Konformal Döngüsel Kozmoloji: Evrenin Nihai Sonu, Yeni Bir Büyük Patlama Yaratabilir mi?

Konformal Döngüsel Kozmoloji (İng: "Conformal Cyclic Cosmology" veya kısaca "CCC"), Nobel Ödüllü fizikçi Roger Penrose tarafından Genel Görelilik Teorisi kapsamında geliştirilen, Evren'in kendini sonsuz döngüler halinde tekrar ettiğini ileri süren bir kozmolojik modeldir.^[1] Konformal Döngüsel Kozmoloji modelinde "gelecek" dediğimiz olgu, bir önceki evrenin zaman-benzeri sonsuzudur; yani uzay-zaman dokusundaki herhangi bir noktanın, var olabilecek herhangi bir zaman ölçeğinde varabileceği en uzak noktadır.^[2]

Bu yazımızda böyle bir modele neden ihtiyaç olduğunu anlatacağız ve modelin ne dediğini biraz daha iyi anlamanızı sağlamaya çalışacağız.

Hiçbir Şey Yoktan Var Olamazsa, Evren Nereden Geldi?

Bu, herkesin mutlaka sorduğu bir sorudur: Hiçbir şey yoktan var olamazsa, bir şeyin var olabilmesi için ortada bir madde veya bileşen olması ve bunların olabilmesi için de başka bir şeyin var olması gerekiyorsa, Büyük Patlamayı yaratan materyal nereden geldi ve bu materyali yaratan neydi?

Bu soruya yönelik potansiyel cevapları buradaki yazımızda anlatmıştık. Ancak burada, sıklıkla göz ardı edilen bir açıdan bakmak istiyoruz: Evren'in başlangıcını daha iyi anlayabilmek için, belki de Evren'in sonunu daha iyi anlamamız gerekmektedir? Fizikçi Brian Cox, BBC'nin Evren adlı belgesel dizisinde şöyle söylüyor:^[3]

Son yıldız da yavaş yavaş soğuyup sönecek. Onun yok olmasıyla Evren, bir kez daha ışıksız, yaşamsız ve anlamsız bir boşluk haline gelecek.

Bu son yıldızın yok oluşu, sonsuz, karanlık bir dönemin sadece başlangıcı olacak. Tüm madde sonunda devasa kara delikler tarafından tüketilecek, bunlar da en soluk ışık parıltılarında dağılıp yok olacak. Evren, o soluk ışık da etkileşime giremeyeceği kadar yayılana dek genişleyecek, hareket duracak.

Peki gerçekten böyle mi olacak? Veya tüm bunlar olduktan sonra ne olacak? Gariptir ki bazı kozmologlar, bizim evrenimizin uzak geleceğindeki gibi soğuk, karanlık bir evrenin bizim Büyük Patlamamızın kaynağı olduğuna inanıyorlar.

İlk Madde Nereden Geldi?

Bu konuya girmeden önce, "malzeme", yani fizikî maddenin ilk olarak nasıl ortaya çıktığına adım adım bakalım.

İlk Atomların Ortaya Çıkışı

Atom ve moleküllerden oluşan dengeli maddenin kaynağını açıklamaya çalışıyorsak, şunu anlamamız lazım: Ne Büyük Patlama zamanında ne de ondan yüz binlerce yıl sonrasında bu maddelerin hiçbiri yoktu.

Ama ortamın karmaşık maddenin kararlı hale gelmesini sağlayacak kadar soğumasıyla ilk atomların nasıl daha küçük parçacıklardan oluştuğunu ve bu atomların daha sonra yıldızlarda kaynaşarak nasıl daha ağır elementler meydana getirdiği konusunda ayrıntılı bilgiye sahibiz. Ne yazık ki bilgilerimiz, bir şeyin yoktan var olup olmadığı konusunu açıklayamıyor.

Proton ve Nötronların Ortaya Çıkışı

Öyleyse biraz daha geçmişe gidelim. İlk uzun ömürlü madde parçacıklar, atom çekirdeğini de oluşturan protonlar ve nötronlardır. Bunlar, Büyük Patlama'dan saniyenin on binde biri kadar bir zaman sonra ortaya çıktılar. Bundan önce bildiğimiz anlamda hiçbir malzeme yoktu. Ancak fizik, zaman akışını geriye doğru izlemeye devam etmemize olanak sağlar. Herhangi bir kararlı maddeden önce gelen fiziksel süreçlere kadar!

