önce kimsenin bir araya getiremeyeceği iki alanını birleştirdi: Genel izafiyet (görelilik) ve kuantum teorisi.

“Her şeyin teorisi”

Kuantum teorisi, atom ya da onu oluşturan parçalar gibi görülemeyecek kadar küçük şeylerin tanımlanmasında kullanılıyor, diğer yandan genel izafiyet teorisi ise yıldızlar ve galaksiler gibi kozmik boyuttaki şeyleri tanımlamada kullanılıyor.

İki teori temelde bir araya getirelemez görülüyor. Genel görelilik teorisi, uzayın bir çarşaf gibi düz ve sürekli olduğunu söylerken kuantum teorisi ise dünyanın ve diğer her şeyin ayrık yumrulara bölünmüş küçücük parçalardan oluştuğunu savunur.

Fizikçiler uzun yıllar boyunca, 'her şeyin teorisi' olabilecek bu iki teoriyi birleştirmekte sıkıntı çekti. Eğer bir klişe kullanmak gerekirse böylesine bir teori, modern fiziğin 'kutsal kasesi' olurdu.

Kariyerinin başlarında Hawking böyle bir teoriye olan ilgisini açığa vurdu, ancak kara delik analizi böyle bir teori ortaya süremedi. Onun yerine gerçekleştirdiği kara deliklerin kuantum analizi, iki teorinin bir nevi yaması olarak ortaya çıktı.

Kuantum teorisine göre boş uzay hükümsüz bir durum, çünkü uzay dümdüz ve tamamen bomboş olamaz. Aksine aktivitelerle canlıdır.

Parçacıkların çiftleri sürekli olarak anında ortaya çıkar, biri maddeyi diğeri karşı maddeyi oluşturur. Birinin pozitif enerjisi varken diğerinin negatif enerjisi olduğu için sonuçta yeni bir enerji yaratılamaz. İkisi birbirini çok hızlı bir şekilde yok ettiği için tespit edilemezler. Bu yüzden sonuç olarak 'görülen parçacıklar' olarak adlandırılırlar.

Hawking bu parçacık çiftlerinin eğer bir kara deliğin yanında meydana gelirlerse 'görünen'den gerçeğe geçebileceğini öne sürdü.

Hawking ışıması

Çiftlerden birinin diğerini bırakarak olay ufkunun içine çekilmesi ihtimali bulunur. Ayrılmış çiftin daha sonra uzaya fırlatılma ihtimali vardır. Eğer kara delik tarafından negatif enerji taşıyan parçacık emilirse kara deliğin toplam enerjisi azalır, böylece kütlesi de azalır. Diğer parçacık ise pozitif enerjiyi götürür.

Bunun sonucu olarak kara delik enerji yayarak gittikçe küçülür, buna Hawking ışınımı ya da radyasyonu denir. Diğer bir deyişle Hawking kendini haksız çıkardı: Kara delikler de aslında küçülebilir. Bu kara deliğin yavaş yavaş buharlaşacağı anlamına gelir, demek ki sonunda o kadar da kara değil.

Dahası bu küçülmenin illa yavaş ve sakin olmasına da gerek yoktur.

“Beyaz sıcak”

1971 yılında Hawking kara delikler hakkında yeni bir radikal görüş ortaya attı. Bing Bang sırasında bazı parçaların minyatür kara deliklere parçalanmış olabileceğini öne sürdü. Her bir parça milyarlarca ton ağırlığındaydı, kulağa çok fazla gelse de Dünya'dan biraz daha küçük, böylelikle kara delikler atomlardan bile küçük bir hale geldi.

Bir kara deliğin olay ufkunun alanı gittikçe küçülürken sıcaklığı yükselir, kara delik çok küçük olabilir ama sıcaklığı yüksektir: Hawking bunu 'beyaz sıcak' olarak tanımladı. Bu, sonuçta ortadan kaybolana kadar kitlenin Hawking ışıması yaymasına neden olur.

Aynı zamanda kara delikler sessizce ortadan kalkmazlar. Bir mini kara delik küçüldükçe ısınır, sonunda bir milyon megaton hidrojen bombası enerjisi ile beraber patlar.

Hawking, Hawking ışıması ve başlangıçta yer alan mini kara delikler ile ilgili teorisini Nature dergisinde 1974 yılında yayımlanan makalesinde açıkladı. Şoke edici ve tartışmalara yol açan bir iddiaydı. Bu günlerde ise fizikçiler Hawking ışımasının gerçekten de kara delikler tarafından üretileceğine inanıyor.

Ancak şimdiye kadar kimse bu radyasyonu tespit etmeyi başaramadı. Bu şaşırtıcı değil, sıradan bir kara deliğin ısısı neredeyse mutlak sıfır noktasının çok az üzerine çıkar, böylelikle Hawking radyasyonu ile ortaya çıkan enerji çok az olmalıdır.

Bilgi yok olur mu?

Yedi yıl sonra Hawking yok olan kara deliklerle ilgili rahatsız edici başka bir tespit ortaya attı, bilgiyi de yok ettiklerini söyledi.

Parçacıklar ya da ışık ışınları bir kara deliğin olay ufkundan geçerken evrenin geri kalanına asla dönmezler. Böylesine bir yapının bazı bilgileri taşıdığı düşünülüyor, mesela parçanın kütlesi ve pozisyonu gibi. Bu bilgi kara deliğin içinde kilitli bir şekilde kalıyor.

Ancak kara delik yok olursa bilgiye ne olur? İki olasılık var: Ya Hawking radyasyonu sırasında kara deliğin ortaya çıkardığı enerji içinde yer alır ya da yok olurlar. Hawking yok olduklarını iddia etti.

