Solucan deliği

Solucan deliği (Einstein-Rosen köprüsü veya Einstein-Rosen solucan deliği), uzayzamandaki farklı noktaları birbirine bağlayan kurgusal bir yapıdır ve Einstein alan denklemlerinin özel bir çözümüne dayanır.

Solucan delikleri ilk olarak 1916 yılında Ludwig Flamm tarafından ileri sürülmüştür. Flamm, Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi denklemlerini elden geçirirken, beyaz delik adını verdiği, kara deliklerin tam tersi özellikteki bir gök cisminin teorik olarak mümkün olabileceğini fark etmiştir. Bir beyaz delik ile bir kara delik arasında bir köprü kurulabileceğini düşünmüştür.

1935 yılında Albert Einstein ve Nathan Rosen, Genel Görelilik kuramını kullanarak uzay-zaman içerisinde köprülerin varolduğu önermesinde bulunmuşlardır.

Solucan delikleri, uzayı bükerek iki farklı nokta arasında kestirme yollar oluşturan yapılardır. Bir solucan deliğinin bir tünele/boğaza bağlı en az iki ağzı vardır. Solucan deliğinden geçilebilirse, diğer ağıza ulaşılarak uzayda yolculuk yapılabilir.

Solucan delikleri, Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi ile tutarlıdır. Fakat gerçekliği henüz kanıtlanmamıştır. Negatif kütleli bir solucan deliği etrafından geçen ışığı yer çekimiyle etkilemesiyle tespit edilebilir. İlk solucan deliklerinin, mikroskobik seviyede yaklaşık 10–33  santimetrede var olduğu kabul ediliyordu. Fakat, evren genişledikçe, bazılarının da çok daha büyük boyutlara genişlemiş olması oldukça muhtemeldir.

Genel Göreliliğin bazı çözümleri; solucan deliğinin her iki ağzında da bir kara delik bulunduğunu öngörüyor. Ancak, "ölmek" üzere olan bir yıldızın çöküşüyle doğal olarak oluşan bir kara deliğin kendisi bir solucan deliği oluşturmaz.

Birçok bilim insanı, solucan deliklerinin yalnızca dördüncü bir uzaysal boyutun izdüşümü olduğunu varsayar.

Bir solucan deliği, milyarlarca ışık yılı veya daha fazlası gibi son derece uzun mesafeleri, birkaç metre gibi kısa mesafeleri, farklı evrenleri veya zamandaki farklı noktaları birbirine bağlayabilir. İki nokta arasındaki mesafeyi kısaltan ve seyahati kolaylaştırabilen tüneller olarak tanımlanabilir.

Solucan deliğini kavramak için, uzayı iki boyutlu bir düzlem gibi düşünebiliriz. Solucan deliği, bu düzlem üzerinde yalnızca birer delik gibi gözükecektir. Halbuki 2 boyutlu düzlemin altında, 3 boyutlu bir silindir köprü olarak yer almaktadır. Bu tünelin ucu, 2 boyutlu varsayılmış uzay üzerinde herhangi bir noktada bir delik görünümünde ortaya çıkacaktır. Gerçek bir solucan deliği, bu anlatıma benzer olabilir.

Basit bir örnek vermek gerekirse, kağıt üzerinde birbirine uzak iki nokta işaretleyin. Daha sonra kağıdınızı, işaretlediğiniz iki nokta üst üste gelecek şekilde katlayın. İki nokta arası mesafeyi kağıdın açık halinde giderseniz herhangi bir tünelden yararlanmamış olursunuz. Fakat, noktaların üst üste geldiği kısım iki nokta arası oluşmuş bir tüneldir. Eğer bu tünelden geçilebilirse, uzayda size çok uzak olan bir noktaya kısa ve pratik bir şekilde ulaşmış olursunuz. Örnekte bahsedilen tünel, solucan deliğidir.

1928 yılında, Alman matematikçi, filozof ve teorik fizikçisi Hermann Weyl elektromanyetik alan enerjisinin kütle analizi ile bağlantısını kurarak maddenin solucan deliği hipotezini önerdi.^[1] Hipotezinde "tek boyutlu tüpler" terimini kullandı. Hermann Weyl "solucan deliği" terimini kullanmadı.

