Alan Guth ile Büyük Patlama'yı Yeniden Anlamak...

Bilim insanları, “Büyük Patlama1” adı verilen bir olayın zayıf da olsa var olan tesirlerini gözlemlemekte olan bir teleskop yardımıyla, evrenin bir nokta boyutundan 1090 tane parçacık içeren yoğun bir çorbaya neredeyse anında genişlemesinin kanıtlarını bulduklarını bu haftanın başında açıkladılar. Bu keşif, Güney Kutbu’nda konumlanan BICEP2 uydusu tarafından sağlanan verilerle, evrenin doğumundan sonra milyarlarca kat genişlediği “kozmik enflasyon” evresine ait ilk güçlü kanıtları gün ışığına çıkarıyor.

Kozmik Enflasyon Kuramı ilk olarak 1980 yılında, şu anda MIT (Massachusets Institute of Technology) üniversitesi fizik bölümünde Victor F. Weisskopf Fizik Profesörü unvanını taşıyan Alan Guth tarafından öne sürüldü. BICEP2 verilerinin önemini tartışmak üzere MIT News dergisinin kendisiyle yaptığı röportajın çevirisini okurlarımıza sunuyoruz. 

MIT: İlk olarak 1980 yılında öne sürdüğünüz kozmik enflasyon kuramını açıklayabilir misiniz?

A.G. :  Genelde enflasyon kuramını Büyük Patlama’nın “patlama” aşamasını açıklayan bir kuram olarak tanımlarım; açmak gerekirse, bu kuram evreni Büyük Patlama adını verdiğimiz muazzam genişleme evresine sürükleyen tetikleyici mekanizmaları açıklamaktadır. Orjinal haliyle ise, Büyük Patlama kuramı hiçbir zaman söz konusu patlama evresiyle ilgili bir kuram olmadı. Neyin patladığı, neden patladığı ya da patlamadan önce neler olduğuyla ilgili hiçbir şey söylememekteydi.

Dolayısıyla, Büyük Patlama Kuramı’nın ortaya atıldığı ilk hali, bu sorulardan çok patlamanın sonrasına dair açıklamalar getiriyordu. Bu kuram; halihazırda sıcak, yoğun ve muazzam bir oranda genişleyen evrenin genişledikçe nasıl soğuduğunu ve genişlemesinin kütle çekim kuvveti tarafından nasıl yavaşlatıldığını tarif ediyordu.

Enflasyon kuramı ise, evrenin ilk olarak genişlemeye başlamasının, kütle çekim kuvvetinin itici bir formu olan kütle itim kuvveti tarafından tetiklendiğini öne sürmektedir. Newton’a göre, kütle çekim mutlak olarak çekici bir kuvvettir, ancak bu durum hakkındaki anlayışımız Albert Einstein ve genel görelilik kuramının keşfiyle değişti. Genel görelilik, kütle çekimi bir kuvvet olmaktan ziyade uzay ve zamandaki bozulmalar olarak ele alır, dolayısıyla kütle itim olasılığına imkan tanır.

Modern parçacık kuramları, çok yüksek enerjilerde maddenin kütle itim yaratan formlarının oluşması gerektiğini dikkatlice ortaya koyuyor. Enflasyon kuramı ise, yeni doğmuş evrenin en azından çok küçük bir parçasının bu gibi kütle itim yaratacak bir maddeyle dolu olduğunu öne sürer. Sözkonusu bu bölgenin boyutları ilk haliyle muhtemelen son derece küçük , 10-24 santimetre gibi düşük bir mertebede, yani bir protonun kapladığı alandan 100 milyar kere daha küçük. Ancak, son derece küçük olan bu bölge kütle itimin etkisiyle üstel (eksponansiyel) mertebede genişlemeye, her 10-37 saniyede bir hacmini ikiye katlamaya başladı. Evrenimizin günümüzdeki haline ulaşabilmek için bu bölgenin en azından 80 kere hacmini ikiye katlamış olması gerekir, ki bu yaklaşık olarak boyutlarının 1 santimetre mertebesine ulaşmış olması demek oluyor. Bu sayıdan çok daha fazla hacmini ikiye katlamış olabilir, ancak en azından bu sayı gereklidir.

