Evrenin genişleme sürecini tersten düşünelim. Evren tek bir taneciğe doğru büzülürken, maddesel içeriği de sıkıştırılmış ve sıcak bir duruma geçer. Aslına bakılacak olursa, bu sürecin bir sınırı yok. Evren, genişlemesinin başladığı an olan doğum anında, sonsuz derecede yoğun ve sıcaktı. Fizikçiler herhangi bir değerin sonsuzluğa doğru fırladığı noktaya tekillik demektedir. Standart Büyük Patlama projeksiyonuna göre, evren bir tekillik içinde doğmuştur.
Einstein’ın kütleçekim teorisinin tekillik öngördüğü diğer yer, bir kara deliğin kalbidir. Bu durumda, düşünülemeyecek bir şekilde büzülen bir yıldızın maddesi, en sonunda sıfır hacme sıkışarak sonsuz yoğun ve sıcak bir hale gelir. Zamanında dendiği gibi, “kara delikler, Tanrı’nın sıfıra bölme işlemini yaptığı yerdir.”
İki ayrı ekip, uzak galaksilerdeki “süpernovaları” gözlemliyordu. Ekiplerden biri Amerikalı Saul Perlmutter, diğeri ise Avusturalyalı Nick Suntzeff ve Brian Schınidt yönetimindeydi. Süpernovalar, içinde bulundukları galaksiden bile daha parlak bir ışık yayarak patlayan yıldızlar olduğundan, çok uzak mesafelerden görülebilirler. İki ekibe ayrılmış astronomların gözlemlediği tür ise “Type la” süpernovaları olarak biliniyordu. Bu türden süpernovaların özelliği, patladıklarında hep aynı parlaklık düzeyine çıkıyor olmalarıdır. Bu yüzden, bir diğerine göre daha soluk olan bir süpernovanın daha uzakta olduğunu saptayabiliriz.
Oysa, astronomların gözlemlediği, daha uzakta olan süpernovaların (Dünyaya olan mesafeleri göz önüne alındığında) olması gerekenden daha soluk olduklarıydı. Bunu açıklamanın tek yolu, yıldızın patlamasından itibaren evrenin genişleme sürecinin hızlandığı ve böylelikle gözlemlenen süpernovanın daha uzakta kalarak beklenenden daha soluk göründüğü olabilirdi.
Bu gözlem bilim dünyasında şok etkisi yarattı. O güne dek, galaksileri etkileyen tek unsurun, ortak kütleçekimsel kuvvet olduğu düşünülüyordu. Bu da genişlemeyi yavaşlatan bir şeydi, hızlandıran değil.
Cisimleri ivmelendiren şey yalnızca uzayın kendisi olabilirdi. Sanılanın aksine, uzay boş olamazdı. Bu durumda uzay, henüz bilimin keşfedemediği, evren üzerinde bir tür kozmik geri tepme gücü uygulayan bir “kara enerji” içermeliydi. Bu kuvvet kütleçekimine karşılık gelerek galaksileri birbirinden uzaklaştırıyordu.
Fizikçiler, iş kara enerjinin ne olabileceğini anlamaya geldiğinde, ciddi bir kafa karışıklığı yaşamaktadır. Çıkarabildikleri en iyi teori olan kuantum mekaniği, boş uzayla bağıntılı bir enerji öngörmekteydi. Fakat bu enerji miktarı, Perlmutter’in gözlemlediğinden, 123 sıfırın takip ettiği 1 kadar daha büyüktü! Nobel ödülü adaylarından Steven Weinberg bu durumu, “bilim tarihindeki en büyük başarısızlık” olarak nitelendirmiştir.
Utanç verici bu duruma rağmen, kara enerjinin olumlu bir çıkanını bulunuyor. Şişme kuramının, evrenin kritik kütlede olmasını gerektirdiğini, ancak evrendeki tüm maddelerin toplamının bu kritik kütlenin ancak üçte birini oluşturabildiğini anımsayın. Diğer taraftan Einstein’ın ortaya koyduğu gibi, tüm enerji türlerinin etkili bir kütlesi vardır. Ve kara enerji de buna dahildir. Aslında bu kütlenin, kritik kütlenin üçte ikisine tekabül etmesi mümkündür. Bu durumda, evren kritik kütleye tam olarak sahip demektir, tıpkı şişme kuramının öngördüğü gibi.
Hiç kimse kara enerjinin ne olduğunu bilmese de, olasılıklardan biri, Einstein tarafından öne sürülen boş uzayın geri tepme gücüdür. Bilim dünyasında her şey Einstein’la başlayıp Einstein’la bitiyormuş gibi görünüyor. Ve Einstein’ın en büyük hatasının, aslında en büyük başarısı olduğu anlaşılıyor.
Getirdiği bütün başarılı çıkarım ve açıklamalarına rağmen, Büyük Patlama’nın yalnızca, evrenin süper-yoğun ve süper-sıcak ilk halinden, galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin var olduğu şu anki haline nasıl geldiğinin bir açıklaması olduğunu belirtmekte fayda var. Her şeyin nasıl başladığı ise halen gizemini koruyor.
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.
Her ne kadar Einstein kütleyi, yalnızca enerjinin sayısız türünden biri olarak göstererek indirgemiş olsa da, kütle enerjisinin bir açıdan özel olduğu söylenebilir. Kütle enerjisi, bilinen enerji türleri içinde, en yoğun olanıdır. Aslına bakılacak olursa, E=mc2 de bu gerçeği özetleyen bir denklemdir. Fizikçilerin ışık hızı için kullandığı sembol olan c büyük bir sayıya tekabül eder: saniyede 300 milyon metre. Bu değerin karesini alarak çok daha büyük bir sayıya ulaşırız. Bu denklemin 1 kilogram maddeye uygulanması, 9 x 10^16 joule enerji anlamına gelmektedir ki, bu enerji tüm dünya nüfusunu uzaya fırlatmaya yeter.
Elbette ki, 1 kilogram maddeden bu düzeyde bir enerji elde etmek için, bu maddenin tümünün bir başka enerji türüne dönüştürülmesi gerekir. Bunun için, tüm kütlesinin yok olması gerekir. Güneşteki ya da bir nükleer bombadaki nükleer tepkime, maddenin içinde hapis olan enerjinin ancak yüzde birini ortaya çıkarır. Ancak doğa bundan çok daha iyisini yapabilir.
Kara delikler, kütleçekiminin, ışığın kaçmasına bile müsaade etmeyecek kadar kuvvetli olduğu uzay sahalarıdır. Zaten kara delik olarak anılmalarının nedeni de, ışık yaymıyor oluşlarıdır. Kara delikler, kütleli bir yıldız öldüğünde, geriye kalan kalıntıların tümüyle mevcudiyetten silinene dek büzülmeyi sürdürmesiyle oluşur. Madde, su giderine kapılan su gibi, kara deliğin anaforuna kapıldığında, kendi içindeki sürtünmeden dolayı akkor haline gelene dek ısınır. Bu süreçte enerji kendisini ışık ve ısı olarak dışa vurur. Kara deliğin olası en yüksek hızda dönmeye başladığı özel bir durumda, ortaya çıkan enerji dönmekte olan maddenin kütlesinin yüzde 43’üne eşdeğerdir. Bunun anlamı, maddenin kendi içine çökerek bir kara deliğe dönüşmesinin, güneşe ya da hidrojen bombasına güç veren süreçten 43 kat daha etkili olduğudur.
Yanmakta olan bir parça kömür düşünün. Kömürün dışa vermekte olduğu ısının bir ağırlığı olduğundan, kömür yandıkça kütle kaybeder. Eğer yanma sürecinde oluşan kül ve çıkan gazlar gibi tüm yan ürünlerin ağırlığını ölçebilseydik, kömürün ilk halinden daha düşük bir ağırlığa ulaşırdık.
Kömür yanarken, ısı enerjisine dönüşen kütle enerjisinin miktarı ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte doğada, önemli miktarda kütlenin diğer enerji türlerine dönüştüğü bir yer bulunuyor. Bu yeri, 1919 yılında İngiliz fizikçi Francis Astan atomları “tartarken” tespit etti.
Doğada bulunan 92 atomun her birinin, iki ayrı atomaltı parçacıktan -proton ve nötron- meydana gelen bir çekirdek içerdiğini hatırlayın.6 Bu nükleonların kütleleri aşağı yukarı aynı olduğundan, en azından ağırlığı mevzubahis olduğunda, çekirdeğin tek bir yapı taşından oluştuğu düşünülebilir. Bunu bir Lego taşı olarak düşünelim. Bu bağlamda, en hafif çekirdeğe sahip hidrojen tek bir Lego taşından oluşurken, en ağır element uranyum 238 Lego taşından oluşmaktadır.
