Kütleçekim

Kütleçekim ya da çekim kuvveti, kütleli her şeyin gezegenler, yıldızlar ve galaksiler de dahil olmak üzere birbirine doğru hareket ettiği (ya da birbirine doğru çekildiği) doğal bir fenomendir.  Enerji ve kütle eşdeğer olduğu için ışık da dahil olmak üzere her türlü enerji kütleçekime neden olur ve onun etkisi altındadır. ⓘ

Dünya'da, kütleçekim, fiziksel nesnelere ağırlık verir ve okyanus gelgitlerine neden olur. Evrendeki gaz halindeki maddenin çekimi, gaz halindeki maddeyi bir araya getirerek yıldızlar oluşturmaya ve yıldızların galaksilere birleştirilmesine, dolayısıyla kütleçekimin Evrendeki büyük ölçekli yapıların çoğundan sorumlu olmasına neden olmuştur. ⓘ

Kütleçekim, sonsuz bir aralıkta bulunurken, uzaktaki nesneler üzerindeki etkileri gittikçe daha zayıf hale gelmektedir. Kütleçekim, kütleçekimi bir kuvvet olarak değil, kütlenin / enerjinin düzensiz dağılımının yol açtığı uzay-zaman eğriliğinin bir sonucu olarak tanımlayan genel görelilik teorisi (1915'te Albert Einstein tarafından önerildi) tarafından açıklanmaktadır. ⓘ

Uzay zamanının bu eğriliğinin en uç örneği, hiçbir şeyin, ışığın bile, ufkuna girdikten sonra kara delikten kaçamamasıdır. Daha fazla kütleçekim çekim kuvveti zaman dilatasyonuyla sonuçlanır, burada zaman daha yavaş (daha güçlü) bir kütleçekim potansiyeline daha yavaş geçer. Bununla birlikte, çoğu uygulama için, kütleçekim, kütleçekimin neden olduğu varsayılan Newton'un evrensel çekim yasasıyla anlatılır. ⓘ

İki cisim kütlesinin çekim kuvvetinin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı olduğu ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olduğu matematiksel bir ilişkiye göre birbirlerine doğrudan çekilen bir kuvvet. Kütleçekim, doğanın dört temel etkileşiminin en zayıf yönüdür. Kütleçekim kuvveti,  güçlü kuvvetten yaklaşık 10³⁸, elektromanyetik kuvvetten 10³⁶ ve zayıf kuvvetten 10²⁹ kat daha zayıftır. ⓘ

Sonuç olarak, kütleçekim, atom altı parçacıkların davranışı üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir ve günlük maddenin iç özelliklerini belirleme konusunda rol oynamaz (ancak kuantum çekim kuvvetine bakınız). Öte yandan, kütleçekim, makroskopik ölçekte egemen etkileşimdir ve astronomik cisimlerin oluşum şekli ve yörüngesinin (yörünge) sebebidir. ⓘ

Kütleçekim dünya ve evren boyunca gözlemlenen çeşitli olaylardan sorumludur. Örneğin, Dünya ve diğer gezegenlerin Güneş'in yörüngesinde, Ay'ın Dünyanın Yörüngesinde olmasına gelgitlerin oluşumuna, Güneş Sisteminin oluşumuna ve evrimine, yıldızlara ve galaksilere neden olur. Planck döneminde (Evrenin doğumundan 10-43 saniye sonrasına kadar) geliştirilen, muhtemelen kuantum kütleçekim, süper gravite veya kütleçekim tekilliği biçimindeki evrende kütleçekimin en eski örneği, muhtemelen bir sahte vakum, kuantum vakumu veya sanal parçacık gibi ilkel bir durumdan bilinmeyen bir biçimde meydana gelmiştir. Bu nedenle, kısmen her şeyin teorisinin araştırılması, genel görelilik teorisinin ve kuantum mekaniğinin (veya kuantum alan teorisinin) kuantum kütleçekime birleştirilmesi bir araştırma alanı haline gelmiştir. ⓘ

Kütleyi bir yıldızdan uzaklaştırıp kara deliğe çeken yerçekimine ilişkin sanatçı tasavvuru ⓘ

Dünya'da yerçekimi fiziksel nesnelere ağırlık verir ve Ay'ın yerçekimi okyanuslarda gelgitlere neden olur. Yerçekiminin birçok önemli biyolojik işlevi de vardır; yerçekimsiz ortamda bitkilerin büyümesine yardımcı olur ve çok hücreli organizmalarda sıvıların dolaşımını etkiler. Ağırlıksız ortamın etkilerinin araştırılması, yerçekiminin bağışıklık sistemi işlevinde ve insan vücudundaki hücre farklılaşmasında rol oynayabileceğini göstermiştir. ⓘ

Tarih

Antik dünya

Yerçekiminin doğası ve mekanizması çok çeşitli antik bilginler tarafından araştırılmıştır. Yunanistan'da Aristoteles, Dünya'nın Evren'in merkezi olması ve Evren'deki tüm kütleyi kendisine doğru çekmesi nedeniyle cisimlerin Dünya'ya doğru düştüğüne inanıyordu. Ayrıca düşen bir nesnenin hızının ağırlığıyla birlikte artması gerektiğini düşünüyordu ki bu sonucun daha sonra yanlış olduğu gösterilmiştir. Aristoteles'in görüşü Antik Yunan'da yaygın olarak kabul görürken, Plutarkhos gibi yerçekiminin Dünya'ya özgü olmadığını doğru bir şekilde tahmin eden başka düşünürler de vardı. ⓘ