Böyle bir üstel genişleme dönemi sırasında var olan sıradan maddenin giderek seyrekleşmesi, yoğunluğunun neredeyse hiçliğe varacak kadar azalmaya başlaması beklenirdi. Ancak, bizim durumumuzda çok daha farklı bir davranış gözlemliyoruz. İçinde bulunduğu uzay ne kadar genişlerse genişlesin, kütle itim etkisi yaratan bu madde aslında her daim sabit bir yoğunlukta kalmaktaydı! Bu durum her ne kadar bariz bir biçimde enerji korunumu yasasının ihlaliymiş gibi görünse de, esasında kusursuz olarak tutarlı bir durumdur.

Bu garip durum aslında kütle çekimin özgün bir özelliğine dayanmaktadır: Kütle çekim alanlarının enerjisi negatiftir2!Evrenin kütle itim yaratan maddeyle dolu olan parçası sabit bir yoğunlukta genişlemeyi sürdürdükçe, madde formunda sürekli olarak pozitif enerji oluşturuluyordu3. Aynı zamanda da, mevcut kütle çekimsel alanlar vasıtasıyla negatif enerji de oluşturulmaktaydı. Dolayısıyla, toplam enerji olması gerektiği gibi sabit kalmıştır ve bu yüzden de miktarı düşük bir mertebededir.

Esasen, evrenin toplam enerjisinin tam olarak sıfır olması da mümkündür, ki bu durumda madde formundaki pozitif enerji ile kütle çekim alanı formundaki negatif enerji birbirini dengelemektedir. Her zaman söylediğim gibi, evren aslında bedava bir öğlen yemeği gibidir. Çünkü evrenin oluşabilmesi için aslında herhangi bir enerji gerekmemektedir.

Kütle itim yaratan madde bir noktadan sonra kararsız duruma geleceği için bir süre sonra enflasyon evresi sona erdi. Daha sonra bu maddeler sıradan madde parçacıklarına bozunacak ve o andan itibaren bilindik evrenimizi, alışılagelmiş Büyük Patlama kuramının başlangıcını oluşturan sıcak ve yoğun madde-enerji çorbasını meydana getirecekledi. İşte tam olarak bu noktada kütle itim sona ermiş oldu, fakat evren milyarlarca yıl boyunca genişlemesini sürdürdü. Şu halde, evrenin doğum anından sonra gerçekleştiği şüphesiz olsa da, enflasyon döneminin kozmologların Büyük Patlama adını verdikleri dönemin öncesine tekabül ettiğini söylememiz mümkündür.

---

MIT: Peki, bu hafta duyurulan yeni sonuçlar nelerdir, enflasyon kuramına hangi kritik katkılarda bulunmaktadırlar? 

A.G.: Enflasyon evresindeki muazzam genişlemeden dolayı oluşan genleşme etkisi büyük ölçekte düzensiz yapıları daha düzenli hale getirme eğilimi gösterir, ki bu kozmoloji için oldukça iyidir. Keza, patlama evresi geçirmiş bi evren muhtemelen oldukça dağınık ve gözenekli bir halde olacaktır. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı4 gözlemlerinden görüldüğü kadarıyla da evren buna uygun olarak ilk anlarında oldukça homojen bir yapı göstermekteydi, öyle ki yoğunluk 100000’de 1 derecesinde farklılık payıyla evrenin her yerinde aynıydı.

Maddenin evrendeki dağılımında var olan söz konusu bu çok küçük farklılıklar, kütle çekimin de etkisiyle daha da derinleşmeye başladı. Öyle ki, yoğunluğun biraz fazla olduğu bölgelerde daha güçlü bir kütle çekim alanı oluştuğundan dolayı bu bölgelere daha çok madde çekildi ve bu o bölgedeki kütle çekim alanını daha da kuvvetlendirdi. Topaklanan bu maddelerin herhangi bir yapı oluşturabilmesi için, görüldüğü üzere enflasyon evresinin sonunda maddenin uzayda dağılımında az da olsa yoğunluk farklılıkları olması gerekmektedir.

