Evren, Işık Hızından Daha Hızlı mı Genişliyor? Büyük Patlama ve Enflasyon Dönemi'nde Tam Olarak Ne Oldu?

Evren'in nereden geldiğini düşündüğünüzde, muhtemelen sıcak bir Büyük Patlama'nın başlangıç noktamız olduğunu varsayarsınız. Büyük Patlama'ya göre her şey, sonradan genişleyecek, soğuyacak ve içinde yaşadığımız Evren'i oluşturmak üzere bir araya gelecek olan yüksek enerjili madde ve radyasyonun erken, yoğun ve sabit durumuyla başladı.

Fakat Büyük Patlama'dan önce Evren, şimdiki evrenimizin beraberinde oluştuğu başlangıç koşullarını düzenleyen bir Kozmik Enflasyon Dönemi geçirdi (bu dönemin Büyük Patlama'dan önce mi yoksa sonra mı yaşandığı, Büyük Patlama'yı nasıl tanımladığınıza bağlı olarak, tartışmalı olabilir). Bu süreç sırasında Evren, uzaydaki küçük bir alanın yapısının saniyenin yalnızca küçük bir biriminde günümüzdeki Gözlenebilir Evren'den çok daha büyük olmasını sağlayacak şekilde, katlanarak genişledi.

Bu durumda, herhangi iki parçacıktan biri, diğerinin kendisinden ışık hızından daha büyük bir hızla uzaklaştığını görürdü - ki bu da bir paradoks yaratıyor: Hiçbir şey ışık hızını geçemediğine göre, kozmik enflasyon nasıl gerçekleşiyor? Bunun yanıtı, tam anlamıyla Evren'e bakış açınızı değiştirecek.

John D. Norton

Evren'in Genişlemesi ve Işığın Kırmızıya Kayması

Genişlemeyi anlatmadan önce, bugünkü Evren'imizde gördüğümüz benzer bir etkiyi, kozmik genişlemeyi anlatalım. Az sonra daha detaylıca anlatacağımız gibi, uzak galaksilere baktığımızda, daha uzakta olan galaksilerden gelen ışıkların, daha yakındaki galaksilerden gelen ışıklara oranla daha fazla kırmızıya kaymış olarak (gelen ışıkta kırmızı rengin daha yoğun olması gibi düşünebilirsiniz) bize ulaştığını görürüz. Günümüzde, cisimler bizden uzaklaşıyorlarsa, onlardan gelen ışığın da Doppler Etkisi'nden ötürü kırmızıya kayabileceğini biliriz. Bu sebeple, galaksilerden gelen ışığın kırmızıya kaymasına bakarak, bu galaksilerin bizden uzaklaştığını ileri süreriz.

Ancak kırmızıya kayma, illâ ışık kaynağı ile gözlemcinin farklı hızlarda gitmesinden kaynaklanmaz; uzayın kendi genişlemesinden de kaynaklanabilir! Yani aslında uzay da genişler; galaksiler sadece uzay içerisinde hareket ederek bizden uzaklaşmazlar:

• İlk tür kırmızıya kayma Özel Görelilik Teorisi'nin bir özelliğidir ve uzaydaki cisimlerin göreli hareketinden kaynaklanır.
• İkinci tür ise Genel Görelilik Teorisi'nin bir özelliğidir, uzayın genişlemesinden kaynaklanır.

İki etki de uzak galaksilerden gelen ışığın kırmızıya kaymasına neden olduğundan, bir kırmızıya kayma olayının göreli hareketten değil de, kozmik genişlemeden kaynaklandığını nereden bileceğiz? Cevap şu:

• Eğer ki kırmızıya kayma, cisimlerin birbirine göre hareketinden kaynaklanıyorsa, uzak galaksilerden gelen ışık, galaksiyi terk ederken kırmızıya kayar; dolayısıyla ışık bize ulaştığında aynı zamanda daha soluk da olur.
• Eğer ki kırmızıya kayma kozmik genişlemeden kaynaklanıyorsa, ışık o uzak galaksiyi kırmızıya kayma gerçekleşmeden terk eder, dolayısıyla soluklaşmaz. Ancak sonradan, uzayın genişlemesinden ötürü kırmızıya kayarak bize ulaşır. Bu da, uzaktaki süpernovalardan gelen ışıkların parlaklığını birbiriyle kıyaslayarak şiddet-kırmızıya kayma ilişkisi olarak bilinen değeri hesaplayabilirsiniz. Bu ilişkiyi hesapladığımızda zaman gördüğümüz şey, bu ilişkinin kozmik genişlemeyle harika bir şekilde uyumlu olduğudur. Bu değer, göreli hareket modeliyle tamamen uyumsuzdur.

Dolayısıyla biliyoruz ki uzay sürekli genişlemektedir. İyi ama bu ne anlama gelir?

Işık Hızından Hızlı Uzaklaşmak Mümkün mü?

Kozmik genişleme, Hubble Sabiti olarak bilinen bir değer ile ifade edilir. Bugüne kadar bu sabitle ilgili yapılan en isabetli ölçüm, 1 milyon ışık yılı başına saniyede 20 kilometredir. Bu, şu anlama gelir: Uzayda birbirinden 1 milyon ışık yılı uzaktaki iki nokta, uzayın genişlemesinden ötürü birbirinden saniyede 20 kilometre hızla uzaklaşır. Tüm uzay genişliyor olduğundan, noktalar arasındaki mesafe arttıkça, birbirinden uzaklaşma hızı da artmaktadır. Yani birbirinden 10 milyon ışık yılı uzaktaki iki nokta, birbirinden saniyede 200 kilometre uzaklaşmaktadır.

Bu sebeple, eğer ki birbirinden yeterince uzak iki noktayı ele alacak olursanız, nihayetinde birbirlerinden ışık hızında uzaklaştıklarını görürsünüz. Işık hızı saniyede sadece 300.000 kilometredir; dolayısıyla elimizdeki Hubble Sabiti'ne göre, birbirinden 15 milyar ışık yılı uzaktaki iki nokta, birbirinden ışık hızında uzaklaşmaktadır (şu anda Gözlenebilir Evren'in çapının 93 milyar ışık yılı olduğu hesaplanmaktadır; konuyla ilgili bilgileri buradaki yazımızdan alabilirsiniz).

Bu durumda şunu düşünebilirsiniz: "Öyleyse birbirinden örneğin 16 milyar ışık yılı uzaktaki cisimler, birbirlerinden ışık hızından daha hızlı uzaklaşmaktadır!" Yani bir galaksinin ışıktan daha hızlı hareket ettiğini iddia edebilirsiniz.

Günümüzde Işık Hızından Hızlı Genişleme

Burada çok dikkatli olmak gerekir: Newton fiziğinin aksine, görelilik fiziğinde mutlak hız diye bir kavram yoktur; bütün hızlar, bir referans çerçevesine göre belirlenmek zorundadır. Dolayısıyla her hız, bağıl hız, yani göreli hız olmak zorundadır. Bir diğer deyişle, her cismin hızını bir başka cisme/gözlemciye göre söylemek zorundasınız. Buna göre, birbirinden 15 milyar ışık yılından daha uzak olan cisimlerin, birbirine göre "ışık hızı" dediğimiz saniyede 300 milyon metreden daha hızlı uzaklaştıkları doğrudur!

Ancak "ışık hızında gitmek" derken çoğumuzun kastettiği bu tür bir göreli hız değildir. Örneğin siz de şu anda (yukarıdaki videodan da izleyebileceğiniz gibi) Evren'deki bazı galaksilere göre ışık hızından hızlı uzaklaşıyorsunuz! Ama böyle bir hıza sahip olduğunuzu hissetmiyorsunuz ve sizin için zaman, örneğin gerçekten ışık hızında giden bir cisimde olacağı gibi, o galaksiye nazaran daha yavaş akmıyor. Çünkü ışığın mutlak olarak ışık hızında gitmesi ile, sizin göreli olarak ışık hızından hızlı gitmeniz farklı şeylerdir: Odanızdaki lambadan çıkan ışık, sadece size göre saniyede 300 milyon metre hızla ilerlemez; bütün gözlemcilere göre bu hızda ilerler. Bu, Özel Görelilik Teorisi'nin iki temel postülatından ikincisidir. Dolayısıyla ışık, vakumda ilerlerken, her şeye göre Evren'in mutlak hız sınırında ilerler.