Her ne kadar yerçekimini bir kuvvet olarak anlamamış olsa da, Antik Yunan filozofu Arşimet bir üçgenin ağırlık merkezini keşfetmiştir. Ayrıca, iki eşit ağırlığın aynı ağırlık merkezine sahip olmaması durumunda, iki ağırlığın birlikte ağırlık merkezinin, ağırlık merkezlerini birleştiren doğrunun ortasında olacağını öne sürdü. ⓘ

Hindistan'da matematikçi-astronom Aryabhata yerçekimini ilk kez, cisimlerin neden gezegenin dönüşünün merkezkaç kuvveti tarafından Dünya'dan uzaklaştırılmadığını açıklamak için tanımladı. Daha sonra, MS yedinci yüzyılda Brahmagupta yerçekiminin nesneleri Dünya'ya çeken çekici bir kuvvet olduğu fikrini öne sürmüş ve bunu tanımlamak için gurutvākarṣaṇ terimini kullanmıştır. ⓘ

Antik Orta Doğu'da yerçekimi şiddetli bir tartışma konusuydu. İranlı entelektüel El-Biruni yerçekimi kuvvetinin Dünya'ya özgü olmadığına inanıyordu ve doğru bir şekilde diğer gök cisimlerinin de yerçekimsel bir çekim uygulaması gerektiğini varsayıyordu. Buna karşılık El-Hazini, Aristoteles ile aynı görüşü savunarak evrendeki tüm maddelerin Dünya'nın merkezine doğru çekildiğini ileri sürmüştür. ⓘ

Galileo'nun düşen cisimlerin hızıyla ilgili en ünlü deneylerinden birini gerçekleştirdiği Pisa Kulesi ⓘ

Bilimsel devrim

16. yüzyılın ortalarında, çeşitli Avrupalı bilim insanları Aristoteles'in daha ağır cisimlerin daha hızlı düştüğü fikrini deneysel olarak çürüttüler. Özellikle İspanyol Dominiken rahip Domingo de Soto 1551 yılında serbest düşüş halindeki cisimlerin eşit şekilde hızlandığını yazmıştır. De Soto, İtalya'daki diğer Dominiken rahipler Benedetto Varchi, Francesco Beato, Luca Ghini ve Giovan Bellaso tarafından yapılan ve Aristoteles'in cisimlerin düşüşüne ilişkin öğretileriyle çelişen daha önceki deneylerden etkilenmiş olabilir. 16. yüzyılın ortalarında İtalyan fizikçi Giambattista Benedetti, özgül ağırlık nedeniyle aynı malzemeden yapılmış ancak farklı kütlelere sahip cisimlerin aynı hızda düşeceğini iddia eden makaleler yayınladı. Flaman fizikçi Simon Stevin, 1586 Delft kulesi deneyi ile farklı boyut ve ağırlıktaki iki güllenin bir kuleden bırakıldığında aynı hızda düştüğünü gözlemledi. Son olarak, 16. yüzyılın sonlarında Galileo Galilei, farklı ağırlıktaki topların aynı hızda düşeceğini bir kez daha göstermek için ünlü Pisa Kulesi deneyini gerçekleştirdi. Bu bilgiyi eğimli yollardan yuvarlanan topların dikkatli ölçümleriyle birleştiren Galileo, yerçekimi ivmesinin tüm nesneler için aynı olduğunu kesin olarak ortaya koymuştur. Galileo, düşük yoğunluklu ve yüksek yüzey alanına sahip nesnelerin atmosferde daha yavaş düşmesinin nedeninin hava direnci olduğunu öne sürdü. ⓘ

1604 yılında Galileo, düşen bir nesnenin mesafesinin geçen zamanın karesiyle orantılı olduğunu doğru bir şekilde varsaydı. Bu daha sonra İtalyan bilim adamları Cizvit Grimaldi ve Riccioli tarafından 1640-1650 yılları arasında doğrulandı. Ayrıca bir sarkacın salınımlarını ölçerek Dünya'nın yerçekiminin büyüklüğünü hesapladılar. ⓘ

Kütleçekim kuramıyla ilgili modern çalışmalar, Galileo Galilei'nin 16. yüzyılın sonu ve 17. yüzyıl başlarındaki çalışmaları ile başladı. Galileo, Pisa Kulesi'nden topları atan meşhur (muhtemelen apokrif deneyinde) eğilimleri düşen eğik top ölçümleri ile, kütleçekim ivmesinin tüm nesneler için aynı olduğunu gösterdi. ⓘ

Bu, Aristo'nun daha ağır nesnelerin daha yüksek bir kütleçekim ivmesi olduğuna olan inancından ciddi bir sapmaydı. Galileo, bir atmosferde daha az kütleye sahip nesnelerin daha yavaş düşebileceği için hava direnci olduğunu öne sürdü. Galileo'nun çalışmaları Newton'un kütleçekim kuramının formülasyonu için gerekli altyapıyı hazırladı. ⓘ