Enflasyon modellerinde, daha sonra maddenin topaklanarak yıldızları, galaksileri ve evrenin genel yapısını oluşturmasına ön ayak olan bu yoğunluk farklılıkları kuantum kuramına atfedilir. Kuantum Alan Kuramı, çok küçük skalalarda her şeyin oldukça çalkantılı bir durumda olduğunu öne sürer. Eğer yeterince güçlü bir büyütecimiz olsaydı ve onunla boşluğu gözlemleseydik, boşluk olarak tasvir ettiğimiz uzayın o kadar da boş olmadığını görürdük. Mevcut elektrik ve manyetik alanların şiddetli bir biçimde dalgalandığına, hatta elektron ve pozitron çiftlerinin boşlukta birden meydana gelip aniden yok olduklarına tanık olurduk. Enflasyon dönemi ise, yarattığı muazzam genişleme etkisi ile boşluktaki bu kuantum dalgalanmalarını gözle görülür ölçeklere taşıyan bir faktör oldu.

 Kozmik mikrodalga arkaplan ışınımındaki sıcaklık farklılıkları ilk olarak 1992 yılında COBE uydusu tarafından ölçüldü ve ölçüldüğü günden bu yana gerçekleştirilen yer, balon ve uydu bazlı deneylerle ölçümler çok daha hassas bir biçimde tekrarlandı. Bu ölçümlerin tümü enflasyon kuramının öngörüleriyle uyum içerisindeydi. Ancak, yine de bu ölçümler enflasyonun kanıtı olarak genelde kabul görmedi, zira bu sıcaklık farklılıklarına yol açabilecek tek etmenin enflasyon olduğu belirsizdi.

Bununla birlikte, hatırlatmak gerekirse enflasyonun genişletme etkisi aynı zamanda uzayın geometrisine de etki eder. Uzay, genel görelilik kuramına göre esnek kabul edilir, sıkıştırılabilir, uzatılabilir, hatta bükülebilir bile. Aynı zamanda uzay geometrisi küçük skalalarda kuantum etkileşimlerinden dolayı dalgalanmalar gösterir ve enflasyon bu dalgalanmaları genişleterek evrenin ilk anlarında kütle çekim dalgaları oluşturmuştur.

John Kovac ve BICEP2 grubu tarafından yayınlanan yeni sonuçlar ise bu kütle çekim dalgalarının yüksek bir doğruluk payıyla ölçümüne dayanmakta. Ölçümleri yapan grup doğrudan kütle çekim dalgalarını gözlemlemedi, ancak bunun yerine gökyüzünün belli bölgelerinde kozmik mikrodalga arkaplan ışınımının oldukça detaylı bir polarizasyon haritasını çıkardılar. Gözlemledikleri şey polarizasyon haritasında yer alan “B modu” adını verdikleri türbülans desenleriydi, ki bu desenler yalnızca evrenin ilk anlarındaki kütle çekim dalgaları veya modern evrendeki mevcut maddenin yol açtığı kütle çekimsel mercek etkisiyle oluşabilirdi.

Ancak, evrenin ilk anlarında oluşan kütle çekim dalgaları mercekleme etkisiyle oluşanlardan ayırt edilebiliyordu, keza daha büyük açısal skalalarda mevcut olma eğilimleri vardı, dolayısıyla BICEP2 grubu kararlı bir biçimde sonuçları ayrıştırabildi. Bu gözlemler söz konusu kütle çekim dalgalarının dolaylı da olsa keşfedildiği ilk veri olma niteliği taşımakta, dolayısıyla kütle çekimin kuantum mekaniksel özelliklerini gözlemlediğimiz ilk anı yaşamaktayız5.

---

MIT:  Bu yeni bulguların önemini nasıl tanımlarsınız, bunlar hakkındaki düşünceleriniz nelerdir?

A.G.: Bu bulgular muazzam bir önem arz etmektedir. Öncelikle, enflasyon kuramının öngördüğü resmi çok önemli bir ölçüde doğrulamaktadırlar. Bildiğimiz kadarıyla, gözlemlenen kütle çekim dalgalarını enflasyon dışında üretebilecek bir olay mevcut değil. İkincisi, bu gözlemler bize enflasyon hakkında bilmediğimiz birçok detayı gösteriyor. Özellikle, daha önce üzerinde değişik tahminler yürütülen enflasyon dönemi sırasındaki evrenin enerji yoğunluğu, bu ölçümlerle birlikte bir kesinlik kazanmış oldu.

