5 Büyük Kozmolojik Soru

151
0

Uzak gökadaların tümü bizden uzaklaşıyorsa, bu evrenin merkezinde olduğumuz anlamına gelmiyor mu?

Kesin yanıt: Hayır!

1920’li yıllarda California’daki Mount Wilson Gözlemevi’nden Edwin Hubble ve Milton Humason’un çalışmaları, en yakınımızdakiler dışındaki tüm gökadaların bizden uzaklaştığını yadsınmaz biçimde ortaya koydu. ‹ki gökbilimci ayrıca bu süreçte bir örüntü de gördüler: Gökada ne kadar uzaktaysa, uzaklaşma hızı o kadar artıyordu. Ancak bu, uzayın içinde cereyan eden bir hareket değil. Bu, uzayın kendisinin sistematik genişlemesinden başka bir şey değil ve bu genişleme, gökadaları da sırtına alıp sürüklüyor. 1916 yılında Alman kuramsal fizikçi Albert Einstein, genel görelilik kuramını yayımladı. Kuram, Einstein’ın önceki görüşlerini, üzerlerine kütleçekiminin evrenin biçimini ve zamanın akışını nasıl etkilediği açıklamasını ekleyerek daha da geliştiriyordu. Ertesi yıl Hollandalı gökbilimci Willem de Sitter Einstein’ın denklemlerini kullanarak, neredeyse bomboş olan uzayın da genişliyor olması gerektiğini gösterdi. Hubble da, uzaklaşan gökadalarda gördüğü örüntünün “de Sitter uzayından oluşan bir evrende” bekleyeceğimiz örüntüye tıpatıp uyduğunu farketti. Genişleyen bir uzayda yol alan ışık, genleşir. Tek tek fotonlar enerji kaybederler, bu nedenle tayf çizgileri daha uzun (daha kırmızı) dalgaboylarına kaymış görünürler. Ama uzaydan gelen sinyaller de (örneğin, bir süpernova patlaması) genleşir. Uzak gökadalardaki süpernovalar, yakındakilere göre daha uzun sürerler ve ne kadar uzakta olurlarsa süreleri de o kadar uzar. Bu da uzayın genleştiği ve uzayın dokusu içine gömülmüş olan gökadaların da, bu dokunun hareketini izleyerek öteki nesnelerden uzaklaştıkları anlamına gelir. Gökbilimciler, genişleyen bir evren resmini daha iyi betimleyebilmek için sıklıkla bir balonun yardımına başvururlar. Balonun yüzeyine yapıştırılmış kağıt parçaları gökadaları temsil ederler ve balon evrenin genişlemesini temsil etmek üzere şişirildikçe, kağıt parçacıkları arasındaki uzaklık artar. Ne var ki, çoğu kimse benzetmeyi, makul sınırının ötesine taşır ve balonun merkezinde ne olduğunu sorar. İşte size işin püf noktasını gösterecek iki-boyutlu bir deney: Pir kağıt üzerine çok sayıda nokta koyun. Ardından, bu kağıdın büyütülmüş görüntüsünü şeffaf bir kağıt üzerine basın. Genişletilmiş kopyayı orijinal kağıt üzerine koyun ve bir noktayı –herhangi bir noktayıreferans olarak seçin. Nokta nerede olursa olsun, her noktadaki “gözlemci” öteki noktaların kendisinden uzaklaştığını görecektir. California Üniversitesi’nden (Irvine) Asantha Cooray, “Evren de olan da aynen bu; her gökada birbirinden uzaklaşıyor” diyor. Kozmik genişlemeyi akılda canlandırmanın bir başka yolu da bir üzümlü keki düşünmek. Kek (yani uzay) genişledikçe her üzüm tanesi (yani gökada) ötekilerin kendisinden uzaklaştığını görür. Burada üzüm taneleri değişmiyor. Değişen, üzümlerin üzerine yerleşmiş oldukları yapı. Ve tüm üzümlerin ortak bir görüşü var: Tüm öteki üzüm tanecikleri kendisinden uzaklaşıyor. NASA’nın Goddard Uzay Merkezi’nden, 2006 nobel Ödülü’nü almış olan kozmolog John Mather şöyle diyor: “Gözünüzün önüne, içindeki her şeyle genişleyen bir evreni getirin”. Kozmologlar (evrenbilimciler), yeterince büyük uzaklıklarda –ki, gökada kümelerinden daha büyük ölçeklerden söz ediyoruz—evren içindeki herhangi bir yerde bulunan bir gözlemciye aynı görünür. Bu fiziksel etkileşimlerde tercih edilen bir başvuru çerçevesi bulunmadığını söyleyen görelilik kuramının bir uzantısı oluyor. Bilim insanları bu kabule “kozmolojik ilke” adını veriyorlar ve düzenli olarak sınıyorlar. Şimdiye kadar bu ilke evrenin durumunu başarıyla yansıtmış görünüyor.

