Büyük Patlama Evreni Nasıl oluşturdu?

Artık evrenin genişlediğini bildiğimizden dolayı, kaçınılmaz bir çıkarım da gözlerimizin önüne dek gelmiş oldu: O halde evrenin boyutları geçmişte daha küçüktü. Genişleme süreci, tıpkı geriye sarılan bir film gibi geçmişe doğru takip edildiğinde, astronomlar bundan 13,7 milyar yıl önce tüm evrenin düşünülebilen en küçük taneciğin içine sıkışmış olduğu sonucuna ulaştılar. Birbirlerinden uzaklaşan galaksilere bakarak, her ne kadar yaşlı olsa da, evrenin ezelden beri var olmadığı gerçeğini anladık. Zamanın bir başlangıcı vardı. Yalnızca 1 3,7 milyar yıl önce, tüm madde, enerji, uzay ve zaman, dev bir patlamayla, yani Büyük Patlama’yla oluşmuştu.

Kozmik genişlemenin şaşırtıcı ölçüde basit bir kanuna riayet ettiği anlaşıldı. Her bir galaksi, mesafesiyle doğru orantılı bir hızda Samanyolu’ndan uzaklaşıyordu. Yani Samanyolu’na iki kat daha uzak olan bir galaksi iki kat daha hızlı uzaklaşmaktaydı ya da 10 kat uzaktaki bir galaksi 10 kat hızlı. Hubble yasası olarak bilinen bu bağıntının, boyutları genişleyen ve hangi galaksiden bakarsanız bakın aynı görünen tüm evrenler için kaçınılmaz bir şekilde geçerli olduğu ortaya çıktı.

İçinde kuru üzüm taneleri olan bir kek düşünün. Eğer küçülerek bu üzüm tanelerinden herhangi birinin üzerine kurulabilecek olsaydınız, manzaranız diğer herhangi bir tanecikten görünecek manzarayla aynı olurdu. Dahası, kek bir fırına konarak kabartılsaydı, yalnızca diğer taneciklerin sizden uzaklaştığını görmekle kalmaz, aynı zamanda size olan mesafeleriyle doğru orantılı hızlarla uzaklaştıklarını da fark edebilirdiniz. Hangi üzüm taneciğinin üzerinde olduğunuzun da hiçbir önemi olmazdı; seyredeceğiniz manzara her zaman ve her noktadan aynı olurdu (buradaki tek şart, her zaman kenardan uzakta olmanız için, kekin büyük bir kek olmasıdır). Genişleyen bir evrendeki galaksiler de, kabarmakta olan bir kekin içine dağılmış üzüm tanelerine benzetilebilir.

Ancak tüm galaksilerin bizden uzaklaştığinı gördüğümüzden dolayı, evrenin merkezinde bulunduğumuza ve Büyük Patlama’nın da kozmik arka bahçemizde gerçekleştiğine dair bir varsayımda bulunamayız. Samanyolu değil de bir başka galakside olsaydık da, göreceğimiz manzara değişmezdi; diğer tüm galaksiler yine bizden uzaklaşıyor olurdu. Büyük Patlama burada, şurada ya da evrenin herhangi bir noktasında olmamıştır. Aynı ayda her yerde olmuştur. 16. yüzyıl filozofu Giordano Bruno’nun dediği gibi: “Evrende, merkez ya da çevre olarak adlandırılabilecek bir yer yoktur, çünkü her yer merkezdir.”

Aslına bakılacak olursa, Büyük Patlama terimi gerçekleşen olayı tanımlamada bir parça yanlış kaçıyor. Çünkü aşina olduğumuz hiçbir türden patlamayı andırır bir tarafı yok. Mesela bir dinamit infilak ettiğinde, patlama sabit bir noktadan çıkar ve etkisi, halihazırda var olan bir uzayda genişleyerek ilerler. Büyük Patlama ise tek bir noktada olmamıştır ve patlamadan önce var olan bir uzay yoktur! Her şey -uzay, zaman, enerji ve madde- Büyük Patlama’yla oluşmuş ve aynı anda her yönde genişlemeye başlamıştır.

Genişleyen Evren

Fakat zaman içinde Einstein’ın içgüdülerinin yanlış olduğu ortaya çıktı. Evrenin yapı taşlarının galaksiler olduğunu ilk kez ortaya koyan Amerikalı astronom Edwin Hubble, 1929 yılında çarpıcı bir keşfin duyurusunu yaptı. Galaksiler, tıpkı kozmik şarapneller gibi, birbirlerinden uzaklaşmaktaydı. Durağan olmak bir kenara, evrenin boyutları sürekli genişliyordu. Einstein, Hubble’ın genişleyen evren keşfini duyar duymaz, kozmik geri tepme teorisinin geçersiz olduğunu açıklayarak, bunun hayatındaki en büyük yanılgısı olduğunu belirtti.1 Einstein’ın esrarengiz geri tepme kuvveti, galaksilerin uzayda hareketsiz durmalarını hiçbir zaman sağlayamazdı. Arthur Eddington’ın 1930 yılında ortaya koyduğu gibi, durağan bir evren aslında niteliği gereği dengesiz ve kararsız bir durumdadır – tıpkı kendi ucu üzerinde dengede duran bir bıçak gibi. Genişlemeye veya daralmaya başlaması için küçücük bir etki yeterli olacaktır.

Bilim adamları Einstein’ın hatasını yinelemedi. 1922 yılında Rus fizikçi Aleksandr Friedmann, Einstein’in kütleçekim teorisini evren üzerinde geçerli olacak şekilde yeniden ele aldı ve evrenin ya genişlediği ya da daraldığı sonucuna ulaştı. Beş yıl sonra bağımsız bir araştırma sürecinin sonunda, Belçikalı Katolik papaz Georges-Henri Lemaitre tarafından ulaşılan sonuç da Friedmann’ınkiyle aynıydı.

John Wheeler’ın dediği gibi: “Einstein’ın kütleçekimini uzay-zamanın eğriliği olarak açıklaması, tüm zamanların en önemli öngörüsüne ulaşmamızı sağladı: Evrenin kendisi de hareket halindeydi.” Einstein’ın kendi teorisindeki bu inanılmayacak ölçüde önemli mesajı kaçırması ise ironik bir durumdur

Evrenin Bilimi

Einstein’ın kütleçekim, yani genel görelilik teorisi kütlelerin nasıl diğer kütlelere çekildiğini açıklamaktadır. Bildiğimiz en büyük madde bileşimi, evrenin kendisidir. Hiçbir zaman bilimin can sıkıcı ciddi sorunlarından kaçmayan bir bilim adamı olarak, Einstein 1916 yılında kütleçekim teorisini evrenin tümü için geçerli olacak şekilde yeniden ortaya koydu. Böylece evrenin kökeni, evrimi ve nihai kaderi üzerine yoğunlaşan evrenbilim alanının da (bir diğer ifadeyle, her şeyin biliminin) kapıları açılmış oldu.

Her ne kadar Einstein’ın kütleçekim teorisinin ardındaki fikirler insanı aldatacak ölçüde basit olsa da, teorinin matematiksel karşılığı kesinlikle basit sayılamaz. Maddenin belli bir dağılımının uzay-zamanı tam olarak nasıl büktüğü konusu üzerinde çalışmak aslında ciddi anlamda zordur. Mesela uzay-zamanda, dönmekte olan bir kara deliğin neden olduğu çarpılmanın hesaplanması, ancak Einstein’ın genel görelilik teorisini yayımlamasından bir yarım yüzyıl sonra, 1962 yılında, Yeni Zelandalı fizikçi Roy Kerr tarafından gerçekleştirilebildi.

Tüm evrenin uzay-zamanı nasıl büktüğü hakkında fikir yürütmek, maddenin uzayda nasıl dağıldığına yönelik basitleştirici varsayımlar yapmaksızın imkansız olurdu. Einstein, gözlemcinin evrenin neresinde bulunduğunun bir önemi olmadığını varsaydı. Diğer bir ifadeyle, nerede bulunursanız bulunun evrenin aynı özelliklere sahip olduğunu ve nereden bakarsanız bakın, her yönden az çok aynı görüneceğini.

Devamını oku “Evrenin Bilimi”

Evren ne renktir?

Şapkadan beyaz bir tavşan çıktı. Ancak inanılmaz büyüklükte bir tavşan olduğundan, numaranın tamamlanması milyarlarca yıl sürdü.

Jostein Gaarder

Bunlar yüksek teknoloji ürünü gözlükler. Normalde insan gözünün göremediği her türden ışığı görmek için üretilmiş. Yalnızca çerçevesi üzerindeki bir düğmeyi döndürerek gözlüğünüzü “ayarlayabilirsiniz.” Yıldızlarla kaplanmış soğuk bir gecede, bu gözlükleri de yanınıza alarak kendinizi dışarı atıyorsunuz.

Gördüğünüz ilk şey, güneşten çok daha sıcak yıldızlardan kopup gelen ışıkların kapladığı, morötesi bir gökyüzü oluyor. Aşina olduğunuz bazı yıldızlar ortalıktan kaybolmuşken, daha önce hiç görmediğiniz yenileri, etraflarında bulutsu oluşumlarla görüntüye dahil olmuş. Ancak gökyüzünün en etkileyici tarafı, çıplak göz için de etkileyiciliğini koruyan özelliği.

Gökyüzü çoğunlukla siyah.
Eliniz gözlüğünüzün düğmesine gidiyor.
Artık kara delikler gibi egzotik cisimlerin üzerinde girdap oluştururken, yüzbinlerce dereceye ulaşacak kadar ısınan gaz tarafından yayılan yüksek enerjili ışığı, yani X-ışınlarını görebiliyorsunuz. Bir kez daha, gökyüzünün en çarpıcı tarafı, çoğunlukla siyah olması.

Düğmeyi ters yönde tekrar çevirdiğinizde, morötesi ve normal modu geçerek, gözlüğünüz kızılötesi moduna geçiyor. Artık, güneşten çok daha soğuk yıldızlardan yayılan ışığı görebiliyorsunuz. Şimdi baktığınız gökyüzü, sönmüş yıldızlardan geriye kalan korlarla süslenmiş durumda. Çok yakın zamanlarda doğdukları için, halen titrek bir ışık veren plasenta gazlarıyla sarılı durumda yıldızlara ve ölüm ıstırabı çeken şişmiş kırmızı devlere bakıyorsunuz. Ancak gökyüzü yeni bir yıldız nüfusu tarafından aydınlanmış olsa da, en çarpıcı özelliği aynı. Çoğunlukla siyah.

Düğmeyi döndürmeye devam ediyorsunuz. Artık, radarlarda, mobil telefonlarda ve fırınlarda kullanılan mikrodalgalara bakıyorsunuz. Ancak tuhaf bir şey oluyor. Yoksa gökyüzü mü daha bir parlaklaştı ? Hatta yalnızca bir parçası da değil, tümü!

Gözlüğü çıkarıp gözlerinizi ovuşturuyor ve ardından yeniden takıyorsunuz. Fakat değişen hiçbir şey yok. Şimdi gökyüzü, bir ucundan diğer ucuna, inci gibi bir beyazlıkla aydınlanıyor. Düğmeyi çevirmeye devam ediyorsunuz, ancak değişen tek şey, gökyüzünün daha da parlaması oluyor. Sanki uzayın tamamı kızışıyor. Kendinizi dev bir ampulün içinde hissediyorsunuz.

Yoksa gözlükler mi bozuk? Hayır hayır, mükemmel durumdalar. Gördüğünüz şey, kozmik ardalan ışımasından (cosmic background radiation) başka bir şey değil; yani evrenin 13,7 milyar yıl önce doğduğu ateştopundan geriye kalan gösteriye bakıyorsunuz. İnanılmaz bir şekilde halen uzayın her bir gözeneğine nüfuz edebiliyor. Fakat evrenin genişlemesiyle epey bir soğumuş durumda olduğundan, görünebilir ışık olarak değil, düşük enerjili mikrodalgalar olarak kendisini açığa vuruyor. İster inanın ister inanmayın, ardalan ışıması günümüzün evrenindeki tüm ışığın yüzde 99’unu oluşturmaktadır. Ve aynı zamanda, evrenin devasa bir patlamayla oluştuğuna yönelik tartışılmaz bir kanıttır.

Kozmik ardalan ışıması 1965 yılında keşfedildi. Ancak Büyük Patlama’ya yönelik fikrimiz daha öncesine dayanıyor. Aslında ilk adım Einstein tarafından atıldı.

Genel Göreliliğin Tuhaflıkları

Genel görelilik inanılmaz ölçüde şık bir teoridir. Bununla birlikte, teorinin, belli bir kütlenin dağılımının neden olduğu uzay-zamandaki bükülmeyi saptamak gibi bazı durumlara uygulanması da aynı ölçüde zordur. Bunun nedeni teorinin döngüsel olmasıdır. Madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler. Bükülen uzay-zaman da maddeye nasıl hareket edeceğini. Hareket eden madde, uzay-zamana bükülmesini nasıl değiştireceğini söyler ve bu durum sonsuza dek sürer. Yani teorinin merkezinde bir tür yumurta-tavuk paradoksu bulunmaktadır. Fizikçiler bu durumu nonlineerlik olarak adlandırıyor ve nonlineerlik teorisyenler için ciddi bir sıkıntı kaynağı.

