Evren: Bir Biyografi – John Gribbin

 

“Evren, küçük bir ateş topundan bugünkü büyüklüğüne nasıl geldi? Büyük Patlama her şeyin başlangıcı mı? Dünya üzerinde yaşam nereden geldi? Gezegenler nasıl oluşur? Sonumuz nasıl gelecek? Hepsi bir yana, bütün bunları nasıl bilebiliyoruz? Bilim ve bilim insanları üzerine yazan, İngiltere’nin en popüler yazarlarından John Gribbin tüm zamanların en ihtişamlı biyografisini, Evrenin biyografisini başından sonuna (ve ötesine) anlatıyor. Bu anlatılan bizim, etrafımızdaki dünyanın hikâyesidir. Gribbin, 14 milyar yıl önceki Büyük Patlamadan yıldızların ve galaksilerin oluşumuna, hayatın ilk kıpırtılarından kara maddeye, kara enerjiden her şeyin teorisine ve gelecekteki Büyük Çöküş veya Büyük Yırtılma ihtimallerine kadar Evrenimizle ilgili her konuyu masaya yatırıyor.” Evren: Bir Biyografi’den okuma parçası yayımlıyoruz.

Evren Nasıl Doğdu?

Yaygın kabul edilen görüş,  içinde bulunduğumuz Evrenin, adına “Büyük Patlama” dediğimiz, sıcak ve yoğun bir ateş topundan ortaya çıktığıdır. 1920’li ve 1930’lu yıllarda astronomlar galaksimizin, basit bir ifadeyle yıldızlardan oluşmuş bir ada olduğunu, kendisine benzeyen birçok galaksinin ortasında bulunduğunu ve bütün galaksilerin, aralarındaki boşluk genişledikçe birbirlerinden uzaklaştığını keşfettiler. Aslında, genişleyen bir Evren fikri Einstein’ın

1916 yılında tamamladığı genel görelilik teorisinin öngörülerinden biriydi, fakat gözlemler doğrulayana kadar ciddiye alınmamıştı. Ciddiye alındığı vakit, matematikçiler genel görelilik denklemlerinin gözlemlenen genişlemeyi tam olarak açıkladığını fark ettiler. Eğer galaksiler birbirlerinden uzaklaşıyorsa, zamanı geriye sardığımızda birbirlerine yaklaşmaları ve en sonunda bütün Evrenin yoğun bir ateş topuna sığması gerekir. Teori ve gözlemin birlikteliği, Büyük Patlama fikrini bu kadar çekici kılmaktadır. Büyük Patlamaya ilişkin kesin kanıt 1960’lı yıllarda radyo antenlerinin yakaladığı belli belirsiz cızırtıyla ortaya çıktı. Bu cızırtı, bilinen ismiyle kozmik ardalan ışınımı, uzayda her yönden geliyordu ve büyük patlamadan artakalan ışınımın kendisi olarak yorumlandı. Tıpkı Evrenin genişlemesinin açıklanması gibi, ardalan ışınımı da deneysel olarak gözlemlenmeden önce, bir öngörüydü sadece. Gözlemler ve teorinin işbirliği sayesinde, yirminci yüzyılın sonunda anlaşıldı ki Büyük Patlamadan günümüze 14 milyar yıl geçmişti ve aynı bizimkine benzer, yüzlerce milyon galaksi tüm Evrene dağılmış haldeydi. Kozmologların şimdi sorduğu soru “Büyük Patlama”nın nasıl harekete geçtiğidir. Daha doğrusu, Evren varoluşuna nasıl başladı?

Bu soruyu cevaplamak için kozmologların başlangıç noktası, genişleyen Evreni gözlemlerken öğrendikleri ile Einstein’ın genel görelilik teorisinden doğan uzay ve zaman anlayışını birleştirdikleri, kendi standart modelleriydi. Bu modeli inşa ederken astronomların en büyük yardımcısı ışıktı. Işık boşlukta sabit bir hızla hareket ettiğinden dola- yı, milyonlarca ışık yılı uzaktaki galaksilere baktığımızda, onlardan çıkan ışık bize daha yeni ulaştığı için, onların milyonlarca yıl önceki hallerini görmekteyiz. Güçlü teleskoplar sayesinde astronomlar Evrenimizin çok daha gençken neye benzediğini görebiliyorlar ve kozmik ardalan ışınımı sayesinde ateş topunun son anlarını (radyo teleskoplar sayesinde) görebiliyoruz.

