Konu 4: Büyük Patlama ve Evren Hakkında

“Büyük Patlama evrenin başlangıcını”, gelişimini, makro yapısını, kozmik artalan ışımayı, Hubble yasasını, hafif element çokluğunu vs.yi başarıyla açıklayan bir kuramdır. Genel görelilik denklemlerine göre başlangıçta sıcaklığı ve yoğunluğu “sonsuz olan bir tekillik” çıkar (fakat böyle bir durum fiziksel olarak imkânsızdır, bulunacak olan bir kuantum kütle çekim kuramı buna cevap olabilir). “13,8 milyar yıl önce” evren bu tekilliğin genişlemesiyle oluştu. “Büyük Patlama uzay içerisinde bir patlama değil, uzayın genişlemesidir.”. Evren ilk anlarda homojen (ki günümüzdeki çok büyük ölçeklerdeki homojenlik de buradan gelir), çok sıcak ve çok yoğundu (evrenin ilk anlarında bilinen fizik yasaları geçerli değildir). Şişme’den sonra evren neredeyse tamamen kuark-gluon plazmasından oluşmaktaydı: Sonrasında soğuma başladı. 10^‑6 saniye sonra kuark ve gluonlar birleşerek proton ve nötronlar oluştu: Bunlar ve antileri E=mc² eşliğinde birbirlerine çarpıp enerjiye dönüştüler lakin sadece başlangıçtaki tüm proton ve nötronların -fazladan oluşmuş olan- “∼on milyarda biri” kaldı. 1 saniye sonra elektron ve antileri olan pozitronlar için de benzer bir süreç yaşandı. Birkaç dakika sonra sıcaklık 1 milyar kelvine düştüğünde “döteryum ve helyum çekirdekleri oluşmaya” başladıysa da protonların çoğu hâlen serbestti. “Kozmik radyasyondaki fotonların enerjisi” sıcaklığın düşmesiyle giderek azaldı, öyle ki bu, 379.000 yıl sonra elektronların proton ve (veya) çekirdeklere bağlanıp atomların oluşmasını mümkün kıldı. Bu (hafif) atomların çoğu hidrojen ve helyum olup azı lityumdur. Uzun süre sonra bu atomlar (elementler) kütle çekim etkisiyle bir araya gelip yıldız ve galaksileri oluşturdu: Diğer (ağır) elementler ise bu yıldızlar içerisinde ve (veya) süpernova patlamaları sırasında sentezlendi.^[1]

Evrenin ilk anlarında gerçekleşen Şişme’nin hızı ışık hızından daha hızlıdır. Evrende ışık hızı aşılamaz diyen Einstein’ın hız limiti kuramı burada ihlal edilmez çünkü bu kuram “evrenin kendi genişlemesine uyarlanamaz”. Galaksilerin birbirinden uzaklaşma hızı -aralarındaki mesafeyle de doğru orantılı olarak katlanarak- giderek artmaktadır, öyle ki bu artış başta ışık hızına sonra ışık hızından fazlasına sonra da daha fazlasına ulaşır. Bu durumda o galaksiyle iletişim kurmak da mümkün olmaz. (Işık hızı saniyede 299.792.458 metre ya da saniyede ∼300.000 kilometredir.)

Çoklu Evrenler modelinde Şişme ile oluşmuş farklı fizik yasalarının bulunduğu evrenler olabilir ve bunlar “yan yana duran baloncuklar gibi” de düşünülebilir. Tek evren modelini inşa etmek, çoklu evren modellerini inşa etmekten daha zordur, öyle ki şişme modellerinin birçoğu bizi çoklu evrenlere götürüyor. “Düzenli döngülerle şişme ve sönme yaşayan bir” kozmosta olup şu an bu fazlardan birisinde olduğumuz da ihtimaller arasındadır.^[2]

Büyük Patlama kuramı bomba gibi bir patlama değil, evrenin (uzay, zaman ve enerjinin) oluşması ve genişlemesidir. Kısaca bu kuram ilk “Büyük Patlama anını değil” veya evrenin nasıl, neden ve nereden ortaya çıktığıyla değil, ortaya çıktından sonraki süreçle ilgilenip bunu açıklamaya çalışır. O ilk anda ve hemen sonrasındaki (hayal edilemeyecek kadar kısa bir süre olan) ilk aşamada neler olduğunu “şu an için” bilemiyoruz.

