Evrenin Genişlemesi ve Balon Analojisi: Evren Neyin İçine Genişliyor? Evreni Şişen Bir Balon Olarak Hayal Edebilir miyiz?

Günümüzdeki kozmolojik modeller ve dikkatli gözlemler sayesinde Evren'in genişlediğini, hatta hızlanarak genişlediğini biliyoruz. Bu durum, insanların Evren'in neyin içerisine genişlediğini sorgulamasına neden oluyor. Çünkü sezgisel olan budur: Bir balonu şişirerek genişletirseniz, içinde bulunduğu odanın içine doğru genişler. Evren de genişliyorsa, onu kapsayan bir odanın veya mekanın içine genişliyor olmalıdır, öyle değil mi?

Hayır. Örneğin kapak görselindeki gibi Evren genişlemesi çizimleri yanıltıcıdır; çünkü Evren'in dışında simsiyah bir mekan var da Evren onun içine doğru genişliyor gibi bir algıya sebep olur. Tabii Evren'in genişlemesini göstermenin daha kolay bir yolu olmadığı için, bilim sanatçılarının da yapabilecekleri kısıtlıdır. Ancak belki de sorun budur: Belki de Evren'in genişlemesini, fiziksel olarak veya çizerek görselleştirmeye çalışmak, problemli bir yaklaşımdır. Belki de bunu yapmamalıyız.

Bunu söyleme nedenimiz şu: Günümüzde Evren'in genişlemesine yönelik olarak geliştirilen modellerin hiçbirinin çalışması için, Evren'imiz dışında ek bir mekâna gerek duyulmamaktadır. Yani fiziksel ve matematiksel modellerimiz, Evren'in dışındaki hiçbir şeye (örneğin evrenleri içerisinde barındıran bir dokuya) referansta bulunmaksızın Evren'imizin genişlemesini başarıyla izah edebilmektedir. Elbette, Çoklu Evrenler Teorisi gibi teoriler, birden fazla evreni içinde barındıran (mem)branlardan söz etmektedir; ancak bu teoriyi dikkate almaksızın da modern kozmoloji Evren'in genişlemesini açıklayabilmektedir.

Şişen Balon Analojisi

Şişen balon analojisi, bunu anlamak için iyi bir başlangıç noktasıdır: Bir balonun üzerinde yaşayan karıncalar olduğunu hayal edin. Bu karıncaların evreni 2 boyuttan ibarettir: İleri-geri ve sağa-sola gidebilirler; ancak balonun yüzeyinden dışarı çıkamazlar veya içeri giremezler.

Eğer balonu içine hava üfleyerek şişirecek olursanız, yüzeydeki iki karınca arasındaki mesafe durmaksızın artacaktır. Bu karıncalar, birbirlerini gözleyecek olsalar, birbirlerinden giderek uzaklaştıklarını görürlerdi ve dışarıdan bakan bir gözlemci olarak biz, bu genişlemeyi gözleyebilir ve doğrulayabilirdik. Buradaki kritik nokta, dışarıdaki gözlemcinin onayı veya doğrulaması olmaksızın da, sadece yüzeydeki karıncaların dikkatli bir gözlem sonucunda, içinde bulundukları evrenin genişlediğini fark edebilecek ve bu genişlemenin hızını doğru bir şekilde hesaplayabilecek olmalarıdır.

J. R. Eyerman

Burada kritik bir nokta şudur: Bu karıncalar, kendi uzaylarının sınırını bulmaya çalışacak olsalar, bunu asla bulamazlardı; çünkü balon yüzeyi, tıpkı Dünya yüzeyi gibi, sınırsızdır. Bir yöne doğru durmaksızın gidecek olurlarsa, balonun etrafından dönüp dolaşıp, başladıkları yere geri geleceklerdir.

Burada, Evren'in şeklinden de bahsetmek gerekir: Evren; düz, küresel veya eğri olabilir ama en güncel çalışmalar, Evren'in düz olduğuna işaret etmektedir. Burada "düz"den kasıt bir kâğıt gibi dümdüz olması değildir. Paralel çizgilerin her zaman paralel kaldığı bir uzaydan söz edilmektedir. Kâğıt gibi düz bir yüzey için bu doğrudur; ama aynı zamanda bir silindir, bir "simit" (torus) veya düz bir kâğıdı bükerek yapabileceğiniz diğer her türlü nesne için de bu kural geçerlidir.