Kuarkların Ortaya Çıkışı

Bu bizi, "Büyük Birleşik Çağ" (İng: "Grand Unified Epoch") denilen döneme götürür.^[4] Bununla, aslında spekülatif fizik alanına girmiş oluyoruz; çünkü şu anda Dünya'da sürdürdüğümüz deneylerimizde, o zamanda ne tür süreçlerin gerçekleşmekte olduğunu inceleyebilmek için yeterli enerji üretemiyoruz.

Akla yakın bir hipotez, fiziksel evrenin, protonların ve nötronların yapı taşları olan kuarkları da içeren kısa ömürlü temel parçacıklardan oluşan bir karışımdan oluştuğudur. Bu dönemde madde ve antimadde, kabaca aynı miktardadır; kuark gibi her madde parçacığının, kendisiyle neredeyse aynı olan ve yalnızca bir açıdan farklılık gösteren bir yansıması olan antimadde eşi bulunur. Ne var ki madde ve antimadde bir araya geldiğinde, bir enerji patlamasıyla yok olurlar; yani bu parçacıklar sürekli olarak ortaya çıkıp ortadan kaybolurlar.

Peki bu parçacıklar nasıl var oldular? Kuantum alan teorisine göre, boş uzay-zamana karşılık gelmesi gereken bir vakum bile, aslında enerji dalgalanmaları şeklindeki fiziksel hareketlilikle doludur. Bu dalgalanmalar, aniden beliriveren ve hemen sonra yok olan parçacıkların oluşmasına neden olabilir. Bu, gerçek fizikten çok matematiksel bir gariplik gibi görünse de bu gibi parçacıklar sayısız deneyde gözlenmiştir.

Uzay-zaman boşluğu, sanki sürekli olarak "hiç yoktan" yaratılıp yok edilen parçacıklarla kaynamaktadır. Ancak belki de bunun gerçekte bize anlattığı, buradaki yazımızda da izah ettiğimiz gibi, kuantum vakumunun hiçlikten başka bir şey olduğudur. Düşünür David Albert, bu yolla hiçlikten bir şey çıkarma yolundaki Büyük Patlama açıklamalarını etkili bir şekilde eleştirmiştir.^{[5], [6]}

Uzay-Zaman Dokusunun Ortaya Çıkışı

Peki, "Uzay-zaman nasıl var oldu?" sorusunu soracak olursak, daha da gerilere, çok daha eski olan "Planck Dönemi"ne gitmeliyiz. Bu, Evren'in tarihinde öylesine erken bir dönemdir ki Genel Görelilik Teorisi gibi en sağlam fizik teorilerimiz bile artık işlemez duruma gelir.

Planck dönemi, Büyük Patlama'dan sadece saniyenin trilyonda birinin trilyonda birinin trilyonda birinin on milyonda biri sonrasında gerçekleşti. Bu noktada uzay ve zaman kuantum dalgalanmalarına maruz kaldı. Fizikçiler genel olarak parçacıkların mikro dünyasında geçerli olan kuantum mekaniği ve büyük, kozmik ölçeklerde geçerli olan genel görelilik ile ayrı ayrı çalışırlar; ancak Planck dönemini gerçekten anlayabilmek için ikisini birleştiren eksiksiz bir kuantum kütleçekim teorisine gerek vardır.

Hala eksiksiz bir kuantum kütleçekimi teorisine sahip değiliz ancak sicim teorisi (İng: "string theory") ve döngüsel kuantum kütleçekimi (İng: "loop quantum gravity") gibi girişimler var. Bu girişimlerde bildiğimiz uzay ve zaman, genellikle derin bir okyanusun yüzeyindeki dalgaların oluştuğu şekilde oluşuyormuş gibi düşünülür. Bizim uzay ve zaman olarak algıladığımız şey, makroskopik dünyada yer alan yaratıklar olarak bizlere pek anlam ifade etmeyen, daha derin, mikroskobik ölçüde gerçekleşen kuantum süreçlerinin ürünüdür.

Planck döneminde bildiğimiz uzay ve zaman anlayışı bozulur; bu nedenle bildiğimiz neden sonuç anlayışına da artık güvenemeyiz. Buna rağmen tüm kuantum kütleçekimi aday teorileri, Planck döneminde gerçekleşmekte olan fiziksel bir şeyi anlatır: bildiğimiz uzay ve zamanın kuantum başlangıcı.

