Karanlık Enerji Nereden Geliyor? Enerji Korunumu Yasası Evrensel Bir Gerçek mi?

Evrenimiz atomlar, karanlık madde, radyasyon, nötrinolar gibi pek çok farklı şeyle dolu olduğundan, durağan (statik) olması imkansızdır. Örneğin Genel Görelilik'ten dolayı, Evren'imiz ya genişlemeli ya da daralmalıdır. Ancak tıpkı bizim Evren'imizde olduğu gibi karanlık enerji ile dolu bir evrenle uğraşıyorsak, çok daha sıkıntılı bir durum söz konusu: Gözlenebilir Evren'deki enerjinin toplam miktarı zaman içerisinde artıyor ve bu artışın bir sonu yokmuş gibi görünüyor. Peki bu, enerjinin korunumu kanununu ihlal etmiyor mu? David Ventura da bu soruya cevap arıyor:

Evren'in toplam enerjisi, Evren genişlerken uzay-zamanın doğasında bulunan enerji sabit kalacak şekilde artmaktadır. Eğer fazladan bir kilometreküp bir uzay-zaman dokusu inşa etmek istiyorsanız, bu dokuyu inşa edecek kadar enerjiye ihtiyacınız olacaktır. Ne eksik ne fazla, tam o kadar... Bu enerjinin de bir yerlerden gelmesi gerekir. Bildiğimiz diğer her konuda, enerjinin (ve $E=m{c}^2$ dolayısıyla da maddenin) kendiliğinden ortaya çıkamayacağı çok nettir. Yani bir şeyler, Evren'imizin genişlemesine neden olan enerjiyi sağlıyor olmak zorunda. Bu bir gün duracak mı?

Neler olup bittiğini açıklayacak bilimsel gerçek, tahmin edebileceğinizden çok daha sıkıntılı.

Ethan Siegel

Evren'in Genişlemesine Etki Eden Faktörler

Fiziksel Evren'imizde, birbirine ayrılmaz şekilde bağlı iki şey vardır: Evren'imizin genişleme hızı ve Evren'imizdeki bütün enerji türlerinin birbirine dönüşümü. Genel Görelilik Teorisi'nin ana kuralına göre madde uzaya nasıl büküleceğini söylerken, bükülen uzay da maddeye nasıl hareket edeceğini söylemektedir. Bu doğru olsa da, işler her zaman bu kadar basit değildir. Uzayın bükülmesinin nedenlerinden biri de enerjidir. Ayrıca, etkilenen tek şey uzay-zamanın bükülmesi değil aynı zamanda genişleme (veya daralma) hızıdır. Genişleme hızını etkileyen şey ise, spesifik olarak enerjinin yoğunluğudur.

Ancak Evren'de pek çok farklı enerji türü vardır ve her birinin genişleme hızına etkisi birbirinden az da olsa farklıdır.

Ethan Siegel

Normal Madde

Normal maddenin enerji katkısı oldukça sezgiseldir. Madde, kütle içeren parçacıklardan oluşur ve Evren değişse bile parçacıklar aynı kalır. Zaman içerisinde Evren'in hacmi artarken toplam madde yoğunluğu azalır. Çünkü yoğunluk, maddenin hacme oranıdır. Buna göre kütleyi sabit tutup hacmi artırırsak, yoğunluk azalacaktır. Yani, eğer Evren'imizde bulunan tek şey madde olsaydı, genişleme hızı madde yoğunluğu azaldıkça düşerdi.

Ethan Siegel

Radyasyon

Radyasyon için ise ekstra bir bileşen daha vardır. Elbette radyasyon da parçacıklardan oluşmaktadır ve tıpkı maddede olduğu gibi, radyasyonda da hacim artarken parçacıkların sayısal yoğunluğu azalır. Ancak radyasyonun bir de dalga boyu vardır ve bu dalga boyu, Evren'in genişlemesine bağlı olarak uzar. Düşük dalga boyları ise düşük enerji anlamına gelir. Bu yüzden radyasyonla dolu bir evrende genişleme hızı, madde ile dolu bir evrendekine göre daha büyük ivmeyle azalır.

Karanlık Enerji

Ancak karanlık enerji ile dolu bir evrende işler çok farklıdır. Karanlık enerji, uzay dokusuna özgü bir enerjiden kaynaklanır ve evren genişledikçe enerji yoğunluğu (birim hacim başına düşen enerji miktarı) sabit kalır. Sonuç olarak, karanlık enerji ile dolu bir evrende genişleme hızının azalmak yerine sabit kaldığını gözlemleriz.

