Evrenin Kökeni Üzerine

Evrenin Başlangıç Öyküsü

Başlangıçta, yaklaşık on dört milyar yıl önce, bilinen evrene dair tüm madde ve enerji bir noktanın trilyonda birinden daha küçük bir hacme sığıyordu. Ortam son günlerde yaşadığımız sıcaklıklardan çok daha sıcaktı. Evreni tanımlayan bildiğimiz bütün yasalar birleşikti. Einstein'ın genel görelilik kuramı uzayzamanın Büyük Patlama tekilliğiyle başladığını ve Büyük Çöküş tekilliğiyle (yani bütün evrenin kendi üzerine çökmesiyle) ya da bir kara deliğin içindeki tekillikle (eşdeyişle yerel bir alanın sözgelimi bir yıldızın çökecek olmasıyla) sona ereceğini başlı başına öngördü. Einstein'ın 1916'da ortaya koyduğu bu öngörü ve farkındalık, bize madde ve enerjinin varlığının onu çevreleyen uzay ve zaman örgüsünü eğip büktüğü modern kütleçekim anlayışını kazandırmıştır. 1920'lere geldiğimizde ise kuantum mekaniği ortaya atılacak ve atom altı dünyasına modern bir açıklama getirecektir. Ancak bu iki doğa yasası birbiri ile tutarsız olmasından dolayı, bilim insanları iki yasayı tutarlı bir şekilde birleştirme yarışına girmişlerdir.

Bu yarış günümüzde hâlâ devam etmektedir, ilerleyen yıllarda büyük bir fizikçi olmak istiyorsanız şimdiden çalışmanızda yarar var gibi duruyor!

Bu sorunu çözmek için bilmemiz gereken önemli bir olaylar dizisi var. Bunlardan birisi "Planck Dönemi" sırasındadır. Bu, başlangıçta $t=0$'dan $t=10^{-43}$ saniyeye kadar olan ve evrenin $10^{-35}$ metre genişliğine ulaşmasından önceki zaman aralığıdır. Bu hayal edilemeyecek sayılara adını veren Alman Fizikçi Max Planck, kuantum mekaniğinin babası olarak kabul edilmişitir.$10^{-35}$ saniyelik evren zaman geçtikçe genişlemeye devam etti, tüm yoğun enerjisini seyreltti ve birleşik kuvvetlerden geriye kalan "elektrozayıf" ve "güçlü nükleer" kuvvetler olarak ikiye ayrıldı. Daha sonra elektrozayıf kuvvet, elektormanyetik ve "zayıf nükleer" kuvvetlere bölünerek, bildiğimiz dört farklı kuvveti ortaya çıkardı: radyoaktif bozunmayı kontrol eden kuvvet, atom çekirdeğini bir arada tutan güçlü kuvvet, molekülleri bağlayan elektromanyetik kuvvet ve toptan maddeyi bağlayan kütleçekim kuvveti.

Tüm bu olaylar yaşanırken, atomaltı parçacıklar halindeki madde ile fotonlar halindeki enerjinin karşılıklı etkileşimi aralıksız devam ediyordu. Evren, bu fotonların enerjilerini kendiliğinden madde-antimadde parçacık çiftlerine ve hemen ardından bozunma yaşayarak yeniden fotona çevirmeye yetecek düzeyde sıcaktı. Güçlü ve elektrozayıf kuvvetlerin ayrılması sırasında, öncesinde ve sonrasında evren; kuarklar, leptonlar ve onların antimadde kardeşleri ile etkileşimlerini sağlayan parçacıklar olan bozonlardan oluşan kaynayan bir çorba gibiydi. Kuark-lepton döneminde evren, bağlı olmayan kuarklar arasındaki ortalama ayrıklığın bağlı kuarklar arasındaki ayrıklığa denk olacağı kadar yoğundu. Bu koşullar altında, bitişik kuarklar arasındaki ortalama ayrıklığa denk olacağı kadar yoğundu. Bu koşullar altında, bitişik kuarklar arasındaki bağlılık kesin olarak belirlenemiyordu. Kuarklar ilginç yaratıklardır. Her biri $+1$ elektrik yüküne sahip protonların ve $-1$ yüke sahip elektronların aksine, kuarklar üçte bir oranında kesirli yüklere sahiptir. Güçlü teorik kanıtlar, evrenin çok erken dönemlerinde, belki de kuvvet bölümlerinden biri sırasında, evrenin madde parçacıklarının antimadde parçacıklarından sayıca fazla oluşu dikkate değer bir asimetriye sahip olduğunu gösteriyor. Kuarkların ve antikuarkların, elektronların ve antielektronların(pozitron), nötrinoların ve antinötrinoların sürekli yaratılması, yok edilmesi ve yeniden yaratılması arasında bu küçük sayı farkı hiç kimse tarafından fark edilmeyecekti. Dışarıda kalan tek parçanın diğerleri gibi birlikte yok olacağı birini bulmak için bir sürü olanağı vardı.