Kuantum Belirsizlik kuramıyla “hiç yoktan” parçacık-anti parçacık çiftleri veya enerji kabarcıkları oluşur ve bunlar kısa sürede kaybolur yani tekrar yok olur. Evrenimiz de bu şekilde bir kuantum dalgalanmasıyla “bir ‘kuantum kabarcığından’ ortaya” çıkmış olabilir: Evrendeki maddenin içerdiği enerji pozitif ve bu maddeye ait (ondan çıkan) kütle çekim alanının enerjisi ise negatif olup bunlar birbirine eşittir (birbirini dengeler) yani 1-1=0’dır [Bu iki fikir 1970’lerde Edward Polk Tryon (1940-2019) tarafından öne sürülmüştü]. Eğer bir madde aşırı derecede yoğunsa kendi kütle çekiminin etkisiyle anında çöker, örneğin bunu kara deliklerde görürüz. O başlangıçtaki çok yoğun olan “kuantum kabarcığı”nın çökmemesi için Büyük Patlama’dan (“zigot” evrenin ortaya çıkmasından) çok kısa bir süre sonra evrenin çok “büyük bir kuvvetle çok hızlı bir şekilde” “aniden katbekat” “daha büyük bir boyuta” “Şişme”si gerekmektedir: Bu, Alan Harvey Guth’un (d. 1947) 1980 yılında öne sürdüğü “Şişme kuramı” olup “Büyük Patlama kuramıyla ilgili” çokça soruya çözümler getirdi. Bu kurama göre “Büyük Patlama’dan 10^-36 saniye sonra” bir proton boyutundaki evren “aniden” bir portakal boyutuna ulaştı.

Büyük Patlama kuramı denklemler ve gözlemlerle doğrulanmakta olup bunların en önemlileri şunlardır. Giderek genişleyen evrenin sıcaklığı ve yoğunluğu azalmaktadır, bunu tersine işletirsek Büyük Patlama’ya ulaşırız. İlkel (“bebek”) evren saydam değildi [Saydam: “İçinden ışığın geçmesine ve arkasındaki şeylerin görülmesine engel olmayan (cisim), şeffaf, transparan.” (TDK, GTS -Güncel Türkçe Sözlük‑).]. Bu evrede ışınım yayılamıyordu çünkü ortam çok yoğundu. Evrenin genişleme eşliğinde yoğunluk (sıkışıklılık, iç içe geçmişlilik) ve sıcaklığının azalması (veya giderek soğuması) sayesinde 380.000 yıl sonra (∼3.300 °C’de, “çocuk” evrende) atom çekirdekleri ve elektronlar birleşme imkânı buldu, dolayısıyla atomlar da oluşmuş oldu: Böylelikle evren saydamlaştığından ışınım da yayılma imkânı buldu ki (1964 yılında fark edilen) bu ışınıma “Kozmik Mikrodalga Fon Işınımı” denir. Fon ışınımı, Büyük Patlama’nın bir kalıntısı olup evrenin her yerindedir ve günümüzdeki sıcaklığı -270 °C’dir (mutlak sıfır -273 °C’dir). “Büyük Patlama’dan 380.000 yıl sonra” fon ışınımı yayıldığında evrenin sıcaklığının ∼3.300 °C olmasıyla, şu an ki evrenin ortalama sıcaklığının (veya fon ışınımı sıcaklığının) -270 °C olması demek, evrenin sıcaklığının bu süre zarfında giderek azaldığını gösterir. Ayrıca “bu ışınımın dalga boyundaki (yani evrenin sıcaklığındaki) küçük değişimler” yıldız, galaksi ve (veya) bunların kümelenerek oluşmalarının vs.nin (yani evrendeki yapıların) nasıl oluştuğu konusunu da açıklar.

Hesaplama ve gözlemler bize evrenin 13,7 milyar yıl yaşında olduğunu söyler. Evrenin yaşı evrenin genişleme hızıyla o da galaksilerin bizden uzaklaşma hızıyla belirlenir. “Edwin Hubble bunun bir düzene göre gerçekleştiğini” buldu [Edwin Powell Hubble (1889-1953)]. İki galaksi arasındaki uzaklık ne kadar fazlaysa birbirlerinden de bir o kadar fazla hızla uzaklaşırlar: Yani bize yakın olan bir galaksi daha yavaş, uzak olanı ise daha hızlı uzaklaşır ve bu doğru orantılıdır: Şöyle ki 1 birim uzaksa 1 hızla, 2 birim uzaksa 2 hızla, 3 birim uzaksa 3 hızla uzaklaşır, buna Hubble yasası denir (v=H_o.d). Fakat bu, “ortak bir kütle merkezi çevresinde” düzensiz hareket eden (Andromeda galaksisinin çarpmak üzere bizim Samanyolu galaksimize geldiği gibi) aynı kümede bulunan galaksiler için geçerli olmayıp çok uzaktaki galaksiler için geçerlidir. Evrenin yaşının hesaplanmasında kullanılan diğer bir yöntemse radyoaktif elementlerin bozunmasından yararlanmaktır ki bu, “en yaşlı yıldızlara uygulandığında” onların (evrenin) yaşının 12-15 milyar yıl arasında olduğu sonucu ortaya çıkar. Aynı yöntemle galaksimizdeki Güneş benzeri yıldızların ölümünden artakalan beyaz cücelere bakılarak onun (galaksimizin) 10 milyar yıl yaşında olduğu hesaplanmaktadır.