Bu, "mutlak hızların var olmadığı" ilkesinin bir ihlâlidir ve kütlesiz fotonlar gibi elektromanyetik yayılımın vakumdaki hızına özel bir durumdur. Ve kütleli hiçbir cisim, lokal olarak bu hızı aşamaz. Dolayısıyla Evren'in hiçbir parçası, lokal olarak (yani kozmolojik ölçekte küçük skalalarda) ışık hızında genişlemez. Sadece göreli olarak bazı parçaları diğerlerine nazaran ışık hızında ve hatta ötesinde ilerleyebilir. Bu hız limitinin göreli olarak aşıldığı noktaya Hubble Küresi denir.

Evren'in Başlangıcında Işık Hızından Hızlı Genişleme

Kozmik Enflasyon Dönemi'nde ise ışık hızından hızlı ilerleme konusu biraz daha muğlaktır: Çünkü bu evrede sözü edilen de en nihayetinde göreli bir ışık hızı aşımıdır. Ancak Evren, bu evrede bir basketbol topu kadar küçük olduğu için, Hubble Küresi'nin sınırları da sadece birkaç santimetreyle erişebilir yapıdaydı. Bu nedenle Evren'in dikkate değer bir kısmı göreli olarak bile olsa ışık hızından hızlı genişliyordu ve bu, birçok kaynakta Evren'in ışık hızından hızlı genişlediğinin söylenmesinin nedenidir.^[1]

Yani söz genişleme, kozmik bir genişlemedir, galaktik bir hareket değil! Ve kozmik genişlemenin kendisi ışıktan hızlı değildir; yukarıda da söylediğimiz gibi, 1 milyon ışık yılı başına saniyede 20 kilometre civarındadır. Ama yeterince uzak galaksileri ele aldığınızda, söz konusu hız ışıktan hızını aşıyor gibi gözükür.

Bunu daha iyi anlamak için, Özel Görelilik Teorisi ve Genel Görelilik Teorisi'ne biraz daha giriş yapalım ve oradan Enflasyon Teorisi'ne geçerek, Evren'in bu temel özelliğini daha iyi anlayalım.

Özel Görelilik Teorisi: Işık Hızı, "Yerel Olarak" Aşılamaz!

Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi, 20. yüzyılın en önemli buluşlarından biridir. Teori, Evren'de bir hız sınırının olduğunu öne sürmektedir: ışık hızı. Ve kütlesiz olsa bile hiçbir iki parçacık, birbirine göre bundan daha hızlı hareket edemez. Ancak insanların birçoğu, bu "birbirine göre" kısmının tam olarak ne demek olduğunu anlamamaktadır. Einstein'ın teorisinin asıl öne sürdüğü, uzay-zamanda aynı olaydaki herhangi iki gözlemcinin birbirine göre vakumdaki ışığın hız değeri olan $c$'den daha hızlı hareket edemeyeceğidir. Peki, "olay" ne demektir? Bu, hem uzay hem zamandaki aynı konumu ifade etmektedir. Başka bir deyişle, $c$'nin evrendeki hız sınırı olduğu gerçeği, yalnızca aynı anda, aynı noktada (veya "konumda") bulunan iki cisim için geçerlidir.