Fakat çok uzun sürmedi. Evren genişlemeye ve soğumaya devam ettikçe, güneş sistemimizin boyutundan daha büyük hale geldi ve sıcaklık hızla bir trilyon derece Kelvin'in altına düştü.

Bu sıcak evren artık kuarkları pişirecek kadar sıcak ya da yoğun değildi ve bu yüzden hepsi dans partnerlerini kaparak hadronlar adı verilen kalıcı yeni bir ağır parçacık ailesini yarattı.

Evren soğumaya devam ettikçe, temel parçacıkların kendiliğinden oluşması için elverişli enerji miktarı azaldı. Hadron çağında, ortamdaki fotonlar artık kuark-antikuark çiftleri üretmek için $E=m{c}^2$'ye başvuramıyordu. Sadece bu da değil, tüm yok oluşlardan ortaya çıkan fotonlar, sürekli genişleyen evrene enerji kaybederek hadron-antihadron çiftleri yaratmak için gereken eşiğin altına düştü. Ardında bir milyar foton bırakan her bir milyar yok oluş için tek bir hadron varlığını sürdürüyordu.

Madde ve antimadde arasındaki milyarda birlik dengesizlik olmasaydı, evrendeki tüm kütle kendi kendini yok eder, geriye fotonlardan başka hiçbir şeyin olmadığı bir evren kalırdı.

İlk bir milyar yıl boyunca evren genişlemeye ve soğumaya devam ederken maddeler "galaksiler" dediğimiz devasa yoğunluklar içinde toplandı. Evren gün geçtikçe evrim geçirmeye devam ediyor. Bizler gelişimine devam eden bu evrende yaşam bulmuş yıldız tozlarıyız.

Forbes

Genişleyen Evren

Evrene ilişkin modern portremiz, Amerikalı gökbilimci Edwin Hubble'ın galaksimizin evrendeki yegâne galaksi olmadığını gösterdiği 1924 yılı gibi yakın bir tarihte oluştu. Bulunan sonuca göre bizim galaksimiz dışında araları muazzam derecede boş uzay olan milyarlarca galaksi olmalıydı. Artık galaksimizin, modern teleskoplar kullanılarak görülebilen yüz milyarlarca galaksiden biri olduğunu biliyoruz; ki bu galaksilerin her biri de yüz milyarlarca yıldıza sahip! Genişleyen evren tıpkı şişen bir balon gibidir balonun yüzeyindeki noktalar birbirinden uzaklaşır ancak herhangi birisi genişlemenin merkezi değildir. Ve evren genişledikçe yeni galaksiler onun yoğunluğunu korumak üzere sürekli olarak oluşur. Evrenin Büyük Patlamayla genişlemeye başlaması, bir yıldızın kara deliğin içindeki tekilliğe çökmesinin zamanda tersine çevrilmiş hali gibidir.

Nature

Büyük Çöküş

Evren Büyük Patlamadan başlayan bir Friedmann modeliyle betimlenir. Böylesi modellerde evrenin genişlediği ve içerisindeki herhangi bir maddenin ya da ışımanın soğuduğu görülür. Sıcaklık basitçe parçacıkların ortalama enerjisinin bir ölçüsü olduğu için evrenin söz konusu soğuması içerdiği madde üzerinde büyük bir etki yaratacaktır. Oldukça yüksek sıcaklıklarda parçacıklar öylesine hızlı hareket ederler ki, birbirine karşı, nükleer ya da elektromanyetik kuvvetten ötürü uyguladıkları herhangi bir çekimden kaçabilirler, fakat soğumaya başladıklarında birbirlerini çeken bu parçacıkların kümelenmeye başlamaları beklenir. Dahası evrende var olan parçacık türleri bile sıcaklığa bağlı olacaktır. Büyük Patlama anında -blog yazımızın başında bahsettiğimiz üzere- sıfır büyüklüğe sahip olduğu ve dolayısıyla sonsuz sıcaklıklarda olduğu düşünülür. Ancak evren genişledikçe ışıma sıcaklığı azalır. Büyük Patlamadan 1 saniye sonra evrenin sıcaklığının on milyar derece düştüğü tahmin edilir. Bu sıcaklık güneşin merkezindeki sıcaklığın aşağı yukarı on katı kadardır, fakat böylesi sıcaklıklara hidrojen bombası patlamalarında erişilebilir. İnsanoğlu bilim konusunda oldukça ilerlemişe benziyor(kendini yok etmezse)!

Evrenin başlangıçta çok sıcak halde olduğu ve genişledikçe soğuduğu şeklindeki resmi halihazırda sahip olduğumuz gözlemsel kanıtla uygunluk gösterir. Yine de bir dizi önemli soruyu yanıtlamadan bırakır:

1. Neden erken evren olağanüstü sıcaktı?
2. Neden evren büyük bir ölçekte böylesine tekdüzedir? Neden uzaydaki her noktadan ve her yönden aynı görünür?
3. Neden evren çökmeyle sonuçlanan modelleri, evrenin sonsuza kadar genişlediğini ifade eden modellerden ayıran kritik genişleme hızıyla yaşamına başladı ve neden hâlâ, on milyar yıldan sonra bile, bu kritik hıza çok yakın bir şekilde genişlemeye devam ediyor?
4. Evren büyük bir ölçekte olağanüstü yeksenak ve homojen olmasına rağmen, yıldızlar ve galaksiler gibi yerel düzensizlikler içerir. Bunların erken evrendeki bir bölge ile bir diğer bölgenin yoğunlukları arasındaki küçük farklardan kaynaklı geliştiği düşünülüyor. Peki söz konusu dalgalanmaların kaynağı nedir?

Genel görelilik kuramı kendi başına bu özellikleri açıklayamaz ya da söz konusu sorulara yanıt veremez, sadece evrenin sonsuz yoğunlukla başladığı öngörüsünde bulunur. Tekillikte genel görelilik ve tüm fizik yasaları işlevsiz kalır: yani tekilliğin ne ile sonuçlanacağı öngörülemez. Daha önce de açıklandığı üzere, bu, Büyük Patlamanın ve ondan önce gerçekleşen her şeyin kuramın dışına alınabileceği anlamına gelir. Uzayzamanın bir sınırı, Büyük Patlamayla bir başlangıcı olacaktır. Sözünü ettiğimiz Friedmann'ın Büyük Çöküş senaryosu, evrenin başlangıcı olan Büyük Patlama'ya benzer şekilde yoğun ve sıcak bir noktaya geri döneceğini varsayar.

Astronomy

Ancak Stephen Hawking'inde Zamanın Kısa Tarihi isimli kitabında oldukça değindiği bu çöküş senaryosunun gerçekleşmesi pek olası görünmüyor. Bu senaryonun gerçeğe yakın olması için evrenin genişleme hızının azalması gerekiyor, ancak evren gün geçtikçe bir formula aracının hızının milyar katı kadar hızlı bir şekilde genişlemeye devam ediyor.

Sonuç

Evrenin başlangıcından bu yana süregelen genişleme, galaksilerin, yıldızların ve gezegenlerin oluşumunu açıklarken, Friedmann'ın Büyük Çöküş senaryosu, evrenin nihai kaderine dair önemli bir model sunar. Günümüzde genişleme hızının artması, Büyük Çöküş'ü daha az olası kılsa da, bu kozmik öykü insan aklının evrenin derin gizemlerini çözme yeteneğini gösterir. Bilimsel merakımız, evrenin sırlarını keşfetme yolculuğunda bize rehberlik etmeye devam ediyor.