Nartaneside
13.Aralık.2017, 11:22
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/universe-1351865_960_720.jpg
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi nedir?
Soru 2. Evren neyin için içinde genişliyor?
Soru 3. Evrenin merkezi neresidir?
Soru 4. Karanlık madde ve karanlık enerjinin evrenimizdeki rolü nedir?
Soru 5. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması nedir?
Soru 6. Evren sonsuz ise Büyük Patlama anında evren nasıl tekillik halinde olabilir?
Soru 7. Neden bu kadar madde varken antimadde yok?
Soru 8. Büyük Patlama bizden önceki bir evrenin çöküşü olabilir mi?
Soru 9. Büyük Patlamadan önce ne vardı?
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/dn25293-2_1200.jpg
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi nedir?
Maalesef isimdeki “patlama” kelimesi çok büyük yanlış anlaşılmalara sebep olabiliyor. Teorinin ismindeki patlamadan kasıt uzayın genişlemeye başladığını belirtmek için kullanılır, herhangi bir maddenin sıkışıp patlaması söz konusu değildir. Büyük Patlama’dan sonra evrenin 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 evrenin başlangıç anındaki sonsuz enerji yoğunluğu olduğunu düşünmektir. Büyük Patlama, Einstein denklemlerinin Friedmann çözümüne göre evrenin genişlemeye başlamasının ilk anıdır. Başlangıç anı bazı koşullar altında tekillik olduğu için uzay ve zamanın başlangıcı olabilir ya da olmayabilir. Bu konuyu Soru 6.’da daha detaylı inceledik. Bu nedenle Büyük Patlama’dan sonraki dönemlerden “evrenin ilk zamanları” olarak bahsetmek yerine “ilksel evren” olarak bahsettik. Soru 6.’da bu konuyu biraz daha inceledik. Örneğin Soru 9.’da daha detaylı olarak anlattığımız ve gözlemlerimizi en iyi açıklayan fakat doğrudan kanıtını henüz bulmadığımız Enflasyon Teorisi’ne göre uzay ve zaman Büyük Patlama’dan önce de vardı.
Bunun yanı sıra Büyük Patlama Teorisi aslında evrenin başlangıcı ile ilgilenmez, sadece evrenin başladıktan Planck zamanı ve sonrasında evrenin 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 evrenin başlangıcı hakkında bir şey söyleyemez. Soru 9.’da daha detaylı bir şekilde cevaplandırdığımız üzere evrenin 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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/ye%C5%9Fil-nokta.jpg
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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta2.jpg
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. Evren neyin içinde genişliyor?
Cevap: Hiçbir şeyin içerisinde. Çünkü genişleyen şey evrenin içindeki bir madde değil evrenin 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. Evrenin hiçbir şeyin içerisinde olmadığı halde genişlemesinin sezgilerimize ters gelmesinin sebebi evrenin kendisini günlük hayatta gördüğümüz herhangi bir nesne gibi dışarıdan bakarak düşünmemizdir. Halbuki evrenin içerisinden bakarak düşünürsek sezgilerimize ters gelen hiçbir şey yoktur.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/over-under_yale-wolf_nothing_2_u_1000.jpg
Kendinizi Soru 1.’de verdiğimiz sayfa analojisindeki iki boyutlu sayfa içerisinde yaşayan bir canlı olarak düşünürseniz evrenin genişlemesi sezgilerinize ters gelmeyecektir fakat ne zaman kendinizi sayfanın dışından bakan bir gözlemci gibi düşünürseniz, o zaman sezgileriniz ile evrenin genişlemesi arasında anlaşmazlık olacaktır. Ancak “evrene dışarıdan bakmak” gibi bir seçenek olmadığından ve evren, zaten var olan her şey anlamına geldiğinden, evrenin başka bir şey içerisinde genişlediğini düşünmek hatalıdır.
Cevabı daha iyi anlamak için başka bir analoji ortaya atalım. Diyelim ki siz, dört duvarı olan bir oda içerisindesiniz. Oda başlangıçta küçükken, odanın gittikçe büyümeye başladığını görüyorsunuz. Bu durumda “odanın dışında ne var” diye sorabilirsiniz. Ancak, eğer evrenimiz bu oda gibiyse, içindekilerle birlikte aslında var olan her şeyi kapsar. Bu yüzden odanın dışı diye bir şey yoktur.
Soru 3. Evrenin merkezi neresidir?