Newton'un yerçekimi teorisi

İngiliz fizikçi ve matematikçi, Sir Isaac Newton (1642-1727) ⓘ

Newton 1684'te Edmond Halley'e De motu corporum in gyrum ('Cisimlerin yörüngedeki hareketi üzerine') başlıklı, Kepler'in gezegensel hareket yasalarına fiziksel bir gerekçe sağlayan bir el yazması gönderdi. Halley bu taslaktan çok etkilenmiş ve Newton'u bu taslağı genişletmeye teşvik etmiştir. Birkaç yıl sonra Newton Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri) adlı çığır açan bir kitap yayınlamıştır. Bu kitapta Newton kütle çekimini evrensel bir kuvvet olarak tanımladı ve "gezegenleri kürelerinde tutan kuvvetlerin, etrafında döndükleri merkezlere olan uzaklıklarının kareleri kadar karşılıklı olması gerektiğini" iddia etti. Bu ifade daha sonra aşağıdaki ters-kare yasasına dönüştürülmüştür:

$$F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},$$

Burada F kuvvet, m₁ ve m₂ etkileşim halindeki cisimlerin kütleleri, r kütlelerin merkezleri arasındaki mesafe ve G yerçekimi sabitidir. ⓘ

Newton'un Principia'sı bilim camiasında büyük yankı uyandırmış ve yerçekimi yasası Avrupa dünyasında hızla yayılmıştır. Bir yüzyıldan fazla bir süre sonra, 1821'de, yerçekimi teorisi Neptün'ün varlığını tahmin etmek için kullanıldığında daha da büyük bir önem kazandı. Aynı yıl, Fransız astronom Alexis Bouvard bu teoriyi Uranüs'ün yörüngesini modelleyen bir tablo oluşturmak için kullandı ve bu tablonun gezegenin gerçek yörüngesinden önemli ölçüde farklı olduğu görüldü. Bu tutarsızlığı açıklamak için birçok gökbilimci Uranüs'ün yörüngesinin ötesinde yörüngesini bozan büyük bir cisim olabileceğini düşündü. 1846'da John Couch Adams ve Urbain Le Verrier adlı astronomlar Newton yasalarını kullanarak Neptün'ün gece gökyüzündeki yerini tahmin ettiler ve gezegen bir gün içinde keşfedildi. ⓘ

Genel görelilik

Sonunda astronomlar Merkür gezegeninin yörüngesinde Newton'un teorisiyle açıklanamayan bir dış merkezlilik fark ettiler: yörüngenin perihelion'u her yüzyılda yaklaşık 42.98 arksaniye artıyordu. Bu tutarsızlığın en belirgin açıklaması henüz keşfedilmemiş bir gök cismiydi (Güneş'in etrafında Merkür'den bile daha yakın dönen bir gezegen gibi), ancak böyle bir cismi bulmak için gösterilen tüm çabalar sonuçsuz kaldı. Nihayet 1915 yılında Albert Einstein, Merkür'ün yörüngesini doğru bir şekilde modelleyebilen bir genel görelilik teorisi geliştirdi. ⓘ

Genel görelilikte kütle çekiminin etkileri bir kuvvet yerine uzay-zaman eğriliğine atfedilir. Einstein bu fikirle, daha sonra "hayatımın en mutlu düşüncesi" olarak tanımlayacağı bir keşif olan eşdeğerlik ilkesi şeklinde oynamaya başladı. Bu teoride, serbest düşme eylemsiz harekete eşdeğer olarak kabul edilir, yani serbest düşen eylemsiz nesneler yerdeki eylemsiz gözlemcilere göre ivmelenir. Newton fiziğinin aksine Einstein, bu ivmenin nesneye herhangi bir kuvvet uygulanmadan gerçekleşmesinin mümkün olduğuna inanıyordu. ⓘ

Einstein uzayzamanın madde tarafından büküldüğünü ve serbest düşen nesnelerin bükülmüş uzayzamanda yerel olarak düz yollar boyunca hareket ettiğini öne sürmüştür. Bu düz yollara jeodezik denir. Newton'un birinci hareket yasasında olduğu gibi, Einstein da bir nesneye uygulanan kuvvetin onun jeodezikten sapmasına neden olacağına inanıyordu. Örneğin, Dünya'nın yüzeyinde duran insanların jeodezik bir yol izlemesi engellenir çünkü Dünya'nın mekanik direnci onlara yukarı doğru bir kuvvet uygular. Bu, uzayzamanda jeodezikler boyunca hareket etmenin neden eylemsizlik olarak kabul edildiğini açıklar. ⓘ

Einstein'ın yerçekimi tanımı, daha önce şaşırtıcı olan çok çeşitli deneysel sonuçları açıklayabildiği için fizikçilerin çoğunluğu tarafından hızla kabul edildi. İlerleyen yıllarda, çok çeşitli deneyler genel görelilik fikrine ek destek sağladı. Günümüzde Einstein'ın görelilik teorisi, Newton'un ters-kare yasası yararlı ve oldukça doğru bir yaklaşım olmaya devam etse de, mutlak hassasiyetin istendiği tüm yerçekimi hesaplamaları için kullanılmaktadır. ⓘ

Modern araştırmalar

Modern fizikte genel görelilik, yerçekiminin anlaşılması için çerçeve olmaya devam etmektedir. Fizikçiler genel göreliliğin temelini oluşturan Einstein alan denklemlerine çözüm bulmak için çalışmaya devam ederken, bazı bilim insanları genel göreliliğin belirli senaryolarda hiç uygulanamayabileceğini düşünmektedir. ⓘ