Sanki bir filmi geri sarar gibi Evrenin genişlemesini geriye doğru sarabilecek olsaydık, Evrendeki her şeyin, adına tekillik denilen sonsuz yoğunluktaki tek bir noktada birleşeceğini görürdük. Evrenimizin doğuşuna ait bu görüntü Einstein’ın genel görelilik teorisi tarafından da desteklenmektedir, çünkü genel görelilik Evrenimizin gerçekten de bir tekillikten doğmuş olması gerektiğini söylemekte. Fizikçiler için bu rahatsız edici bir fikirdir; daha önce belirttiğimiz gibi, fizikçiler tekillikler ve sonsuzluklar gibi fikirlerden rahatsız olurlar. Onların Evrenimizdeki varlığını öngören teorilerin de hatalı olduğunu düşünürler. Bu genel görelilik teorisi için bile doğrudur. Genel görelilik biz Evrenin neredeyse sonsuz yoğunluktaki bir durumdan nasıl doğduğunu anlatabilir, ama en başta, Büyük Patlama anında bize ne olduğunu anlatamaz.1 Kozmolojinin standart modeli bize bu anın yaklaşık 14 milyar yıl önce olduğunu anlatır ve o andan sonra olan her şeyi tarif edebilir. İşte tam o anı genel teorinin sıfırıncı saniyesi olarak ayarlayıp, Evrenin evrimini açıklamak için zamanı ileriye doğru sarabiliriz.

Şu ana kadar gözlemleyebildiğimiz en eski zaman kozmik ardalan ışınımının başlangıcıydı, bu da Büyük Patlamadan birkaç yüz bin yıl sonrasına denk gelmekte. Bahsettiğimiz zamanda bütün Evren, yaklaşık olarak güneşimizin yüzeyiyle aynı sıcaklıkta, birkaç bin santigrat derece olan (teknik olarak plazma olarak adlandırılan) sıcak gazla doluydu. Bütün Evren şimdikinin binde biri kadardı ve plazmanın içinde ne şimdiki yıldızların ne de şimdi ki galaksilerin ölçeğinde bir cisim vardı. Ardalan ışınımını gözlemlediğimizde, resmin belli noktalarında çok az da olsa sıcaklık farkları olduğunu görüyoruz. Bu da bize, Evren bir ateş topuyken oluşan düzensizliklerin boyutu ve doğası hakkında bir fikir veriyor. Ardalan ışınımında gözlemlediğimiz düzensizlikler, tam olarak galaksilerin ve galaksi gruplarının kökenini açıklayacak boyutta ve şekildedir. O düzensizlikler, bugün Evrende gözlemlediğimiz yapının içinden çıktığı tohumlardır. Bu konuya, ilerideki bölümlerde daha fazla değineceğiz. Kozmik ardalan ışınımında gözlemlediğimiz düzensizlikler bize, Evren daha çok gençken ve genel teorinin işlemediği zaman var olan düzensizlikler hakkında fikir vermektedir.