Cevap: Hiçbir yer veya her yer. Bunu daha iyi anlamak için 1. sorudaki defter analojisine geri dönelim. Genişlemeden önceki evren (yeşil noktaları olan sayfa) ile genişlemeden sonraki evreni (pembe noktaları olan sayfa) merkezdeki noktayı sabit olacak şekilde karşılaştırırsak elde edeceğimiz şekil şöyledir:
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta2.jpg
Bu defa iki resmi karşılaştırmayı ortadaki noktanın sol üstündeki noktayı merkez alarak yaparsak şöyle bir şekil elde ederiz:
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta.jpg
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 evrende siz nereden bakarsanız bakın diğer her şey sizden uzaklaşıyormuş gibi gözükür.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/Balloon-universe-expansion.jpg
Neden evrenin 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 yoktur.
Soru 4. Karanlık madde ve karanlık enerjinin evrenimizdeki 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 evrendeki madde yoğunluğunu arttırdığı için evrenin şekline katkısı vardır.
Karanlık enerjinin keşfinden önce evrenin 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 8.’de kısaca bahsettiğimiz gözleme bakabilirsiniz) bize evrenin hızlanarak genişlediğini gösteriyordu. Böyle bir genişlemenin olması için evrende negatif basıncın hakim olması gerekir. İşte bu negatif basınçtan sorumlu olan şeye karanlık enerji diyoruz.
Günümüzdeki verilere dayanarak biliyoruz ki evrenimizin 4.6%’ı Standart Model ile açıklanan bildiğimiz madde, 24%’ü henüz ne olduğunu bilmediğimiz karanlık madde ve 71%’i ise evrenin ivmelenerek genişlemesini sağlayan karanlık enerjiden oluşuyor.
Soru 5. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması nedir?
Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması (KMAI), Büyük Patlama’dan 380 bin yıl sonrasından kalan termal (ısısal) ışımadır. Evrendeki 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 evrenimiz inanılmaz sıcaktı. O kadar sıcaktı ki protonlar, nötronlar ve elektronlar bir araya gelip atomları oluştaramayacak 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 evrende 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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/Broken-TV-graffiti.jpg
Evet, bu görüntünün %1’inde Büyük Patlama’nın kalıntıları vardır.
Soru 6. Evren sonsuz ise Büyük Patlama anında evren nasıl tekillik halinde olabilir?
Büyük Patlama anında evrenimizin tekillik durumunda olup olmadığı bilinmiyor. Hatta o anda evrenimiz 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 evrenin büyüklüğünden kasıt “gözlemlenebilir evrenin” büyüklüğüdür, evrenin kendisinin değil. Büyük Patlama anının belli koşullara uyması halinde tekillik içermesi gerektiğini gösteren bazı teoremler vardır, gelin onlardan ikisine bakalım.
İlki Hawking-Penrose Tekillilik Teoremleri’dir. Bu teoremlerden birine göre güçlü enerji koşulu sağlanan uzay-zaman bölgesinde tekillik 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 tekillik içermek zorundadır. Bu duruma uyan iki yerin olduğu düşünülüyordu: karadelikler ve evrenin başlangıcı. Ancak sonradan pek çok fizik teorisine göre evrenin başlangıç koşullarının güçlü enerji koşuluna uymadığını gösterdiği görüldü. Henüz doğrudan gözlemlenmeyen ancak fizikçilerin büyük çoğunluğunun doğru olduğuna inandığı Enflasyon Teorisi’nde de evrenin başlangıcı güçlü enerji koşuluna uymaz. Bu nedenle fizikçiler artık bu teoremi ciddiye almıyorlar.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/imageeee1.jpg
Çok daha iyi başka bir teorem (Penrose tarafından kanıtlanmış) vardır. Daha iyidir çünkü sadece sıfır-enerji (null energy) koşulu kullanır. Sıfır-enerji koşulu, eğer bir alanın çevresinden geçen ışık hüzmeleri o alanın kütleçekim merkezinden geçmek zorundaysa (kütle çekim merkezinden geçmeden savrulması da mümkün olabilirdi) o alanın kütleçekim merkezinin tekillik içermesi gerektiğini söyler. Ancak bu teoremin iki sorunu vardur: 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 evrenimiz düz ise bu evrenimizin sonsuz olduğunu gösterir fakat evrenimiz düz değil kapalı bir evren ise bu, evrenimizin sonlu olduğunu gösterir. Evrenimizin sonlu olması okuyucu için biraz kafa karıştırıcı olabilir çünkü akla “evrenin sınırına gelirsek ne göreceğiz” gibi bir soru getirebilir. Evrenin 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 demek oluyor. Topun yüzeyinde bir yönde ilerlerseniz bulunduğunuz yere geri dönersiniz. Eğer evrenimiz sonlu ise sınırsız olacaktır, bu nedenle “evrenin sınırı” gibi bir kavram anlamsızdır.
