Büyük Patlama Kuramı’na İlişkin 10 Soru-10 Yanıt!
Yazan: Ege Özmeral (Evrim Ağacı)
Düzenleyen: Ayşegül Şenyiğit (Evrim Ağacı)
Bu yazıda Büyük Patlama Teorisi hakkında bilinen bazı soruları ve yanlış anlamaları konu aldık. Büyük Patlama Teorisi’nin yanı sıra Evren’in genişlemesi ve başlangıcı hakkında sorulara da yanıt vermeye çalıştık. Belirlediğimiz sorular şunlar:
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi nedir?
Soru 2. Büyük Patlama Teorisi’nin tarihi nedir?
Soru 3. Evren neyin içinde genişliyor?
Soru 4. Evrenin merkezi neresidir?
Soru 5. Karanlık madde ve karanlık enerjinin Evren’imizdeki rolü nedir?
Soru 6. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması nedir?
Soru 7. Evren sonsuz ise Büyük Patlama anında Evren nasıl tekillik halinde olabilir?
Soru 8. Neden bu kadar madde varken antimadde yok?
Soru 9. Büyük Patlama bizden önceki bir evrenin çöküşü olabilir mi?
Soru 10. Büyük Patlamadan önce ne vardı?
Şimdi, yanıtlara geçelim:
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi Nedir?
Maalesef isimdeki “patlama” kelimesi çok büyük yanlış anlaşılmalara sebep olabiliyor. Teorinin isminde geçen “patlama” sözcüğü uzayın genişlemeye başladığını belirtmek için kullanılır, herhangi bir maddenin sıkışıp patlaması söz konusu değildir. Büyük Patlama’dan sonra Evren’in çok sıcak olduğunu düşünürsek “patlama” sözcüğünün o kadar yanlış olmadığını söyleyebiliriz fakat Büyük Patlama bildiğimiz patlamaların aksine bazı maddelerin kimyasal tepkimeleri sonucu basınç ve ısı oluşturması değil, uzayın genişlemesidir.
Diğer bir yanılgı ise Büyük Patlama’nın Evren’in başlangıç anındaki sonsuz enerji yoğunluğu olduğunu düşünmektir. Büyük Patlama, Einstein denklemlerinin Friedmann çözümüne göre Evren’in genişlemeye başlamasının ilk anıdır. Büyük Patlama Teorisi sadece evrenin içerisindeki maddenin değil aynı zamanda uzay ve zamanın başlangıcının da Büyük Patlama anındaki tekillilik olduğunu söyler. Bu konuyu Soru 7’de daha detaylı inceledik. Soru 10’da daha detaylı olarak açıkladığımız Büyük Patlama Teorisi’nde ortaya çıkan sorunları çözmek için ortaya atılan Enflasyon Teorisi, Büyük Patlama Teorisi’nin uzay ve zamanın başlangıcı olmadığını söyler; bu nedenle, Büyük Patlama anından sonraki dönemlerden “Evren’in ilk zamanları” olarak bahsetmek yerine “ilksel Evren” olarak bahsettik. Soru 7’de de bu konuyu biraz daha inceledik.
Bunun yanı sıra Büyük Patlama Teorisi aslında Evren’in başlangıcı ile ilgilenmez, sadece Evren’in başladıktan itibaren Planck zamanı ve sonrasında Evren’in evrimi ile ilgilenir. Tıpkı Evrim Teorisi’nin canlılığın başlangıcı ile ilgilenmeyip, canlılığın günümüz haline nasıl evrimleştiğiyle ilgilenmesi gibi. Uzay ve zamanın yapısını günümüzde en iyi açıklayan Genel Görelilik Teorisi t=0 halindeyken çöker, bu nedenle Genel Görelilik Teorisi tek başına Evren’in başlangıcı hakkında bir şey söyleyemez. Soru 10’da daha detaylı bir şekilde cevaplandırdığımız üzere Evren’in Büyük Patlama anını ve öncesini anlamamız için klasik Büyük Patlama modelinden fazlasına ihtiyacımız vardır.
Uzayın genişlemesinden ne anlamamız gerektiğini kavrayabilmek için bir analojiye göz atalım.
Herhangi kareli defterin bir sayfasını kendi uzayımız gibi hayal edin. Bu sayfada her karenin köşesine yeşil noktalar koyun. Kendinizi bu sayfa üzerinde yaşayan iki boyutlu bir canlı gibi hayal edin. Etrafınızda noktalar var ve siz bu sayfa üzerinde sadece öne-arkaya, sağa-sola bakabiliyorsunuz. Ancak yukarı-aşağı bakmak sizin için söz konusu değil; çünkü siz sadece iki boyutu olan bir uzayda (sayfada) yaşıyorsunuz.