Enflasyon aşamasındaki evrenin enerji yoğunluğunun belirlenmesiyle, bu sonuçlar aynı zamanda bize daha önceki mevcut ayrıntılı enflasyon modellerinin hangilerinin geçerli hangilerinin geçersiz olduğu hakkında önemli fikirler veriyor. Şimdiki sonuçlar tam olarak nihai olmasa da, enflasyon dönemini modelleyebilmemiz için bize izlememiz gereken yolu göstermekte.

Son olarak ve belki de en önemlisi, bulunan bu yeni sonuçların hikayenin sonu olmadığı, hatta bize yeni pencereler açtığıdır. Sözkonusu B modlarının bulunmasıyla artık BICEP2 grubu ve diğer araştırma grupları bu konuda çalışmalarına devam edecekler. Böylelikle evrenin ilk zamanlardaki davranışını, enflasyon dönemi de dahil olmak üzere çalışmamız için bize yeni araçlar sağlayacaklardır.

Ben ve diğer meslektaşlarım 1980’lerin başında kuantum dalgalanmalarının etkilerini araştırdığımız zaman, bir gün bu etkileri birilerinin herhangi bir şekilde ölçebileceğini aklımın ucundan geçirmemiştim. Bana göre, meslektaşlarımla bu dalgalanmaların teorik olarak nasıl bir davranış gösterecekleri sadece bir oyun gibiydi. Dolayısıyla, özellikle BICEP2 takımının ve diğer astronomların bu ufak etkileri ölçmede katettikleri mesafe karşısında söylecek bir söz bulamıyorum. Diğer tüm deneysel sonuçlarda olduğu gibi, bu sonuçları da kesin olgular olarak ele almadan önce diğer araştırma grupları tarafından da doğrulanmalarını beklememiz gerekir. Ancak BICEP2 son derece dikkatli ve temiz sonuçlar elde etmiş gibi görünüyor, dolayısıyla büyük bir olasılıkla doğrulanacaklarını düşünüyorum.

Çeviren: Serdar Bilgili

Çevirmen Notları:

1. Orjinal hali “The Big Bang Theory” olan bu terimde gerek İngilizce gerekse Türkçe dilinde yanlış olarak patlama kelimesi kullanılmıştır. Tarihsel olarak böyle isimlendirildiği için mevcut terimi korumak istemekle birlikte, Büyük Patlama Kuramı’nın esasen tipik patlamadan ziyade muazzam bir genişleme evresinin tasvir edildiği bir model olduğunu söyleyebiliriz.Bu durumda metinde geçen patlama sözcüklerinin genişleme olarak tasvir edilmesi yanlış olmayacaktır.

2. Negatif enerji kavramı, enerjiyi iş yapabilme yeteneği olarak tanımladığımızda kulağa oldukça absürd gelebilir. Ancak, birbiriyle etkileşen yapılardan oluşan sistemleri açıklamak için oldukça elzemdir. Bu kavramı zihnimizde canlandırabilmek için elimize iki tane mıknatıs alalım ve zıt kutuplarını temas ettirerek birbirlerini çekmelerini sağlayalım. Eğer dışarıdan bir müdahalede bulunmazsak birbirlerini çeken mıknatıslar kenetlenip birbirlerine yapışacaklardır. Bu yolla birbirleri ile etkileşen iki mıknatıstan oluşan bir sistem oluşturmuş oluruz. Peki, bir süre sonra canımız sıkıldı diyelim ve mıknatısları birbirlerinden ayırmaya çalışalım. Haliyle belli bir kuvvet uygulayarak, yani enerji harcayarak mıknatısları ayırmamız gerekecektir. Peki bu esnada harcadığımız enerji nereye gitmektedir? Bu durumu açıklayabilmek için, birbirlerine kenetlenmiş durumdaki mıknatıslar arasında mevcut olan manyetik kuvvet bağının (manyetik alanın) negatif enerji depoladığını söyleyebiliriz. Eğer bu bağı kırmak istiyorsak, bağın depoladığı negatif enerji miktarı kadar pozitif enerji harcamamız gerekmektedir.