İşte Evren'in de tıpkı karıncaların balon yüzeyi gibi olma ihtimali yüksektir: Eğer Evren sonsuz değil ama sınırsız ise ve düz ise, bir tarafa doğru durmaksızın gidersek, diğer taraftan başladığımız noktaya geri dönmemiz kaçınılmazdır. Bu durumda, "Evren'in dışı" diye söz edebileceğimiz bir yer yoktur. Ne kadar hızlı giderseniz gidin (isterseniz ışık hızında veya ışık hızından bile hızlı gidin), her zaman Evren'in içinde kalırsınız; sadece hedefinize daha hızlı varırsınız.

Şişen Balon Analojisinin Hataları

Elbette balon, aslında 3 boyutlu uzay içerisinde var olan bir nesnedir. Dolayısıyla teknik olarak, 3. boyutun içine genişlemektedir. Dolayısıyla balon analojisi a priori bir hata yapmaktadır: Eğer 3 boyutlu uzay içinden bir nesne seçip, onun yüzeyi üzerinden Evren'in genişlemesini anlatacak olursanız, elbette o 2 boyutlu yüzeyin 3 boyut içinde genişlediğini kabul etmek zorunda kalırsınız ve bu durumda herhangi bir $N$ boyutlu nesnenin her zaman $N+1$ boyutlu uzay içinde genişlediği sonucuna varırsınız. Ama bu, geçerli bir ispat değildir ve işte tam da bu noktada, analoji bozulmaya başlamaktadır.

Madde Girişiyle Genişleme

Evren'in genişlemesiyle ilgili olarak sıklıkla kullanılan balon analojisinin en büyük sorunu, balonun genişleme nedeninin içine durmadan hava üflenmesi olmasıdır. Evren'in genişleme nedeni, "içine bir şey üflenmesi" ya da "içindeki maddenin artması" değildir.

Basınç Farkıyla Genişleme

Bu sorunu düzeltmek amacıyla, analoji şöyle güncellenebilir: "Balon, içine hava üflendiği için değil de, dışarıdaki odanın basıncı düşürüldüğü için, iç basıncı dış basıncından fazla olduğundan genişlemektedir." denebilir. Bu, analojiyi pek fazla düzeltmemektedir; çünkü Evren'in genişleme nedeni iç basınç ve dış basınç farkı da değildir.

Hava Giriş Deliği

Balon analojisiyle ilgili bir diğer bariz problem, balonun hava girişi için ufak bir deliği olmasıdır. Evren'in bir pompanın girmesi ya da ağzın oturması için bir girişi yoktur. Dolayısıyla yekpare üretilmiş bir balon hayal edip, içindeki havanın basıncının dış basınçtan yüksek olması nedeniyle şiştiğini hayal edebilirsiniz; ancak gerçekte Evren'in genişlemesinin basınç farkıyla alakası olmadığını hatırlamanız gerekir.

3 Boyuttan Bir Nesne Seçiminin A Priori Hata Olması

Az önce de bahsettiğimiz gibi, balon örneğiyle ilgili daha büyük bir problem, bizim Evren'in genişlemesini görselleştirme çabamızın bir parçası olarak, halihazırda 3 boyutlu uzay içinde olduğunu bildiğimiz bir nesneyi (balonu) seçiyor olmamızdır. Balon, gerçekten de 3 boyutlu uzay içinde genişlemektedir. Evren içinse aynı şey doğru olmak zorunda değildir.

Evren, bildiğimiz kadarıyla, 4 boyutlu bir yapıdır: 3 uzay boyutu ve 1 zaman boyutu vardır. Biz, bu 3 uzay boyutunun genişlemesini anlamak için, 2 uzay boyutunun genişlediği bir örnek olarak balonu seçmekteyiz. Ancak bu, sanki 4 uzay boyutu varmış da, 3 boyutlu uzay da bunun içine genişliyormuş gibi bir algıya neden olmaktadır.

Açıkçası, 4. bir uzay boyutu olup olmadığını bilmiyoruz (Sicim Teorisi, 11 boyuttan söz etse de, henüz genel geçer kabul gören bir teori değil). Ama kritik nokta da bu: Evren'in genişlemesi için, 4. bir uzay boyutuna ihtiyaç yok. Zaten "nesnelerin konumu" olarak bahsettiğimiz şeyleri barındıran uzay-zaman dokusunun kendisi genişlemektedir; bu genişlemenin dışında, ekstra bir konuma gerek yoktur. Uzay-zaman, sadece genişleyebilir ve bu genişleme, onun içsel bir özelliğinden ibaret olabilir.

Dördüncü Bir Uzay Boyutu Var mı?