Nonlineerliğin ortaya çıktığı durumlardan birini, kütleçekiminin de bir kütleçekimi kaynağı olduğu gerçeğinde gördük. Eğer kütleçekimi daha fazla kütleçekimi üretebiliyorsa, üretilen bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturabilir ve bu böyle devam eder. Ancak üretilen ilave kütleçekimleri aslında o kadar zayıftır ki, bu artış bir yerde durur. Neyse ki kütleli bir cisim tarafından üretilen kütleçekimi genellikle iyi huyludur. Genellikle ama her zaman değil.

Bazı büyük kütleli yıldızlar yaşamlarını harikulade bir şekilde tamamlar. Yıldız kendi kütleçekimiyle çökmeye yönelimini, içindeki sıcak gazın dışarı doğru uyguladığı basınçla dengeler. Fakat bu basınç ancak yıldız ısı ürettiği sürece geçerli olacaktır. Isı üretmede kullandığı yakıt tümüyle tükendiğinde, yıldız da büzülmeye başlar. Bir sonraki aşama ise genellikle başka bir tür basıncın devreye girerek yıldızı bir beyaz cüceye ya da nötron yıldızına çevirmesidir – yani aşırı yoğunluğa sahip yıldız korlarına. Fakat yıldız çok büyük bir kütleye sahipse ve kütleçekimi de çok kuvvetliyse, hiçbir kuvvet yıldızın tek bir noktaya dönüşene dek büzülmesini engelleyemez. Fizikçilerin bildiği kadarıyla, bu türden yıldızlar kelimenin tam anlamıyla mevcudiyetten silinir. Ancak arkalarında bir hatıra bırakmayı da ihmal etmezler: kütleçekimlerini.

Şu anda bahsettiğimiz şey, yani kara delikler genel göreliliğin tüm öngörüleri içinde belki de en tuhaf olanıdır. Kara delik, ışığın bile kaçamayacağı kadar kuvvetli bir kütleçekiminin geçerli olduğu uzay-zaman kesimidir. Zaten ışık yaymıyor oluşları nedeniyle kara delik olarak adlandırılırlar. “Uzay-zaman kesimi” dememizin sebebi ise yıldızın kütlesinin tamamen ortadan kaybolmuş olmasıdır.

Kütle olmadan kütleçekimi nasıl olabilir? Durum şu ki, kütleçekimine yol açan sadece kütle değil, aynı zamanda enerjidir de. Kara delik için konuşacak olursak, kendi kütleçekimi daha fazla kütleçekiminin oluşmasına neden olur, bu ilave kütleçekimi de yeniden kütleçekimi oluşturur ve kara delik, kendisini ayakkabı bağlarından çekerek havada duran bir adam gibi, varlığını sürdürür. Uzay-zaman açısından, kara delik kelimenin somut anlamıyla bir deliktir. Güneş gibi bir yıldız kendisini çevreleyen uzayzamanda yalnızca ufak bir çukur oluştururken, kara delik, bir kez içine düşen cismin bir daha asla kurtulamadığı dipsiz bir kuyu meydana getirir.

Nobel ödüllü fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar kara deliklerle ilgili olarak, “Doğanın kara delikleri evrendeki en mükemmel makroskopik cisimlerdir, kara delikleri oluşturan elementler yalnızca uzay ve zaman kavramlarımızdır,” demiştir.

Ultra-büyük kütleçekimleri nedeniyle, kara delikler genel göreliliğin en dramatik etkilerini göstermektedir. Çevrelerinde “olay ufku” (event horizon) olarak bilinen bir yüzey bulunur. Bu yüzey, kara deliğe yaklaşan cisimlerin kurtulma şansının kalmadığı sınırdır. Olay ufkuna yaklaştığınızda, ardınızdan gelen ışık gözlerinize ulaşmadan önce kara deliğin içinde eğrileceğinden dolayı, kafanızın arkasını görebilirsiniz. Eğer bir şekilde olay ufkunun hemen dışında asılı kalma şansımız olsaydı, zaman bizim için öylesine yavaş akardı ki, teoride evrenin tüm geleceğini, gözlerimizin önünden hızlı çekim geçen bir film gibi seyredebilirdik.

