1905 yılında Albert Einstein fizik yasalarının tüm ivmelenmeyen (duran veya sabit hızla ilerleyen) gözlemciler için aynı olacağını ve ışığın boşluktaki hızının gözlemcinin hareketinden bağımsız olduğunu ortaya koydu. Bu özel görelilik kuramıydı. Fiziğin tümü için yepyeni bir çerçeve getirerek, yeni uzay ve zaman kavramları sundu.

Einstein bundan sonraki 10 yıl boyunca, kurama ivmelenmeyi de dahil edebilmek için uğraştı. 1915 yılında genel görelilik kuramını yayımladı. Bu kuramda, kütleli nesnelerin uzay-zamanda bir çarpıtma yaptığını ve bunun kütleçekim olarak algılandığını ortaya koydu.

Kütleçekimin Çekişi

İki nesne birbirleri üzerine “kütleçekim” olarak bilinen bir çekim kuvveti uygular. Isaac Newton üç hareket yasasını formüle ettiğinde, iki nesne arasındaki kütleçekimini niceliksel ifadesini yazmış oldu. İki cismi birbirine çeken kuvvet, cisimlerin kütlelerine ve birbirlerinden ne kadar uzak olduklarına bağlıydı. Dünya'nın merkezi sizi kendisine doğru çekerken (ve sizi yeryüzünde tutarken) bile, sizin kütle merkeziniz de Dünya'yı kendisine doğru çekiyordu. Kütlesi çok büyük olan Dünya, sizin uyguladığınız çekimi çok hafif hissederken, siz çok daha küçük kütleli olmanız nedeniyle Dünya'ya bağlı kalıyordunuz. Yine Newton'un yasaları, kütleçekimin cisimlerin kendi içlerinden kaynaklandığını ve belirli bir uzaklığa kadar etki edebildiğini varsayıyordu.

Albert Einstein özel görelilik kuramında, tüm ivmesiz gözlemciler için fizik yasalarının aynı olduğunu belirtmiş ve gözlemci hangi hızla ilerliyor olursa olsun ışık hızının boşluktaki değerinin hep aynı ölçüleceğini göstermişti. Sonuç olarak, uzay ile zamanın içiçe örülü olup, uzay-zaman olarak adlandırdığı tek bir süreklilik olduğunu anlamıştı. Bir gözlemci için aynı anda gerçekleşen iki olay, başka bir gözlemci için farklı zamanlarda gerçekleşmiş olarak algılanabilirdi.

Genel görelilik kuramı denklemleri üzerinde çalıştıkça, Einstein kütleli nesnelerin uzay-zamanda bir çarpıtmaya yol açtığının farkına vardı. Bir trambolinin tam ortasına büyük bir nesne bıraktığınızı düşünün. Nesne kumaşı aşağı iterek çukurluk oluşturur. Tramboline bir de bilye bırakırsanız, bilye büyük nesnenin oluşturduğu çukurun sınırını geçtiğinde, sarmallar çizerek nesneye doğru iner. Bu tıpkı bir gezegenin çekim alanına giren bir göktaşının durumuna benzer.

Deneysel Kanıt

Her ne kadar sahip olduğumuz aygıtlarla uzay-zamanı göremesek ve ölçemesek de, uzay-zamanın eğrilmesi dolayısıyla oluşması öngörülen çok sayıda görüngü doğrulanmıştır.

Kütleçekimsel Merceklenme: Kara delik gibi büyük kütleli bir nesnenin çevresinde ışık bükülür ve arkasında bulunan nesneler için bir mercek gibi davranır. Astronomlar büyük kütleli nesnelerin arkasındaki yıldızları ve galaksileri incelemek için bu yöntemi sürekli kullanmaktadır.

Pegasus Takımyıldızı'nda bulunan Einstein Haçı adlı kuasar, kütleçekimsel merceklenmeye mükemmel bir örnektir. Dünya'dan yaklaşık 8 milyar ışık yılı uzakta bulunan bu kuasar, 400 milyon ışık yılı uzaklıktaki bir gökadanın arkasında yer alır (bizim bakış açımıza göre). Gökadanın yoğun kütleçekimi kuasardan gelen ışığı büktüğü için gökada çevresinde bu kuasarın dört farklı görüntüsü oluşur.