Bu düzensizlikler hakkında bahsedilmesi gereken ilk ve en önemli şey, düzensizliklerin gerçekten çok küçük olduğudur. O kadar küçüktürler ki, en başta onları ölçmek nerdeyse imkânsızdı; ışıma uzayda her yönden bize aynı biçimde geliyor gibiydi. Bu da bütün standart modelin çökmesi demekti; zira ışıma gerçekten bu kadar düzenli olsaydı eğer, Büyük Patlamanın ateş topundaki düzensizlikler, o düzensizliklerden doğacak galaksiler ve dolayısıyla bizler de var olamazdık. Astronomlar insanların dünya üzerinde olduğunu gördüklerinden, kozmik ardalan ışınımında düzensizlikler olması gerektiğine kanaat getirdiler. Tek sorun, o düzensizlikleri ölçecek hassasiyette cihaz geliştirememeleriydi. Ardalan ışınımının ilk gözlemlenmesinden yaklaşık otuz yıl sonra, 1990’ların başında, NASA’nın COBE Uydusu ardalan ışınımında gerçekten dalgalanmalar olduğunu ortaya koyabilecek kadar hassas ölçümler yapabildi. Bu keşfin ardından iki önemli soru doğurdu: Neden ardalan ışınımı bu kadar düzgün? Ve dalgalanmalar nasıl oluştu?

İlk soru göründüğünden daha derindir, çünkü Büyük Patlamadan 14 milyar yıl sonra, bugün bile hâlâ Evrenimiz neredeyse çok düzgün. Bu çok bariz bir gözlem değildir; hele ki galaksimiz Samanyolu’nun parlaklığı ile diğer galaksiler arasındaki boşluğun karanlığı arasındaki zıtlığı düşünürseniz. Evrenimizi daha geniş ölçekte gözlemlediğinizde ise bu düzgünlük fark edilir hale gelir. Evrenimizdeki düzgünlük mükemmel değildir, fakat galaksilerin dağılımına baktığınızda bile sanki bir mozaik kekteki düzgünlüğü görürsünüz. Kekten keserek çıkardığınız iki dilim birebir aynı değildir, fakat birbirlerine çok benzerler. Aynı şekilde, Evrenin herhangi bir yerinin fotoğrafını çekip, bambaşka bir yerde aynı ölçekte çekilmiş fotoğrafla karşılaştırdığınızda benzerliği görebilirsiniz. Ardalan ışıması daha da düzgündür, gökyüzünün neresine bakarsınız bakın, sadece yüzde bir farklılıkla, her yerde aynı gözükür. Büyük Patlamadan bu yana Evrenin her kısmının birbirleriyle etkileşime girip, birbirlerini bu şekilde düzgün hale getirecek vakit geçmediğini düşünürsek eğer, bu gözlemin ardındaki derinlik daha iyi anlaşılır.

Gökyüzünün bir tarafında gözlemlediğimiz ardalan ışınımının bize ulaşması 14 milyar yıl sürmüştür, diğer bir tarafında gözlemlediğimiz ışınımın da bize ulaşması aynı süreyi almıştır ve her iki ışınım da neredeyse aynı sıcaklıktadır. Işımanın ışık hızında yol aldığını ve hiçbir şeyin ışık hızını aşamayacağını düşünürsek, gözlemlediğimiz düzgün bir ardalan ışınımını sağlamak için, iki farklı taraftan gelen ışınımların tam olarak kaç derecede olmaları gerektiğini bilemeyecekleri ortadadır. Her ne kadar ateş topunun farklı kısımları birbirleriyle iletişim kurmamış olsalar da, sanki gizli bir el ateş topunun her tarafının aynı olmasını sağlamıştır.

Bu homojenlik, Evrenin aklımızı karıştıran başka bir özelliğine yol açmıştır: Evrenimizin düz oluşu. Genel Görelilik Teorisi uzayın (daha doğrusu, uzayzamanın) maddenin varlığıyla bükülebileceğini söyler. Uzayzamanın bükülmesi, güneş veya dünyamız gibi bir nesnenin çevresinde “kütleçekim” etkisini yaratır. Kozmik açıdan, yıldızların ve galaksilerin arasındaki boşlukta yer alan maddenin birleştirilmiş etkisi Evrenimizde iki farklı sonuca yol açabilir.