Peki genişleyen bu evren, neyin içinde genişliyor?

Bu da genişleyen evren için az önceki balon benzetmesini fazla ileriye götürmekten kaynaklanan bir başka soru. Evren kendisi içinde vardır. İnanması ne kadar zor olsa da evren başka bir şeyin içinde olmadan genişleyebilir. Einstein’ın görelilik kuramı, evrene yeni bir bakış getirdi. Kuram, kütleçekimini bir kuvvet olarak değil, uzay-zaman içindeki eğrilikler olarak betimliyordu. Görelilik kuramındaki uzayın bükülme eğilimi, kütleçekiminin ışığı da bükebileceğini öngörür. 1919 yılında bir güneş tutulması, Bilim insanlarına bu öngörüyle ilgili olarak doğrudan bir kanıt sundu. Eğer büyük kütleli cisimler uzayı bükebiliyorlarsa, uzak bir yıldızdan gelen bir ışığının, örneğin Güneş gibi büyük kütleli bir yıldızın yanından geçerken yolunun değişmesi gerekir. Gerçi bu etki fazla büyük değil, ama yine de tutulma sırasında Güneş’in yakınlarındaki yıldızların konumlarında değişiklikler gözlemlediler. Bu, Einstein’ın kuramını doğrulayan çok sayıda kanıttan yalnızca biri. Görelilik, çağdaş kozmolojiye sağlam bir temel kazandırmış bulunuyor. De Sitter’in göstermiş olduğu gibi uzay, daha üst boyutlara sahip bir uzay içine gömülü olması gerekmeksizin bükülebilen, büzüşüp genleşebilen dinamik bir varlık.

Büyük Patlama ne tür bir patlamaydı?

Büyük Patlama, herhangi türden bir patlama değildi. Kozmik mikrodalga fon ışınımı üzerinde duyarlı ölçümler yaparak evrenin tarihi, evrimi, içeriği, ve geleceği konusunda çok değerli veriler derleyen WMAP uydu misyonunun yöneticisi Charles Bennett’e göre Büyük Patlama fiziğinin hiçbir yerinde “patlama” sözcüğü geçmez. WMAP, kozmik mikrodalga fonu ile ilgili en kesin resmi bizlere sunmuş bulunuyor. Bu fotonlar, evrenin doğuşundan 380.000 yıl sonra protonlarla elektronların ilk kez birbirlerini yakalayıp atomları oluşturmalarından bu yana uzayda yol alıyorlar. Gökbilimciler, evrenin bugün düne göre biraz daha geniş, daha soğuk ve daha az yoğun olduğunu biliyorlar. Bu, kozmik genişlemenin doğası. Bu kabulden geriye doğru gidecek olursak da, evrenin geçmişte gökbilimcilerin bugün gözlediklerinden daha küçük, daha sıcak ve daha yoğun olması gerekiyor. Görünür evren bugünkü boyutlarının yarısı kadarken, madde yoğunluğu 8 kat fazlaydı ve kozmik mikrodalga fon ışınımı (bugün 2,7 kelvin ya da yaklaşık -270 °C, iki kat daha sıcaktı. Görünür evren bugünkü boyutlarının 1/100’ü kadarken, mikrodalga fon ışınımı 100 kat daha sıcaktı. Görünür evren günümüzdeki boyutlarının 100 milyonda biri kadarkense sıcaklığı 273 milyon dereceydi. Kozmik maddenin yoğunluğu, Dünya yüzeyindeki havanın bugünkü yoğunluğuna yakındı. Bu sıcaklıklar evrendeki gazı hızla gezinen protonlar ve elektronlar halinde iyonlaştırmıştı. Bennett, “Büyük Patlama, aslında kuram için doğru bir isim sayılmaz” diyor. “Bu kuramın anlattığı, evrenin genişlemesi ve soğuması; herhangi bir patlamayı betimliyor değil”. Peki ama, Büyük Patlama uzayda meydana gelen bir patlama değil mi? Tabii ismi, bir kimyasal patlama gibi aklımızda standart bir patlama – havai fişeğin gece gökyüzünde ışıklı bir küre gibi saçılmasını düşünün – imgesi oluşturuyor. Ve bu imge de bir kez aklımıza yerleştiğinde, Büyük Patlama’yı başka herhangi bir şeymiş gibi düşünmek zorlaşıyor. Ancak, evrenin başlangıcı bir patlama değildi. Başlangıç daha çok katlanmış bir kağıdın açılmasını andıran bir süreçle maddenin, enerjinin, zamanın ve uzayın kendisinin yaratılmasıydı. WMAP ekibinin bir üyesi olan Princeton Üniversitesi kuramcılarından David Spergel, “Daha iyi bir isim, ‘Genişleyen Evren Kuramı’ olurdu” diyor. “Çünkü gerçekten de bu evrenin nasıl genişlediğinin kuramı.”