Amerikalı teorik fizikçi John Archibald, Wheeler Weyl'in çalışmalarından esinlenerek "solucan deliği" terimini, Charles Misner'ın ortak yazarı olarak bulunduğu bir makalede ortaya atmıştır.:

"Bu analiz kişiyi durumları düşünmeye zorlar ... Net bir kuvvet çizgisi akısının olduğu yerde, topologların çok bağlantılı alanın "kolu" dediği şey aracılığıyla ve fizikçiler belki de daha canlı bir şekilde "solucan deliği" olarak adlandırdıkları için mazur görülebilecekler." —  Charles Misner and John Wheeler in Annals of Physics

Keşfedilen ilk solucan deliği çözüm yöntemi, ebedi bir kara deliği tanımlayan Schwarzschild ölçüsünde bulunacak olan Schwarzschild Solucan Deliği'dir. Ancak bu yöntemde, herhangi bir şeyin bir uçtan diğer uca hızlıca geçmesiyle solucan deliğinin çökmesi beklenmektedir. Çökmenin gerçekleşmemesi için iki yönlü geçiş yapılabilen solucan deliklerinde, henüz keşfedilememiş negatif yoğunluğa ve büyük bir negatif basınca sahip egzotik parçacıkların var olmasını gerektirmektedir. Fizikçiler daha sonra teorik modellerine göre geçilebilir mikroskobik solucan deliklerinin mümkün olabileceğini ve herhangi bir egzotik madde gerektirmediğini yani mikroskobik solucan deliklerinde çökme olmayacağını bildirdi. Bu tür solucan delikleri eğer mümkünse bilgi aktarımıyla sınırlı olabilir.^[2]

Einstein-Rosen köprüleri olarak da bilinen Schwarzschild solucan delikleri, adını Albert Einstein ve Nathan Rosen'den almıştır. Einstein alan denklemlerine vakum çözümleri olarak modellenebilen uzay alanları arasındaki bağlantılardır ve bunlar artık yüksüz ve dönüşsüz, sonsuz bir kara deliği tanımlayan Schwarzschild metriğinin maksimum genişletilmiş versiyonunun içsel parçaları olarak anlaşılmaktadır. Burada, "maksimum genişletilmiş" uzay zamanın herhangi bir "kenar" içermemesi gerektiği fikrini ifade eder: serbest düşen bir parçacığın olası herhangi bir yörüngesi için bu yolu parçacığın geleceğine veya geçmişine keyfi olarak devam ettirmek mümkün olmalıdır.

Bu gereksinimi karşılamak için, parçacıkların olay ufkuna dışarıdan düştüklerinde girdikleri kara delik iç bölgesine ek olarak, yörüngelerini tahmin etmemize izin veren ayrı bir beyaz delik iç bölgesi olması gerektiği ortaya çıktı. Dışarıdan bir gözlemcinin olay ufkundan uzağa yükseldiğini gördüğü parçacıklar ve maksimum uzatılmış uzay zamanının iki ayrı iç bölgesi olduğu gibi, bazen iki farklı "evren" olarak adlandırılan iki ayrı dış bölge de vardır ve ikinci evren, iki iç bölgedeki bazı olası parçacık yörüngelerini tahmin etmemize izin verir. Bu, iç kara delik bölgesinin her iki evrenden düşen parçacıkların bir karışımını içerebileceği anlamına gelir ve böylece bir evrenden düşen bir gözlemci diğerinden düşen ışığı görebilir, aynı şekilde iç beyaz delik bölgesi her iki evrene de kaçabilir. Dört bölgenin tamamı Kruskal-Szekeres koordinatlarını kullanan bir uzay-zaman diyagramında görülebilir.

Bu uzay zamanında, sabit zamanlı bir hiper yüzeyde hepsi aynı zaman koordinatına sahip olan bir nokta kümesi, yüzeydeki her noktanın uzay benzeri bir ayrıma sahip olduğu bir nokta kümesi olacak şekilde koordinat sistemleri bulmak mümkündür. Bunlar, "uzay benzeri yüzey" olarak adlandırılır. O sırada uzayın eğriliğini gösteren bir "gömme diyagramı" çizilir, gömme diyagramı "Einstein-Rosen köprüsü" olarak bilinen iki dış bölgeyi birbirine bağlayan bir tüp gibi görünecektir. Schwarzschild metriği, dış gözlemcilerin perspektifinden sonsuza dek var olan idealleştirilmiş bir kara deliği tanımlar. Çöken bir yıldızdan belirli bir zamanda oluşan daha gerçekçi bir kara delik, farklı bir metrik sistem gerektirir. Düşen yıldız maddesi bir kara deliğin geçmişinin diyagramına eklendiğinde, diyagramın diğer evrene karşılık gelen kısmı ile birlikte beyaz delik iç bölgesine karşılık gelen diyagramın parçasını kaldırır.

Einstein-Rosen köprüsü, Ludwig Flamm tarafından 1916'da, Schwarzschild'in çözümünü yayınlamasından birkaç ay sonra 1935 yılında Einstein ve Nathan Rosen tarafından yeniden keşfedildi. Bununla birlikte, 1962'de John Archibald Wheeler ve Robert W. Fuller, bu tür bir solucan deliğinin, aynı evrenin iki parçasını birbirine bağlarsa kararsız olacağını ve bir dış bölgeden diğer dış bölgeye düşen ışık veya ışıktan daha yavaş bir parçacık için çok hızlı bir şekilde sıkışacağını gösteren bir makale yayınladılar.