Evrenimizin yoğunluğu (kritik yoğunluk denen) belli bir miktar yoğunluktan fazlaysa eğer, üç boyutlu uzay da kendi etrafında bükülmelidir. Bu, aynı iki boyutlu bir yüzeyin küre şekli alabilmek için kendi üstüne kapanması gibidir. Kritik yoğunluğun ne kadar aşıldığı hiç önemli değildir, sadece geçilmesi yeterlidir. Böyle bir uzay sonlu ama sınırsızdır, aynı dünyamızın yüzeyi gibi. Dünyamızın yüzey alanı sınırlıdır, ama herhangi bir kenara veya sınıra gelmeden istediğiniz yönde istediğiniz kadar gidebilirsiniz. Evrenimiz bu şekildeyse eğer, demek ki sınırlı bir hacmi vardır. Herhangi bir yönde istediğiniz kadar ilerleyin, asla bir sınıra varamayacaksınız, ama sonunda başladığınız yere geri döneceksiniz. Bu Evrene “kapalı” Evren denir.

Diğer ihtimal, Evrendeki yoğunluğun kritik yoğunluktan düşük olmasıdır. Ne kadar düşük olduğu hiç önemli değil, sadece altında olması yeterlidir. Böyle bir durumda “açık” bir Evrenimiz var demektir. Bir dağ sırası veya bir atın semeri gibi bükülmüş, ama kendi üstüne kapanmayan ve sonsuza kadar giden bir eğrilik gibi düşünebilirsiniz “açık” uzayı. Böyle bir Evren sonsuz büyüklükte olurdu ve aynı yerden iki kere geçmeden sonsuza kadar düz bir çizgide gidebilirdiniz.

Bu iki olasılığın tam arasında çok özel bir başka bir ihtimal daha var, Evrenimizin düz olma ihtimali. Bu durumda yoğunluk kritik yoğunluğa eşit olurdu. Böyle bir Evren düz ve olabildiğince ince bir kâğıdın üç boyutlu eşleniğidir.

Bu üç olasılık, Evrenimiz için üç farklı kadere yol açar. Kapalı bir Evrende, tüm maddenin kütleçekim etkisi Evrenimizin genişlemesini eninde sonunda durduracak ve Evren, Büyük Patlamayı andıran, bir ateş topuna dönüşecek şekilde çökertecektir. Bu çökme senaryosuna bazen “Büyük Çöküş” denir. Eğer Evrenimiz “açık” Evrense, sonsuza kadar genişlemeye devam edecektir. Evrenin yoğunluğu kritik yoğunluğa eşitse eğer, gittikçe daha düşük ivmeyle genişlemeye devam edecektir. Bu genişleme, çok uzak bir gelecekte ne genişlediği ne de çöktüğü, yani Evrenimizin kütleçekimsel bir bıçak sırtında durduğu bir hale gelene kadar devam edecektir.

20. yüzyılın son çeyreğinde genişleyen Evrene dair yapılan gözlemlerden anlaşıldı ki, eğer kritik yoğunluk 1 olarak tanımlanırsa, Evrenin yoğunluğu 0,1 ile 1,5 arasında bir yerde olmalıydı ki bu da genel teori tarafından izin verilen tek özel yoğunluk değerine çok yakındır. Böyle bir değer aralığı yeterince kafa karıştırıcıydı, zira o zaman Evrenin Büyük Patlamadan, herhangi bir yoğunluk değerine sahip olarak, doğmuş olmasına ihtimal verilmiyordu, fakat kozmologlar Evrenin genişlemesinin, zaman geçtikçe, yoğunluğu kritik yoğunluktan uzaklaştırdığını fark ettiler. Kapalı bir Evren, genişledikçe, daha da kapalı hale gelir ve açık bir Evren de, tam tersi, daha açık hale gelir. Bugün gözlemlediğimiz yoğunluğun bire çok yakın olması, Büyük Patlamadan sadece bir saniye sonra Evrenimizin yoğunluğunun bire çok yakın olması gerektiğine işaret ediyor. Değer, birden sadece bir bölü 1015 kadar (milyon milyarda bir) sapabilir, yani 0,99999999999999 ile 1,000000000000001 arasındaydı. Evrenin tam kritik yoğunlukta başlamasını ve bu kritik yoğunluğun bugün hâlâ sadece bir olmasını sağlayan bir şey olmalıydı. Evrenin, doğumu sırasında, bu kadar homojen ve düz olmaya doğru yol almasını ne sağlamış olabilir?