Günümüzde yapılan ölçümler evrenimizin düz veya düze fazlasıyla yakın olduğunu gösteriyor. Ancak evrenimizin 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 9.’da geçen Enflasyon Teorisi bu problemin cevabını veriyor gibi gözüküyor. Bunların yanı sıra Büyük Patlama anında ne olabileceği hakkındaki teoriler için Soru 9.’a bakabilirsiniz.
Soru 7. Neden bu kadar madde varken antimadde yok?
Fizikte bu problem “Baryon Asimetrisi Problemi” adıyla anılır. Problem, gözlemlenebilir evrenimizde maddeye oranla anti-maddenin çok az olmasıdır. Ne mikroskobik ölçekte evreni açıklayan Standart Model, ne de makroskobik ölçekte evreni açıklayan Genel Görelilik Teorisi bu soruya tek başına yanıt veremez. Büyük Patlama’da ortaya çıkan enerji eşit şekilde madde ve antimaddenin 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 mesonunun bozulmasında CP simetrisinin ihlal edildiğini gösteriyor.
Başka bir çözüm ise gözlemlenebilir evreninin dışında anti-maddenin oranının daha yüksek olduğudur. Biz evrende maddenin çoğunlukta olduğu kısımında yaşıyor olsak bile gözlemeyediğimiz 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 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 Göreilik Teorisi ile çelişir, buun yanı sıra hiçbir astronomik gözlem böyle bir anti-kütleçekimin varlığını göstermedi.
Soru 8. Büyük Patlama bizden önceki evrenin 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 evrenimizin bu modele uymadığını düşünmemiz için iki sebep vardır: ilki evrenler genişleyip çöktükçe entropinin sürekli artmasıdır. Eğer evrenimiz sonsuzdan beri çöküp tekrar genişliyor olsaydı evrenin 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, ikinci sebep ise son yıllarda yapılan gözlemlerin evrenimizin çökmüyor aksine gittikçe hızlanarak genişliyor olduğunu göstermesidir.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/physics-questions.jpg
Evrenimizin 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 farklılıkları gözlemleyerek daha uzaktaki nesnelerin daha hızla bizden uzaklaştığını göstermiştir. Bu gözlem de evrenimizin hızlanarak genişlediğini göstermiştir. 2011’de bu gözlemleri yapan üç araştırmacı Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Soru 9. Büyük Patlamadan önce ne vardı?
En çok merak edilen sorulardan biri budur ve sorunun cevabının basitçe “bilmiyoruz”. Evet, bilmiyoruz. Bunun en önemli sebebi Soru 5.’te açıkladığımız üzere evrendeki en eski ışık olan Kozmik Mikro Arkaplan Işıması’ndan öncesini gözleyemiyor oluşumuzdur. Bunun yanı sıra klasik Büyük Patlama Teorisi evrenin başlangıcını bir tekillik olarak görüyor, bu nedenle Büyük Patlama’nın uzayın ve zamanın başlangıcı olduğuna dair yazı veya kitap okuduysanız bu çok normal. Ancak Büyük Patlama ve öncesini açıklayabileceğimiz bazı teorilerimiz ve tahminlerimiz var. Her ne kadar bu yazımızın konusu olmasada 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, yinede cevapların istemsiz bir şekilde bazı yerlerde teknik detaya girdiğini belirtmemiz gerek. Her ne kadar “Büyük Patlama’dan önce ne vardır” sorusu sorması çok kolay bir soru olsa da cevap vermesi hiç de kolay olmayan bir sorudur. Şimdi bazı olası cevaplara 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 fizikçi en iyi kozmolojik model olarak Enflasyon Teorisi’ni kabul ediyor. Bir sonraki cevabımız onun hakkında.