Genel göreliliğe göre, yeterince kompakt bir kütlenin yerçekimsel çöküşü, tekil bir Schwarzschild kara deliği oluşturur. Einstein-Cartan-Sciama-Kibble yerçekimi teorisi, düzenli bir Einstein-Rosen köprüsü oluşturur. Bu teori, afin bağlantının simetrisinin bir kısıtlamasını kaldırarak ve onun antisimetrik kısmı olan burulma tensörünü dinamik bir değişken olarak dikkate alarak genel göreliliği genişletir. Burulma, doğal olarak maddenin kuantum mekaniği ve açısal momentumunu açıklar. Burulma ve Dirac spinörleri arasındaki minimum bağlantı, fermiyonik maddede son derece yüksek yoğunluklarda önemli olan itici bir spin-spin etkileşimi oluşturur. Böyle bir etkileşim, kütleçekimsel tekilliğin oluşumunu engeller. Bunun yerine, çökmekte olan madde muazzam fakat sınırlı bir yoğunluğa ulaşır ve köprünün diğer tarafını geri teper.

Schwarzschild solucan delikleri her iki yönde de geçilemez olsa da, bunların varlığı Kip Thorne'a Schwarzschild solucan deliğinin boğazını, egzotik maddeyle açık tutarak yaratılan, geçilebilir solucan deliklerini hayal etmesinde ilham kaynağı oldu.

Solucan deliklerinin iki uç noktası birbirinden farklı hareketlere sahip ve farklı kütleçekim alanları dahilinde ise, Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi devreye girer ve "tünelin" iki ucunun senkronizasyonunun bozulmasına neden olur.^[3] Senkronizasyonun bozulması sonucunda, solucan deliğinin iki ucu birbirinden farklı zamanlar içerisinde yer alır. Bu da zamanda yolculuğu mümkün kılabilen bir yapı oluşturur.^[4]

Gerekli koşulların sağlanmasıyla Stephen Hawking, Kip Thorne gibi birçok fizikçi yolculuk yapılabilen solucan delikleri yapısının oluşmasının mümkün kılınabileceğini savundu.

Genel görelilik ve kuantum mekaniği bağlamında bir solucan deliği oluşturacağı teorik olarak tahmin edilen bilinen tek doğal süreç, Leonard Susskind tarafından ER = EPR varsayımında ortaya konmuştur. Kuantum köpük hipotezi bazen Planck ölçeğinde küçük solucan deliklerinin kendiliğinden ortaya çıkıp kaybolabileceğini öne sürmek için kullanılır. Bu tür solucan deliklerinin kararlı versiyonları karanlık madde adayları olarak önerilmiştir.

Lorentzian Çapraz Geçişli Solucan Delikleri, evrenin bir bölümünden aynı evrenin başka bir bölümüne çok hızlı bir şekilde her iki yönde de seyahat etmeye izin verir veya bir evrenden diğerine seyahat etmeyi sağlar.^[5][6] Genel görelilikte geçilebilir solucan deliklerinin olasılığı ilk kez Homer Ellis tarafından 1973 tarihli bir makalede ve bağımsız olarak K. A. Bronnikov'un 1973 tarihli bir makalesinde gösterilmiştir.

Egzotik Madde istenilen şeklin verilebileceği bir kil hamuru gibidir. Solucan deliği oluşturabilir ve içerisinden geçebilirsiniz. Evrende boş uzayın enerjisi olarak tanımlanan Casimir etkisi haricinde egzotik madde bulunmamaktadır.

Casimir etkisinde iki iletken levha alıp bunları mutlak sıfırda birbirine çok yaklaştırırsınız.^[7] Levhaların arasındaki kuantum salınımlarının sayısı, levhaların dışındaki salınımlardan daha az olur. Bu fark, levhalar arası negatif basınç enerjisi oluşmasına sebep olur.^[8] Üretilen negatif enerji, levhaları birbirine doğru çeker ve bu çekim solucan deliği oluşmasını sağlar.^[9] Teoride Casimir etkisi sayesinde solucan deliği oluşturmak mümkündür.^[10]

Solucan delikleri, ışık hızının herhangi bir zamanda yerel olarak aşılmamasını sağlayarak, ışıktan daha hızlı seyahat edilmesini sağlayabilir.^[11] Solucan deliği içerisinden geçerek, deliğin diğer ucundaki uzay noktasına yolculuk yapmak; uzayın içinde doğrudan gidiş yolunu kullanan bir ışıktan daha hızlı şekilde istenilen noktaya ulaşılmasını sağlayabilir.