Eğer uzay (sayfa) zaman içerisinde genişliyor ise çevrenizde gördüğünüz bu noktaların birbirinden uzaklaştığını görürsünüz. Noktalar uzaklaştıktan sonra bu defa onları yeşil değil pembe renkli olarak hayal edin.
İşte Büyük Patlama Teorisi’nin söylediği budur; uzayda herhangi rastgele iki noktayı seçer ve uzun bir süre beklerseniz iki nokta arasındaki uzaklığın arttığını gözlemlersiniz.
Soru 2. Büyük Patlama Teorisi’nin Tarihi Nedir?
Albert Einstein, 1915 yılında uzay ve zaman algımızı kökünden değiştiren Genel Görelilik Teorisi’ni ortaya attığı zaman denklemlerin statik olmayan bir evreni gösterdiğini fark etti. O zamanlarda Evren’in genişlediğine veya daraldığına dair bir gözlem olmadığı için Einstein denkleme “Kozmolojik Sabit” adıyla bilinen bir parametre koydu, bu parametre boş uzayın enerjisini temsil ediyordu ve kütle çekimin etkisini yok ederek Evren’in statik bir biçimde kalmasını sağlıyordu.
Edwin Hubble, 1929 yılında hemen her yönde galaksilerin ışığının kırmıza kaydığını keşfettiği zaman durum değişti. Doppler Etkisi olarak bilinen fenomene göre bir nesne uzaklaştığı zaman ondan yayılan ışığın dalga boyu artar. Kırmızı görünen ışık en uzun dalga boyuna sahip olduğu için bu, nesnelerin daha çok kırmızı görünmesi demektir; aynı şekilde, nesne yakınlaştığı zaman ışığın dalga boyu azalır ve nesne daha çok mavi gibi görünür. Hubble, galaksilerin bizden uzaklaştığını keşfederek Evren’in genişlediğini ilk gözlemleyen kişi oldu. Belçikalı bir papaz olan George Lemaitre 1927’de zamanı geriye alırsak evrenin tek bir noktada buluşacağını söyledi.
Büyük Patlama Teorisi’ne karşı Sabit-Durum (Steady-State) Teorisi ortaya atılmıştı. Hermann Bondi, Thomas Gold ve Fred Hoyle’un 1948’de ortaya attığı bu teoriye göre nesneler birbirinden uzaklaştıkça yeni nesneler oluşuyor ve böylece Evren’in enerji yoğunluğu sabit kalıyordu. Ve yine aynı teoriye göre Evren’in başlangıcı ve sonu yoktu. 1965 yılında gözlemlenen Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması Büyük Patlama Teorisi için çok güçlü bir kanıt oluşturdu. Bunun yanı sıra Evren’deki madde dağılımı da Büyük Patlama Teorisi için yine çok büyük bir dayanak sağlıyordu.
Bugün ilk kez Tip 1a süpernovası ile yapılan gözlem ve diğer gözlemler ile biliyoruz ki Evren hızlanarak genişliyor. Bunun ne kadar tuhaf bir şey olduğunu anlamak için elinizdeki bir topu yukarı attığınızı hayal edin. Bu durumda top, gittikçe yavaşlayarak yükselecek ve belli bir noktada durduktan sonra hızla yere düşecektir veya topu çok hızlı atarsanız (bir insan veya bugünkü bir cihaz bunu yapabilecek kadar güçlü değildir) top gittikçe yavaşlayacak ancak sonunda sabit bir hızla uzaklaşmaya devam edecektir. Bizim Evren’imiz ise atıldıktan sonra yukarıya doğru gittikçe hızlanan bir topa benzemektedir.
Halen kozmolojide en çok kabul gören model olmasına rağmen Büyük Patlama Teorisi kusursuz bir teori değil. Teorinin en büyük zayıflığı Evren’in başlangıcında bir tekillilik içermesi. Bilim insanları bunun sebebinin teorinin klasik olmasından (Kuantum mekaniğine dayanmamasından) ileri geldiğini ve bir Kuantum Kütle Çekim Teorisi’nin bu sorunu halledeceğini düşünmektedirler. Bunun yanı sıra Büyük Patlama Teorisi; Ufuk Problemi, Düzlük Problemi, Monopol Problemleri gibi problemleri çözmek için yeterli değil.
Soru 3. Evren Neyin İçinde Genişliyor?
