Büyük Patlama Evren'in Başlangıcı Değilse, Nedir?

50 yıldan fazla bir süredir Evren'in, bilindiği şekliyle, sıcak Büyük Patlama ile başladığına dair bilimsel kanıtlar mevcuttur. Geçmişte daha küçük, daha sıcak, daha yoğun ve daha tekdüze olduğu için evren bugün genişledi, soğudu ve madde kümeleriyle (gezegenler, yıldızlar ve galaksiler gibi) doldu. Mümkün olan en erken anlara kadar uzanan bir tahmin oluşturulursa, bugün görülen her şeyin bir zamanlar tek bir noktada toplandığı hayal edebilir.

En azından hikayenin bu olduğu düşünülüyor. Evren, sınırlı bir süre önce doğdu ve Büyük Patlama ile başladı. Ancak bugün, o zamandan çok daha fazlası biliniyor ve toplamda incelenen resim, aslında o kadar da net değil. Büyük Patlama, artık bilinen evrenin başlangıcı olarak tanımlanamaz ve sıcak Big Bang neredeyse kesinlikle uzay ve zamanın doğuşuna eşit değildir. Peki, Büyük Patlama gerçekten başlangıç değilse, neydi?

Forbes

Büyük Patlama'nın Kanıtları Nelerdir?

Evren, bugün gözlemlenen şekliyle, hemen hemen kesin olarak, sıcak, yoğun, neredeyse mükemmel tekdüze (İng: "uniform") bir durumdan ortaya çıktı. Her biri bu senaryoya işaret eden dört kanıt parçası mevcuttur:

• Uzak bir nesneden gelen ışığın kırmızıya kayma miktarının o nesneye olan mesafeyle orantılı olduğunu gösteren Evrenin Hubble genişlemesi,
• Her yerde aynı sıcaklıkta mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerinde olan artık bir parıltının (Kozmik Mikrodalga Arka Planı (CMB)) varlığı,
• Herhangi bir yıldız oluşmadan önce belirli bir bolluk oranında var olan hafif elementler (hidrojen, döteryum, helyum-3, helyum-4 ve lityum-7),
• Zaman geçtikçe daha büyük kümeler arasında daha fazla boşluk olan, daha yoğun ve daha kümelenen kozmik bir yapı ağı.

Bu dört gerçek; Evren'in Hubble genişlemesi, Kozmik Mikrodalga Aratalan Işıması'nın varlığı ve özellikleri, Büyük Patlama nükleosentezinden gelen ışık elementlerinin bolluğu ve evrendeki büyük ölçekli yapının oluşumu ve büyümesi, Evren'in dört temel taşını temsil etmektedir.

Chris Blake

Bunlar neden dört temel taştır? 1920'lerde, o zamanlar dünyanın en büyük ve en güçlü teleskopunu kullanan Edwin Hubble, bireysel yıldızların parlaklıklarının zaman içinde, hatta Samanyolu galaksisi ötesindeki galaksilerde bile nasıl değiştiğini ölçebildi. Bu, o yıldızları barındıran galaksilerin ne kadar uzakta olduğunu öğrenmeyi sağladı. Bu bilgiyi, bu galaksilerden gelen atomik spektral çizgilerin ne kadar önemli ölçüde kaydırıldığına dair verilerle birleştirerek, mesafe ile spektral kayma arasındaki ilişkinin ne olduğu belirlenebildi.

Hubble yasası incelendiği üzere; basit, anlaşılır ve doğrusaldı. Bir galaksi ne kadar uzaktaysa, ışığı o kadar belirgin bir şekilde kırmızıya kayıyordu veya sistematik olarak daha uzun dalga boylarına doğru kayıyordu. Genel Görelilik bağlamında bu anlatım, dokusu zamanla genişleyen bir Evren'e karşılık gelmektedir. Zaman geçtikçe, Evren'deki (yerçekimi veya başka bir kuvvet tarafından) bir şekilde birbirine bağlı olmayan tüm noktalar birbirinden uzağa genişleyecek ve yayılan ışığın gözlemci tarafından alındığında daha uzun dalga boylarına kaymasına neden olacaktır.