Einstein alan denklemleri

Einstein alan denklemleri, maddenin uzay-zamanın eğriliğini nasıl etkilediğini açıklayan 10 kısmi diferansiyel denklemden oluşan bir sistemdir. Sistem genellikle aşağıdaki basitleştirilmiş biçimde ifade edilir: $G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\frac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu },$ ⓘ

Burada G_μν Einstein tensörü, g_μν metrik tensör, T_μν stres-enerji tensörü, Λ kozmolojik sabittir, $G$ Newton'un yerçekimi sabiti ve $c$ ışık hızıdır. Terim ${\frac {8\pi G}{c^{4}}}$ bazen Einstein yerçekimi sabiti olarak da adlandırılır $\kappa$. ⓘ

Küresel, yüksüz ve dönmeyen kütleli bir nesnenin etrafındaki uzayzamanı tanımlayan Schwarzchild metriğinin bir gösterimi ⓘ

Önemli bir araştırma alanı, Einstein alan denklemlerinin kesin çözümlerinin keşfedilmesidir. Bu denklemleri çözmek, belirli fiziksel koşullar altında metrik tensör (uzayzamanın eğriliğini ve geometrisini tanımlayan) için kesin bir değer hesaplamak anlamına gelir. Bu tür çözümleri neyin oluşturduğuna dair resmi bir tanım yoktur, ancak çoğu bilim insanı bunların temel fonksiyonlar veya doğrusal diferansiyel denklemler kullanılarak ifade edilebilir olması gerektiği konusunda hemfikirdir. Denklemlerin en dikkate değer çözümlerinden bazıları şunlardır:

• Schwarzschild çözümü, küresel olarak simetrik, dönmeyen, yüksüz, kütleli bir nesneyi çevreleyen uzay-zamanı tanımlar. Yeterince kompakt nesneler için bu çözüm, merkezi bir tekilliğe sahip bir kara delik oluşturmuştur. Merkezi kütleden uzak noktalarda, Schwarzschild çözümü tarafından öngörülen ivmeler, Newton'un yerçekimi teorisi tarafından öngörülenlerle hemen hemen aynıdır.
• Reissner-Nordström çözümü, dönmeyen küresel simetrik bir nesneyi yük ile analiz eder ve 1916 ile 1921 yılları arasında birkaç farklı araştırmacı tarafından bağımsız olarak keşfedilmiştir. Bazı durumlarda bu çözüm, çift olay ufku olan kara deliklerin varlığını öngörebilir.
• Schwarzchild çözümünü dönen kütleli nesneler için genelleştiren Kerr çözümü. Dönmenin etkilerini Einstein'ın alan denklemlerine dahil etmenin zorluğu nedeniyle, bu çözüm 1963 yılına kadar keşfedilmemiştir.
• Yüklü, dönen kütleli nesneler için Kerr-Newman çözümü. Bu çözüm, Kerr çözümü için kullanılan aynı karmaşık koordinat dönüşümü tekniği kullanılarak 1964 yılında türetilmiştir.
• Kozmolojik Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker çözümü, 1922 yılında Alexander Friedmann tarafından keşfedilmiş ve daha sonra 1927 yılında Georges Lemaître tarafından doğrulanmıştır. Bu çözüm, yedi yıl sonra Edwin Hubble tarafından yapılan bir dizi ölçümün ardından doğrulanan Evren'in genişlemesini tahmin etmek için devrim niteliğindeydi. Hatta genel göreliliğin durağan bir evrenle bağdaşmadığını gösterdi ve Einstein daha sonra alan denklemlerini genişlemeyen bir evreni hesaba katacak şekilde tasarlamakla hata ettiğini kabul etti. ⓘ

Günümüzde Einstein alan denklemlerinin çözülemediği pek çok önemli durum vardır. Bunların başında, karşılıklı etkileşim halindeki iki büyük kütleli cismin (Güneş ve Dünya ya da ikili bir yıldız sistemindeki iki yıldız gibi) etrafındaki uzayzamanın geometrisiyle ilgili olan iki cisim problemi gelmektedir. Üç ya da daha fazla kütleli cismin etkileşimleri ("n-cisim problemi") göz önünde bulundurulduğunda durum daha da karmaşıklaşır ve bazı bilim insanları Einstein alan denklemlerinin bu bağlamda asla çözülemeyeceğinden şüphelenir. Bununla birlikte, post-Newtonian genişleme tekniğini kullanarak n-cisim probleminde alan denklemlerine yaklaşık bir çözüm oluşturmak hala mümkündür. Genel olarak, Einstein'ın alan denklemlerinin aşırı doğrusal olmayışı, en özel durumlar hariç hepsinde bunları çözmeyi zorlaştırır. ⓘ

Kütleçekimi ve kuantum mekaniği

Büyük ölçeklerde yerçekiminin etkilerini tahmin etmedeki başarısına rağmen, genel görelilik nihayetinde kuantum mekaniğiyle uyumsuz olan klasik bir teoridir. Çoğu durumda bu önemli değildir, çünkü yerçekimi genellikle yalnızca büyük ölçeklerde, kuantum fiziği ise yalnızca çok küçük ölçeklerde geçerlidir. Bununla birlikte, bir kara deliğin tekilliği (aşırı büyük miktarda kütlenin küçük bir alana sıkıştırıldığı) gibi ortamları anlamak için, birçok fizikçi hem yerçekimini hem de kuantum mekaniğini daha genel bir çerçeve altında birleştirebilecek bir teori aramaya başlamıştır. ⓘ