Büyük Patlama’dan önce ne vardı?

“Kimse bilmiyor!” Harvard Üniversitesi’nden Avi Loeb, açık sözlü. “Belki evrenimizden önce hiçbir şey yoktu; belki de evren art arda Büyük Patlama döngülerinden geçiyor. Ne var ki, bu ya da öteki hipotezi destekleyecek hiçbir veri yok.” Bu soruya yanıt aramak için Bilim insanlarının elinde iki kuram var. Kuantum mekaniği denen biri, en küçük yapıtaşlarının dünyasını irdelerken, öteki, yani genel görelilik büyük ölçekte evreni tanımlıyor. Her ikisi de kendi alanlarında başarılı. Ama gelin görün ki, bunlar birbirleriyle uyumsuz. Loeb, “Ta en başa, Büyük Patlama’ya kadar varan bir açıklamaya ulaşabilmemiz için kuantum mekaniğiyle kütleçekimini özdeşleştiren bir kurama gereksinimiz var” diyor. Yüzyıllar süren araştırmalardan sonra fizikçiler bugün dört temel doğa kuvvetinin varlığını biliyorlar. Bunlar kütleçekimi ve elektromanyetizma ile şiddetli ve zayıf çekirdek kuvvetleri. Elektromanyetizma atomu oluşturan çekirdek ile çevresinde dolanan elektronları birbirine bağlıyor, şiddetli çekirdek kuvveti (ya da kısaca şiddetli kuvvet), atom çekirdeği içindeki proton ve nötron gibi bileşik parçaları oluşturan ve kuark denen temel yapıtaşlarını çekirdek içinde hapis tutuyor. Zayıf çekirdek kuvvetiyse (zayıf kuvvet), madde parçacıklarının bozunarak kimlik değiştirmesinden sorumlu. Kuramcılar, geçtiğimiz yüzyıl sonlarına doğru zayıf kuvvetle elektromanyetizmayı özdeştirmeyi başardılar. Yani bunların aynı temel kuvvetin değişik enerjilerdeki farklı görüntüleri olduğunu gösterdiler. Evrenin ilk ortaya çıktığı andan saniyenin 10 milyarda biri kadar süre geçtiğinde yeterince soğudu ve bu “elektrozayıf” kuvvet bugün algıladığımız iki farklı kuvvete ayrıştı. Şiddetli kuvvetle “elektrozayıf” kuvveti de özdeşleştirmek çabaları henüz başarıyla taçlanmış olmasa da Bilim insanları, kozmik tarihin daha da erken bir anında tüm temel kuvvetlerin, tek bir kuvvet halinde birleşmiş olduklarına inanıyorlar. Ancak, genel görelilik kuramının üzerine oturduğu kütleçekim kuvveti, problem olmayı sürdürüyor.

