Başlangıç » Nedir » Kara deliklerin termodinamiği

Kara deliklerin termodinamiği

Posted by: Ne Nedir 8 Mart 2011 Yorum Yaz

Kara deliklerin termodinamiği Fizik
Kuantum fiziği ile Albert Einstein`in Genel Gorelilik teorisini belli olcude birlikte kullanan Cambridge Üniversitesi profesörlerinden Steven Hawking 1970’lerin başında yaptığı oldukça ünlü çalışmalarında su sonuca ulaşmıştır: Kara delikler çok da kara değiller! Bu kısa yazıda Hawking`in ne demek istediğini anlamaya çalışacağız. Princeton Üniversitesinden John A. Wheeler 1967`de `kara delik` ismini vermeden önce bu nesneler  `çökmüş yıldız` veya  `donmuş yıldız` olarak biliniyorlardı.
Hemen belirtmekte fayda var: Kara deliklerle ilgili gözlemsel ve teorik bilgilerimiz henüz tatmin edici düzeyde değil. Nötron yıldızlarını anladığımız seviyede kara delikleri anlamak isteriz, ama çok uzun ve yoğun çalışmalara rağmen bu bilgi düzeyinden uzaktayız.  Kara delikler ve Evrenin büyük patlama zamanındaki durumu, kuantum fiziği ile gravitasyon teorilerinin aynı anda etkin oldukları, beraber uygulanmalarının zorunlu olduğu,  iki alandırlar. Belki de bu nedenle kara delikleri anlamak pek çok bilim insanının temel hedeflerinden birisidir. Bu gizemli nesneler hakkında 15,000’den fazla bilimsel makale yayınlanmış ve binlerce bilim insanı fikir üretmiştir.
Jean-Pierre Luminet kara delikleri anlatırken eski bir Acem hikâyesinden bahseder: Kelebekler ateşin-alevin mahiyetini, ne olduğunu, anlamak için bir araya gelirler. Ortaya pek çok model atılır ama hiç birisi pek ikna edici değildir. Cesur bir kelebek `gidip ateşe bakıp gerçeği öğreneceğini’ söyler. En yakin kaleye gider ve mum alevini izler ve arkadaşlarının yanına döner. Gördüklerini anlatır ama kelebeklerin büyüğü, bilgin kelebek açıklamayı tatmin edici bulmaz ve şöyle der “daha önceki bilgilerimizin üstüne bir şey koyamadık”.  İkinci bir kelebek alevi anlamak için yola çıkar, kanatlarından birisini mum alevine değdirir ve bin bir güçlükle geri döner, yaşadıklarını anlatır. Bilgin kelebek yine tatmin olmamıştır, üçüncü bir kelebek yola çıkar ve kendisini aleve atar, yanar. Uzaktan bu durumu izleyen bilgin kelebek hükmü verir: “Dostumuz alevin sırrını öğrendi ama bu sırrı sadece o bilebilir!  Kelebeklerden biraz daha zor durumdayız: Kara deliklerin sırrını asla geri dönemeyecek cesur bir astronotun da öğrenmesi mümkün değil, çünkü yakınımızda kara delik yok!
Öncelikle şu gerçeği hatırlayalım: Sıcaklığı olan her cisim elektromagnetik dalga yayar, güneş, insan, dünya, ampul, tavşanın gözleri vesaire. Bu ışımaya Kara cisim ışıması denir (buradaki kara’nın kara delik ile doğrudan bir ilgisi yok). Işımanın şiddeti ve yayılan ışığın hangi dalga boyunda olduğu (veya görünür spektrumda ise, hangi renkte olduğu) o nesnenin sıcaklığı tarafından belirlenir. Vücut sıcaklığı normal olan bir insan gözle görülemeyen Kızıl-Ötesi ısınlar yayar, güneş veya ampul dışarıdan bakıldığında birkaç bin derece sıcaklığa sahip oldukları için elektromagnetik radyasyonun önemli bir kısmını daha şiddetli, görünür spektrumdaki ışık şeklinde yayarlar.
Kara cisim ışıması 20. yy başına kadar oluşan klasik Newton, Maxwell teorisi ile açıklanamamıştır. Max Planck 20. yy başında kara cisim ışımasının nasıl olduğunu ve deneyde elden edilen verileri, kuantum fiziğini ortaya atarak izah etmiştir. Işığın nasıl oluştuğunu ve tanecikli yapısını anlamak için kuantum fiziğine ihtiyaç vardır. Acaba kara delikler kara cisim ışıması resmi ile nasıl örtüşmektedir? Klasik teoriye göre bir kara delik hiç ısıma yapmaz, yani sıcaklığı mutlak olarak sıfırdır. Peki, kuantum fiziği bu resmi nasıl değiştirir? Aslında bu soruya, bütün fizikçileri tatmin edecek bir cevap henüz bulunamamıştır. Bu sorunun cevabı hali-hazırda sadece adı var olan hipotetik `kuantum gravitasyon` teorisi tarafından verilebilir. Ama Hawking, Jacob Bekenstein ve başka pek çok fizikçinin katkısı ile belli ölçüde makul bir cevap verilmiştir: Astrofiziksel kara deliklerin çok düşük de olsa sıcaklığı vardır ve radyasyon (Hawking radyasyonu) yayarlar. Hatta kütleleri küçük olan kara delikler ışığın haricinde pek çok maddeyi de uzaya atmaktadırlar. Küçüldükçe sıcaklıkları artar ve daha büyük kütleli temel parçacıkları atarlar.   Dünya bir kara delik olsaydı sıcaklığı 0.02 Kelvin olurdu, güneş kara delik olsaydı sıcaklığı 1 Kelvin`in 10 milyonda biri kadar olurdu. Radyasyon yayarak küçülen kara deliğin kütlesini tamamen kaybetmesini bekleriz, ama bu sure çok uzundur. Güneşin kütlesindeki bir kara delik 10 üzeri 65 yıldan fazla yaşar. Dolayısıyla büyük kara deliklere bakarak Hawking radyasyonu ölçme ümidimiz yok.
Kara delikler hangi mekanizma ile radyasyon yayar sorusunun henüz cevabını vermedik. Bu sorunun maalesef kolay verebileceğimiz bir cevabı yok. Kısaca şunu söylemekle yetinelim: Buradaki etkin mekanizma kuantum mekaniğindeki tünelleme olayıdır. Yani, klasik fiziğin esaslarına göre kara deliğin olay ufkunu dışarıya doğru, kara delikten kaçacak şekilde geçemeyen parçacıklar, daha doğru olan kuantum fiziğin prensiplerine göre geçebilmektedirler. Tünelleme mekanizması elektronları içeren başka deneylerde binlerce defa gözlenmiştir, hatta bu mekanizmayı kullanan Tünelleme Mikroskoplarını piyasa satılmaktadır.
Kaynak: Bayram Tekin’in (ODTÜ Fizik) “Kara deliklerin termodinamiği (Kara delik de ölümlüdür!)” makalesinden derlenmiştir. 



2011-03-08

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir