Büyük Patlama!..Fakat Patlayan Neydi?

Nisan 2008'de başladığım GökGünce'de ileti sayım bu yazıyla birlikte 101'e ulaştı. Umarım bu daha uzun süreler boyunca devam eder. Bu yazıyı bloga ilk başladığım zamanlarda benden Sicim Kuramı hakkında Türkçe yazılar yazmamı isteyen sevgili Volkan'a ithaf ediyorum.

Evrenin yaklaşık 14 milyar yıl önce büyük bir "patlama" ile oluştuğu, günümüzde kozmoloji çevrelerinde en çok kabul gören teori olma özelliğini taşıyor. Çok yüksek yoğunlukta ve çok sıcak tekillik (singularity) adı verilen noktadan bütün evrenin oluşması doğal olarak akla bir çok sorular da getiriyor. Bu sorulardan en can alıcısı: "Sürekli Büyük Patlama'dan (Big Bang) bahsediliyor fakat patlayan gerçekten neydi"?

Perimeter Teorik Fizik Enstitusu'ne geçtiğimiz yıl katılan yaptığı çalışmalarla kendini kozmoloji alanında kanıtlamış Neil Turok'un "What Banged"(Patlayan neydi?) seminerini (PIRSA : 08030033 ) izlediğimde kafamda bir süredir cevaplayamadığım sorulara çeşitli matematiksel çözüm önerileri sunduğunu gördüm. Bu matematiksel çözümleri önümüzdeki yıllarda gönderilecek uzay labaratuarlarında test etme imkanlarının olduğunu belirttiğinde ise bizleri heyecan verici günlerin beklediğine bir kez daha şahit oluyorum.

Açık konuşmak gerekirse, evrenin Büyük Patlama ile oluştuğunu iddia eden teori aslında evrenin nasıl oluştuğunu değil, oluştuktan sonra nasıl evrimleştiğini açıklıyor. Oluşumun kendisiyle çok fazla ilgilenmiyor. Evrenin ilk zamanında tekillik (singularity) olarak adlandırılan yüksek enerjili noktanın ters bir bozunma etkisiyle (false vacuum decay) oluşturduğu kuantum dalgalanmaları (quantum fluctuations), oluşumdan saniyenin tirilyonda biri kadar süre sonra başlayan devasa bir şişme (infation) ile evrenin tümüne yayılmış ve zamanla bu dalgalanmalardan oluşan madde kütle çekim etkisiyle bir araya gelerek günümüzde gözlediğimiz yapıları, yıldızları, galaksileri ve galaksi kümelerini oluşturmuştu.

Genişleyen evreni gösteren bir grafik (Kaynak : NASA)

Evrenin daha ilk saniyelerinde başta belirttiğim kuantum dalgalanmalarından temel parçacıklar olan quarklar oluşmaya başlamış ve quarklar da proton ve nötronları oluşturmuştu. Bu oluşum sırasında hem protonlar hem de bunların karşı madde çifti olan anti protonlar oluşmuştu ve ilk saniyelerde oluşan bu proton-anti proton ve elektron-anti elektron çiftlerinin karşlıklı yok olması sonucu (şanslıyız ki proton ve elektronlar bu savaşı kazanmıştır) evren ışıma ile doldu. Evrenin o yoğun döneminde bu ışınlar hareket ederken her cm'de bir elektrona çarpıyorlardı ve yol alamıyorlardı. Bu yüzden ilk 380 000 yıl boyunca evren ışığın dışarıya çıkamadığı opak bir görünümdeydi. Ancak evren yavaşlayarak da olsa genişlemeye devam ediyordu, bu da evrenin gittikçe soğumasına neden oluyordu. Patlamadan 380 000 yıl sonra erişilen sıcaklık elektronların atom çekirdeklerine tutunabilmelerine artık müsaitti ve ışınların önündeki perde böylece kalkmış oldu. Bunun sonucunda evrenin geçmişine dair bir çok bilgi edinebildiğimiz Kozmik Mikrodalga Fon Işınımı (CMB) evrenin her yönüne yayılmaya başladı. Bu ışınım şu anda bile gökyüzünde her noktadan ve sürekli olarak üzerimize yağıyor.

Evrenin 13.7 milyar yıl boyunca evrimini anlatan diyagram

90'lı yılların sonunda NASA tarafından gönderilen WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe )uydusu evrenin ilk zamanlarından gelen bu ışınların haritasını çıkardı ve 70'lerden beri teorisi geliştirilen Büyük Patlama'ya dair bir çok ipucu elde edildi. İşin en güzel tarafı teorilerde önerilen çoğu şey, verilerle oluşturulan grafiklere tek tek oturuyordu. Bu çok büyük bir başarıydı.

WMAP'in Kozmik Mikrodalga Fon Işınını haritası. Hammer projeksiyon tekniği kullanılarak oluşturulan haritada tüm gökyüzü yer alıyor. Haritada yerel yoğunluk farklılıkları (renk farklılıkları) göze çarpıyor. İşte bu alanlar ilkel evrende maddenin yoğunlaşmaya başladığı bölgeler. Şu anda galaksi kümelerinin evrendeki dağılımına baktığımızda bu dağılıma çok benzediğini görüyoruz. Yani bu noktalar ilerde oluşacak galaksilerin birer tohumları.

Teorilerin verilerle bu denli uyuştuğu bir modelde ne gibi sorun olabilirdi ki? Problem aslında evrenin başlangıcındaki şişmedeydi (inflation). Neil Turok konuşmasında bu problemleri sıralıyor:

• Evrenin başlangıcı - tekil bir noktadan geliyor olması tatmin edici değil
• İlk baştaki şişme, enerjisini nerden alıyordu
• Neden evren başladığı gibi şişmeye (inflation) başladı
• Evrenin başlangıcındaki karanlık enerji günümüzdekinden neden 10^100(on üzeri yüz) mertebesinde daha büyüktü

(Karanlık enerji uzay-zamanın bir özelliği olup evrenin hızlanarak genişlemesine sebep olur. 4 milyar yıl önce yoğunluğu maddenin yoğunluğunu geçerek etkisini daha da hissettirmeye başlamıştır. Bu enerjinin doğası halen çözülememiş olmasından ötürü "karanlık" olarak adlandırılmıştır.)

Turok bu problemleri aşmak için uzun süredir Stephen Hawking ve bir çok kozmoloji uzmanıyla çalışmalar yürütüyor ve "Cyclic Model" (Çevrimsel Model) adında bir evren modeli ortaya atıyor. Bu evren modelinde fizikte Süper Sicim Kuramı olarak bilinen kuramın bir parçası olan M Teorisi'nden yararlanıyor. Bu kurama göre bizim parçacık olarak belirttiğimiz proton, elektron, kuark ve ya foton'ların herbirinin noktasal parçacıklar değil birer titreşen sicim olduğu belirtiliyor. Bu teoride iki boyutlu titreşen sicimler olduğu gibi 3 ve daha fazla boyutlu "brane" adı verilen yüzey yapılar da bulunuyor.

Kapalı titreşen sicimler (kırmızı) ve brane (sarı)

Turok teorisinde, 3 boyutlu brane yapıdaki iki evrenin aralarında bir atom büyüklüğünün on üzeri 15'i kadar boşluk (bulk) bulunarak başından beri var olduğunu ve bu evrenlerin birbirlerine yaklaştıklarında çarpışmadan, etkileşerek geri döndüklerini belirtiyor. Evren bir şekilde (quantum doğası gereği) çarpıştıklarında oluşacak olan tekillik noktasından haberdar ve çarpışmadan esnek bir şekilde geri dönüyor.

Brane yapısındaki iki paralel evren, aralarında küçük bir farklı uzay boyutu ile birbirinden ayrılmış

İki paralel Brane Evrenin etkileşmesinin animasyonunu izlemek için tıklayınız

İki brane evrenin birbirine yaklaşması ve etkileştikten sonra uzaklaşması (Kaynak : Sky&Telescope)

Kuramın teknik tarafında bahsedilecek çok şey var fakat bu modelle Turok evrenin başlangıcındaki şişme kuramına ihtiyaç olmadığını ve karanlık enerjinin pozitif olarak ortaya çıkmasının nedenini açıklıyor. Cyclic Evren modelinde bir başlangıç ve ya son yok, sürekli var olan evrenler zaman zaman tekrar yakınlaşarak şişmeye başlıyorlar ve evrimleşiyorlar.

Bu teori matematiksel olarak çok güzel görünüyor, ya gözlemsel kanıtlar ? Evrenin başlangıcındaki bu olay sonucu çok büyük kütle çekim dalgaları yayıldığını ve bu dalgaların mirodalga arka fon ışınımı (CMB) üzerinde belirli bir imza bıraktığını belirtiyor Turok. Bunların da önümüzdeki yıllarda gönderilecek LISA ve Planck deneyleri ile gözlenebileceğini iddia ediyor. Kendi teorisinin karşıtı olan "Büyük Patlama"nın ve şişme kuramının savunucusu olan Stephen Hawking ile Planck uydusunun şişmenin kanıtını bulup bulamayacağına dair iddiaya girmişler bile. Bakalım Hawking karadelik konusunda olduğu gibi tekrar kaybedecek mi?

PI'daki "What Banged" videosunu erişmek için tıklayınız.

Konu ilginizi çekti mi? Aşağıdaki kaynaklardan devam edebilirsiniz :

TIMESONLINE - Exploding the Big Bang
WIRED - Big Bang wasn't the beginning
EDGE - Cyclic Universe
NOVA - The Elegant Universe
Evrenin Zerafeti - Brian Greene (Tübitak Yayınları)
İlk Üç Dakika - Steven Weinberg (Tübitak Yayınları)

Holografik Evren

Etrafımızdaki gerçeklik hakkında filozoflar yıllardır çeşitli önermelerde bulunuyorlar. Permeniedes: "Duyular aldatıcıdır,gerçeği gören sadece akıldır. Çünkü gerçek varlık görülmez, dokunulmaz, işitilmez. Demek ki duyularımızla algılanamaz. O, ancak aklımızla kavranabilir." diyordu; ünlü İngiliz filozof Berkeley de varlığın, gerçekliğin bir algı olduğunu, var olmanın algılanmak olduğunu savunuyordu. Aristotales ise, algıyı doğuran nesnelerin algıdan bağımsız olmaları gerektiğini söylemektedir. Ona göre varlık, algıdan ibaret olmayıp tersine bir şey var olduğu için onun algısı vardır. O halde algılarımız, algılarımızın konusu olan ve algıdan ayrı, ondan bağımsız nesnel, gerçek bir dünyaya işaret eder. Varlık ve gerçeklik üzerine bu felsefik tartışmaların bir de fizik tarafındaki yansımalarına baktığımızda gerçekten kafa karıştırıcı bir konuyla karşılaşıyoruz : Acaba bir hologram evrende mi yaşıyoruz?

Stephen Hawking'in Cambridge'den emekliliğinin ardından çalışmalarını sürdürmeyi düşündüğü Kanada'daki Perimeter Teorik Fizik Enstütüsü'nde geçtiğimiz günlerde başlayan "Black Hole Science Cafes"(Karadelik Bilim Kafeleri) serisinde ilk sunum gerçekleştirildi. Richard Epp ve Robert Macnees 'in konuşmacı olduğu sunumda konu "Hologram Şeklinde Dünya" olarak belirlenmişti. (Hologram, üzerine ışık tutulduğunda içinde 3 boyutlu görüntü oluşturan 2 boyutlu düzlemsel cisimlere deniyor. Özel tekniklerle yapılan hologramlarda 2 boyut üzerinde 3 boyut derinliği rahatlıkla hissedilebiliyor.) Sunumda da evrenimizin gerçekte 3 boyutlu bir hologram yüzeye kaydedilmiş ve bizim 4 boyutlu hissettiğimiz bir yapıda olup olmadığı tartışılıyor.

Peki bu algı biçimine nasıl ulaşılabilmiş? Fizikte süreçleri incelerken elde bulunan en önemli şey bilgidir. Madde ve enerjinin yanında bilginin de fiziksel bir yapısı olduğu kabul edilerek bilginin bir limitinin olup olamayacağı uzun süredir tartışma konusuydu. Burda tartışılan konu, belirli bir alana (örneğin 1 santimetre kare) en fazla ne kadar bilgi koyabileceğimiz. Bilgiyi ölçebilmek için ise klasik termodinamikte kullanılan entropi kavramına başvuruluyor. Entropi, bir sistemin düzensiliğinin ölçüsüdür ve termodinamiğin ikinci yasasına göre fiksel süreçler sonucunda (dış müdehalelere kapalı bir sistemde) entropi hiç bir zaman azalmaz. Termodinamik entropi bilgi için uyarlandığında, bilginin entropisi kodlandığı bit sayısıyla(bilgisayarlarda "bit" halinde kodlanır. 8 bit = 1 bayt) ifade ediliyor. Buradan hareketle belirli bir yarı çapa ve yüzey alanına sahip karadelikler içine sığdırabileceğimiz bilgi sayısını hesapladığımızda bunun karadeliğin hacmi ile değil, yüzey alanıyla orantılı olduğu sonucuna ulaşıyoruz. Yani karadeliğe bir madde (dolayısıyla bilgi) eklediğimizde, eklediğimiz bilgiler sanki hacminin içinde yer tutmuyor, karadeliğin yüzeyinde kodlanıyor...

Karadeliğin olay ufkunu çevreleyen küre üzerinde bilgiler 4 Plank alanı için 1 bit şeklinde kodlanıyor.(Kaynak Scientific American August 2003)

Buradan hareketle çeşitli evren modellerinden yola çıkarak (anti de Sitter space model) karadeliklerdeki bilginin yüzey alanıyla ilişkisi evrene uyarlandığında 4 boyutlu (üç konum boyutu ve 1 zaman boyutu) olarak algıladığımız evrenin belki de 3 boyutlu bir küre üzerine yazılmış bir hologram olabileceği öne sürülüyor. Kuramın ateşli savunucularından Jakob Bekenstein, evrenin 3 boyutlu günlük algımızın ya tamamiyle bir ilüzyon ya da gerçeğin iki farklı alternatifinden sadece birisi olduğunu söylüyor.

Peki bu evren modeli elimizdeki mevcut fizik problemlerine bir çözüm vaad ediyor mu? Uzun süredir evrenin iki farklı bakış açısı olan kuantum ve rölativite kuramlarını birleştirmek için yapılan çalışmalara destek verebileceği gösterilen holografik evren modeli, farklı boyutlardaki olayların birbirleriyle eş olabileceğini ortaya atarak Sicim Kuramı'nda bir çok başarılı matematiksel modelleri kurulan olaylarla tutarlı olduğunu gösterdi.

Etrafımızdaki tüm bu gerçekliği anlamlandırma yolculuğunda bilimin attığı adımlar gün geçtikçe daha da heyecan veriyor fakat öne sürülen her cevabın ardından bir o kadar soru getiriyor olması gerçekliğin saf doğasını kavrayıp kavrayamayacağımız konusunda beni şüpheye düşürüyor. Kavrayamayacak olsak bile varlığın derinliklerine yapılan bu yolculuğun, insanlığın evrendeki yerini anlamlandırma arayışına büyük katkılar sağladığı ortada...

PI'daki bahsi geçen sunumun(The World as a Hologram) videosunu izlemek için tıklayınız.

Konuyla ilgili Jakob Bekenstein'in Scientific American dergisi Ağustos 2003'de yayınlanan "Information in the Holographic Universe" makalesini bulup okumanızı tavsiye ederim.

Stephen Hawking'in karadelikler hakkında "Nature of Space and Time" makalesine erişmek için tıklayınız.(arXiv:hep-th/9409195v1)

Karadeliklerin termodinamik özellikleri için Wikipedia'dan detaylı bilgi edinebilirsiniz.

Ayrıca Varlık Felsefesi'ne başlangıç niteliğinde bir bölümün de bulunduğu Ahmet Arslan'ın "Felsefeye Giriş" kitabını(Adres Yayınları) tavsiye ederim.