Yanıt : Hiçbir şeyin içinde. Çünkü genişleyen şey Evren’in içindeki bir madde değil Evren’in kendisidir. Bu cevap insanlara yeterli ve sezgilere uygun gelmez çünkü günlük hayatta da alıştığımız üzere bir şeyin genişlemesi o şeyin genişlemesi için bir alan, dolayısıyla uzay olmasını gerektirir ancak uzayın kendisi için böyle bir şey geçerli değildir. Evren’in hiçbir şeyin içerisinde olmadığı halde genişlemesinin sezgilerimize ters gelmesinin sebebi Evren’in kendisini günlük hayatta gördüğümüz herhangi bir nesne gibi dışarıdan bakarak düşünmemizdir. Halbuki Evren’in içerisinden bakarak düşünürsek sezgilerimize ters gelen hiçbir şey yoktur.
Kendinizi Soru 1’de verdiğimiz sayfa analojisindeki iki boyutlu sayfa içerisinde yaşayan bir canlı olarak düşünürseniz Evren’in genişlemesi sezgilerinize ters gelmeyecektir fakat ne zaman kendinizi sayfanın dışından bakan bir gözlemci gibi düşünürseniz, o zaman sezgileriniz ile Evren’in genişlemesi arasında anlaşmazlık olacaktır. Buradaki sorun “Evren’e dışarıdan bakmak” kısmıdır çünkü Evren’e dışarıdan bakabilmek için öncelikle “dışarısı” olması gerekiyordur ancak yoktur çünkü Evren bütün uzayı kapsar. Evren’in dışarısı olmadığı için Evren’e dışarıdan baktığımızda onun nasıl gözükeceği sorusu da anlamsız kalır ve Evren’i dışarıdan değil de onun içerisinde yaşayan biri olarak genişlemeyi anlamaya çalışırsanız sezgisel olarak hiçbir güçlükle karşılaşmazsınız.
Soru 4. Evrenin Merkezi Neresidir?
Yanıt: Hiçbir yer veya her yer. Bunu daha iyi anlamak için Soru 1’deki defter analojisine geri dönelim. Genişlemeden önceki Evren (yeşil noktaları olan sayfa) ile genişlemeden sonraki Evren’i (pembe noktaları olan sayfa) merkezdeki nokta sabit olacak şekilde karşılaştırırsak elde edeceğimiz şekil şöyledir:
Bu defa iki resmi karşılaştırmayı ortadaki noktanın sol üstündeki noktayı merkez alarak yaparsak şöyle bir şekil elde ederiz:
Görebileceğiniz üzere ilk karşılaştırmada sabit aldığımız noktadan uzaklaştıkça pembe ve yeşil noktalar arasındaki uzaklık farkı gittikçe artıyor; bu da noktaların merkezi sabit aldığımız noktaymış hissini uyandırıyor. Fakat ikinci karşılaştırmada sabit aldığımız nokta farklı olduğu halde bu defa noktaların merkezi bu karşılaştırmada sabit aldığımız nokta gibi görünüyor. Aynı şekilde Evren’de – siz nereden bakarsanız bakın – diğer her şey sizden uzaklaşıyormuş gibi gözükür.
Neden Evren’in merkezi olmadığını anlamak için verebileceğimiz başka bir analoji ise şişen balon analojisidir. Bir balonun yüzeyine noktalar çizdiğinizi düşünün. Balonu şişirdiğinizde balonun yüzeyi genişlediği için balonun üzerindeki noktalar birbirlerinden uzaklaşacaklardır. Birisi“Peki balonun üzerindeki noktaların merkezi neresi?” diye sorduğunda buna cevap veremezsiniz; çünkü merkezi yoktur.
Soru 5. Karanlık Madde Ve Karanlık Enerjinin Evren’imizdeki Rolü Nedir?
Kütlesi olan, soğuk, (çok fazla hareket etmeyen) ve hiçbir şekilde ışık yaymayan hayaletimsi yapıya karanlık madde diyoruz. Standart Model’de bu tanıma ve karanlık madde hakkındaki gözlemlere uyan bir parçacık olmadığı için bu maddeyi parçacık fiziğini en iyi açıklayan Standart Model ile açıklayamıyoruz. Bu nedenle karanlık maddenin ne olduğunu aslında halen bilmiyoruz. Karanlık maddenin kütlesinin olması sebebiyle Evren’deki madde yoğunluğunu arttırdığı için Evren’in şekline katkısı vardır.
Friedman denklemlerine göre Evren’in olası şekillerine
şu yazıda değinmiştik.