Fakat bu nereden gelmiştir?

Bilinen şekilde nedensellik geçerli olmasa bile, Planck dönemi evreninin bir bileşenini bir diğeriyle açıklamak mümkün olabilir. Ancak ne yazık ki en üst düzey fizik bilgimiz bile şimdiye kadar bir yanıt bulabilmiş değil. "Her şeyin teorisi"ne doğru daha fazla ilerleme kaydetmedikçe, buna kesin bir yanıt veremiyoruz. Bu aşamada güvenle söyleyebileceğimiz şey, fiziğin şimdiye kadar bir şeyin yoktan var olmasının doğrulanmış bir örneğini bulamamış olmasıdır.

Konformal Döngüsel Kozmoloji: Neredeyse Hiçlikten Gelen Sonsuz Sayıda Evren!

Bir şeyin yoktan nasıl var olabileceği sorusunu tam olarak yanıtlayabilmek için, Planck döneminin başlangıcındaki tüm Evren'in kuantum halini açıklamamız gerekir. Bunun için girişilen çabaların tümü büyük ölçüde kurgusaldır. Örneğin bazıları, süpergüçlü bir tasarımcı gibi doğaüstü güçlere başvurur.^[7] Ancak diğer aday açıklamalar, sonsuz sayıda paralel evren içeren çoklu evren modeli veya tekrar tekrar yeniden doğan döngüsel evren modeli gibi, fiziğin alanı içinde kalan hipotezlerdir.

2020'de Nobel Ödülü'nü alan fizikçi Roger Penrose, "Konformal Döngüsel Kozmoloji" (İng: "Conformal Cyclic Cosmology") adı verilen, ilgi çekici fakat tartışmalı bir döngüsel evren modeli ortaya atmıştır.^[8] Penrose, Evren'in Büyük Patlama sırasında olduğu gibi çok sıcak, yoğun ve küçük hali ile uzak gelecekte olacağı gibi aşırı soğuk, boş, genişlemiş hali arasındaki ilginç bir matematiksel bağlantıdan esinlenmişti. Bu bağlantıyı açıklayan radikal teorisi, Evren'in her iki halinin de sınırları zorlandığında, matematiksel olarak özdeş hale geldikleri üzerine kuruluydu. İlk etapta çelişkili gibi gözükse de gerçekten de maddenin tamamen yok olduğu durum, Evren'imizdeki tüm maddenin oluşmasını sağlamış olabilir.

Bu görüşe göre Büyük Patlama, neredeyse bir hiçlikten ortaya çıkar. Bu hiçliğe yakın hal, bir evrendeki tüm maddenin kara delikler içine çekilerek fotonlara dönüşüp boşlukta kaybolmalarından sonra geriye kalandır. Tüm evren, (başka bir fiziksel bakış açısından bakıldığında) hiçliğe olabilecek en yakın halden oluşmuştur. Ancak bu hiçlik, yine de bir şeydir; yine de fiziksel bir evrendir, sadece bomboştur.

Aynı hal nasıl olur da bir bakış açısıyla soğuk ve boş bir evren, başka bir bakış açısıyla ise sıcak ve yoğun bir evren olabilir? Bunun yanıtı, bir cismin büyüklüğünü değiştirirken şeklini koruyan bir geometrik dönüşüm olan, "uyumlu yeniden ölçeklendirme" (İng: "conformal rescaling") adı verilen karmaşık bir matematiksel prosedürdedir.

Penrose, soğuk ve boş hal ile sıcak ve yoğun halin uzay-zaman şekillerinin (büyüklüklerinin değil) böyle bir yeniden ölçeklendirme yoluyla eşleştirilerek nasıl ilişkilendirilebileceğini göstermiştir. Kuşkusuz ki farklı büyüklükte oldukları halde iki cismin bu şekilde nasıl özdeş olabildiklerini kavramak zordur; ancak Penrose, büyüklük kavramının böylesi aşırı fiziksel ortamlarda anlamını yitirdiğini savunur. Tıpkı aşağıdaki gibi Escher-benzeri örüntülerin, dairenin kenarlarına gittikçe sonsuza kadar kendilerini aynen tekrar etmeleri ama buradan bakıldığında giderek küçülüyorlarmış gibi gözükmeleri gibi:

MDPI

Konformal Döngüsel Kozmoloji'de ifadenin yönü, eski ve soğuktan yeni ve sıcağa doğrudur; yani sıcak ve yoğun hal, soğuk ve boş hal nedeniyle vardır. Ancak bu neden, zamanla ardından bir sonuç gelen bildiğimiz neden değildir. Bu gibi aşırı durumlarda sadece büyüklük değil zaman da geçerliliğini yitirir. Soğuk ve boş hal ile sıcak ve yoğun hal aslında farklı zaman akışlarında yer almaktadır. Soğuk ve boş hal, kendi zamansal geometrisindeki bir gözlemciye göre sonsuza kadar devam eder; ancak neden olduğu sıcak ve yoğun hal, kendi zaman akışına etkin bir şekilde yerleşir.

Sıcak ve yoğun halin, neden-sonuç ilişkisi olmadan soğuk ve boş halden oluştuğunu düşünmek, daha kolay anlaşılmasına yardımcı olabilir. Belki de sıcak ve yoğun halin soğuk ve boş halden doğduğunu veya kaynaklandığını veya bu soğuk ve boş hal tarafından meydana getirildiğini söylememiz gerekir.

Bu belirgin şekilde metafizik fikirler, bilim felsefecileri tarafından da (özellikle de bilindik neden-sonuç ilişkisinin bozulduğu kuantum kütleçekimi bağlamında) kapsamlı olarak incelenmiştir.^[9] Bilgimizin sınırlılığı, fizik ve felsefeyi birbirinden ayırmayı güçleştirir.

Hiçlikten Bir Şey: "Peki O Nereden Geldi?"

Konformal Döngüsel Kozmoloji, Büyük Patlama'nın nereden kaynaklandığı sorusuna (kurgusal da olsa) ayrıntılı bazı yanıtlar sunar. Ancak gelecekte evrenbilimin ilerlemesi ile Penrose'un görüşleri doğrulansa bile daha derin bir felsefi soru, fiziksel gerçekliğin nereden kaynaklandığı sorusu daha yanıtlanmamıştır. Tüm bu döngüsel sistem nasıl ortaya çıkmıştır? En sonunda da metafiziğin en büyük sorularından biri olan "Neden hiçlik yerine bir şeyler var?" şeklindeki kuramsal soruyla karşı karşıya kalıyoruz.

Buna birçok metafizik cevap verilebilir; ancak burada üzerinde durduğumuz konu, fizik alanı içinde kalan açıklamalardır. Döngülerin nasıl başladığı konusundaki daha derin soru için üç ana seçenek vardır:

1. Bunların hiçbir fiziksel açıklaması olmayabilir (bunlar, "katı gerçek" dediğimiz, izahsız gerçekler olabilir);
2. Her biri kendinden önceki evrenin bir özelliği tarafından belirlenen ilk kuantum haline sahip olan kendine özgü evrenlerin sonsuz döngüleri olabilir;
3. Kendi sonunun bir özelliği ile belirlenen bir başlangıça sahip tek bir döngü ve tekrarlayan tek bir evren olabilir.

Son iki yaklaşım, somut bir nedeni olmayan herhangi bir olaya duyulan ihtiyacı ortadan kaldırdığından, belirgin bir ilgi uyandırmıştır. Hiçbir şey, fizik tarafından açıklanmamış bir şekilde bırakılamaz.

Roger Penrose

Bu Fikirler Deneysel Olarak Test Edilebilir mi?

Penrose, kuantum teorisinin kendi tercih ettiği yorumuyla kısmen ilişkili nedenlerden dolayı, sonsuz yeni döngüler dizisini öngörmektedir. Kuantum mekaniğinde bir fiziksel sistem, aynı anda birçok değişik halin süperpozisyonunda var olur ve biz onu ölçümlediğimizde, sadece birini, rastgele seçer. Penrose'a göre her döngü, farklı şekillerde sonuçlanan rastgele kuantum olayları içerir; yani her döngü, kendinden önceki ve sonraki döngüden farklı olacaktır. Bu görüş, aslında deneysel fizikçiler için sevindiricidir; çünkü bu, Planck uydusu tarafından gözlenen Büyük Patlamadan arta kalan radyasyondaki belli belirsiz izler veya anomaliler aracılığıyla, bizim Evren'imizin oluşmasına neden olan eski evrene bir an için göz atmamızı sağlayabilir.