Ethan Siegel

Evren Nasıl Hızlanarak Genişleyebiliyor?

Bu noktada Evren'imizin hızlanarak genişlediğini söyleyerek itiraz edebilirsiniz. Burada yeterince vurgulanmamış bir nokta var: Bilim insanları, Evren'in genişlemesinden bahsederken iki farklı şeyden söz ediyor olabilirler:

1. Bunlardan birincisi, Evren'in genişleme oranıdır. Bu durum, tıpkı yukarıda açıkladığımız gibidir. Buna oran, madde ve radyasyon için azalırken, karanlık enerji için pozitif bir sabite yakınsar.
2. İkincisi ise bir galaksinin bizden ne kadar hızlı uzaklaştığıdır. Zaman geçtikçe galaksiler bizden giderek uzaklaşır. Genişleme hızı, birim-uzaklık-başına-hız anlamına geldiğinden dolayı (örneğin megaparsek başına saniyede 70 kilometre gibi), daha uzaktaki galaksiler bizden daha hızlı uzaklaşıyor gibi görünecektir (örneğin bizden 100 megaparsek uzaklıktaki bir galaksi bizden saniyede 7000 kilometre hızla uzaklaşırken, bizden 10 megaparsek uzaklıktaki galaksiler bizden saniyede 700 kilometre hızla uzaklaşır).

Larry McNish

Eğer evreniniz tamamen madde ve radyasyonyla doluysa, bu tür bir evrenin genişleme hızı, galaksinizin uzaklığı arttıkça deneyimlenen genişleme hızından daha hızlı azalırdı ve bu nedenle net resesyon hızı zamanla azalırdı: Bu tür bir evrenin genişleme hızı düşerdi. Ama evreniniz karanlık enerjiyle doluysa, net resesyon hızı da zamanla artardı; yani evreniniz giderek hızlanarak genişlerdi.

Bizim Evren'imiz bugün %68 oranında karanlık enerjiden oluşuyor. Evren'imiz, günümüzden yaklaşık 6 milyar yıl kadar önce (yani doğumundan 9.5 milyar yıl kadar sonra), bileşenleri arasındaki dengenin değişimi nedeniyle, "giderek yavaşlama" evresinden çıkıp, "giderek hızlanma" evresine geçiş yaptı.

Ethan Siegel

Evren'in Genişlemesi Enerji Korunumunu İhlal Etmiyor mu?

Ancak bu nasıl mümkün olabilir? Karanlık enerjiyle dolu bir evrende, enerji sanki korunmuyor gibi görünüyor. Eğer enerji yoğunluğu aynı kalıp evrenin hacmi artarsa, bu evrendeki toplam enerjinin arttığı anlamına gelmez mi? Peki bu enerjinin korunumu yasasını ihlal etmez mi? Sonuçta, bizler evrende gerçekleşen bütün fiziksel olaylarda enerjinin korunması gerektiğini düşünüyoruz. Genel Görelilik Teorisi, enerjinin korunumunun bir ihlali anlamına geliyor olabilir mi?

David Champion

Aslında, korkutucu olsa da, cevap "Evet!" olabilir. Genel Görelilik Teorisi'nin tam olarak tanımlayabildiği pek çok kavram ve nicelik olsa da, enerji onlardan biri değil. Diğer bir deyişle, Einstein'ın denklemlerine göre, enerjinin korunma gibi bir zorunluluğu yok. Hatta küresel enerji Genel Görelilik Teorisi'nde tanımlanmamıştır bile. Aslında, enerjinin ne zaman korunup ne zaman korunmadığı ile ilgili genel bir açıklama yapabiliriz. Eğer elinizde uzay-zamanın statik dokusunda etkileşen parçacıklar varsa, enerji tamamıyla korunur. Ancak parçacıkların içerisinde hareket ettiği uzay değişiyorsa, parçacıkların toplam enerjisi korunmaz.^[1] Bu, fotonların kırmızıya kaydığı genişleyen bir Evren'de ve çoğunlukla karanlık enerjiyle ile dolu bir evrende doğru olacaktır.

Bu cevap, teknik olarak doğru olsa da, mesele bundan ibaret değildir. Değişen uzay dokusundan bahsettiğimiz zaman, yeni bir enerji tanımı yapabiliriz; ancak bunu yaparken dikkatli olmalıyız.

Esnek Bir Evrende Yeni Bir Enerji...