Hubble Yasası olarak gözlemlenen etkinin birçok olası açıklaması olmasına rağmen, Büyük Patlama bu olasılıklar arasında benzersiz bir fikirdir: Fikir, kendi içinde basit ve anlaşılırdır; ama aynı zamanda ne kadar güçlü olduğu konusunda da nefes kesicidir. Basitçe şunu belirtiyor:

• Evren bugün genişliyor ve ışığı daha uzun dalga boylarına (ve daha düşük enerji ve sıcaklıklara) doğru uzuyor ve bunun anlamı, eğer geriye doğru tahminler yapılırsa: Evren, önceden daha yoğun ve daha sıcaktı.
• Tüm bu süre boyunca kütleçekim işlediği için, Evren'deki madde bir noktada araya gelir ve daha büyük yapılar oluşturur.
• Yeterince erken zamanlara geri dönülürse, galaksilerin daha küçük, daha çok sayıda ve özünde daha genç, daha mavi yıldızlardan oluştuğu görülecektir.
• Daha erkene gidilirse, hiçbir yıldızın oluşmaya henüz vaktinin olmadığı bir zaman bulunur.
• Daha da erken bir zamana gittiğimizde Evren o kadar sıcaktır ki ışık, nötr atomları bile parçalayabilir ve nihayetinde Evren nötr hale geldiğinde etrafa saçılacak olan radyasyonu oluşturur (bu, Kozmik Mikrodalga Artalan Işıması'nın kökenidir).
• Ve daha da eski zamanlara gidersek, her şeyin atom çekirdeğini bile parçalayacak kadar sıcak olduğunu görürüz. Evren genişledikçe daha soğuk bir faza geçti ve bu sayede hafif elementleri mümkün kılan ilk kararlı nükleer reaksiyonlar gerçekleşti.

Forbes

Tüm bu iddialar, 20. yüzyılın bir noktasında gözlemlerle doğrulandı. Evren'in kümelenmesi ölçüldü ve zaman geçtikçe tam da tahmin edildiği gibi arttığı görüldü. Galaksilerin mesafeyle (ve kozmik zamanla) nasıl geliştiği ölçüldü ve daha erken, daha uzak olanların genel olarak daha genç, daha mavi, daha çok sayıda ve daha küçük boyutta olduğu bulundu. Kozmik Mikrodalga Artalan Işıması keşfedildi ve ölçüldü. Bu ışıma sadece Büyük Patlama'nın tahminleriyle olağanüstü bir şekilde eşleşmekle kalmadı, aynı zamanda sıcaklığının daha önceki zamanlarda nasıl değiştiği gözlemlendi. Ve ışık elementlerinin ilkel çoğunlukları başarıyla ölçüldü ve Büyük Patlama nükleosentezinin tahminleriyle muhteşem bir uyum yakalandı.

İstenirse daha da geriye gidebilir. Evren'in, protonlar ve nötronlar parçalanırken olduğundan daha yoğun, daha sıcak ve daha kompakt hale geldiği hayal edebilir. Daha da geriye bir adım atılırsa, yarısını durdurmak için yaklaşık 1 ışık yılı büyüklükte katı kurşuna ihtiyaç duyan nötrinolar ve antinötrinolar, erken Evren'deki elektronlar ve diğer parçacıklarla etkileşime girmeye başlar. 2010'ların ortalarından başlayarak, ilk olarak Kozmik Mikrodalga Artalan Işıması'nın fotonları ve birkaç yıl sonra evrende büyüyecek olan büyük ölçekli yapı üzerindeki izleri tespit edildi.