Genel Görelilik Teorisinin denklemlerini kullanarak, Evrenimizin bir ateş topu olduğu dönemden geriye doğru gidebilir ve daha erken dönemlerindeki sıcaklık ve yoğunluğunu hesaplayabiliriz. Hesaplamaları yaptığımızda, Büyük Patlamanın sadece saniyenin on binde biri kadar sonrasında tüm Evrenin yoğunluğunun bir atomun çekirdeğinin yoğunluğuna (santimetreküpte 1014 gram) ve sıcaklığının da 1012 Kelvine (bin milyar derece) eşit olduğunu bulduk. Atom çekirdeği üzerinde yüz yıldan bu yana çalışıyoruz ve 2. Bölümde anlattığımız üzere, onlarca yıldır bu tür şartlar üzerinde parçacık hızlandırıcılarda çalışıyoruz. Fizikçiler, Büyük Patlama gibi en uç koşullardayken ve Evrenimiz genişleyip soğudukça oluşan daha az zorlu koşullarda, günlük hayattaki maddeye neler olduğundan son derece eminler. Büyük Patlamadan sadece 10-4 saniye sonrasından itibaren maddenin evrimi konusunda kendimizden eminiz. Bunla ilgili detayları daha sonra tartışacağız, şimdi önemli olan Evrenimizin o en baştaki düzgünlüğünün ve yüzeyselliğinin ve daha sonra galaksilere dönüşecek dalgalanmalarının, daha o zaman Evrenimizin dokusuna işlenmiş olmasıdır, zira daha sonra bunları işleyecek bir mekanizma yoktur. Bu da demek oluyor ki hesaplamalarımızı, zamanda daha geriye doğru giderken, bazı hızlandırıcı deneylerinde gözlemlenen sıcaklık (enerji) ve yoğunluğu kapsayacak şekilde genişletmemiz gerekiyor. Daha erken zamanlarda ne olduğunu bildiğimizi düşünüyoruz, ancak hâlâ üzerinde çalışıyoruz. Hesaplamalarımızı Büyük Patlama anına doğru taşıdıkça, daha şüpheli (spekülatif) hale geliyorlar.

Genel Görelilik Teorisi ve teorinin özü olan uzayzaman sürekliliği, kuantum fiziğinin hüküm sürmeye başladığı noktada çöker. Kuantum Teorisine göre, uzay ve zaman kuantize edilmiştir ve (Planck uzunluğu diye bilinen) 10-35 metreden daha kısa mesafeler ve (Planck zamanı olarak bilinen) 10-43 saniyeden daha kısa süreler hakkında konuşmak anlamsızdır. Yani, tekillik (sıfır mesafe ve sıfır zamanda) yoktur ve tüm gözlemlenebilir Evrenin 10-35 metre çapında, 1094 gr/cm3 yoğunlukta ve 10-43 saniye yaşında doğduğunu kafamızda canlandırmalıyız. Bu bağlamda, daha kısa mesafeler, süreler ve daha büyük yoğunluklardan bahsetmemiz anlamsızdır.

Daha sonrasında ne olduğuna dair fikirlerimiz Büyük Birleşik Teorilere dayanır. 2. Bölümde tanımladığımız teorilere göre, Evren doğduğunda bütün kuvvetler bir aradaydı ve hızla birbirlerinden ayrıldılar. Birbirilerinden ayrılmaları sayesinde Evreni, adına şişme (enflasyon) denilen bir süreçle, dışa doğru hızla genişlemesini ve düzleşmesini sağladılar. Bu süreçte düzleştiremedikleri dalgalanmalar ardalan ışınımındaki düzensizlikleri ve galaksi kümelerinin varlığını açıklamakta.

(…)

*Bu okuma parçasının yayını için Alfa Yayıncılık’a teşekkür ederiz.

Soru, yorum ve eleştirilerinizi gönderebilirsiniz.

E-Posta adresiniz yayınlanmayacaktır.