Burada sıklıkla dillendirilen bir argüman, karıncaların 3. uzay boyutunu deneyimleyemiyor olmasının, 3. bir boyutun var olmadığı anlamına gelmediğidir. Dolayısıyla, bizim 4. bir uzay boyutunu algılayamıyor veya deneyimleyemiyor oluşumuzun, Evren'in içine genişlediği 4. bir uzay boyutu olmadığı anlamına gelmediği itirazıdır.

Bu durumda 4. bir uzay boyutu olabilir mi? Bilmiyoruz. Olabilir... Eğer varsa, 4. boyuttan Evren'e bakan biri, onun genişlediğini dışarıdan da onaylayabilir ve hesaplayabilirdi. Ama olmayabilir de; çünkü Evren'in genişleyebilmesi için illâ 4. bir uzay boyutuna ihtiyacımız yok.

Dördüncü Boyut Olan Zaman, Bu Yapbozun Neresinde?

Eğer 4. boyut olarak zamanı işin içine katmak isterseniz, belki Pittsburgh'taki Carnegie Mellon Üniversitesi'nden astrofizik profesörü Robert Nichol'un şu anlatımı bazı şeyleri kafanızda oturtmaya yarayabilir:

Balon yüzeyinde yaşayan bir karıncanın yukarı veya aşağı hakkında hiçbir bilgisi yoktur. Dolayısıyla bu karınca için, balonun içinde ne olduğu önemli değildir. Benzer şekilde, Evren de uzay-zaman içerisinde genişlemektedir. 4 boyutun hepsinde, aynı anda genişlemektedir (bu keşif, Einstein'ın büyük keşfidir). Dolayısıyla tıpkı 3 boyutlu bir evren içindeki balon üzerinde yaşayan bir karıncanın sadece 2 boyutu 'görebilmesi' gibi, 4 boyutlu Evren'de yaşayan bizler de sadece 3 boyutu deneyimleyebilmekteyiz.

Bu bakış açısına göre, Evren'in genişlemesinin "zaman içinde" olması, zaten Evren'in uzay-zaman dokusu açısından da "zaman içerisinde" genişlediğini göstermektedir. Bir diğer deyişle, "zaman" dediğimiz kavramdan söz edebiliyor olma nedenimiz, 3 boyutlu Evren'imizin genişliyor olmasıdır. Bu yaklaşım, entropi ile zaman arasındaki ilişkiyi de bir araya getiren bir argüman olarak kabul edilebilir.

Ancak "zaman" boyutunun uzay boyutları ile birebir aynı şey olmadığı da hatırlanmalıdır. Örneğin Einstein'ın Görelilik Teorisi'ne göre zaman, diğer 3 boyut gibi genişlememektedir (işin matematiğinin özetini merak edenler buradan öğrenebilirler). Dolayısıyla tüm fizikçiler, bu "4 boyutta birden genişlemeyi" doğru kabul etmemektedirler.

Peki Ya Sicim Teorisi? Çoklu Evrenler Teorisi?

Sicim Teorisi, 10 veya 11 boyut kullanarak fizikteki birçok problemi çözmeye çalışan, "Her Şeyin Teorisi" olmaya aday olan teorilerden birisi ve en çok ilgi görenidir. Sicim Teorisi, çok farklı açılardan araştırılmış ve çok farklı açılardan eleştirilmiştir; bunlarla ilgili bir yazımızı buradan okuyabilirsiniz. Bu teori çerçevesinde, daha fazla sayıda uzay boyutu vardır; ancak bu boyutların hepsi, bizim deneyimlediğimiz 3 boyut gibi büyük boyutlar değillerdir. Diğer boyutlar, kendileri üzerine kıvrılan, kompakt boyutlardır; dolayısıyla Evren'in içine genişlediği boyutu tanımlamazlar (4. bir uzay boyutunun da 3 uzay boyutu gibi büyük boyutlardan olduğunu varsayan modeller de vardır).

Çoklu Evrenler Teorisi ise, Evren'imizin birden fazla evrenden birisi olduğunu, bu evrenlerin "evrenler-üstü" bir yapı içerisinde sabun baloncukları gibi yığılmış halde bulunduklarını öngörmektedir. Bu teoride, elbette 3 uzay boyutlu Evren'imizin ötesinde bir boyut olduğu varsayılmaktadır.

Bunların her ikisi de, özünde 4 boyutlu uzay-zamanın ötesinde bir boyut olabileceğini varsayan bilimsel kuramlardır. Öte yandan bunların her ikisi de, henüz bilimsel açıdan genel geçer olarak kabul görmemiş olan, teorik fiziğin olasılık dahilinde tuttuğu ve araştırdığı teoriler konumundadır. Bu bakımdan, bu analizde bu teoriler göz ardı edilmiş ve ana akım fizikçilerin Evren'in neyin içinde genişlediği sorusuna verdikleri cevaba odaklanılmıştır.