D. Baumann

Bu, sıcak Big Bang'den şimdiye kadar tespit edilen en erken sinyaldir. Ama bu durum bilim insanlarının zamanı daha ileriye götürmekten alıkoyan hiçbir şey yok. Daha da geriye giderseniz, bir noktada:

• Evren, parçacık-antiparçacık çiftlerinin saf enerjiden, sadece kuantum korunum yasalarından ve Einstein'ın $E=m{c}^2$'sinden yaratılmasını mümkün kılacak düzeyde ısınır ve yoğunlaşır.
• Evren, tek tek proton ve nötronlardan daha yoğun hale gelir, bu da tek tek nükleonlar yerine kuark-gluon plazması gibi davranmasına neden olur.
• Evren daha da ısınır, elektrozayıf kuvvetin birleşmesine, Higgs simetrisinin yeniden kurulmasına ve temel parçacıkların durgun kütlelerini kaybetmesine neden olur ve sonra parçacık hızlandırıcılardan ve kozmik ışınlardan bile bilinen, test edilmiş fiziğin sınırlarının ötesindeki enerjilere gidilir.

Gördüğümüz Evren'i yeniden üretmek için bu koşullar altında bazı ek süreçlerin gerçekleşmesi gerekir. Örneğin:

• Bir şey, karanlık maddeyi meydana getirmiş olmalı.
• Evren'de bir şey anti-maddeden daha fazla madde oluşturmuş olmalı.
• Ve tabii ki, her şeyden önemlisi, Evren'in var olması için bir noktada bir şeyler meydana gelmiş olması gerekmektedir.

NASA / GSFC

Bu ekstrapolasyon ilk kez 1920'lerde ve daha sonra 1940'larda ve 1960'larda daha modern biçimleriyle düşünüldüğü andan itibaren, Büyük Patlama'nın araştırmacıları tekilliğe kadar geri götürdüğü düşünülüyordu. Birçok yönden, Büyük Patlama'nın büyük fikri şuydu: Evren madde ve radyasyonla doluysa ve bugün genişliyorsa, zamanda yeterince geriye gidilirse, çok sıcak bir durumla karşılaşılacaktır. Bu olay o kadar yoğundur ki fizik yasalarının çökeceği belirtilmektedir.

Bir noktada; o kadar büyük enerjiler, yoğunluklar ve sıcaklıklar elde edilir ki, doğada kuantum belirsizliği hiçbir anlam ifade etmeyen sonuçlara yol açar. Kuantum dalgalanmaları rutin olarak tüm Evren'i kapsayan kara delikler yaratacaktır. Olasılıklar dahilinde bilim insanları hesaplamaya çalışırsa, ya olumsuz ya da 1'den büyük cevaplar vermek zorundalar. Yerçekimi ve kuantum fiziğinin bu uç noktalarda bir anlam ifade etmediği biliniyor ve tekillik şu anlama geliyor: Fizik yasalarının artık işe yaramadığı bir yer... Bu aşırı koşullar altında, uzay ve zamanın kendilerinin ortaya çıkması mümkündür. Bu, aslında, Büyük Patlama'nın ana fikriydi: Zaman ve mekanın doğuşu...

NASA / CXC / M. WEISS

Ancak tüm bunlar, Büyük Patlama senaryosunun istenilen zamana kadar geriye götürülebileceğinin fikrine dayanıyordu. Anlaşıldığı üzere, bu açıklamaya meydan okuyan bir dizi fiziksel bulmaca yarattı. Aşağıdaki gibi bulmacalar:

• Nedensel olarak bağlantısız uzay bölgeleri -ışık hızında bile olsa bilgi alışverişi için yetersiz zamana sahip bölgeler- neden birbirleriyle aynı sıcaklıklara sahiptir?
• Evren'in başlangıçtaki genişleme hızı neden evrendeki toplam enerji miktarıyla bu kadar mükemmel bir şekilde dengelidir: Bugün Evren, hesap isabetliliği bakımından 50'den fazla ondalık basamağa kadar "düz" çıkmaktadır?
• Ve neden bu ultra yüksek sıcaklıklara ve yoğunluklara erken ulaşıldıysa, bugün Evren'de o zamanlardan kalan kalıntılar görülmüyor?