Karanlık enerjinin keşfinden önce Evren’in şekli ve kaderi arasında bir ilişki olduğu düşünülüyordu. Yani madde-baskın evrenimiz kapalı ise Evren bir süre sonra çökecek, düz ise gittikçe hızı azalacak (ancak asla tam olarak durmayacak) şekilde genişleyecek, açık ise aynı hızda yayılacak şekilde genişleyecek. Ancak gözlemlerimiz (Soru 10’da kısaca bahsettiğimiz gözleme bakabilirsiniz) bize Evren’in hızlanarak genişlediğini gösteriyordu. Böyle bir genişlemenin olması için Evren’de negatif basıncın hakim olması gerekir. İşte bu negatif basınçtan sorumlu olan şeye “karanlık enerji” diyoruz.
Günümüzdeki verilere dayanarak biliyoruz ki Evren’imizin % 4.6’ı Standart Model ile açıklanan bildiğimiz madde, % 24’ü henüz ne olduğunu bilmediğimiz karanlık madde ve % 71’i ise Evren’in ivmelenerek genişlemesini sağlayan karanlık enerjiden oluşuyor.
Soru 6. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması Nedir?
Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması (KMAI), Büyük Patlama’dan 380 bin yıl sonrasından kalan termal (ısısal) ışımadır. Evren’deki en eski ışık olarak da geçer, bu nedenle ışımadan öncesini Büyük Patlama dahil gözlemleyemiyoruz. Aynı zamanda Büyük Patlama Teorisi’nin en büyük kanıtlarından birisidir.
Büyük Patlama’dan sonra Evren’imiz inanılmaz sıcaktı. O kadar sıcaktı ki protonlar, nötronlar ve elektronlar bir araya gelip atomları oluşturamayacak kadar hızlı hareket ediyorlardı. Daha sonra, Evren genişledikçe madde soğudu ve proton ve elektronlar bir araya gelip en basit atomlar olan hidrojen ve helyum atomlarını oluşturdu.
Işık ve madde arasındaki ilişkiyi en iyi açıklayan Kuantum Elektrodinamiği Teorisi’ne göre elektromanyetizma, aslında, yüklü parçacıkların birbirlerine foton göndermesidir. Yani fotonlar elektromanyetik alanın kuantumudur. Hidrojen ve helyum atomları oluştuktan sonra nötr oldukları için artık termal ışımayı yutamadılar ve yutulmayan fotonlar Evren’de amaçsızca savruldular. Tabii fotonların enerjisi Evren genişledikçe azalacaktı çünkü uzay genişledikçe dalgaboyları da arttı. O günden beri uzayda her yöne seyahat ediyorlar.
Uzayın her bir santimetre küpü KMAI’nın 300 fotonu ile doludur. Diğer bir ilginç bilgi ise televizyonunuzda oluşan cızırtının %1’ine KMAI sebep olur.
Evet, bu görüntünün %1’inde Büyük Patlama’nın kalıntıları vardır.
Soru 7. Evren Sonsuz İse Büyük Patlama Anında Evren Nasıl Tekillilik Halinde Olabilir?
Öncelikle tekillilik konusunda “bütün Evren’in tek bir noktada olması” gibi bir yanılgı var ki bu doğru değil.
Büyük Patlama anında Evren’imizin tekillilik durumunda olup olmadığı bilinmiyor. Hatta o anda Evren’imiz sonsuz büyüklükte bile olabilir. Büyük Patlama hakkında bir kitap veya yazı okuduysanız, “Evrenimiz t1 saniyede bir golf topu büyüklüğündeydi, t2 saniyede Dünya büyüklüğüne ulaştı…” gibi cümleler okumuş olmanız mümkün. Ancak bu tarz cümlelerde Evren’in büyüklüğünden kasıt “gözlemlenebilir evrenin” büyüklüğüdür, Evren’in kendisinin değil. Büyük Patlama anının belli koşullara uyması halinde tekillilik içermesi gerektiğini gösteren bazı teoremler vardır, gelin onlardan ikisine göz atalım.
İlki, Hawking-Penrose Tekillilik Teoremleri’dir. Bu teoremlerden birine göre güçlü enerji koşulu sağlanan uzay-zaman bölgesinde tekillilik olmak zorundadır. Güçlü enerji koşulu, negatif basınçtan (tension) dolayı oluşan itici anti-kütleçekimin, enerjiden dolayı oluşan çekici kütleçekiminden daha güçlü olması durumudur ve teoreme göre eğer böyle bir koşulu sağlayan uzay-zaman alanı varsa o alan tekillilik içermek zorundadır. Bu duruma uyan iki yerin olduğu düşünülüyordu: Karadelikler ve Evren’in başlangıcı. Ancak sonradan pek çok fizik teorisinin gösterdiğine göre Evren’in başlangıç koşullarının güçlü enerji koşuluna uymadığı görüldü. Henüz doğrudan gözlemlenmeyen ancak fizikçilerin büyük çoğunluğunun doğru olduğuna inandığı Enflasyon Teorisi’nde de Evren’in başlangıcı güçlü enerji koşuluna uymaz. Bu nedenle fizikçiler artık bu teoremi ciddiye almıyorlar.