Enflasyon Teorisi, klasik Büyük Patlama Teorisi’de çıkan Ufuk Problemi, Düzlük Problemi, Monopol Problemleri gibi problemlere çözüm getirmesinin yanı sıra evrenin 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 Patlama-ları yaratan bir mekanizma gibi davrandığını gösterir. Bir uzay düşünün, entropisi maksimum seviyede olsun, bu da o uzayın içerisindeki maddenin maksimum düzensizlikte olduğunu gösterir. Bu uzayın düzenli olan çok küçük bir bölgesi katlanarak genişlemeye başlayabilir (şayet teoriye göre enflasyonun nerede ve ne kadar sürede gerçekleşeceği kesin değildir). Bizim de evrenimiz böyle bir bölgeden doğmuş olabilir. Bu da neden gözlemlenebilir evrenin 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 başlaması) önce varolduğuna işaret eder. Ancak BGV Teoremi olarak bilinen 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 neredeyse hiçbir varsayım (Hubble sabitinin ortalama olarak 0’dan büyük olması dışında) 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 düşünüyor çünkü Enflasyon Teorisi, Genel Görelilik Teorisi’nin matematiğine dayalı bir teoridir ve biliyoruz ki evreni (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.”
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/sean_carroll.jpg
Sean Carrol
Ancak bu teorem ile ilgili şöyle bir sıkıntı var; yukarıda da görebileceğiniz üzere teoremin koşullarından biri evrenin sıfır enerjisi olmamasıdır fakat günümüzdeki gözlemler evrenin enerjisinin sıfır ya da sıfıra çok yakın olduğunu gösteriyor.
Mesela Wheeler-DeWitt denklemine göre eğer evrenimiz kapalı ise evrenimizin Hamiltonu (enerjisi de denilebilir) 0’a eşittir. Bu denklem eğer H=0 ise evrenimizin dalga fonksiyonunun da zaman içinde değişmeyeceğini söyler. Bu zamanın aslında bir ilüzyon olduğunu kanıtlar mı? Bilemiyoruz fakat bunun üzerine konuşmak konumuzun dışına çıkmak olur.
Ekyprosic modeli, süper sicim teorisinden ilham almıştır ve Büyük Patlama’dan önce ne vardı sorusuna yanıt vermesinin yanı sıra evrendeki homojenliği (uniformity), şeklinin düz olması, başlangıcının çok sıcak olması gibi sonuçları WMAP ve Planck uydusu deneyleri ile de uyumludur. En iyi avatantajı çoklu-evrenler üretmemesidir. Bu modelin söylediği şey şudur, evrenimiz iki tane üç boyutlu branelerin dört boyutlu uzay içerisinde çarpışması sonucu oluşmuştur. İki branein çarpışmasında kinetik enerjileri kuarkları, elektronları, fotonları vs. meydana getirmiştir. Evren homojendir çünkü çarpışta neredeyse her yerde aynı anda gerçekleşir, branelerin 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 tekillikleri de ortadan kaldırır; buna evrenin başlangıcındaki tekillik de dahil. Hartle-Hawking modeli bir tür Sınırsız (no-boundary) Kuantum Kozmoloji Modeli’dir. Bu modeli çekici kılan şey evrenimizin başlangıç (initial) koşulları ve evrenimizin zaman içerisinde nasıl değiştiği hakkında açıklamaları vardır. 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 birileri Planck Boyutu ve Planck Zamanı’dır) Büyük Patlama anında tekillik söz konusu değildir. Ayrıca bu teori Enflasyon Teorisi ile tutarlı olduğundan zamanın başlangıcı hakkında bize bir şeyler söyleyebilir.
Kaynaklar:
According to the big bang theory, all the matter in the universe erupted from a singularity. Why didn't all this matter--cheek by jowl as it was--immediately collapse into a black hole? - Scientific American (http://www.scientificamerican.com/article/according-to-the-big-bang/)
Baryon asymmetry - Wikipedia, the free encyclopedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon_asymmetry)
Accelerating expansion of the universe - Wikipedia, the free encyclopedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerating_expansion_of_the_universe#Evidence_fo r_acceleration)
Did the Universe Begin? II: Singularity Theorems >> Undivided Looking (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-ii-singularity-theorems/)
What caused the Big Bang? - Quora (https://www.quora.com/What-caused-the-Big-Bang-6)
http://wwwphy.princeton.edu/~steinh/npr/
http://inference-review.com/article/...f-the-universe (http://inference-review.com/article/the-beginning-of-the-universe)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...rnity-theorem/ (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-iv-quantum-eternity-theorem/)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...ndary-proposal (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-viii-the-no-boundary-proposal)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...i-bgv-theorem/ (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-iii-bgv-theorem/)
Alıntı Kaynağı (http://www.kozmikanafor.com/)
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi nedir?
Soru 2. Evren neyin için içinde genişliyor?