Solucan delikleri, uzay-zaman düzleminin kara delikler gibi büyük kütleli cisimlerce muazzam miktarda bükülmesi ile, uzayda bulunan ve seyahati çok uzun ışık yılı alacak mesafede iki ucunun, uzayın bükülerek bir araya gelmesi ile kestirme yol oluşturulan yapılardır. Sadece iki mekanı değil, iki zamanı da birbirine bağlayabilirler. Bir solucan deliği, uzay-zamanda bulunan bir anla daha önce gerçekleşmiş bir anı birbirine bağlayabilir. Bu şekilde teoriye göre zaman yolculuğu, solucan delikleri aracılığıyla mümkün kılınabilir.

Karadeliklerin en dip noktası kabul edilen yerde hacim sıfırdır ve yoğunluk ise; ${\displaystyle {\frac {m}{V}}}$ formülünden dolayı sonsuzdur ve bilim insanları hacmin "0" olmasından yola çıkarak karadeliğin dibinin inanılmaz güçlü bir vakum etkisi ile her şeyi yok ettiğini düşünürler; yani karadeliklerin dibinde zaman ve mekân parametreleri bildiğimiz ve kabul ettiğimiz sistemin oldukça dışındadır.

Bu da bizi şu soruya yöneltir: İki kara deliğin farklı boyutlarda bağlanması ile vakum etkisinden yararlanılarak bir uzay gemisi bir karadeliğin içine girip öbür karadelikten çok kısa bir zamanda dışarıya çıkarak başka bir alt uzaya seyahat edebilir mi?

Bu sorunun cevabı ise Günümüz teknolojisinde, bu kadar yüksek bir çekim gücüne karşı koyabilecek ve bu baskıya dayanabilecek düzeyde uzay araçları üretemediğimizden dolayı hayır.

Kara deliklerin (Blackhole) bilimsel olarak renginin neden kara (Black) oldukları konusundaki temel dayanak ise sahip oldukları inanılmaz kütle, yoğunluk ve çekim kuvvetinden dolayı ışığı bile bükebilecek ve içine çekebilecek güçte olmalarıdır. Bu yüzden hiçbir ışık kara deliklerin dışına çıkamaz, bu da onlardan bize herhangi bir ışığın ulaşamaması, dolayısıyla karanlık olması anlamına gelir.

Bildiğimiz en yüksek hızın ışık hızı (yaklaşık 1.079.252.850 km/saat) olduğunu da hesaba katarsak karadeliklerin bu kadar yüksek hızlarda gidebilen ışığı engelleyebilecek ve ondan daha hızlı bir şekilde başka bir yere doğru çekebilecek güçte olmaları Einstein-Rosen köprüsünün gerçekte var olabilme olasılığını muazzam ölçüde artırmaktadır ve zaten solucan deliğinin mantığının temelinde de aynı şekilde ışıktan daha yüksek bir hızda boyutlar arası transfer yatmaktadır. Bu teoriyi yıllar boyu öğrenmiş olduğumuz temel fiziğin ve onun bütün kurallarının tamamen dışarısına itmeyip bunu modern fiziklebağdaştırarak açıklayabilen Nathan Rosen ve Albert Einstein, gelecekte teknolojinin yardımıyla solucan delikleri yaratılıp uzayda istenilen noktaya şu anki teknolojiden çok daha hızlı bir şekilde ulaşılabileceğini ortaya sürmüştür. Modern fizik aksini kanıtlayamadığı için de bu teori günümüzde hâlâ geçerliliğini korumaktadır.

^ Burada geçen solucan İngilizce solucan anlamındaki "worm" kelimesinden gelmektedir. Fakat İngilizcede worm aynı zamanda elma kurdu gibi kurtçukları da içermektedir. Wormhole ismindeki worm aslında bir elma kurdunu temsil eder. Ayrıca karadelikler zaman mekanı bükmez delip geçebilir. Bu yüzden kütleçekim kuvveti çok fazladır. Karadelik özelliği kazanılması için solucan deliğinin boyun kısmının her yerinin uzunluğunun aynı olması gerekir. Yani zaman mekanıyla 90 derecelik açı yapması gerekir. Eğer öyle olmazsa maddeyi içine almaz eğiminin rasyonel olduğundan dolayı yer çekimiyle ezip yörüngeden fırlatır.

Ayrıca karadelik olması durumu sadece karadeliğin boyun kısmının genişliğinin her yerde aynı olması demektir. Boyun kısmının eğimi rasyonel bir sayı olursa karadelik gibi yüksek çekim kuvveti yaratmaz, sadece yerçekimiyle ezip (mekanik ufalama yapıp) yörüngeden fırlatır.Bazı bilim insanları solucan delikleri ile zamanda yolculuk yapılabileceğini^[12] düşünmektedir.