Bu yollardan biri, kütleçekimini, diğer temel etkileşimleri doğru bir şekilde tanımlamakta başarılı olan kuantum alan teorisi çerçevesinde tanımlamaktır. Elektromanyetik kuvvet sanal fotonların değiş tokuşundan doğar, kütleçekiminin QFT açıklaması ise sanal gravitonların değiş tokuşudur. Bu açıklama klasik limitte genel göreliliği yeniden üretir. Ancak bu yaklaşım, daha eksiksiz bir kuantum yerçekimi teorisinin (ya da kuantum mekaniğine yeni bir yaklaşımın) gerekli olduğu Planck uzunluğu mertebesindeki kısa mesafelerde başarısız olmaktadır. ⓘ

Genel görelilik testleri

Genel göreliliğin öngörülerini test etmek tarihsel olarak zor olmuştur, çünkü bunlar küçük enerjiler ve kütleler için Newton yerçekiminin öngörüleriyle neredeyse aynıdır. Yine de, geliştirilmesinden bu yana devam eden bir dizi deneysel sonuç teoriye destek sağlamıştır:

1919 yılındaki tam güneş tutulması, genel göreliliğin öngörülerini test etmek için ilk fırsatlardan birini sağlamıştır ⓘ

• 1919 yılında İngiliz astrofizikçi Arthur Eddington, o yılki güneş tutulması sırasında ışığın öngörülen yerçekimsel merceklenmesini doğrulamayı başardı. Eddington, genel göreliliğin tahminlerine uygun olarak, Newton'un korpusküler teorisinin öngördüğünün iki katı yıldız ışığı sapması ölçtü. Eddington'ın analizi daha sonra tartışılsa da, bu deney Einstein'ı neredeyse bir gecede ünlü yaptı ve genel göreliliğin bilim camiasında geniş kabul görmesine neden oldu.
• 1959 yılında Amerikalı fizikçiler Robert Pound ve Glen Rebka, yerçekimsel zaman genişlemesi tahminini doğrulamak için gama ışınlarını kullandıkları bir deney gerçekleştirdiler. Işınları 74 metrelik bir kuleden aşağı göndererek ve alt kısımdaki frekanslarını ölçerek, bilim insanları ışığın bir yerçekimi kaynağına doğru hareket ederken kırmızıya kaydığını doğruladılar. Gözlenen kırmızıya kayma, yerçekimsel bir alanın varlığında zamanın daha yavaş aktığı fikrini de destekledi.
• Büyük bir nesnenin yakınından geçen ışığın zaman gecikmesi ilk olarak 1964 yılında Irwin I. Shapiro tarafından gezegenler arası uzay aracı sinyallerinde tespit edilmiştir.
• 1971 yılında bilim insanları Cygnus galaksisinde ilk kez bir kara delik keşfettiler. Kara delik, daha küçük bir yıldızı tüketirken x-ışınları patlamaları yaydığı için tespit edildi ve Cygnus X-1 olarak bilinmeye başlandı. Bu keşif genel göreliliğin bir başka öngörüsünü daha doğruladı, çünkü Einstein'ın denklemleri ışığın yeterince büyük ve kompakt bir nesneden kaçamayacağını ima ediyordu.
• Genel görelilik, kütleçekiminin ışık ve madde üzerinde eşit derecede etkili olduğunu, yani yeterince büyük bir nesnenin etrafındaki ışığı bükebileceğini ve kütleçekimsel bir mercek oluşturabileceğini belirtir. Bu olgu ilk kez 1979 yılında, Hubble teleskobu YGKOW G1 galaksisi etrafında ışığı bükülmüş olan aynı kuasarın iki ayna görüntüsünü gördüğünde gözlemlenmiştir.
• Dönen büyük kütleli bir nesnenin etrafındaki uzayzamanı bükmesi gerektiği fikri olan çerçeve sürükleme, 2011 yılında Gravity Probe B sonuçları ile doğrulanmıştır.
• 2015 yılında LIGO gözlemevi, varlığı genel görelilik tarafından öngörülen zayıf kütleçekim dalgaları tespit etti. Bilim insanları dalgaların 1,5 milyar ışık yılı uzaklıkta meydana gelen bir kara delik birleşmesinden kaynaklandığına inanmaktadır. ⓘ

Özellikler

Dünya'nın yerçekimi

Yerçekimi altında serbestçe düşmesine izin verilen başlangıçta sabit duran bir nesne, geçen sürenin karesiyle orantılı bir mesafeye düşer. Bu görüntü yarım saniyeyi kapsamaktadır ve saniyede 20 flaşla çekilmiştir. ⓘ

Her gezegensel cisim (Dünya dahil), Newton fiziği ile tüm cisimler üzerinde çekici bir kuvvet uyguladığı şeklinde kavramsallaştırılabilecek kendi yerçekimi alanı ile çevrilidir. Küresel olarak simetrik bir gezegen varsayıldığında, yüzeyin üzerindeki herhangi bir noktada bu alanın gücü gezegenin kütlesiyle orantılıdır ve cismin merkezinden uzaklığının karesiyle ters orantılıdır. ⓘ