Yine de Büyük Patlama hakkında konuşulmak istenirse, verilecek tek cevap, "Eh, Evren bu şekilde doğmuş olmalı ve bunun neden tam da böyle olduğunun herhangi bir sebebi yok." Ancak fizikte bu, teslim olarak elleri havaya kaldırmaya benzemektedir.

Bunun yerine, başka bir yol daha vardır: Büyük Patlama'nın tüm başarılarını yeniden üretirken ve yine de geleneksel Büyük Patlama'dan farklı olarak gözlemlenebilen fenomenler hakkında yeni tahminler yaparken, bu gözlemlenen özellikleri açıklayabilecek bir mekanizma oluşturmak...

Forbes

Kozmik Enflasyon (Şişme) Teorisi Nedir?

Yaklaşık 40 yıl önce, ortaya atılan fikir tam olarak buydu: Kozmik enflasyon. Genişleme (veya şişme), Büyük Patlama'yı tekilliğe kadar geriye doğru tahmin etmek yerine, temelde bir kesinti olduğunu vurgulamaktadır. Büyük kozmik genişleme fikrine göre, bu sıcak, yoğun, tek biçimli durumdan önce bir durum geldi:

• Evren madde ve radyasyonla dolu değildi.
• Bunun yerine uzayın dokusuna özgü/içkin büyük miktarda enerjiye sahipti.
• Bu enerji, Evren'in eksponansiyel olarak (ve sabit, değişmeyen bir oranda) genişlemesine neden oldu.
• Bu müthiş genişleme, Evren'i düz, boş ve tekdüze (kuantum dalgalanmalarının ölçeğine kadar) olmaya itti.
• Sonra, şişme sona erdi. Bu olurken, kozmik enflasyona neden olan uzaya özgü enerji maddeye ve radyasyona dönüştü.

Kozmik Enflasyon Teorisi'ne göre sıcak Büyük Patlama işte buradan gelmektedir. Bu, sadece Big Bang'in açıklayamadığı bulmacaları çözmekle kalmadı, aynı zamanda o zamandan beri doğrulanmış birçok yeni tahminde bulundu. Kozmik genişleme hakkında hala bilinmeyen çok şey var, ancak son 30 yılda gelen veriler ezici bir şekilde bu genişleme durumunun varlığını destekliyor.

Forbes

Büyük Patlama Nedir ve Ne Değildir?

Bütün bunlar, bir araya getirildiğinde, Büyük Patlama'nın ne olduğunu ve ne olmadığını anlatmak için yeterlidir:

Büyük Patlama, Evren'in uzak geçmişte daha sıcak, daha yoğun, daha tekdüze bir durumdan ortaya çıktığı fikridir. Fizik yasaları artık uygulanmayıncaya kadar bu olayların keyfi bir şekilde ısındığı ve yoğunlaştığı fikri değildir.

Büyük Patlama, Evren genişledikçe, soğudukça ve yerçekimi arttıkça, fazla anti-maddenin yok olduğu, protonları ve nötronları ve hafif çekirdekleri, atomları ve nihayetinde yıldızları, galaksileri ve bugün araştırılan evreni oluşturduğu fikridir. Kaçınılmaz bir şekilde, uzay ve zamanın 13.8 milyar yıl önce bir tekillikten ortaya çıkması değildir.

Büyük Patlama, çok erken evrelerde geçerli olan koşullar kümesi olabilir; ancak ondan önce gelen bir dizi diğer koşul (enflasyon) vardı. Büyük Patlama, Evren'in kendisinin nihai başlangıcı olmayabilir, ancak bugün bildiğimiz şekliyle Evren'in başlangıcıdır. Bu, gerçek "başlangıç" değil, sadece "bizlerin" başlangıcıdır. Tek başına tüm hikaye olmayabilir, ancak hepimizi birbirine bağlayan evrensel kozmik hikayenin hayati bir parçasıdır.