Enerjiyi incelemenin çok zekice bir yolu vardır.^[2] Ancak önce ufak bir hatırlatma yaomamız gerekiyor: Kimyasal, elektriksel, termal, kinetik ve potansiyel enerjinin yanında bir de "iş" kavramı vardır. İş, fiziksel anlamda bir nesneye kuvvet uyguladığınızda ve nesne de kuvveti uyguladığınız yönde hareket ettiğinde, sisteme enerji aktarma sürecinin adıdır. Eğer bu yönler birbirine tersse, o halde "negatif iş" yapmış olursunuz. Bu ise sistemin enerjisini azaltır.

Buna güzel bir örnek olması için, gazları düşünebiliriz. Gaz dolu bir kabı ısıtırsanız (yani ona enerji aktarırsanız) ne olur? Kabın içerisindeki gaz molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar. Böylece daha hızlı bir şekilde daha fazla alana yayılırlar. Peki ya pistonlu bir sistemin sıcaklığını artırırsak ne olur? Moleküller ısınır, daha hızlı hareket eder ama bu durumda piston kabının duvarlarına çarparak fazladan basınç oluştururlar. Bu ise pistonun yukarı doğru itilmesine neden olur. Yani, moleküller piston üzerinde iş yaparlar!

Forbes

Bu durum, genişleyen Evren'imizde gerçekleşen şeye oldukça benzemektedir. Radyasyonla (fotonlarla) dolu bir evrende, her bir fotonun dalga boyuna bağlı bir enerjisi vardır ve evren genişlerken bu fotonların dalga boyları uzar. Yani fotonlar enerji kaybeder. Ancak içinde bir basınç olan her şey tarafından, Evren'in kendisi üzerinde bir iş yapılır!

Tam tersine, elinizdeki evren (bizimkisi gibi) tamamıyla karanlık enerji ile dolu olsaydı, enerji yoğunluğunun yanında bir basınç da söz konusu olurdu. Buradaki esas fark, karanlık enerjiden kaynaklanan basıncın negatif olmasıdır. Yani durum, radyasyon için anlattığımızın tam tersi olacaktır: Kabın duvarları genişlerken, uzay-zamanın dokusunun ta kendisi üzerine iş yapar!

Forbes

Karanlık Enerji Nereden Geliyor?

Peki karanlık enerji nereden geliyor? Karanlık enerji, genişleyen evren üzerinde yapılan negatif işten kaynaklanıyor. 1992 yılında Carroll, Press ve Turner tarafından yapılan bir çalışmada bu konu ele alınmış ve konu hakkında şunlar söylenmiştir:^[3]

Uzay dokusu negatif basınca sahip olduğu için, çevresi üzerinde negatif iş yapar. Dokunun kütlesinin ve sıcaklığının değişmeden genişlediğini varsayarsak, bu negatif iş, dokunun kütle/enerji artışına eşitlenebilir. Böylece karanlık enerji için doğru durum denklemi elde edilir: $P=–\rho c^2$. Yani matematiksel anlamda hipotez doğrudur.

Ancak bu da enerjinin korunduğu anlamına gelmez. Sadece, bize bu problem için zekice bir bakış açısı kazandırır.

Sonuç

Bu yazımızdan yapmanız gereken iki önemli çıkarım şunlardır:

1. Parçacıklar, değişmeyen bir uzay-zaman dokusunda etkileşime girdikleri zaman, enerji korunmalıdır. Ancak içinde bulundukları uzay-zaman dokusu değişirse, enerjinin korunumu yasası artık geçersizdir.
2. Enerjiyi uzay dokusunun çevresindeki şeyler üzerinde yaptığı pozitif ve negatif işleri dahil edecek şekilde yeniden tanımlarsanız, genişleyen bir evrende enerjinin korunumu kanunu sorunsuzca çalışacaktır. Bu hem fotonlar gibi pozitif basınca sahip hem de karanlık madde gibi negatif basınca sahip nicelikler için geçerlidir.

Ancak yapılan bu yeni tanım, çok güçlü bir tanım değildir. Sadece enerjinin korunumu yasasının çalışmasını sağlamak için yapılmış, matematiksel bir tanımdır. İşin aslı (ve kabul edilmesi gereken ana gerçek), genişleyen Evren'de enerjinin korunmadığı gerçeğidir. Belki de bir Kuantum Kütle Çekim Teorisi geliştirebilirsek, orada korunduğunu görebiliriz.^[4] Ancak Genel Görelilik Teorisi'nde bunu tam olarak tanımlayacak iyi bir yöntemimiz yok.