19. yüzyılın başlarında, belki de evrenin başlangıcında yalnızca tek bir tür atomun (en basit atom olan hidrojenin) var olduğundan şüpheleniliyordu. Bu düşünceye göre, başlangıç anından itibaren diğer tüm atomlar, hidrojen Lego taşlarının birleşmesi yoluyla oluşmuştu. Bu düşüncenin, İngiliz fizikçi William Prout tarafından 1815 yılında öne sürülen kanıtı ise lityum gibi bir atomun hidrojenden tam olarak altı kat, karbon gibi bir atomun ise hidrojenden tam olarak 12 kat (ve diğer atomlar için de bu şekilde devam etmektedir) daha ağır olduğuydu.
Eşdeğer bir kütlesi (veya ağırlığı) olan enerji üzerine yeterince konuştuk. Kütlenin bir enerji türü olduğu gerçeğinin daha derin sonuçları da var. Bir enerji türü bir başka enerji türüne çevrilebileceğinden, kütle enerjisi başka türlerdeki enerjilere ve tam tersi şekilde, diğer enerji türleri de kütle enerjisine çevrilebilir.
İkinci süreci ele alalım. Bir enerji türünden kütle enerjisi oluşturulabiliyorsa, herhangi bir kütlenin var olmadığı bir yerde, birdenbire kütle oluşabilir demektir. Dev parçacık hızlandırıcılarda olan şey tam olarak bu. Örneğin Cenevre’deki nükleer araştırma merkezi CERN’de, atomların yapı taşları olan atomaltı parçacıklar yeraltındaki bir alanda, ışık hızına yaklaşan hızlarda birbirleriyle çarpıştırılıyor. Bu şiddetli çarpışmada amaç, parçacıkların muazzam düzeydeki hareket enerjisinin kütle enerjisine (bir diğer ifadeyle, fizikçilerin üzerinde çalışmak istediği yeni parçacıkların kütlesine) dönüştürülmesi. Ve çarpışma noktasında, bu yeni parçacıklar (göründüğü kadarıyla) yoktan var oluyor – tıpkı şapkadan çıkan tavşanlar gibi.
Bu olay, bir enerji türünün kütle enerjisine çevrilmesine verilebilecek iyi bir örnek. Peki ama, diğer enerji türlerine dönüşen kütle enerjisi hakkında ne söyleyebiliriz? Böyle bir şey oluyor mu? Evet, hem de her zaman.
Akla gelebilecek en büyük tartıydı bu. Ah, evet, aynı zamanda ısıya karşı da dayanıklıydı. Aslında bu tartı o kadar büyüktü ki, bir yıldızın ağırlığını bile taşıyabilirdi. Ve o gün, en yakınımızdaki yıldızı, güneşi tartıyordu. Dijital panel en sonunda sabitlendiğinde, 2 x 10^27 tonu gösterdi. Yani 2’yi takip eden 27 tane sıfır – 2000 milyon milyon milyon milyon ton! Ancak o da ne, yanlış olan bir şey vardı. Tartının ölçüleri aşırı hassastı. Boyutu ve ısıya karşı dayanıklılığının yanında, bir başka çarpıcı özelliği de buydu. Ancak bir saniye sonra paneldeki rakamlar yeniden sabitlendiğinde, bir önceki değere göre, güneşin ağırlığı 4 milyon ton daha düşük çıktı. Neler oluyordu böyle? Gerçekten, güneş her bir saniye içinde, üzerinden bir süper-tankerin ağırlığını atacak kadar hafifliyor olabilir miydi?
Evet, bu doğru! Güneş, sürekli olarak ısı enerjisi kaybediyor ve uzaya saçılan bu enerji bize ışık olarak ulaşıyor. Ve enerjinin gerçekten de bir ağırlığı var. Böylece güneş dışarı ne kadar ışık verirse, aynı ölçüde hafifliyor. Fakat güneşin gerçekten de devasa olduğunu ve her bir saniye içinde kütlesinin yalnızca 10 milyon milyon milyonda birini kaybettiğini de aklımızdan çıkarmayalım. Bunun anlamı, doğumundan bu yana kütlesinin ancak binde birini kaybettiğidir.
Enerjinin bir ağırlığı olduğu gerçeği, bir kuyrukluyıldızın davranışında açık şekilde görülebilir. Bir kuyrukluyıldızın kuyruğu her zaman güneşi gösterir; tıpkı bir rüzgar tulumunun havada oluşmakta olan fırtınayı göstermesi gibi. Peki bu ikisi arasındaki ortak nokta ne olabilir? Her ikisi de güçlü bir rüzgar tarafından itilmektedir. Rüzgar tulumu için konuşacak olursak, bu, havadan oluşan rüzgardır. Kuyrukluyıldızın kuyruğu içinse, güneşten gelmekte olan ışık rüzgarı.