Soru 3. Evrenin merkezi neresidir?
Soru 4. Karanlık madde ve karanlık enerjinin evrenimizdeki rolü nedir?
Soru 5. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması nedir?
Soru 6. Evren sonsuz ise Büyük Patlama anında evren nasıl tekillik halinde olabilir?
Soru 7. Neden bu kadar madde varken antimadde yok?
Soru 8. Büyük Patlama bizden önceki bir evrenin çöküşü olabilir mi?
Soru 9. Büyük Patlamadan önce ne vardı?
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/dn25293-2_1200.jpg
Soru 1. Büyük Patlama Teorisi nedir?
Maalesef isimdeki “patlama” kelimesi çok büyük yanlış anlaşılmalara sebep olabiliyor. Teorinin ismindeki patlamadan kasıt uzayın genişlemeye başladığını belirtmek için kullanılır, herhangi bir maddenin sıkışıp patlaması söz konusu değildir. Büyük Patlama’dan sonra evrenin 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 evrenin başlangıç anındaki sonsuz enerji yoğunluğu olduğunu düşünmektir. Büyük Patlama, Einstein denklemlerinin Friedmann çözümüne göre evrenin genişlemeye başlamasının ilk anıdır. Başlangıç anı bazı koşullar altında tekillik olduğu için uzay ve zamanın başlangıcı olabilir ya da olmayabilir. Bu konuyu Soru 6.’da daha detaylı inceledik. Bu nedenle Büyük Patlama’dan sonraki dönemlerden “evrenin ilk zamanları” olarak bahsetmek yerine “ilksel evren” olarak bahsettik. Soru 6.’da bu konuyu biraz daha inceledik. Örneğin Soru 9.’da daha detaylı olarak anlattığımız ve gözlemlerimizi en iyi açıklayan fakat doğrudan kanıtını henüz bulmadığımız Enflasyon Teorisi’ne göre uzay ve zaman Büyük Patlama’dan önce de vardı.
Bunun yanı sıra Büyük Patlama Teorisi aslında evrenin başlangıcı ile ilgilenmez, sadece evrenin başladıktan Planck zamanı ve sonrasında evrenin 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 evrenin başlangıcı hakkında bir şey söyleyemez. Soru 9.’da daha detaylı bir şekilde cevaplandırdığımız üzere evrenin 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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/ye%C5%9Fil-nokta.jpg
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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta2.jpg
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. Evren neyin içinde genişliyor?
Cevap: Hiçbir şeyin içerisinde. Çünkü genişleyen şey evrenin içindeki bir madde değil evrenin 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. Evrenin hiçbir şeyin içerisinde olmadığı halde genişlemesinin sezgilerimize ters gelmesinin sebebi evrenin kendisini günlük hayatta gördüğümüz herhangi bir nesne gibi dışarıdan bakarak düşünmemizdir. Halbuki evrenin içerisinden bakarak düşünürsek sezgilerimize ters gelen hiçbir şey yoktur.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/over-under_yale-wolf_nothing_2_u_1000.jpg
Kendinizi Soru 1.’de verdiğimiz sayfa analojisindeki iki boyutlu sayfa içerisinde yaşayan bir canlı olarak düşünürseniz evrenin genişlemesi sezgilerinize ters gelmeyecektir fakat ne zaman kendinizi sayfanın dışından bakan bir gözlemci gibi düşünürseniz, o zaman sezgileriniz ile evrenin genişlemesi arasında anlaşmazlık olacaktır. Ancak “evrene dışarıdan bakmak” gibi bir seçenek olmadığından ve evren, zaten var olan her şey anlamına geldiğinden, evrenin başka bir şey içerisinde genişlediğini düşünmek hatalıdır.
Cevabı daha iyi anlamak için başka bir analoji ortaya atalım. Diyelim ki siz, dört duvarı olan bir oda içerisindesiniz. Oda başlangıçta küçükken, odanın gittikçe büyümeye başladığını görüyorsunuz. Bu durumda “odanın dışında ne var” diye sorabilirsiniz. Ancak, eğer evrenimiz bu oda gibiyse, içindekilerle birlikte aslında var olan her şeyi kapsar. Bu yüzden odanın dışı diye bir şey yoktur.
Soru 3. Evrenin merkezi neresidir?