Penrose ve çalışma arkadaşları Planck'tan gelen verilerdeki örüntüleri önceki evrendeki süper kütleli kara deliklerden gelen radyasyonla ilişkilendirerek bu izleri saptamış olabileceklerine inanıyorlar.^[10] Ancak savundukları bulgulara diğer fizikçiler tarafından itiraz edilmesi, bu konuda bir görüş birliğine varılmasını engelliyor.^[11]

ESA

Sonsuz yeni döngüler, Penrose'un görüşünün kilit noktasıdır. Ancak uyumlu döngüsel kozmolojiyi çok döngülü yapıdan tek döngülü yapıya dönüştürmenin doğal bir yolu vardır. Bu durumda fiziksel gerçeklik, Büyük Patlama'dan uzak gelecekteki maksimum derecede boş hale gelen ve sonra yine aynı Büyük Patlama'nın yine aynı evreni yeni baştan yarattığı tek bir döngüden ibarettir.

Bu son olasılık, kuantum mekaniğinin çoklu dünyalar yorumu (İng: "many-worlds interpretation") olarak adlandırılan başka bir yorumuyla uyumludur. Çoklu dünyalar yorumuna göre üstdüşümdeki bir sistemi her ölçümlediğimizde, bu ölçüm rastgele bir hali seçmez; ölçümün sonucu olasılıklardan bir tanesi yani kendi evrenimizde gerçekleşendir. Diğer ölçüm sonuçlarının tümü, çoklu evrende bizim evrenimizden tam anlamıyla ayrılmış diğer evrenlerde gerçekleşir. Yani bir şeyin gerçekleşmesi için ne kadar küçük bir olasılık olursa olsun, sıfır olasılıklığa sahip olmadığı sürece kuantum paralel dünyaların birinde gerçekleşecektir. Başka dünyalarda piyangoyu kazanan, acayip bir tayfun tarafından bulutlara sürüklenen, kendiliğinden tutuşan veya üçünü aynı anda yapan tıpkı sizin gibi insanlar vardır.

Bazıları bunun gibi paralel evrenlerin, bizim evrenimizle başka bir evrenin çarpışmasının kalıntıları şeklindeki kozmolojik verilerde gözlemlenebileceğine de inanmaktadır.^[12]

Çoklu dünyalar kuantum teorisi, konformal döngüsel kozmoloji alanına (Penrose buna katılmasa da) yeni bir bakış getiriyor. Büyük Patlama, hepsi aynı anda var olan sonsuz sayıda evreni içeren bir tek kuantum çoklu evrenin yeniden doğuşu olabilir. Olası olan her şey olur ve tekrar tekrar olmaya devam eder.

Eski Bir Mit!

Bir bilim felsefecisi olarak benim için Penrose’un görüşü çok etkileyici. Açıklamaları bilinen neden-sonuç ilişkisinin ötesine taşıyarak Büyük Patlamayı açıklayan yeni olasılıklar ortaya koyuyor. Bu nedenle fiziğin dünyamızı açıklamakta kullanabileceği farklı yolları keşfetmek için önemli bir deneme. Filozofların daha fazla ilgisini hak ediyor.

Aynı zamanda bir mitoloji meraklısı olan, Birmingham Üniversitesi Felsefe Profesörü Alastair Wilson için de Penrose'un görüşü hayranlık vericidir. Penrose'un savunduğu çoklu döngü yapısı, öncekilerin küllerinden doğan, sonu gelmez dünyaları öngörüyor. Tek döngü yapısı, kadim ouroboros yani dünya yılanı fikrinin modern anlamda çarpıcı bir çağrışımı. İskandinav mitolojisinde yılan Jörmungandr, kurnaz hilekar Loki ile dev Angrboda’nın çocuğudur. Jörmungandr kendi kuyruğunu yer ve yaratılan bu döngü, dünyanın dengesinin sürmesini sağlar. Bununla birlikte, ouroboros efsanesine eski Mısır da dahil olmak üzere tüm dünyada rastlanmıştır.

Tek döngüsel evrenin ouroboros'u, gerçekten de görkemlidir. Karnında bizim evrenimizle birlikte, kuantum fiziğinin izin verdiği olası tüm garip ve olağanüstü alternatif evrenleri de barındırır; kuyruğu ile kafasının buluştuğu noktada tam olarak boştur fakat yine de trilyonlarca santigrat derecelerdeki enerjiyle hareket halindedir.

Şekil değiştiren Loki bile bundan çok etkilenirdi.