Okulda, filmlerde ve sosyal medyada sıkça duyduğumuz bilimsel söylemlerden biri; “Hiçbir şey yoktan var olmaz, vardan yok edilmez” sözüdür değil mi? Enerji korunumu kavramını anlatan bu söz oldukça eski ve kabul edilmiş olsa da modern fiziğin oldukça sarsıcı bir itirazı var. En azından evrensel ölçekte…
Enerji Korunumu Nedir
Öncelikle enerji korunumu ne ondan bahsedelim. En basit tabirle; kapalı (dışarıdan müdahale edilmeyen) bir sistemde enerjinin yoktan var ve vardan yok edilemeyeceğini, yalnızca form değiştireceğini söyleyen temel fizik yasasıdır. Çoğumuzun bildiği ismi ile Termodinamiğin 1. Yasası’nın temeli.
Örneğin; elindeki topu havaya attığında, kolundan topa aktardığın kinetik enerji (hareket enerjisi), top yükseldikçe kütleçekimsel potansiyel enerjiye dönüşür. Top yere düştüğünde ise bu enerji sese, sürtünmeye ve ısıya dönüşerek ortama dağılır. Başlangıçtaki toplam enerji ile sondaki toplam enerji, her zaman birbirine eşittir (Eilk= Eson).
Fizikçiler yüzyıllar boyunca enerjinin bu şekilde korunduğunu deneylerle gözlemlediler ve hesaplarını buna göre yaptılar. Ancak ortada çok büyük bir felsefi ve matematiksel boşluk vardı: Peki ama bu enerji neden korunmak zorunda? Doğayı buna mecbur bırakan şey ne?
Korunumların Arkasındaki Güç: Noether Teoremi
İşte bu sorunun cevabı Emmy Noether’den geldi.
Malumunuz fizikte her kuramın matematiksel bir temeli vardır, zira matematik doğanın yani fiziğin dilidir. Enerji korunumu da Alman matematikçi Emmy Noether’in 1915 yılındaki ispatına dayanır. Noether teoreminin matematiği çok net bir şekilde ispatlar ki; eğer bir sistemin kuralları zaman içinde değişmiyorsa (zaman simetrisi varsa), o sistemin toplam enerjisi matematiksel olarak sabit kalmak (korunmak) zorundadır. Yani korunumun olması için zaman simetrisi sağlanmalıdır, peki ya sağlanmazsa?
Sean Carroll Görüşü: Genişleyen Evren ve Enerji Korunumu Yanılgısı
Ünlü kozmolog Sean Carroll bu yeni oluşan durumu net bir şekilde ifade ediyor. Carroll’a göre, kendi dünyamızdaki kuralları koskoca evrene dayatmaya çalışıyoruz. Genel görelilik bize açıkça söylüyor ki, genişleyen uzayda enerji korunumu aramak maalesef beyhude bir çaba. Karanlık enerjinin kendisi bile uzay hacmi büyüdükçe yoktan sisteme dahil oluyor. Uzay-zaman dokusunun sürekli genişlediği evrenimizde, Noether’in o meşhur ‘zaman simetrisi’ şartı artık sağlanamıyor. Bu yeni bilgi ile artık evrenin toplam enerjisinin korunması anlamsızlaşıyor.
Evrenin enerjisinin korunamadığına dair en net örneklerden biri uzak galaksilerden bize ulaşan ışıktır. Evren genişlerken, uzayın dokusu da esner. Bu doku içinde milyarlarca yıl seyahat eden bir fotonun da (ışık parçacığı) dalga boyu, uzayla birlikte esneyerek uzar.
Dalga boyu uzayan bir ışığın enerjisi düşer. Peki bu fotonun kaybettiği enerji nereye gider? Başka bir forma mı dönüşür? Hayır. Klasik anlamda bu enerji tamamen “kaybolur” çünkü uzay-zamanın kendisi genişlemiştir.
Enerjinin Dönüşü ve İtirazlar
Peki, kaybolan ışık karanlık enerjiye veya maddeye dönüşüyor olamaz mı? Evren için değişen bu korunumun anlamsızlaşmasına tabii ki karşı argümanlar da öne sürülmektedir. Kaybolan enerjinin karanlık enerjiye veya yeni kütlelere dönüşmesi de onlardan biridir. Fakat bu pek mantıklı değildir çünkü eğer öyle olsaydı, karanlık enerjinin miktarı uzaydaki foton sayısına göre değişirdi. Oysa karanlık enerji doğrudan uzayın hacmiyle artar. Ayrıca fotonlar kütleye dönüşseydi, boşlukta sürekli yeni maddelerin var olduğunu görürdük. Kısacası, kaybolan enerji başka bir forma geçiş yapmaz.
Bunun yanında, kütleçekimi (yerçekimi) ile ilgili başka bir antitez daha karşımıza çıkar. Kimi fizikçiler kütleçekimine negatif değer vererek, toplam hesabı sıfırlar. Bu sayede evrensel enerji korunumu kuralını kağıt üzerinde hayatta tutmaya çalışırlar. Aslında bu sadece matematiksel bir muhasebe işlemidir. Gerçekte genel görelilik, uzay-zaman geometrisinin enerjiyi emmediğini kanıtlar. Yani ortada fiziksel olarak dönüşen değil, uzayın esnemesiyle doğrudan azalan bir değer vardır.
Güneş Sistemimizde Enerji Korunumu
O halde kendi yaşadığımız Güneş sisteminde enerji korunumu geçerli mi? Evet, burada işler hala tıkır tıkır yürür. Çünkü yerel bölgelerde uzay-zamanın genişlemesi ihmal edilecek kadar küçüktür. Ayrıca gezegenlerin ve güneşin kütleçekimi, bu esnemeyi tamamen bastırır. Arabamızın motorunda veya laboratuvardaki bir deneyde enerji korunumu kusursuzca çalışır. Netice itibarıyla, genel evren modelinde geçerliliğini yitiren bu yasa, kendi dar mahallemizde hala kesin bir gerçektir. Bir nevi mahallemizin Spider-Man’i diyebiliriz…
Hala vaktiniz var ise Ayna Evren Teorisi: Zaman Tersine Akıyor mu? yazımıza da bekleriz…
Kaynaklar ve İleri Okuma
Popüler Bilim ve Makaleler:
Carroll, S. (2016). “The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself” – Penguin Random House. (Kozmolojik ölçekte zaman, uzay ve enerji ilişkisini kavramak isteyen okurlar için kapsamlı bir başucu kitabı).
Carroll, S. (2010). “Energy Is Not Conserved” – Discover Magazine. (Makalede bahsi geçen ünlü kozmolog Sean Carroll’ın, genişleyen evrende enerjinin neden korunamadığını herkesin anlayabileceği bir dille anlattığı kültleşmiş blog yazısı).
Akademik ve Teorik Referanslar:
- Noether, E. (1918). “Invariante Variationsprobleme” – UCLA Fizik Arşivi. (Matematikçi Emmy Noether’in, zaman simetrisi ile enerji korunumu arasındaki o kopmaz bağı matematiksel olarak kanıtladığı makalenin resmi İngilizce çeviri arşivi).
- Wald, R. M. (1984). “General Relativity” – University of Chicago Press. (Genel Görelilik matematiğinde global ölçekte bir “toplam enerji” hesabının yapılamayacağını kanıtlayan, üniversitelerin standart astrofizik ders kitabı).
- Peebles, P. J. E. (1993). “Principles of Physical Cosmology” – Princeton University Press.