Eğer Dünya'nın kütlesiyle karşılaştırılabilir kütleye sahip bir cisim Dünya'ya doğru düşecek olursa, Dünya'nın buna karşılık gelen ivmesi gözlemlenebilir olacaktır. ⓘ

Yerçekimi alanının gücü, etkisi altındaki cisimlerin ivmesine sayısal olarak eşittir. Dünya yüzeyine yakın düşen cisimlerin hızlanma oranı, enleme, dağlar ve sırtlar gibi yüzey özelliklerine ve belki de alışılmadık derecede yüksek veya düşük yüzey altı yoğunluklarına bağlı olarak çok az değişiklik gösterir. Ağırlık ve ölçülerin amaçları doğrultusunda, Uluslararası Birimler Sistemi (SI) kapsamında Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu tarafından standart bir yerçekimi değeri tanımlanmıştır. ⓘ

Dünya üzerindeki yerçekimi kuvveti iki kuvvetin toplamıdır (vektörel toplam): (a) Newton'un evrensel çekim yasasına uygun olarak yerçekimsel çekim ve (b) dünyaya bağlı, dönen bir referans çerçevesi seçiminden kaynaklanan merkezkaç kuvveti. Yerçekimi kuvveti, Dünya'nın dönüşünden kaynaklanan merkezkaç kuvveti ve ekvator üzerindeki noktaların Dünya'nın merkezinden en uzakta olması nedeniyle ekvatorda en zayıftır. Yerçekimi kuvveti enleme göre değişir ve Ekvator'da yaklaşık 9,780 m/s²'den kutuplarda yaklaşık 9,832 m/s²'ye yükselir. Kanada'nın Hudson Körfezi, Dünya üzerindeki herhangi bir yerden daha az yerçekimine sahiptir. ⓘ

Köken

Yerçekimi içerisinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisini oluşturan yıldızlara etki eder. ⓘ

Newton’un kütleçekim kanunlarının uygulanması, Güneş Sistemi’ndeki gezegenler, Güneş’in kütlesi, kuvasarların detayları ve hatta karanlık maddenin varlığı hakkında bile bugün sahip olduğumuz detaylı bilginin çoğunun kaynağını oluşturmaktadır. Her ne kadar ne bütün gezegenlere ne de Güneş’e yolculuk etmemiş olsak da, bunların kütlelerini biliyoruz. Bu kütleler, kütleçekim kanunlarının yörüngenin ölçülen karakteristiklerine uygulanması yolu ile elde edilmektedirler. Uzayda bir cisim, ona etki eden kütleçekim nedeniyle yörüngesini muhafaza eder. Gezegenler, yıldızların yörüngesinde dolanır, yıldızlar ise galaktik merkezlerin çevresinde dolanırlar. Galaksiler, yığınların ortasındaki ağırlık merkezinin çevresinde dolanırlar ve yığınlar da süper yığınların yörüngesindedirler. Bir cisim üzerine diğer bir cisim tarafından etki eden kütleçekim kuvveti, bu cisimlerin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. ⓘ

Muhtemelen kuantum çekimi, süper çekim veya kütleçekimsel tekillik şeklindeki en erken kütleçekim, uzay ve zaman ile birlikte, Evren’in başlangıcını takip eden 10-43 saniyelik bir süre olan Planck evresinde ortaya çıkmıştır. Daha öncesinde ise Evren’in sahte vakum, kuantum vakumu veya sanal parçacık gibi daha ilkel bir düzeyde olduğu düşünülmekte fakat Planck evresine nasıl geçiş yaptığı bilinmemektedir. ⓘ

Kütleçekimsel radyasyon

Genel göreliliğe göre, kütleçekim radyasyonu, uzay-zamanın osilasyonu gösterdiği yerlerde ortaya çıkar. Bu, birbirinin çevresinde yörüngeye girmiş cisimlerde görülür. Güneş sistemi tarafında yayılan kütleçekimsel radyasyon ölçülemeyecek kadar küçüktür. Ancak, ikili pulsar sistemlerde zaman içerisinde oluşan enerji kaybı olarak kütleçekim radyasyonunun dolaylı gözlemi yapılabilmiştir. PSR B1913+16 bu tip pulsarlara bir örnektir. Nötron yıldızı birleşmelerinde ve kara delik oluşumlarının da tespit edilebilir büyüklükte kütleçekim radyasyonu oluşturabileceği düşünülmektedir. Lazer İnterferometre Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi (LIGO) gibi kütleçekimsel radyasyon gözlem evleri, bu problem üzerinde çalışmak üzere inşa edilmişlerdir. 2016 yılının Şubat ayında, Gelişmiş LIGO takımı kara deliklerin çarpışmasından doğan kütleçekimsel dalgaları keşfettiklerini açıkladılar. 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO, dünyadan 1.3 milyar ışık yılı uzaklıktaki iki kara deliğin çarpışmasından doğan kütleçekim dalgalarını ilk kez kayıt etti. Bu gözlemler, Einstein ve diğerlerinin, bu tip dalgaların var olduğuna ilişkin teorik tahminlerini teyit etmiştir. Olay aynı zamanda ikili kara delik sistemlerinin varlığını da göstermiş ve kütleçekimin doğasının, Büyük Patlama ve sonrası dahil evrendeki olayların anlaşılmasına yönelik olarak pratik gözlemlerin de önünü açmıştır. ⓘ