Cevap: Hiçbir yer veya her yer. Bunu daha iyi anlamak için 1. sorudaki defter analojisine geri dönelim. Genişlemeden önceki evren (yeşil noktaları olan sayfa) ile genişlemeden sonraki evreni (pembe noktaları olan sayfa) merkezdeki noktayı sabit olacak şekilde karşılaştırırsak elde edeceğimiz şekil şöyledir:
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta2.jpg
Bu defa iki resmi karşılaştırmayı ortadaki noktanın sol üstündeki noktayı merkez alarak yaparsak şöyle bir şekil elde ederiz:
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/x-nokta.jpg
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 evrende siz nereden bakarsanız bakın diğer her şey sizden uzaklaşıyormuş gibi gözükür.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/Balloon-universe-expansion.jpg
Neden evrenin 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 yoktur.
Soru 4. Karanlık madde ve karanlık enerjinin evrenimizdeki 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 evrendeki madde yoğunluğunu arttırdığı için evrenin şekline katkısı vardır.
Karanlık enerjinin keşfinden önce evrenin 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 8.’de kısaca bahsettiğimiz gözleme bakabilirsiniz) bize evrenin hızlanarak genişlediğini gösteriyordu. Böyle bir genişlemenin olması için evrende negatif basıncın hakim olması gerekir. İşte bu negatif basınçtan sorumlu olan şeye karanlık enerji diyoruz.
Günümüzdeki verilere dayanarak biliyoruz ki evrenimizin 4.6%’ı Standart Model ile açıklanan bildiğimiz madde, 24%’ü henüz ne olduğunu bilmediğimiz karanlık madde ve 71%’i ise evrenin ivmelenerek genişlemesini sağlayan karanlık enerjiden oluşuyor.
Soru 5. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması nedir?
Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması (KMAI), Büyük Patlama’dan 380 bin yıl sonrasından kalan termal (ısısal) ışımadır. Evrendeki 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 evrenimiz inanılmaz sıcaktı. O kadar sıcaktı ki protonlar, nötronlar ve elektronlar bir araya gelip atomları oluştaramayacak 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 evrende 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.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/Broken-TV-graffiti.jpg
Evet, bu görüntünün %1’inde Büyük Patlama’nın kalıntıları vardır.
Soru 6. Evren sonsuz ise Büyük Patlama anında evren nasıl tekillik halinde olabilir?
Büyük Patlama anında evrenimizin tekillik durumunda olup olmadığı bilinmiyor. Hatta o anda evrenimiz 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 evrenin büyüklüğünden kasıt “gözlemlenebilir evrenin” büyüklüğüdür, evrenin kendisinin değil. Büyük Patlama anının belli koşullara uyması halinde tekillik içermesi gerektiğini gösteren bazı teoremler vardır, gelin onlardan ikisine bakalım.
İlki Hawking-Penrose Tekillilik Teoremleri’dir. Bu teoremlerden birine göre güçlü enerji koşulu sağlanan uzay-zaman bölgesinde tekillik 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 tekillik içermek zorundadır. Bu duruma uyan iki yerin olduğu düşünülüyordu: karadelikler ve evrenin başlangıcı. Ancak sonradan pek çok fizik teorisine göre evrenin başlangıç koşullarının güçlü enerji koşuluna uymadığını gösterdiği görüldü. Henüz doğrudan gözlemlenmeyen ancak fizikçilerin büyük çoğunluğunun doğru olduğuna inandığı Enflasyon Teorisi’nde de evrenin başlangıcı güçlü enerji koşuluna uymaz. Bu nedenle fizikçiler artık bu teoremi ciddiye almıyorlar.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/imageeee1.jpg
Çok daha iyi başka bir teorem (Penrose tarafından kanıtlanmış) vardır. Daha iyidir çünkü sadece sıfır-enerji (null energy) koşulu kullanır. Sıfır-enerji koşulu, eğer bir alanın çevresinden geçen ışık hüzmeleri o alanın kütleçekim merkezinden geçmek zorundaysa (kütle çekim merkezinden geçmeden savrulması da mümkün olabilirdi) o alanın kütleçekim merkezinin tekillik içermesi gerektiğini söyler. Ancak bu teoremin iki sorunu vardur: 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 evrenimiz düz ise bu evrenimizin sonsuz olduğunu gösterir fakat evrenimiz düz değil kapalı bir evren ise bu, evrenimizin sonlu olduğunu gösterir. Evrenimizin sonlu olması okuyucu için biraz kafa karıştırıcı olabilir çünkü akla “evrenin sınırına gelirsek ne göreceğiz” gibi bir soru getirebilir. Evrenin 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 demek oluyor. Topun yüzeyinde bir yönde ilerlerseniz bulunduğunuz yere geri dönersiniz. Eğer evrenimiz sonlu ise sınırsız olacaktır, bu nedenle “evrenin sınırı” gibi bir kavram anlamsızdır.