Çok daha iyi, Penrose tarafından kanıtlanmış bir teorem daha vardır. Daha iyidir çünkü yalnızca sıfır-enerji (null energy) koşulu kullanır. Sıfır-enerji koşulu, eğer bir alanın çevresinden geçen ışık huzmeleri o alanın kütleçekim merkezinden geçmek zorundaysa (kütle çekim merkezinden geçmeden savrulması da mümkün olabilirdi) o alanın kütleçekim merkezinin tekillilik içermesi gerektiğini söyler. Ancak bu teoremin iki sorunu vardır: sıfır-enerji koşulu kuantum mekaniği ile çelişiyor gibi gözüküyor ve uzayın herhangi bir zamanda sonsuz olduğunu varsayar ki, uzayın sonlu mu sonsuz mu olduğunu bilmiyoruz. Eğer Evren’imiz düz ise bu Evren’imizin sonsuz olduğunu gösterir fakat Evren’imiz düz değil kapalı bir evren ise bu, onun sonlu olduğunu gösterir. Evren’imizin sonlu olması okuyucu için biraz kafa karıştırıcı olabilir çünkü akla “Evren’in sınırına gelirsek ne göreceğiz?” gibi bir soru getirebilir. Evren’in kapalı olduğu topolojiler “sonlu ama sınırsız” olarak ifade edilir. Örneğin bir basketbol topunun yüzeyi böyle bir topoloji için güzel bir örnektir. Basketbol topunun yüzeyi iki boyutlu ve sonlu bir yüzeydir ancak sınırı yoktur. Bu da topun üzerinde ne kadar ilerlerseniz ilerleyin asla “yüzeyin sonu” gibi bir yer ile karşılaşmayacaksınız demektir. Topun yüzeyinde bir yönde ilerlerseniz bulunduğunuz yere geri dönersiniz. Eğer Evren’imiz sonlu ise sınırsız olacaktır, bu nedenle “Evren’in sınırı” gibi bir kavram anlamsızdır.
Günümüzde yapılan ölçümler Evren’imizin düz veya düze fazlasıyla yakın olduğunu gösteriyor. Ancak Evren’imizin bu kadar düz olabilmesi için madde ve enerji yoğunluğu parametresinin çok hassas bir değerde olması gerekir ve bu parametrenin neden bu kadar hassas değere sahip olduğunun klasik Büyük Patlama modelinde bir açıklaması yoktur. Bu nedenle bir problemdir ve bu probleme Düzlük (Flatness) Problemi adı verilir. Soru 10’da geçen Enflasyon Teorisi bu problemin cevabını veriyor gibi gözüküyor. Bunların yanı sıra Büyük Patlama anında ne olabileceği hakkındaki teoriler için Soru 10’a bakabilirsiniz.
Soru 8. Neden Bu Kadar Madde Varken Antimadde Yok?
Fizikte bu problem “Baryon Asimetrisi Problemi” adıyla anılır. Problem, gözlemlenebilir Evren’imizde maddeye oranla anti-maddenin çok az olmasıdır. Ne mikroskobik ölçekte Evren’i açıklayan Standart Model, ne de makroskobik ölçekte Evren’i açıklayan Genel Görelilik Teorisi bu soruya tek başına yanıt veremez. Büyük Patlama’da ortaya çıkan enerjinin eşit şekilde madde ve antimadde oluşturmasını bekleriz fakat günümüz gözlemleri maddeye oranla anti-maddenin çok az olduğunu gösteriyor.
Bu probleme getirilen açıklamaların çoğu Standart Model’in bazı etkileşimler için CP simetrisini kırmasına izin vermesi şeklindedir. CP simetrisinden kısaca bahsetmemiz gerekirse CP simetrisi, yük (charge) ve parity (ayna) simetrisi demektir. Yani bir etkileşim CP simetrisine uyuyorsa o etkileşimdeki parçacıkların yüklerini zıt yaparsak (mesela iki elektron etkileşiyorsa yüklerini pozitif yaparsak) ve ayna simetrilerini alırsak (uzaydaki herhangi bir yönünü zıt yönde olacak şekilde değiştirirsek) oluşan yeni etkileşimin fizik yasaları için tutarlı olması gerekir. Son yıllarda yapılan pek çok deney zayıf etkileşimlerde CP simetrisinin kırıldığını gösteriyor, mesela 2013’de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı B mezonunun bozulmasında CP simetrisinin ihlal edildiğini gösteriyor.