Hawking 1981'de kara delik fiziğinde bilginin yok olduğu paradoksuyla ilgili olarak San Francisco'da bir konuşma gerçekleştirdğinde, Amerikalı fizikçi Leonard Susskind bu fikre karşı çıktı. Evrenden bilginin kaybolmasının ne kadar rahatsız edici olduğu konusuna katılan birkaç kişiden biriydi.

Biz sebeplerin sonuçlardan önce geldiğine inanmak isteriz, tam tersine değil. Bu da, genellikle pratikte değilse de prensip olarak evrendeki herhangi bir parçacığın şimdiki durumuyla ilgili bilgisinden yola çıkarak bu parçacığın geçmişini takip edebileceğimiz ve yeniden kurgulayabileceğimiz anlamına gelir.

Ancak bu sonuçtan etkilerine doğru yeniden yapılandırma eğer bilgi kara deliklerin içinde yok oluyorsa imkansız demektir. Eğer bilgi yok oluyorsa, bütün neden-sonuç ilişkisi kavramı sarsılmış demektir.

Bu yüzden Hawking bilginin yok olduğunu öne sürdüğünde Susskind bunun tamamen yanlış olduğunu öne sürdü.

Akademisyenler arasında tartışma yıllar içinde daha da şiddetlendi. 1997'de Hawking'in dahil olmayı sevdiği bir şekilde bu tartışma iddiaya dönüştü. Hawking, California Teknoloji Enstitüsü'nden John Preskill ile bilginin kara deliklerde kaybolduğuna yönelik ansiklopedisine iddiaya girdi.

2004 yılında Dublin'deki bir konferansta ise Hawking sonunda Susskind'in haklı olduğunu ve Preskill'in ansiklopediyi hak ettiğini kabul etti. Ancak çok tipik bir şekilde inat ederek bilginin evrene ancak bozulmuş bir şekilde geri geldiğini ve görsel olarak bunu okumanın imkansız olduğunu, bunu da bir şekilde ispatladığını söyledi.

Hawking iddiasını bir sonraki yıl kısa bir makalede ortaya döktü. İddiasının Susskind'in teorisinden daha iyi olduğu konusunda ise kimseyi ikna edemedi.

Bu olay tam da Hawking'in tarzına işaret ediyor. Cesur ve zeki, ancak her zaman için ikna edecek kadar özenli değil; bazen de Higgs bozonunun (parçacığı) deneysel tespitine karşı olarak iddiaya girmesinde olduğu gibi yanlış çıkabilen bir içgüdü ile hareket ediyor.

Uzay ve zaman ayrımı

Hawking'in kara delik çalışmalarındaki genel görelilik, kuantum teorisi, termodinamik ve bilgi teorisi karışımı, yenilikçi ve dikkate değer bir durumda. Yaptığı başka hiçbir şey buna erişemedi.

1980'lerde Bing Bang'i kuantum mekaniği terimleriyle anlatmaya çalıştı. James Hartle ile beraber çalışarak bütün evrenin ilk aşamalarındaki halini açıkladığı öne sürülen basit bir kuantum denklemi geliştirdi. Ancak o kadar genel terimlerle bunu gerçekleştirdi ki birçok fizikçiye göre bu denklem anlamlı hiçbir şey söylemedi.

Ancak bu denklemin ortaya çıkardığı bir şey vardı ki o da evrenin kaynağı ile ilgili soru sormanın beyhude olduğuna yönelikti.

Kuantum fiziği, evrenin neredeyse bir yoktometrenin milyarda biri olduğu ilk aşamalarında çok küçük olduğunu, bu yüzden uzay ve zaman arasındaki farkın çok bulanık olduğunu öne sürer. Bu da müstakil olsa da erken evrende zaman ve uzay arasında anlamlı sınırlar olmadığı anlamına gelir. Zamanın 'kaynağı' kavramı kuantum köpüğünde yok olur.

Bu model, Hawking'in çok satan ve onu dünya çapında üne kavuşturan kitabı 'Zamanın Kısa Tarihi'nde (1988) açıklanıyor. Bu kavram ise hala tartışılıyor.

Şimdi kariyerinin sonuna doğru gelirken Hawking'in düşünceli yolculuklar eşliğinde başkaları tarafından kabul edilen fikirleri yenilikçi ve marjinal bir şekilde tamir etmeye çalıştığı yönünde bir hissiyat var. Bunu yapmayı ise hakkı var.

Ancak yapay zeka, genetik mühendisliği ve uzaylı medeniyetleri hakkında söz söyleme hakkına, ya da 1960'larda mezun olmuş birinin cinsiyetçi önyargılarını sürdürmeye hakkı var mı çok açık değil.

Hawking'in bir ikon olarak fizikçi Hawking'in önüne geçmesi çok acı. Hawking'in sonsuz bilgelik kaynağı olması gerektiğine yönelik bir varsayım var. Ancak O da zekasına bakmaksızın her insan gibi hata yapabilir. Hikayesi ilham verici ancak onun insanlığını göz ardı etmemiz gerektiği anlamına gelmiyor.

Belki de bizim toplum olarak engellilerle ilgili rahatsız olmamızla bir ilgisi vardır. Tekerlikli sandalyedeki engelli birinin bu kadar zeki olmasından inanılmaz bir şekilde etkileniyoruz. Aslında buna şaşırmamalıyız, bu Stephen Hawking'den ziyade bizimle ilgili bir şeyler söylüyor.