Kütleçekimsel merceklenme bilimcilerin pek çok ilginç gözlemde bulunmasını sağlayabilir. Fakat yakın zamana kadar mercek çevresinde belirleyebildikleri oldukça durağandı. Örneğin mercek (bu olayda büyük kütleli bir gökada) yakınından geçen ışık, her biri farklı süreler alan farklı yollarda ilerlediğinden, bilimciler bir bakışta tek bir süpernovanın dört farklı zamandaki durumunu görebilmişlerdi.

Bir diğer ilginç gözlemleri ise NASA'nın Kepler teleskopunun saptadığı ölü bir yıldızdı. Beyaz cüce olarak bilinen bu yıldız, bir kırmızı devin yörüngesindeki ikili bir sistemdeydi. Beyaz cücenin kütlesi daha büyük olmasına rağmen, ikili sistem eşinden çok daha küçük yarıçaplı bir yörünge izliyordu.

“Bu teknik, neredeyse Los Angeles ile New York arası kadar bir mesafeden (yaklaşık 483 kilometre) bir ampül üzerindeki sineği seçebilmeye eşdeğer,” diyor Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden Avi Shporer.

Merkür'ün yörüngesindeki değişimler: Güneş'in büyük kütlesinin uzay-zamanda yarattığı kıvrımlardan ötürü Merkür'ün yörüngesi yavaş yavaş kaymaktadır. Birkaç milyar yıl sonra Dünya ile çarpışması bile olası.

Dönen cisimlerin yakınında uzay-zamanın çerçeve kaymasına uğraması: Dünya gibi ağır bir cismin kendi etrafındaki dönüşü, çevresindeki uzay-zamanı çarpıtır. 2004 yılında NASA tarafından Gravity Probe B (GP-B) adında bir araç tarafından bu etki doğrulanmıştır. GP-B ekibinden Francis Everitt şöyle diyor: “Dünya'yı balın içine batırdığınızı düşünün. Gezegen dönerken etrafındaki bal eğrilir; tıpkı uzay-zaman gibi. GP-B Einstein'ın evreninin en derin iki öngörüsünü doğruladı.”

Kütleçekimsel kırmızıya kayma: Bir nesnenin elektromanyetik ışıması bir kütleçekimsel alan içinde hafifçe esner. Bir ambulans sireninden yayılan ses dalgalarını düşünün. Araç gözlemciye yaklaşırken ses dalgaları sıkışır; uzaklaşırken ise esner yani kırmızıya kayar. Doppler Etkisi olarak bilinen bu olay tüm frekanslardaki ışık dalgalarında da oluşur. 1959 yılında Robert Pound ve Glen Rebka adlı iki fizikçi, radyoaktif demirin gama ışınlarını Harvard Üniversitesi'ndeki bir kuleye göndererek, kütleçekim nedeniyle normal frekanslarından birazcık daha azaldıklarını buldu.

Kütleçekimsel dalgalar: İki karadeliğin çarpışması gibi şiddetli olayların uzay-zamanda dalgalanma yaratabileceği düşünülüyor. Bu dalgalanmalara kütleçekimsel dalga adı veriliyor. LIGO gözlemevi halen bu kuramsal öngörüyü doğrulamak için çalışıyor.

2014 yılında bilimciler, Antartika'da bulunan BICEP2 teleskopunu kullanarak Büyük Patlama'dan artakalan kütleçekimsel dalgaları saptadıklarını duyurdular. Bu tür dalgaların kozmik arka alan ışınımı içine gömülü olduğu düşünülüyor. Ancak yapılan ileri araştırmalar, BICEP'den gelen verilerin geçersiz olduğunu ortaya koydu.

“Erken evrenden kalan bu benzersiz kaydı aramak hem zor hem de heyecan verici,” diyor Avrupa Uzay Ajansı'ndan Jan Tauber.