Başka bir çözüm ise gözlemlenebilir Evren’in dışında anti-maddenin oranının daha yüksek olduğudur. Biz Evren’de maddenin çoğunlukta olduğu kısmında yaşıyor olsak bile gözlemleyemediğimiz kısımda anti-madde olabilir. Bu seferde problem madde/anti-madde ayrışması problemine dönüşüyor. Çünkü madde ve anti-madde birbirlerine çok yakın bir şekilde oluşurlar ve birbirlerine çok yaklaşınca gamma ışınına dönüşerek birbirlerini yok ederler. Bu nedenle anti-madde gözlemlenebilir Evren içerisinde olmasa da madde ile birbirlerini yok etmesi sonucu gamma ışınlarını gözlemlememiz gerekirdi fakat böyle bir şey gözlemlemiyoruz. Bunu çözmek için ortaya atılan önerilerden biri anti-maddenin kütleçekimsel olarak maddeyi çekmediği tam aksine ittiğidir. Fakat bu enerji-momentum tensörünün kütleçekimin kaynağı olduğunu söyleyen Genel Görelilik Teorisi ile çelişir, bunun yanı sıra hiçbir astronomik gözlem böyle bir anti-kütleçekimin varlığını göstermemiştir.
Soru 9. Büyük Patlama Bizden Önceki Evren’in Çöküşü Olabilir Mi?
Sürekli çöküp sonra tekrar genişleyen evren modellerine salınımlı (oscillating) evren modeli deniyor. Bu modele göre evren genişler sonra genişlemesi yavaşlayıp çökmeye başlar ve çöktükten sonra tekrar genişler ve aynı işlem sürekli devam eder. Ancak Evren’imizin bu modele uymadığını düşünmemiz için iki sebep vardır: ilki evrenler genişleyip çöktükçe entropinin sürekli artmasıdır. Eğer Evren’imiz sonsuzdan beri çöküp tekrar genişliyor olsaydı Evren’in entropisinin maksimum değerinde veya ona çok yakın bir değerde olmasını beklerdik fakat durum böyle değildir. Bu nedenle salınımlı evren modeli doğru olsa bile mutlaka salınımın başladığı ve entropinin en az olduğu bir ilk an olmak zorundadır. İkinci sebep ise son yıllarda yapılan gözlemlerin Evren’imizin çökmüyor aksine gittikçe hızlanarak genişliyor olduğunu göstermesidir.
Evren’imizin genişlediği 1998 yılında birbirinden bağımsız iki proje (Süpernova Kozmoloji Projesi ve Yüksek-Z Süpernova Arama Takımı) ile bulunmuştur. Her iki gözlem de uzaktaki Tip 1a süpernovaların ışık parlaklıklarındaki farklılıklardan yola çıkarak daha uzaktaki nesnelerin daha hızla bizden uzaklaştığını göstermiştir. Bu gözlem de Evren’imizin hızlanarak genişlediğini ispatlamıştır. 2011’de bu gözlemleri yapan üç araştırmacı Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Soru 10. Büyük Patlamadan Önce Ne Vardı?
En çok merak edilen sorulardan biri budur ve sorunun cevabı basitçe “bilmiyoruz”dur. Evet, bilmiyoruz. Bunun en önemli sebebi Soru 6’da açıkladığımız üzere Evren’deki en eski ışık olan Kozmik Mikro Arkaplan Işıması’ndan öncesini gözleyemiyor oluşumuzdur. Bunun yanı sıra klasik Büyük Patlama Teorisi, Evren’in başlangıcını bir tekillilik olarak görmektedir. Bu nedenle, Büyük Patlama’nın (AS: Big Bang) uzayın ve zamanın başlangıcı olduğuna dair yazı veya kitap okuduysanız bu soruyu merak etmeniz çok doğal.
Öte yandan, Büyük Patlama ve öncesini açıklayabileceğimiz bazı teorilerimiz ve tahminlerimiz var. Her ne kadar bu yazımızın konusu olmasa da bu konuyla ilgili çok fazla soru sorulduğu için bu soruyu yanıtsız bırakmamaya karar verdik. Her bir teoriyi ve modeli detaylı olarak işlemek çok uzun olacağı için her birinden kısaca bahsettik, yine de cevapların istemsiz bir şekilde bazı yerlerde teknik detaya girdiğini belirtmemiz gerek. Her ne kadar “Büyük Patlama’dan önce ne vardı?” sorusu sorması çok kolay bir soru olsa da cevap vermesi hiç de kolay değildir. Şimdi kimi olası yantlara göz atalım.