Aynı örneği kütle çekim kuvvetine, dolayısıyla da kütle çekim alanlarına uyarlamamız mümkündür. Ayağımızın altında bulunan devasa kütleli Dünya tarafından çekilen bizler bir tür kütle çekim alanı içindeyiz. Eğer Dünya’nın çekiminden bir şekilde kurtulmak istiyorsak, Dünya ile aramızdaki mevcut bağın taşıdığı negatif enerji miktarı kadar pozitif enerjiyi asgari olarak sağlamamız gerekmektedir. Bir uydunun uzaya fırlatılması esnasında harcanan yüzbinlerce tonluk yakıt tam da bu işlevi görmektedir.

3. Maddenin pozitif bir enerji formu olduğunu söylememiz önemli ölçüde Albert Einstein tarafından uyarlanan meşhur “E = mc2” denklemine dayanmaktadır. Şu halde, maddenin kütle olarak adlandırdığımız özelliği ile enerji olarak adlandırdığımız değişken, bir madeni paranın iki yüzü gibidirler.

4. Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı (CMB: Cosmic Microwave Background Radiation) ya da kısaca Fon Işıması, evrenin doğumundan itibaren açığa çıkan muazzam yoğunluktaki ışımanın günümüze ulaşan ve evrenin her yanını dolduran kalıntılarına verilen isimdir. Evren genişledikçe ışımayı oluşturan fotonların dalga boyu da kırmızıya kaymış ve günümüzde 1.9 mm dalga boyunda olduğu ölçülmüştür. 1978 yılında sabit bir parazit olarak keşfedilen bu ışıma (aynı zamanda tüplü televizyonlarda boş kanal açıldığında görülen karıncalı ekranın nedenlerinden birisidir), Büyük Patlama Kuramı’nın önemli kanıtlarından biri olarak gösterilmektedir.

Bu ışımayı daha iyi anlayabilmek için zamanda geriye doğru gitmek faydalı olacaktır, öyle ki zamanı geri sardığımız sürece evren tam tersine küçülecek, giderek yoğun ve sıcak bir hal alacaktır. Radyo dalgaları, kızılötesi, gözümüzce algılanan görünür ışık, mor ötesi, x ışınları gibi birçok formu bulunan ışıma olayı, uzayın dokusunda birbirlerine dolanık halde ilerleyen elektrik ve manyetik alan dalgalanmaları şeklinde oluşur. Bir dalga şeklinde ilerledikleri için, sahip oldukları en temel değişken dalga boyları veya frekanslarıdır. İçerisinde bulundukları uzayın genişliyor oluşu, tıpkı bir balon üzerine çizilen iki nokta arasındaki uzaklığın balon şişirildikçe artması gibi, söz konusu elektromanyetik dalgaların dalga boylarında büyümeye neden olur. Şu durumda, günümüzde elektromanyetik tayfın mikrodalga bölgesine tekabül eden fon ışıması, daralan evrenle birlikte maviye kayma gösterecek ve sırasıyla tayfın kızılötesi, görünür ışık, mor ötesi, ve daha yüksek enerjili dalgaboylarına ulaşacaktır. Eğer zamanı bu şekilde geriye sarabilseydik, özel bir zaman diliminde fon ışımasının görünür ışık dalga boyunda olduğuna, dolayısıyla gökyüzünü her daim kaplayan gökkuşağı renklerine hayranlıkla tanık olabilirdik.

5. Mikro ölçekteki mevcut nükleer ve elektromanyetik etkileşimleri açıklayan Kuantum Alan Kuramı ve makro ölçekteki kütle çekim etkileşimini açıklayan Genel Görelilik Kuramı’nın birbiriyle uyuşmaması bilim dünyasını oldukça uzun zamandır rahatsız eden ve üzerinde araştırmalara halen devam edilen bir konu. Dolayısıyla, bu iki büyük kuramın birleştirilmesi üzerine yapılan araştırmalarda, kütle çekim etkileşiminin kuantum mekaniksel kökenlerine ışık tutan BICEP2 verileri mihenk taşı denebilecek derecede önemli bir yer tutmaktadır.