Günümüzde yapılan ölçümler evrenimizin düz veya düze fazlasıyla yakın olduğunu gösteriyor. Ancak evrenimizin 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 9.’da geçen Enflasyon Teorisi bu problemin cevabını veriyor gibi gözüküyor. Bunların yanı sıra Büyük Patlama anında ne olabileceği hakkındaki teoriler için Soru 9.’a bakabilirsiniz.
Soru 7. Neden bu kadar madde varken antimadde yok?
Fizikte bu problem “Baryon Asimetrisi Problemi” adıyla anılır. Problem, gözlemlenebilir evrenimizde maddeye oranla anti-maddenin çok az olmasıdır. Ne mikroskobik ölçekte evreni açıklayan Standart Model, ne de makroskobik ölçekte evreni açıklayan Genel Görelilik Teorisi bu soruya tek başına yanıt veremez. Büyük Patlama’da ortaya çıkan enerji eşit şekilde madde ve antimaddenin 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 mesonunun bozulmasında CP simetrisinin ihlal edildiğini gösteriyor.
Başka bir çözüm ise gözlemlenebilir evreninin dışında anti-maddenin oranının daha yüksek olduğudur. Biz evrende maddenin çoğunlukta olduğu kısımında yaşıyor olsak bile gözlemeyediğimiz 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 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 Göreilik Teorisi ile çelişir, buun yanı sıra hiçbir astronomik gözlem böyle bir anti-kütleçekimin varlığını göstermedi.
Soru 8. Büyük Patlama bizden önceki evrenin 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 evrenimizin bu modele uymadığını düşünmemiz için iki sebep vardır: ilki evrenler genişleyip çöktükçe entropinin sürekli artmasıdır. Eğer evrenimiz sonsuzdan beri çöküp tekrar genişliyor olsaydı evrenin 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, ikinci sebep ise son yıllarda yapılan gözlemlerin evrenimizin çökmüyor aksine gittikçe hızlanarak genişliyor olduğunu göstermesidir.
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/physics-questions.jpg
Evrenimizin 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 farklılıkları gözlemleyerek daha uzaktaki nesnelerin daha hızla bizden uzaklaştığını göstermiştir. Bu gözlem de evrenimizin hızlanarak genişlediğini göstermiştir. 2011’de bu gözlemleri yapan üç araştırmacı Nobel Fizik Ödülü almıştır.
Soru 9. Büyük Patlamadan önce ne vardı?
En çok merak edilen sorulardan biri budur ve sorunun cevabının basitçe “bilmiyoruz”. Evet, bilmiyoruz. Bunun en önemli sebebi Soru 5.’te açıkladığımız üzere evrendeki en eski ışık olan Kozmik Mikro Arkaplan Işıması’ndan öncesini gözleyemiyor oluşumuzdur. Bunun yanı sıra klasik Büyük Patlama Teorisi evrenin başlangıcını bir tekillik olarak görüyor, bu nedenle Büyük Patlama’nın uzayın ve zamanın başlangıcı olduğuna dair yazı veya kitap okuduysanız bu çok normal. Ancak Büyük Patlama ve öncesini açıklayabileceğimiz bazı teorilerimiz ve tahminlerimiz var. Her ne kadar bu yazımızın konusu olmasada 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, yinede cevapların istemsiz bir şekilde bazı yerlerde teknik detaya girdiğini belirtmemiz gerek. Her ne kadar “Büyük Patlama’dan önce ne vardır” sorusu sorması çok kolay bir soru olsa da cevap vermesi hiç de kolay olmayan bir sorudur. Şimdi bazı olası cevaplara 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 fizikçi en iyi kozmolojik model olarak Enflasyon Teorisi’ni kabul ediyor. Bir sonraki cevabımız onun hakkında.