NASA

Elbette bu, cisimlerin kozmik hız sınırını geçebilecekleri anlamına gelmez. Fakat, aynı anda aynı konumda bulunmadıkları sürece, farklı gözlemcilerin cisimlerin ne hızla hareket ettiği konusunda aynı görüşte olmayacakları anlamına gelir. Eğer iki roketten biri solunuzda diğeri sağınızda olmak üzere, roketler sizden ışık hızının %60'ı hızla uzaklaşırsa, siz onların ışık hızının %120'si hızla birbirlerinden uzaklaştıklarını gözlersiniz. İkisi de, sizin kendilerinden ışık hızının %60'ı hızla uzaklaştığınızı, diğer roketin ise yalnızca ışık hızının %88'i ile uzaklaştığını görür. Ama işte, eğer ki genişleyen bir evrende yaşıyorlarsa, her şey daha da garipleşir.

Ethan Siegel

Hız sınırları, yalnızca aynı uzay-zamandaki iki cisim için geçerli olduğundan, birbirinden -örneğin, uzaysal açıdan- ayrılan cisimler, uzayın yapısının değişmesi nedeniyle meydana gelebilecek ek hareketlere tabidir. Sizinle, gözlemlediğiniz cisim aranızdaki uzay genişliyorsa (veya daralıyorsa), sizden (veya size doğru) daha hızlı uzaklaşıyormuş gibi görünecektir: Göreli hareket (İng: "apparent motion"), sizin özel göreli hareketiniz ve gelişen uzayın genel görelilik fenomeninin bir birleşimidir. Uzay hangi hızda genişliyorsa (ya da daralıyorsa), bu ondan gelen ışığın belirli bir miktarda kırmızıya (veya maviye) kaymasına neden olacak ve bu cismin özel göreceli hareketi sıfır olsa bile sizden uzaklaşıyormuş gibi görünmesine yol açacaktır.

Bugün Evren'de uzak bir galaksiden gelen ışık, Evren genişlediği için kırmızıya kaymaktadır. Genişleme hızı geçmişte daha büyük olduğundan, daha uzaktaki cisimler, genişleme hızının gözlem ötesi tahminlerinin göstereceğinden çok daha hızlı bir şekilde uzaklaşıyor gibi görünüyor: Bunun nedeni, Evren'imizin sadece madde ve radyasyonu değil, karanlık enerjiyi de içermesidir. Genişleme hızının zaman içinde değişme şekli, Evren'in neyden oluştuğu tarafından belirlenir. Büyük Patlama'dan sonraki ilk birkaç bin yıl boyunca Evren'e en çok radyasyon hakim olmuştu. Bundan milyarlarca yıl sonra, onun yerini madde aldı. Günümüzde ise maddenin yerini, karanlık enerji almış durumda. Fakat Büyük Patlama'dan önce uzay, katlanan (üssel) bir hızla genişledi, bu da Evren'i düz bir şekilde gerdi ve ona her yerde sabit özellikler verdi. Tüm bunlar, kozmik enflasyon döneminde oldu.

Ethan Siegel

Evrenin katlanarak (üssel) genişlemesi, zaman geçtikçe genişleme hızının yavaşlaması ve uzak noktaların giderek daha yavaş hızlarda birbirinden uzaklaşması yerine, genişleme hızının hiç düşmediği anlamına geliyor. Sonuç olarak, uzak cisimler -zaman adım adım geçtikçe- önce iki kat, sonra dört kat, sonra sekiz, on altı, otuz iki kat vb. kat uzaklaşır.

Genişleme sadece üssel değil, aynı zamanda son derece hızlı da olduğu için, "ikiye katlama" yaklaşık 10^-35 saniyelik bir zaman ölçeğinde gerçekleşir. Yani 10^-34 saniye geçtiğinde, evren başlangıç boyutunun yaklaşık 1000 katı; 10^-33 saniye geçtiğinde başlangıç boyutunun yaklaşık 10³⁰ (veya 1000¹⁰) katı; 10^-32 saniye geçtiğinde ise boyutunun yaklaşık 10³⁰⁰ katı büyüklüğünde olacaktır. Bu üssel genişleme, hızlı olduğundan değil, aralıksız olduğundan çok etkilidir.