Evrenin dışında ne var?

Bildiğimiz kadarıyla evren sonsuz. WMAP verileri, evrenin ilk saniyesinin çok küçük kesirleri süresince hiperhızda (ışıktan bile hızlı) bir genişleme süreci yaşadığını doğruluyor. Bilim insanları bu süreci “şişme” diye adlandırıyorlar. Dolayısıyla evren, şimdi gözlediğimizden çok çok daha fazla büyük olabilir. Evrenin kendisiyle (Büyük Patlama’yla ortaya çıkan her şey), “görünür evren” (algılayabildiğimiz her şey) arasında bir ayrım yapmak yararlı olur. Evrenbilimciler (kozmologlar) kozmik mikrodalga fon ışınımı üzerinde yapılan gözlemlerden, evrenin yaşını ortaya çıkarmış bulunuyorlar: 13,7 milyar yıl. Ve ışık sonlu bir hızla yol aldığından, yeryüzündeki gözlemciler ancak bize ulaşabilmiş olan ışığı gözlemleyebiliyorlar. Biz de her yöne doğru 13,7 milyar yıl uzağı gözlemleyebildiğimize göre, “görünür evren” bunun iki katıdır, değil mi? Değil! Şimdii kozmik mikrodalga fon ışınımı içinde gördüğümüz fotonlar, yaklaşık 13,7 milyar yıl önce yayınlandı. Ama bu arada evrendeki madde gökadalar halinde yoğunlaştı ve evrenin genişlemesi sonucu bu gökadalar şimdi 46,5 ışıkyılı uzaklıkta. O halde görünür evrenin genişliğinin 93 milyar ışıkyılı olması gerekiyor. Herkes bilir ki, Einstein’ın görelilik kuramı, ışık hızının evrendeki nesneler için hız sınırı olduğunu söyler. Ancak bu hız sınırı, uzayın kendinin genişlemesi için geçerli değildir. Evrensel hız limitinin bir kaç ekstrem istisnası var ve evrenin kendi genişlemesi bunlardan biri. Görünür evrenin bir kenarı var. Bilim insanları, boşlukta yol alan ışığın hızıyla belirlenen bu sınırı “ufuk” olarak adlandırıyorlar. Peki bu sınırın öte tarafında ne var? Baltimore’daki (ABD) Uzay Teleskopu Bilim Enstitüsü’nden Adam Riess, “zaman geçip evren genişlemesini sürdürdükçe, evrenin daha başka bölümleri de ufkumuz içine girecek” diyor. Riess’e göre kozmologlar, bizim algı erimimiz dışında kalan evrenin de gördüğümüzden farklı olmadığına inanıyorlar. Tarihi 1 yüzyılı bulmayan bir bilim dalı olan fiziksel kozmoloji, en büyük başarılarına son birkaç yıl içinde ulaştı. Bunlardan bazıları, kozmosun yaşını belirlemiş olmak ve evrenin yalnızca genişlemekle kalmayıp, bu genişlemenin giderek ivmelendiğini keşfetmek. Yine de kozmologlar günümüzdeki kozmoloji modelinin tamamlanmış olduğu savını ileri sürmekten kaçınıyorlar. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan (ABD) Saul Perlmutter, Büyük Patlama modelini “üzerinde çalışılan bir hipotez…şaşılacak derecede başarılı bir ilk müsvedde” olarak betimliyor. Bu aslında iyi bir şey. Çünkü böylesine kısa bir araştırmayla en büyük sorulardan bazılarını yanıtlayabilmemiz, işin tadını biraz kaçırırdı. Yeni detektörler ve deneyler, ki bazıları LHC gibi yeryüzünde, bazıları da WMAP’ın halefi Planck uydusu gibi gökyüzünde nöbeti devralacak, Bilim insanlarının evren hakkında bildiğimiz sandığımız şeyleri sınamalarına olanak verecek. Sicim kuramı – ve uzantısı süpersimetri  gerçek mi? Kozmik ivmelenmeye itkisini veren ne? Eğer geçmişimize bir önsözmüş gözüyle bakacak olursak, hep birlikte beklenmeyeni beklememiz akıllıca olur.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here