Yerçekimsel dalgaların ilk kez Eylül 2015'te gözlemlendiği LIGO Hanford Gözlemevi Washington, Amerika Birleşik Devletleri'nde yer almaktadır. ⓘ

Yerçekiminin hızı

Aralık 2012'de Çin'deki bir araştırma ekibi, yerçekimi hızının ışık hızına eşit olduğunu kanıtlar gibi görünen dolunay ve yeni ay sırasında Dünya gelgitlerinin faz gecikmesi ölçümlerini ürettiğini duyurdu. Bu da Güneş'in aniden ortadan kaybolması halinde Dünya'nın boş noktanın etrafında 8 dakika boyunca normal bir şekilde dönmeye devam edeceği anlamına geliyor ki bu da ışığın bu mesafeyi kat etmek için harcadığı süreye denk geliyor. Ekibin bulguları Şubat 2013'te Çin Bilim Bülteni'nde yayımlandı. ⓘ

Ekim 2017'de LIGO ve Virgo dedektörleri, gama ışını uyduları ve optik teleskoplar aynı yönden gelen sinyalleri gördükten sonra 2 saniye içinde yerçekimsel dalga sinyalleri aldı. Bu, kütleçekim dalgalarının hızının ışık hızıyla aynı olduğunu doğruladı. ⓘ

Anormallikler ve Çelişkiler

Mevcut teori ile açıklanamayan bazı gözlemler de bulunmaktadır. Bu gözlemlerin varlığı, daha iyi kütleçekim teorilerinin yapılması gerektiğine işaret ediyor olabilir veya bilim insanlarını farklı açıklama yollarına sevk edebilir. ⓘ

Tipik bir spiral galaksinin döngüsel eğrisi yukarıdaki grafikte gösterilmektedir: (A) Öngörülen ve (B) gözlemlenen. Eğriler arasındaki farkın nedeninin karanlık madde olduğu düşünülmektedir. ⓘ

• Ekstra-hızlı yıldızlar: Galaksilerdeki yıldızların belirli bir hız dağılımları vardır. Dış kısımlarda bulunan yıldızlar, normal maddenin gözlemlenen hız dağılımına göre olması gerekenden daha hızlı hareket ederler. Galaksi kümeleri içerisindeki galaksilerde de benzer bir durum gözlemlenmektedir. Yerçekimi ile etkileşime girmesi beklenen ve elektromanyetik olarak etkileşimsiz olduğu tahmin edilen karanlık madde bu farkın nedeni olabilir. Newton dinamiğine yapılacak çok sayıda modifikasyonlar da çözüm önerisi olarak sunulmuştur.
• Yakınından geçme anomalisi: Yerçekimsel destek manevraları sırasında birçok uzay aracı beklenenden daha fazla ivmelenme yaşamıştır.
• Hızlanan genişleme: Uzayın metrik genişlemesi hızlanıyor gibi görünmektedir. Bunu açıklamak üzere karanlık enerji kavramı ortaya atılmıştır. Yakın zamanda ortaya atılan bir diğer teori ise, galaksi kümeleri nedeniyle, uzayın geometrisinin homojen olmayabileceği şeklindedir. Teoriye göre, veriler bu gerçekler ışığında yeniden incelenirse, genişlemenin hızlanmadığı sonucuna bile varılabilir. Bu teori yapılan çalışmalar neticesinde çürütülmüştür.
• Astronomik sabitin anormal bir biçimde yükselmesi: Yakın zamanda yapılan ölçümler gezegen yörüngelerinin sadece Güneşin enerji yayarak kütle kaybetmesine bağlı olarak olması gerekenden çok daha yüksek hızda genişlediğini göstermektedir.
• Ekstra enerjili fotonlar: Galaksi kümelerinden geçen fotonların bu kümelere girişleri sırasında enerji kazanmaları, çıkarken de bu enerjiyi geri vermeleri beklenmektedir. Evrenin hızlanan genişlemesi nedeniyle, bu fotonların kazandıkları enerjinin tümünü geri vermemeleri beklenebilir. Fakat bu dikkate alındığında dahi, kozmik mikro dalga arka plan radyasyonuna ait fotonların beklenenden iki kat fazla enerji kazandıkları görülmektedir. Bu durum, belirli uzaklıklar söz konusu olduğunda kütleçekimin mesafenin karesinden daha hızlı bir biçimde azaldığı anlamına gelebilir.
• Ekstra kütleli hidrojen bulutları: Lyman-alfa ormanını spektral çizgileri belirli ölçeklerdeki hidrojen bulutlarının beklenenden daha fazla bir biçimde birbirlerinin içine kümelenmiş olduğunu göstermektedir. Siyah akışa’a benzeyen bu durum, belirli mesafe ölçeklerinde kütleçekimin mesafenin karesinden daha yavaş bir biçimde sönümlendiği anlamına gelebilir.
• Güç: Önerilen ekstra boyutlar kütleçekim kuvvetinin neden bu kadar zayıf olduğunu açıklayabilmektedir. ⓘ