Devamını oku “Genel Göreliliğin Tuhaflıkları”

Genel Göreliliğin Sonuçları

Zamanın genleşmesi, Einstein’ın genel görelilik teorisinin çığır açıcı öngörülerinden yalnızca birisidir. Bir diğeri ise az önce değindiğimiz, kütleçekimsel dalgaların mevcudiyetidir. Bu dalgaların var olduğunu biliyoruz, çünkü astronomlar, en azından biri nötron yıldızı olan bir yıldız çiftini gözlemlediklerinde, bu yıldızların birbirlerine doğru sarmal oluştururlarken enerji kaybettiklerini fark etmiştir. Bu enerji kaybı ancak kütleçekimsel dalgalar tarafından taşınıyor oldukları takdirde açıklanabilir.

Günümüzde, kütleçekimsel dalgaların doğrudan tespit edilebilmesi üzerinde çalışılıyor. Bu dalgaların, uzayı dönüşümlü olarak gerip sıkıştırmaları gerektiği düşünüldüğünden, dalgaları tespit etmek için kurulan deney düzeneklerinde birkaç kilometre uzunluğunda dev “cetveller” kullanılıyor. Cetveller ışıktan yapılıyor olsa da, bu düzeneğin ardındaki fikir oldukça basit – kütleçekimsel dalgalar bizi geçerken, cetvellerin uzunluklarında oluşan değişiklikleri tespit etmek.

Einstein’ın teorisinin, şu ana dek üzerinde yorum yapmadan geçtiğimiz bir diğer öngörüsü de, ışığın kütleçekimi tarafından eğilmesidir. Bu eğilmenin nedeni, ışığın dört boyutlu uzay-zamanın bükülmüş coğrafyasını takip etmek durumunda olmasıdır. Her ne kadar Newton’un kütleçekim kanunu bu türden bir etkinin mevcudiyetini ortaya koymasa da, bu kanun -ışık da dahil olmak üzere tüm enerji türlerinin etkin kütleye sahip olduğuna yönelik özel görelilik fikriyle birleştirildiğinde, bunun böyle olması gerektiği ortaya çıkıyor. Işık, güneş gibi büyük kütleli bir cismi geçerken, yıldızın kütleçekiminin etkisine maruz kalarak rotasından hafif bir şekilde sapar.

Devamını oku “Genel Göreliliğin Sonuçları”

Genel Görelilik nedir?

Einstein’ın kütleçekimini nasıl yeniden ele aldığı artık açıklığa kavuşmuş olmalı. Kütleler, örneğin güneş gibi yıldızlar, etraflarındaki uzay-zamanı büker. Bu durumda, diğer kütleler, örneğin dünya gibi gezegenler, kendi eylemsizlikleri altında ve bükülmüş uzay-zaman içerisinde serbest bir şekilde hareket eder. İzledikleri rotalar eğiktir, çünkü bunlar bükülmüş bir uzay içinde olası en kısa rotalardır. Bu kadar. Genel görelilik teorisi budur.

Ancak şeytan ayrıntılarda gizli. Gezegen gibi kütleli bir cismin bükülmüş uzay içerisinde nasıl hareket ettiğini biliyoruz. Mümkün olan en kısa rotayı izliyor. Peki ama, güneş gibi bir kütle, etrafındaki uzay-zamanı tam olarak nasıl büküyor? Einstein’ın bu soruyu cevaplaması 10 yıldan daha uzun bir zaman aldı; konunun detayları ise telefon rehberi büyüklüğündeki bir kitabı doldurabilirdi. Yine de Einstein’ın genel görelilik teorisini oluştururken yola çıktığı noktayı anlamak o kadar da güç değil. Aslında bu nokta, eşdeğerlik ilkesi.

Yeniden camları karartılmış mekik içindeki çekiç ve tüye dönelim. Astronot için bu iki cisim kütleçekiminin kuvvetiyle zemine düşüyorlarmış gibi görünecektir. Ancak deneyi mekiğin dışından takip eden birisi, çekiçle tüyün yalnızca havada asılı olduklarını ve kabin zemininin bu cisimlerle karşılaşmak için yukarı doğru ivmelendiğini görecektir. Cisimler tamamen ağırlıksızdır.

Bu gözlem temel bir öneme sahip. Serbest düşüş içerisinde olan bir cisim kütleçekimi hissetmez. Bir asansörün içinde olduğunuzu ve kabloların koptuğunu düşünelim. Asansör düşerken, ağırlığınız olmaz. Kütleçekimini hissetmezsiniz.

Devamını oku “Genel Görelilik nedir?”