Ethan Siegel

Kozmik enflasyon durumda iki cisim birbirine çok yakın konumlarda oluşsa bile, yine özel görelilik kurallarına uymaları gerekir: Birbirlerine göre ancak ışık hızından daha düşük (veya kütleleri yoksa, buna eşit) hızlarda hareket edebilirler. Ama aralarındaki uzay da, evrenin belirlediği oranda genişleyebilir. Eğer bu, göreli hareketin (özel görelilik) ve genişleyen uzayın (genel görelilik) etkilerini birleştirerek, cisimlerin göreli hızlarının ışık hızından daha büyük olduğu sonucuna varacağınız anlamına geliyorsa, var olan teorilerimiz bu sonucunuza karşı gelmezdi: Evet, o cisimlerin, göreli olarak ışık hızından hızlı hareket ettiklerini söyleyebilirdiniz. Yalnızca, görünen kozmik hareketin tamamını özel göreliliğe yorarak hata etmiş olurdunuz. Ve bu tür bir problemle karşılaşmak için kozmik enflasyon durumuna gitmenize bile gerek yoktur!

NASA

Günümüzde de Bizden Işık Hızından Hızlı Uzaklaşan Galaksiler Var!

Bugün evrenimizdeki galaksilere bakarsanız, yaklaşık 15 milyar ışık yılı ötesindekilerin bizden zaten ışık hızından daha büyük bir hızla uzaklaşıyor gibi göründüklerini fark edersiniz. Bugün bir uzay gemisine binip ışık hızıyla onlara doğru yola çıksanız, onlara asla ulaşamazsınız. Evren'in genişlemesi bize uzay "dokusunun" (yapısının) esneme hızının, ışık hızında bile katedebileceğimiz mesafeden daha büyük olduğunu gösteriyor. Aramızdaki mesafe, her geçen yıl, 1 ışık yılından fazla artıyor. Evren'de kritik bir mesafenin ötesinde bulunan tüm galaksiler de zaten sonsuza kadar erişilemez durumda. Genişleme hızı üzerinde teorik bir sınır yok, çünkü kendisi bir hızdan çok, Evren'in, içerdiği enerji miktarı tarafından belirlenen bir özelliği. Bugün bu hız yaklaşık 70 km/s/Mpc değerinde, ancak kozmik enflasyon sırasında bu değer muhtemelen bundan 10⁵⁰ kat daha büyüktü.

Wikimedia

Kozmik enflasyon evreninde, herhangi iki parçacık, saniyenin küçücük bir parçasında diğerinin ışıktan hızlı görünen hızlarda kendisinden uzaklaştığını görecektir. Ancak bunun nedeni, parçacıkların hareket etmesi değil, aralarındaki uzayın genişlemesidir - ve Evren, istediği hızda genişleyebilir; Evren'in içindeki cisimler için geçerli olan hız sınırına tabi değildir!

Parçacıklar artık uzay-zamanda aynı konumda olmadıklarında, genişleyen Evren'in, kendi hareketlerinin özel görelilik etkilerine ağır basan genel görelilik etkilerini deneyimlemeye başlayacaklar. Yalnızca genel göreliliği ve uzayın genişlemesini unuttuğumuzda ve bunun yerine uzaktaki bir parçacığın hareketinin tamamını özel göreliliğe bağladığımızda, kendimizi onun ışıktan daha hızlı hareket ettiğine inandırırız. Halbuki Evren'in kendisi statik değildir. Bunu fark etmek kolaydır; asıl zor olan, bunun nasıl gerçekleştiğini anlamaktır.

"Hız" Olan ile Olmayan Şeyleri Kıyaslama Hatası

Burada yapılan bir hata, Evren'in genişlemesini bir "hız" gibi düşünmektir. Fakat evrenin genişleme hızı derken, aslında bildiğimiz hız kavramından söz etmeyiz. Hız dediğimiz şey, bir noktadan diğer bir noktaya ne kadar sürede gidildiğinin bir ölçütüdür. Halbuki evren bir hareket yapmamaktır, sadece genişlemektedir ve bu genişleme bir noktadan değil, her noktadan gerçekleşir. Dolayısıyla bir noktada göreceğiniz genişleme hızı, bir diğer noktada göreceğinizden farklı olacaktır.