Evrenin genişlemesinin kanıtlarından birisi de “Kozmolojik Kırmızıya Kayma”dır. Eğer bize gelen ışıma (ışık) giderek kırmızıya kayıyorsa onun geldiği yer bizden gittikçe uzaklaşıyor demektir. Bu bağlamda (bizim bulunduğumuz galaksi kümesinin dışındaki yani bizden çok uzaktaki tüm) galaksilerden bize gelen ışığın kırmızıya kaydığı tespit edildiğinden evrenin genişlediği anlaşılmıştır. Kırmızıya kayma ışığın dalga boyunun uzayıp enerjisinin düşmesidir ki buna sebep olan da evrenin genişlemesidir. Bize gelen ışık ne kadar kırmızıya kaymışsa geldiği yer de bizden bir o kadar uzakta demektir ve bu kayma hızı ne kadar hızlı oluyorsa bir o kadar hızla da bizden uzaklaşıyor demektir. Bunu zihinde canlandırmak adına şu basit örnek verilebilir: Bizden uzaklaşan bir trenin ses dalgalarının boyu gittikçe uzar ve şiddeti giderek azalan bir ses duyarız. Kırmızıya kayma ve Hubble yasası bizden en uzaktaki galaksilerin “ışık hızından daha hızlı” bir şekilde bizden uzaklaştığını söyler: (Kozmik mikrodalga arka plan ışıması veya kısaca) Fon ışımasının aldığı yol ise gerçekten çok fazla olup bizden “ışık hızının 50 katı hızla” uzaklaşır. Bu bağlamda gözlemleyebileceğimiz (görebileceğimiz, test edip üzerinde düşünebileceğimiz, çok uzak geleceklere kadar ışığının bize gelebileceği) evren 93 milyar ışık yılı genişliğindedir ki bu, tüm evrene oranla “denizde bir kum tanesi” gibidir. Biz bu gözlenebilen (görülebilir) evrenden sonraki o devasa kısmı hiçbir zaman göremeyeceğiz ve hiçbir şekilde de iletişim kuramayacağız, yani sahildeki o kum tanesi denize asla ulaşamayacak. Ama biz o sahilde yine de mangal yaparız bence. Ayrıca evrenin genel (temel) genişleme hızı da giderek artmıştır, artıyordur ve artacaktır.

Yakınımızdakiler hariç tüm galaksiler bizden uzaklaşır ve bu her galaksi için geçerlidir. Evrenin bir merkezi yoktur ve evren genel anlamda tüm galaksilere (gözlemcilere) göre aynı görünür. Buna “Kozmolojik İlke” denir ve basitçe şu örnek verilir: “Kabarmakta olan bir üzümlü” kekin içindeki üzümlere galaksi dersek bunların hepsi birbirinden uzaklaşır ve iki üzüm arasındaki mesafe ne kadar fazlaysa birbirlerinden de “o kadar hızlı uzaklaşır”. Ayrıca evrenin bir kenarının olmadığı düşünülmektedir.

Evren ilk zamanlarda sıcak ve yoğundu, “gaz ve karanlık maddeden” oluşuyordu: Homojendi yani neredeyse tamamı aynı yapıdaydı, bir su veya çay gibiydi. İlk yıldızlar ve galaksiler evren (-in başlangıcının çok sonralarında) (soğuma eşliğinde) 500 milyon civarı yaşındayken meydana geldi. Günümüzde ölçülen fon ışıması sıcaklığı bütün yönlerde aynı olmayıp ışımanın sıcaklığında bir derecenin sadece “on binde ikisi kadar” küçük dalgalanma farklılıkları mevcuttur. Bunun sebebi ise (kuark, proton, nötron, elektron gibi atom altı parçacıkların bulunduğu evrende veya) atom oluşmadan önceki evrende değişik bölgelerdeki madde yoğunluğundaki bölgesel çok küçük farklardır. Yani bu evrede kimi bölgelerde parçacıklar “çok az da olsa daha yoğun” (kalabalık) hâle geldi (bu, kuantum titrenimleri sayesinde oldu). Bunun sonucunda atomlar (madde) kütle çekimlerinin etkisiyle çökerek (yani birleşerek veya etraftaki diğer atomları da merkeze çekip gittikçe büyüyerek) yıldız, galaksi ve galaksi kümeleri gibi evrendeki devasa yapılar oluştu. Ayrıca kara deliklerin, etrafındaki gazı toplayıp o bölgede yoğunlaştırmasıyla galaksilerin ve (veya) yıldızların oluşumuna katkı sağladığı da düşünülür ki birçok galaksinin merkezinde bir dev kara deliğin olması bunu destekler niteliktedir, yanı sıra büyük galaksilerin tümünün merkezinde de birer dev kara deliğin olduğu düşünülür. Kısaca kuantum sayesinde meydana gelen o küçücük farklılıklar şu an gördüğümüz evreni (yani evreni) oluşturdu.

Kuantum dalgalanmaları “boşlukta” kendiliğinden meydana gelebilir. Öyle ki bu dalgalanmalar evrenler içinde evrenler oluşturabilir. Bunun bir türev örneği ise kara deliklerde yeni evrenlerin tomurcuklanabileceği olup buna “Bebek Evrenler Senaryosu” denir. Şişme kuramında ise kapağı açılan gazozun kabarcıklarına evren, bunların bulunduğu ortama da gazoz (kozmik sonsuz deniz) denir ve bu yüzen (sonsuz) kabarcıklar da çeşit çeşit (birbirinden farklı) olup birbirleriyle iletişim kuramazlar.

Jan Hendrik Oort (1900-1992) 1930’larda galaksimizin merkezinin etrafında dönen (dolanan) yıldızların savrulmamaları için daha fazla madde (kütle çekimi) gerektiğini bulunca “Karanlık Madde”yi fark eden ilk kişi oldu. Sonrasında yapılan araştırmalar bunu doğruladı. Galaksilerdeki merkeze yakın ve uzak olan yıldızlar benzer sürelerde dolanıyordu: Hâlbuki uzak olanların daha uzun sürede turlaması lazımdı (çünkü merkezin kütle çekimi oralarda yavaşlıyordu): Bu eş zamanlı dolanışlara sebep olanın ‑galaksiyi küresel olarak çevreleyip büyük miktardaki- karanlık madde olduğu anlaşıldı. Günümüz evrenini oluşturan toplam maddenin %83’ü karanlık madde olarak hesaplanmaktadır. Karanlık maddenin şunlardan oluştuğu öngörülmektedir: Çok az bir kısmı neredeyse ışınım yapmayan kara delik, kahverengi cüceler gibi gök cisimleri; çok büyük kısmı ise hem ışınım yapmayan hem de ışınımla etkileşmeyen ve (ama) kütlesi olan (şu an bilmediğimiz) egzotik parçacıklar.^[3]

 

Kaynaklar

[1] Mahir E. Ocak, “Büyük Patlama”, TÜBİTAK: Bilim Genç, 5 Nisan 2017, <http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/buyuk-patlama>, Erişim: 10 Ekim 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20181018100943/http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/buyuk-patlama].

[2] Gürkan Akçay [Editör], “Büyük Patlama Kuramı Nedir?”, Alan Guth, Avi Loeb, John Kovac, Bilim Fili, 20 Ağustos 2015, <https://bilimfili.com/big-bang-buyuk-patlama-teorisi-nedir/>, Erişim: 10 Ekim 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20171208165619/https://bilimfili.com/big-bang-buyuk-patlama-teorisi-nedir/]. (“Işık hızı saniyede…” cümlesi, Wikipedia Contributors, “Speed of light”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 10 Temmuz 2022, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Speed_of_light&oldid=1097419658>, Erişim: 19 Temmuz 2022.)

[3] Alp Akoğlu, “Evrenin En Büyük Soruları”, TÜBİTAK: Bilim ve Teknik [ISSN: 1300‑3380], Sayı: 509, Nisan 2010, [PDF] <http://www.biyolojiegitim.yyu.edu.tr/fizuzaypdf/Evrenin20108S.pdf>, Erişim: 11 Ekim 2018, s. 50-57 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20181125194242/http://www.biyolojiegitim.yyu.edu.tr/fizuzaypdf/Evrenin20108S.pdf].