Alternatif teoriler

Tarihsel alternatif teoriler

• Aristotelesçi yerçekimi teorisi
• Le Sage'nin yerçekimi teorisi (1784) LeSage yerçekimi olarak da adlandırılır, ancak orijinal olarak Fatio tarafından önerilmiş ve Georges-Louis Le Sage tarafından daha da detaylandırılmıştır, hafif bir gazın tüm Evreni doldurduğu akışkan temelli bir açıklamaya dayanır.
• Ritz'in yerçekimi teorisi, Ann. Chem. Phys. 13, 145, (1908) s. 267-271, Weber-Gauss elektrodinamiğinin kütle çekimine uygulanması. Perihelia'nın klasik ilerlemesi.
• Nordström'ün kütle çekim teorisi (1912, 1913), genel göreliliğin erken bir rakibi.
• Kaluza Klein teorisi (1921)
• Whitehead'in kütle çekim teorisi (1922), genel göreliliğin bir başka erken rakibi. ⓘ

Modern alternatif teoriler

• Brans-Dicke yerçekimi teorisi (1961)
• İndüklenmiş kütleçekimi (1967), Andrei Sakharov tarafından genel göreliliğin maddenin kuantum alan teorilerinden kaynaklanabileceğine dair bir öneri
• Sicim teorisi (1960'ların sonu)
• ƒ(R) yerçekimi (1970)
• Horndeski teorisi (1974)
• Supergravity (1976)
• Mordehai Milgrom, değiştirilmiş Newton dinamiğinde (MOND) (1981), küçük ivmeler için Newton'un ikinci hareket yasasının bir modifikasyonunu önermektedir
• Brans-Dicke teorisinin kütle yaratımına izin verecek şekilde değiştirildiği G.A. Barber'ın kendi kendini yaratan kozmoloji teorisi (1982)
• Döngü kuantum yerçekimi (1988) Carlo Rovelli, Lee Smolin ve Abhay Ashtekar
• Simetrik olmayan kütleçekim teorisi (NGT) (1994) John Moffat
• Tensör-vektör-skalar kütleçekimi (TeVeS) (2004), Jacob Bekenstein tarafından MOND'un rölativistik bir modifikasyonu
• Bukalemun teorisi (2004) Justin Khoury ve Amanda Weltman.
• Pressuron teorisi (2013) Olivier Minazzoli ve Aurélien Hees tarafından.
• Konformal yerçekimi
• Entropik bir kuvvet olarak yerçekimi, termodinamik entropi kavramından ortaya çıkan bir olgu olarak yerçekimi.
• Süperakışkan vakum teorisinde yerçekimi ve eğri uzay-zaman, rölativistik olmayan arka plan süperakışkanının kolektif bir uyarım modu olarak ortaya çıkar.
• Kütlesel kütleçekimi, gravitonların ve kütleçekim dalgalarının sıfır olmayan bir kütleye sahip olduğu bir teori ⓘ

Kütleçekim teorisinin tarihçesi

Kütleçekimin Önceki Kavramları

Modern Avrupalı ​​düşünürler haklı olarak kütleçekim teorisinin geliştirilmesi ile bağlantı kuruyorsa da, kütleçekim kuvvetini belirleyen önceden var olan fikirler vardı. İlk açıklamalardan bazıları, Dünya döndüğünde nesnelerin neden düşmediğini açıklamak için kütleçekim kuvvetini belirleyen Aryabhata gibi erken matematikçi astronomlardan geldi. ⓘ

Daha sonra, Brahmagupta'nın eserleri bu kuvvetin varlığına değinmişti. ⓘ

Eşdeğerlik (Denklik) ilkesi

Galileo, Loránd Eötvös ve Einstein gibi bir dizi araştırmacı tarafından araştırılan eşdeğerlik ilkesi, tüm nesnelerin aynı şekilde düştüğü ve kütleçekimnin etkilerinin ivme ve yavaşlamanın bazı yönlerinden ayırt edilemez olduğunu ortaya koymaktadır. Zayıf eşdeğerlik prensibini test etmenin en basit yolu, farklı kütlelerin veya kompozisyonların iki nesnesini vakumda bırakıp aynı anda zemine çarpıp vurmadıklarını görmektir. ⓘ

Bu tür deneyler, diğer kuvvetlerin (hava direnci ve elektromanyetik etkiler gibi) önemsiz olduğu durumlarda tüm nesnelerin aynı hızda düştüğünü göstermektedir. Daha sofistike testler Eötvös tarafından icat edilen bir torsiyon dengesini kullanıyor. Uzayda daha doğru deneyler için uydu deneyleri, örneğin STEP, planlanmaktadır. ⓘ

Eşdeğerlik ilkesinin formülleri şunları içerir:

• Zayıf eşdeğerlik ilkesi: Bir kütleçekim alanındaki bir nokta kütlesinin yörüngesi yalnızca başlangıçtaki konumuna ve hızına bağlıdır ve bileşiminden bağımsızdır.
• Einstein'ın eşdeğerlik ilkesi: Serbest düşen bir laboratuvarda herhangi bir kütleçekimsiz deneyin sonucu, laboratuvarın hızından ve uzay zamanındaki yerinden bağımsızdır.
• Yukarıdakilerin her ikisini de gerektiren güçlü eşdeğerlik ilkesi. ⓘ