Enflasyon Teorisi, klasik Büyük Patlama Teorisi’de çıkan Ufuk Problemi, Düzlük Problemi, Monopol Problemleri gibi problemlere çözüm getirmesinin yanı sıra evrenin 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 Patlama-ları yaratan bir mekanizma gibi davrandığını gösterir. Bir uzay düşünün, entropisi maksimum seviyede olsun, bu da o uzayın içerisindeki maddenin maksimum düzensizlikte olduğunu gösterir. Bu uzayın düzenli olan çok küçük bir bölgesi katlanarak genişlemeye başlayabilir (şayet teoriye göre enflasyonun nerede ve ne kadar sürede gerçekleşeceği kesin değildir). Bizim de evrenimiz böyle bir bölgeden doğmuş olabilir. Bu da neden gözlemlenebilir evrenin 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 başlaması) önce varolduğuna işaret eder. Ancak BGV Teoremi olarak bilinen 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 neredeyse hiçbir varsayım (Hubble sabitinin ortalama olarak 0’dan büyük olması dışında) 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 düşünüyor çünkü Enflasyon Teorisi, Genel Görelilik Teorisi’nin matematiğine dayalı bir teoridir ve biliyoruz ki evreni (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.”
http://www.kozmikanafor.com/wp-content/uploads/2016/07/sean_carroll.jpg
Sean Carrol
Ancak bu teorem ile ilgili şöyle bir sıkıntı var; yukarıda da görebileceğiniz üzere teoremin koşullarından biri evrenin sıfır enerjisi olmamasıdır fakat günümüzdeki gözlemler evrenin enerjisinin sıfır ya da sıfıra çok yakın olduğunu gösteriyor.
Mesela Wheeler-DeWitt denklemine göre eğer evrenimiz kapalı ise evrenimizin Hamiltonu (enerjisi de denilebilir) 0’a eşittir. Bu denklem eğer H=0 ise evrenimizin dalga fonksiyonunun da zaman içinde değişmeyeceğini söyler. Bu zamanın aslında bir ilüzyon olduğunu kanıtlar mı? Bilemiyoruz fakat bunun üzerine konuşmak konumuzun dışına çıkmak olur.
Ekyprosic modeli, süper sicim teorisinden ilham almıştır ve Büyük Patlama’dan önce ne vardı sorusuna yanıt vermesinin yanı sıra evrendeki homojenliği (uniformity), şeklinin düz olması, başlangıcının çok sıcak olması gibi sonuçları WMAP ve Planck uydusu deneyleri ile de uyumludur. En iyi avatantajı çoklu-evrenler üretmemesidir. Bu modelin söylediği şey şudur, evrenimiz iki tane üç boyutlu branelerin dört boyutlu uzay içerisinde çarpışması sonucu oluşmuştur. İki branein çarpışmasında kinetik enerjileri kuarkları, elektronları, fotonları vs. meydana getirmiştir. Evren homojendir çünkü çarpışta neredeyse her yerde aynı anda gerçekleşir, branelerin 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 tekillikleri de ortadan kaldırır; buna evrenin başlangıcındaki tekillik de dahil. Hartle-Hawking modeli bir tür Sınırsız (no-boundary) Kuantum Kozmoloji Modeli’dir. Bu modeli çekici kılan şey evrenimizin başlangıç (initial) koşulları ve evrenimizin zaman içerisinde nasıl değiştiği hakkında açıklamaları vardır. 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 birileri Planck Boyutu ve Planck Zamanı’dır) Büyük Patlama anında tekillik söz konusu değildir. Ayrıca bu teori Enflasyon Teorisi ile tutarlı olduğundan zamanın başlangıcı hakkında bize bir şeyler söyleyebilir.
Kaynaklar:
According to the big bang theory, all the matter in the universe erupted from a singularity. Why didn't all this matter--cheek by jowl as it was--immediately collapse into a black hole? - Scientific American (http://www.scientificamerican.com/article/according-to-the-big-bang/)
Baryon asymmetry - Wikipedia, the free encyclopedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon_asymmetry)
Accelerating expansion of the universe - Wikipedia, the free encyclopedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerating_expansion_of_the_universe#Evidence_fo r_acceleration)
Did the Universe Begin? II: Singularity Theorems >> Undivided Looking (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-ii-singularity-theorems/)
What caused the Big Bang? - Quora (https://www.quora.com/What-caused-the-Big-Bang-6)
http://wwwphy.princeton.edu/~steinh/npr/
http://inference-review.com/article/...f-the-universe (http://inference-review.com/article/the-beginning-of-the-universe)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...rnity-theorem/ (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-iv-quantum-eternity-theorem/)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...ndary-proposal (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-viii-the-no-boundary-proposal)
http://www.wall.org/~aron/blog/did-t...i-bgv-theorem/ (http://www.wall.org/~aron/blog/did-the-universe-begin-iii-bgv-theorem/)
Alıntı Kaynağı (http://www.kozmikanafor.com/)