Sorun, Newton Açısından Düşünmekte...

Günümüzde Evren'in evrimi, Albert Einstein tarafından 20. yüzyılda geliştirilen Genel Görelilik Teorisi ile açıklanmaktadır. Bu teori, Isaac Newton tarafından 17. yüzyılda geliştirilen Newton Fiziği ile çok farklı bir Evren algısı sunmaktadır.

Ancak birçoğumuz için Einstein'ın tanımladığı Evren'i algılamak oldukça zordur - ki bu çok mantıklı. Newton, tıpkı fizikten pek anlamayan biz modern insanlar gibi, kendi etrafında olan biteni inceleyip, buna göre bir fizik dünyası inşa etmiştir. Onun omuzları üzerinde yükselen ve yepyeni verilerden ve gözlem araçlarından güç alan diğer fizikçiler, nihayetinde "ustalarının" hatasını tespit etmiş ve Evren'i çok daha isabetli bir şekilde tanımlayan yeni teoriler geliştirmişlerdir. Ancak sezgileriyle hareket eden biz insanlar, ister istemez Newton gibi düşünmeye meyilliyizdir.

Newton fiziğinde uzay ve zaman mutlaktır. Hareket denklemleri için "zaman" kavramı, sıradan bir parametreden ibarettir. Bir cisim, saatte 5 kilometre hızla doğuya doğru 2 saat yol alırsa, toplamda başlangıç noktasından 10 kilometre yer değiştirir. Bu, klasik fiziktir. Benzer şekilde Newton fiziğinde kütleçekimi, cisimler arasındaki gizemli bir etkileşimden ibarettir ve anlık olarak işler.

Genel Görelilik Teorisi'nde ise zaman, uzay ile ayrılamaz bir bütündür. Buna, uzay-zaman dokusu adını veririz. Uzay-zaman içinde hareket eden cisimler, uzayı ve zamanı etkilerler; benzer şekilde, uzay ve zamanda olan değişimler, içindeki cisimleri etkiler. Yani Einstein fiziğinde uzay-zaman mutlak değildir, görelidir (isim de buradan gelir). Einstein fiziği, Newton fiziğini kapsar; yani bir fizikçi, isterse Einstein'ın denklemlerinden yola çıkarak Newton fiziğinin açıkladığı her şeyi açıklayabilir ve Newton fiziğini tekrar ortaya çıkarabilir. Ancak Newton fiziği ile düşünerek, Einstein'ın tanımladığı Evren'i anlamak zordur.

Genel Görelilik Teorisi'nde uzay ve zaman, 4 boyutlu bir ızgara sistemi gibidir. Bu ızgaranın doğası, kütleçekimi ile eşsiz bir şekilde belirlenir. Bu uzay-zaman dokusu içinde bulunan cisimler, kütleçekimi aracılığıyla uzay-zaman dokusunu değiştireblirlr. Kütleçekimi, uzay-zaman dokusunu büker ve dolayısıyla Genel Görelilik Teorisi, kütleçekimsel etkileşimleri uzay-zaman kıvrımlarının değişiminden doğan olaylar olarak taımlar. Cisimlerin yere doğru düşmesinin nedeni, sihirli bir şekilde Dünya'ya çekilmeleri değil, uzay-zamanın daha az kıvrımlı yerlerinden daha çok kıvrımlı yerlerine doğru hareket etmeleridir. Bu konuda daha fazla bilgiyi buradan alabilirsiniz.

Genel Görelilik Teorisi'ne göre, içinde madde veya enerji bulunan uzay-zaman, sabit kalamaz, hareket etmek zorundadır. Bu hareket, ya genişleme şeklinde olur ya da çökme/sönme şeklinde... Galaksi kümeleri, birbirlerinden uzay-zaman dokusu içinde uzaklaşmazlar; daha ziyade, bütün gök cisimleri uzay-zaman dokusu içindedir ve uzay-zaman dokusu genişlediği için, bu doku içindeki cisimler de birbirinden uzaklaşıyor gibi gözükürler. İşte balon analojisinin anlatmaya çalıştığı bu harekettir.

Newton fiziğinde, Evren'in genişlemesi matematiksel olarak ifade edilebilir. Bu çerçevede, kendi kütleçekimi altında genişleyen veya sönen bir sistem tanımlarız (örneğin yıldızlardan oluşan bir galaksi veya Güneş Sistemi gibi). Ancak bu tür bir Newton fiziğinde "genişleme", uzay-zaman dokusunun esnemesiyle ilgili değildir. Bunun yerine "uzay" dediğimiz şey, soyut ve mutlak bir yapıdır ve içindeki her şey, bu mutlak yapı içerisinde hareket eder ve bu sırada o mutlak yapıyı hiçbir şekilde etkileyemezler. İşte tam da bu nedenle "Evren neyin içine genişliyor?" ya da "İlk hareketi kim verdi?" gibi sorular sorulabilir.