• Stephen Hawking’e göre “Büyük Patlama’dan önce” demek anlamsızdır çünkü Büyük Patlama uzay ve zamanın başlangıcıdır, zamanın olmadığı bir andan söz etmek ise anlamsızdır. Bu soru “Kuzey Kutbu’nun kuzeyinde ne vardır?” diye sormak gibidir.
Soru 1’de de bahsettiğimiz üzere çoğu fizikçi artık uzay ve zamanın başlangıcının Büyük Patlama olduğunu düşünmüyor. Günümüzde pek çok fizikçi en iyi kozmolojik model olarak Enflasyon Teorisi’ni kabul ediyor. Bir sonraki cevabımız bunun hakkında olacak.
• Enflasyon Teorisi, klasik Büyük Patlama Teorisi’nde çıkan Ufuk Problemi, Düzlük Problemi, Monopol Problemleri gibi problemlere çözüm getirmesinin yanı sıra Evren’in başlangıç koşullarının neden hassas ayarlanmış (fine-tuned) gibi gözüktüğünü de açıklar. Enflasyon Teorisi’nden bahsetmemiz çok uzun süreceği için bu teori üzerine başlı başına bir yazı yazmamız gerekir, o nedenle şimdilik sadece şunu söyleyelim: Enflasyon Teorisi, ilk ortaya atıldığında evrenin 10-32 saniyelik bir süre içerisinde 1050 misli büyüdüğünü söylüyordu. Bu teorinin devamı olan ve konumuzla asıl alakası olan Sonsuz Enflasyon Teorisi, enflasyonun sadece Büyük Patlama’dan sonra çok kısa süre içerisinde gerçekleşen bir şey değil, aynı zamanda Büyük Patlamaları yaratan bir mekanizma gibi davrandığını gösterir. Bir uzay düşünün, entropisi maksimum seviyede olsun. Bu durum, o uzayın içerisindeki maddenin maksimum düzensizlikte olduğunu gösterir. Bu uzayın düzenli olan çok küçük bir bölgesi katlanarak genişlemeye başlayabilir. (Teoriye göre enflasyonun nerede ve ne kadar sürede gerçekleşeceği kesin değildir.) Bizim de Evren’imiz böyle bir bölgeden doğmuş olabilir. Bu da neden gözlemlenebilir Evren’in entropisinin maksimum düzeyde olmadığını gösterir. Elbette bu bir kez gerçekleşmek zorunda değildir, uzayın başka küçük yerleri de bu şekilde katlanarak genişleyip düzenli yapılar oluşturabilir; bu da hem çoklu-evrenlerin varlığına hem de uzay ve zamanın Büyük Patlama’dan (küçük bölgenin genişlemeye başlamasından) önce var olduğuna işaret eder. Ancak BGV Teoremi olarak bilinen bir diğer teoreme göre Enflasyon Teorisi’nde Evren Büyük Patlama ile başlamadıysa bile evrenlerin zamanda genişlemesi sonsuzdan beri değildir, bu da hala “zamanın başlangıcı” problemini çözmemiş olabileceğini gösterir. Üstelik bu teorem (Hubble sabitinin ortalama olarak 0’dan büyük olması dışında) neredeyse hiçbir varsayım ortaya atmamaktadır. Bu nedenle aslında Enflasyon Teorisi her ne kadar güçlü bir teorem olsa da tek başına çoklu-evrenlerin başlangıcını açıklayamaz. Fizikçiler bunun bir Kuantum Kütleçekimi Teorisi ile giderilebileceğini düşünmektedirler çünkü Enflasyon Teorisi, Genel Görelilik Teorisi’nin matematiğine dayalı bir teoridir ve biliyoruz ki Evren’i (özellikle mikroskobik evreni) tam anlamıyla anlamak için Genel Görelilik Teorisi tek başına yetersizdir, bu nedenle bir Kuantum Kütleçekim Teorisi’ne ihtiyacımız vardır.
Örneğin fizikçi Sean Carroll, Kuantum Sonsuzluk (Eternity) Teoremi’nin zamanın başlangıcı olmadığını gösterdiğini söylüyor. William Lane Craig ile yaptığı tartışmada bunu şöyle dile getiriyor:
“Eğer Kuantum Mekaniği’ne uyan, sıfır enerjisi olmayan, fizik yasaları zamanla değişmeyen bir evreniniz var ise evren zorunlu olarak sonsuzdan beri vardır.” Sean Carroll (Fizik profesörü ve kozmolog)
Ancak bu teorem ile ilgili şöyle bir sıkıntı var; yukarıda da bahsedildiği üzere teoremin koşullarından biri evrenin sıfır enerjisi olmamasıdır. Fakat günümüzdeki gözlemler Evren’in enerjisinin sıfır ya da sıfıra çok yakın olduğunu gösteriyor.