Hızı, genellikle km/s birimiyle ifade ederiz. Bu tanım, bir cismin bir saniyede kaç kilometre ilerlediğini bize söyler. Fakat evrenin genişlemesi söz konusu olduğunda bu birim km/s/Mpc'dir. Yani bir megaparsek (kısaca "Mpc", yani 3.26 milyon ışık yılı) uzaklıktaki bir cismin bir saniyede kaç kilometre ilerlediğini bize söyler. Aramızdaki evren genişlediği için, bizden bir Mpc uzaklıktaki bir cisim, hiçbir hareketi olmasa dahi sırf aradaki evrenin genişlemesinden ötürü, bizden yaklaşık 70 km/s hızla uzaklaşır. Eğer 2 Mpc uzaklığa bakarsanız bu değer 140 km/s, 3 Mpc uzaklığa bakarsanız 210 km/s olur; bunu yukarıda da anlatmıştık.

Hubble Küresi'nin ötesine geçtiğinizdeyse, ışık kaynaktan çıkar, fakat bu sürede aramızdaki evren sürekli genişlediği için, ışık sürekli olarak yoluna devam eder. Bir diğer deyişle, ışığın önündeki yol bitmez. Bu tıpkı koşu bandı üzerinde koşmak gibidir. Sabit bir hızınız vardır, fakat altınızdaki bant kaydığı için asla hedefe ulaşamazsınız. Bu durumu anlatmak için hoş bir analoji olması bir yana, esas olay evren genişlerken gelen fotonun kırmızıya kaymasıdır. Dolayısıyla enerjisini sürekli olarak kaybeder.

Bu yüzden, evrenin genişleme hızı, aslında bir hız olmadığı için, ışık hızı ile kıyaslama yapmak fiziksel olarak anlamsızdır. Bu tıpkı bir arabanın hızını santigrat derece ile ifade etmek gibidir, birimler uyumsuz olduğu için bir karşılaştırma yapılması doğru değildir.

Eğer dikkat ederseniz, megaparsek de kilometre de bir uzaklık birimidir. Dolayısıyla gerekli işlemleri yaparak km/Mpc ifadesinden sabit bir sayı geldiğini görebilirsiniz. Bu durumda evrenin genişlemesinin 2.2x10^-18 s^-1 gibi bir değere sahip olduğunu görürsünüz - ki bu hızdan tamamen alakasız bir birimdir. Aslında bu, bildiğimiz "hertz" birimine benzemektedir. Şimdi işler biraz daha garipleşti öyle değil mi?

Fizikte, sayıların değerinden çok anlamları önemlidir. Burada Hubble sabitinin birim saniyede gerçekleşen bir şeyi ifade ettiğini görüyoruz. Örneğin ışığın frekansı da bir saniyedeki toplam dalga sayısını verir. Bu durumda Hubble sabiti, bir saniyedeki dalga sayısı gibi bir fiziksel durumu mu ima etmektedir? Elbette hayır. Çünkü genişlemeyi izah eden bir tanımı olması gerektiğini biliyoruz. Bu yüzden onu bu şekilde yorumlamak pek doğru olmayacaktır. Aslında bakarsanız Hubble sabitinin bu değeri, evrende aldığımız birim bir alanın, boyutunun bir saniyede %2.2x10^-16 kadar büyüyeceğini söyler. Yani Evren'in kaç saniye sonra, boyutunu kaça katlayacağını bu şekilde hesaplayabiliriz.

Özetle, Evren'in herhangi bir anındaki genişlemesini, bir hız ile kıyaslamak hatalıdır. Evet, Evren gerçekten de saniyeden de küçük bir zaman diliminde şu anki boyutlarına genişlemiştir. Fakat bu muazzam genişlemeyi, bir hız ile ifade etmek doğru değildir.