Ancak Genel Görelilik çerçevesinde, bu soruların her ikisi de anlamsızdır. "Evren neyin içine genişliyor?" sorusu, uzay-zaman dokusu haricinde bir koordinat sistemi varmış gibi bir varsayımda bulunur. Ancak uzay ve zaman, içindeki madde ile ayrılmaz bir bütündür; bizim balonumuzun yüzeyi dışında herhangi bir yer yoktur. Var olan her şey, uzay-zaman dokusu içindedir.

Şöyle düşünün: "Uzay", uzay-zaman içindeyse, uzayın dışını sorarken ne tür bir mekândan (uzaydan) söz ediyor olabilirsiniz? Ne tür bir mekândan bahsediyor olursanız olun, o mekân varsa, zaten uzay-zaman içinde olacaktır. Yoksa, zaten uzay-zamanın içine genişleyebileceği bir mekan değil demektir.

Veya "zaman", uzay-zamanın içindeyse, Evren'in başlangıcından öncesini sorarken, ne tür bir zamandan söz etmektesiniz? Ne tür bir zamandan söz ediyor olursanız olun, o zaman varsa, zaten uzay-zaman içinde olacaktır. Yoksa, zaten Evren'in başlangıcından öncesini soramazsınız demektir. "Önce" gibi sözcükler, göreli zamana işaret eder.

Sonuç

Sonuç olarak, orada bir yerlerde 4. bir uzay boyutu var da Evren onun içine mi genişliyor? Bilmiyoruz ve bilemeyiz de! Bizim bakış açımız, balon analojisinin doğru olan en önemli tarafı gibi: Sadece yüzeyde yaşayan karıncalar olarak, diğer karıncaların bizden sürekli uzaklaştıklarını görüyoruz. Buna bağlı olarak, Evren'in gözleyebildiğimiz kısmının ötesinde bir Evren olduğunu düşünebiliriz, bu Evren'in nasıl genişlediğini ve ne hızda genişlediğini araştırabiliriz, tarihi boyunca nasıl genişlediğine kafa yorabiliriz, Evren'in özelliklerini ölçebiliriz ve Evren içindeki cisimlerin bundan nasıl etkilendiğini keşfedebiliriz. Ama Evren'in genişlediği dış bir yapı var mı, bunu deneyimleyemeyiz. Bu, fizik yasalarınca sınırlandırılmıştır. O üst boyutların bizim boyutlarımızda test edilebilir veya yanlışlanabilir etkileri varsa, elbette bilimsel olarak bunları da araştırabiliriz.

3 uzay boyutunun ötesinde 4. veya daha fazla bir uzay boyutu var mı? Bu yapının bir merkezi var mı? Sonsuz mu yoksa sadece bizim algılayabileceğimizin çok ötesinde bir büyüklüğe mi sahip? Kendi üzerine kıvrılıp tekrar kendisiyle birleşiyor mu (sınırsız mı)? İçinde genişlediği daha da büyük bir mekan var mı? Bunları sadece bilememekle kalmıyoruz, nasıl bilebileceğimizden bile pek emin değiliz!

Fizikte bugüne kadar geldiğimiz nokta, bize şunu öğretti: Eğer bir kavram veya iddia "bilimsel olarak anlamsız" (İng: "spurious") ise, yani öngörülebilir herhangi bir tahminde bulunmamıza yardımcı olmuyorsa, onun gerçek olmadığını varsayarız (bu, boş hipotez kavramı ile aynıdır). Evren'in içine genişlediği 4. bir uzay boyutunun varlığı, bu türden yapay bir argümandır ve herhangi bir test edilebilir veya öngörülebilir tahminde bulunmamıza yardımcı olmaz.

Dolayısıyla birçok fizikçi, Evren'in neyin içine genişlediği sorusunun hatalı bir soru olduğunu kabul etmektedir; tıpkı Kuzey Kutbu'nun daha da kuzeyinde ne olduğu veya Büyük Patlama'dan önce ne olduğu sorusu gibi... 4. bir uzay boyutunun keşfedilmesi, elbette fizik için büyük bir adım olacaktır; ancak Evren'in genişlemesine yönelik matematik veya fiziği dikkate değer miktarda değiştirmeyeceği düşünülmektedir.