Mesela Wheeler-DeWitt denklemine göre eğer Evren’imiz kapalı ise Evren’imizin Hamiltonu (enerjisi de denilebilir) 0’a eşittir. Bu denklem eğer H=0 ise Evren’imizin dalga fonksiyonunun da zaman içinde değişmeyeceğini söyler. Bu zamanın aslında bir illüzyon olduğunu kanıtlar mı? Bilemiyoruz fakat bunun üzerine konuşmak konumuzun dışına çıkmak olur.
• Ekpirotik model (Ekpyrotic model), süper sicim teorisinden ilham almıştır ve Büyük Patlama’dan önce ne vardı sorusuna yanıt vermesinin yanı sıra Evren’deki homojenlik (uniformity), Evren’in şeklinin düz olması ve başlangıcının çok sıcak olması gibi çıkarımları WMAP ve Planck uydusu deneyleri ile de uyumludur. En iyi avantajı çoklu-evrenler üretmemesidir. Bu modelin söylediği şey şudur: Evren’imiz iki tane üç boyutlu bran’ın dört boyutlu uzay içerisinde çarpışması sonucu oluşmuştur. (Editör notu: Bran’ı ya da brane’i “ince bir zar” gibi düşünebilirsiniz.) İki branın çarpışmasında kinetik enerjileri kuarkları, elektronları, fotonları vs. meydana getirmiştir. Evren homojendir çünkü çarpışma neredeyse her yerde aynı anda gerçekleşir. Branların geometrisi düz olduğu için evrenimiz de düzdür. Kütleli manyetik monopoller, klasik Büyük Patlama Teorisi’ne göre ilksel evrende oluşmuştur, gözlemlenmediği için bize sorun yaratır fakat bu model manyetik monopoller öngörmez.
• Stephen Hawking, “sanal zaman” adı verilen bir kavram ortaya atar. Zamanın sembolü olan t’yi -1’in karekökü olan i ile çarparsanız it’yi yani sanal zamanı elde edersiniz. Sanal zaman, bir uzay boyutu gibi davranır; üstelik, istenmeyen tekillilikleri de ortadan kaldırır; buna Evren’in başlangıcındaki tekillilik de dahil. Hartle-Hawking modeli bir tür Sınırsız (no-boundary) Kuantum Kozmoloji Modeli’dir. Bu modeli çekici kılan şey Evren’imizin başlangıç (initial) koşulları ve Evren’imizin zaman içerisinde nasıl değiştiği hakkında açıklamalar sunmasıdır. Bu modelde zaman tıpkı bir uzay boyutu gibi davrandığı için “zamanın başlangıcı” kavramı anlamsızdır. Bunu bir top analojisi ile anlayabilirsiniz. Topun üzerinde seçtiğiniz rastgele bir noktanın topun başlangıcı olduğunu söylemek ne kadar anlamsızsa zamanın başlangıcı olduğunu söylemek de o kadar anlamsızdır. Ancak bu modelin bazı tahminlerinin yanlışlandığını belirtmemiz gerekir. Bazı olası çözümler ortaya atılmış olsa bile henüz deneysel veriler ile doğrulanmamıştır.
• Döngüsel (Loop) Kuantum Kütle Çekim Teorisi, Genel Görelilik Teorisi ve Standart Model’i tek bir teoride birleştiren ve böylece her şeyin teorisi olmaya aday teorilerden biridir. Bu teoriye göre uzay-zaman kuantize edildiği için (yani en küçük uzay ve zaman birimleri Planck Boyutu ve Planck Zamanı olduğu için) Büyük Patlama anında tekillilik söz konusu değildir. Ayrıca bu teori Enflasyon Teorisi ile tutarlı olduğundan zamanın başlangıcı hakkında bize bir şeyler söyleyebilir.
Kaynaklar ve İleri Okuma:
- Scientific American
- Baryon Asymmetry
- Evidence for Acceleration
- Singularity Theorems
- What Caused the Big Bang?
- Princeton University
- The Beginning of the Universe
- Quantum Eternity Theorem
- The No Boundry Proposal
- http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-iii-bgv-theorem/
Türk Vatandaşı Naci BEŞTEPE
