Kozmik Enflasyon Teorisinin Kanıtları: Bu 4 Kanıt, Modern Kozmolojiyi Büyük Patlama'nın Ötesine Taşıyor!

Belki de dikkat çekici bir hikayenin en ilgi çekici kısmı, kökenidir: Her şey nasıl başladı; başlangıçta ne vardı ve kendisinden sonra gelen şeyleri nasıl doğurdu? Bu soruyu, kendimizi ta Evren'in kökenini düşünürken bulana kadar geriye götürebiliriz. Bu, muhtemelen binlerce şairin, filozofun, din bilimcinin ve bilim insanının zihnini meşgul eden, en büyük sorudur.

Forbes

Bilim, ancak 20. yüzyılda bu soru üzerine çalışmaya başladı ve bu soru, Büyük Patlama Teorisi ile sonuçlandı: Bu teoriye göre Evren, önceleri son derece sıcak ve yoğundu, ardından genişledi, soğudu ve bugünkü haline geldi. Fakat Büyük Patlama'nın kendisi bir başlangıç değildi - ve bize, Büyük Patlama'dan önce neyin geldiğini ve Büyük Patlama'yı neyin oluşturduğunu gösteren 4 kanıtımız var.

Forbes

Büyük Patlama'nın Küçük Tarihi

1920'lerde, Genel Görelilik Teorisi'nin ilk zamanlarında, Büyük Patlama, gevşek bir şekilde tasarlanmış bir fikirdi. 1922'de Alexander Freidmann, "eğer tercih edilen herhangi bir yön veya konum olmaksızın her yeri madde ve enerjiyle dolu bir evreniniz varsa bunun statik ve kararlı olamayacağını" fark eden ilk kişi oldu. Uzay dokusunun kendisi, Einstein'ın yasalarına göre ya genişlemek ya da daralmak zorundaydı.

1923'te Edwin Hubble, Andromeda Galaksisi'nin ilk mesafe ölçümünü yaptı ve Samanyolu Galaksisi'nin dışında bir başka galaksi olduğunu gösteren ilk kişi oldu. Aslında Vesto Slipher'ın kırmızıya kayma verileriyle kendi verilerini birleştirerek, Evreni'n genişlemesini doğrudan ölçebilirdi; ancak bunu yapmadı. George Lemaitre, 1927 yılında tüm bu parçaları bir araya getiren ilk kişi oldu. Bugün genişleyen Evren'imiz geçmişte daha küçüktü, daha yoğundu ve tahmin etmeye cesaret edebildiğimiz kadar geriye giden bir geçmişin var olduğuna işaret ediyordu.

Forbes

1940'lardan başlayarak George Gamow ve meslektaşları, geçmişte daha sıcak ve yoğun olan ama günümüzde genişleyen ve soğuyan bir evrenin sonuçları üzerine çalışmaya başladılar. Bu çalışmalardan, özellikle şu dört ana sonuç elde edildi:

1. Evren'in genişleme oranı ne tür ve ne oranda madde ve enerji mevcut olduğuna bağlı olarak zaman içinde değişmelidir.
2. Evren; başlangıçta küçük olan yoğunluk öbeklerinin zamanla yıldızlara, galaksilere ve büyük kozmik ağa dönüşeceği, kütleçekimsel büyümeye maruz kalmış olmalıdır.
3. Geçmişte daha sıcak olan Evren, nötr atomların oluşmasını önleyecek kadar erken bir zamanda sıcak olmalıdır. Bu da, nihayet nötr atomlar oluştuğunda yayılan radyasyonun bir parıltısı olması gerektiği anlamına gelir.
4. Ve daha da önce Evren, protonlar ve nötronlar arasındaki nükleer füzyonu ateşleyebilecek kadar sıcak ve yoğun olmalıdır.

Forbes

1964 ve 1965'te Bell Laboratuvarları'nda iki radyo astronomu olan Arno Penzias ve Robert Wilson, yukarıdaki bulgulardan 3.'sünü doğrulayan bir şekilde, gökyüzünün her yerinden yayılan bir radyasyonun zayıf parıltısını keşfettiler. Kısa süreli bir sürpriz, karışıklık ve gizem döneminden sonra, bu sinyalin Büyük Patlama'dan kaynaklanan radyasyon tahminine uyduğu bulundu. Önümüzdeki yıllarda yapılan gözlemler, Büyük Patlama tahminlerini yüksek doğrulukla eşleştiren daha kesin detaylar ortaya çıkardı.

Galaksilerin büyümesi ve evrimi, Evren'deki büyük ölçekli yapı,Evren'in evrimsel tarihi boyunca genişleme hızı ile sıcaklık değişimlerinin ölçümleri ve ışık elementlerinin bolluğunun ölçülmesi, Büyük Patlama Teorisi çerçevesinde mümkün oldu. Verilerin var olduğu her metrikte Büyük Patlama Teorisi, ezici bir başarı ortaya koyuyordu. Bugün bile alternatif teorilerin hiçbiri, Büyük Patlama Teorisi'nin bu başarılarının tamamını yeniden elde etmeyi başaramamıştır.

Forbes

Büyük Patlama'nın Sınırı

Ama Büyük Patlama fikrini ne kadar geriye götürebilirsiniz? Eğer Evren, günümüzde genişliyor ve soğuyorsa, geçmişte daha sıcak, daha yoğun ve daha küçük olmak zorundadır. Sağduyularımız, fizik yasalarının (özellikle de Genel Görelilik Teorisi'nin) gitmemize izin verdiği kadar geriye gidebileceğimizi söyler. Kısacası, konuya içgüdüsel yaklaşacak olursak, bir tekilliğe geri dönüş yapabileceğimizi düşünebiliriz. Tekillikte, belirli bir anda, Evren'in tamamı sonsuz enerjinin, yoğunluğun ve sıcaklığın tek noktasına sıkıştırılacaktır.

İşte bu, fizik yasalarının çöktüğü "tekillik" kavramına karşılık gelmektedir. Uzay ve zamanın ilk yaratıldığı yerin burası olduğunu düşünülebilir. Ve Evren'imize olan modern bakış açımız sayesinde, belirli bir âna kadar olan sonlu zaman dilimi olduğunu tahmin edebiliriz. Evren'imizin 13.8 milyar yaşında olduğunu hesaplıyoruz. Eğer Büyük Patlama var olan her şey olsaydı, bu tekillik de Evreni'mizin nihai kökeni olurdu. Yani Evren'imizin ilk gününü, "dünü olmayan günü" bulmuş olurduk.

Forbes

Ama gördüğümüz şekliyle Evren'in, Büyük Patlama'nın açıklayamadığı bazı özellikleri var. Eğer her şey sınırlı bir zaman önce bir tekillikten başladıysa, şunları görmeyi bekleriz:

• Uzayın farklı bölgeleri farklı sıcaklıklarda olurdu; çünkü Evren'in iletişim ile parçacık, radyasyon ve diğer bilgi formlarını değiştirme yeteneği olmazdı.
• Manyetik monopoller ve diğer topolojik kusurlar gibi, en erken, en sıcak zamanlardan kalan parçacık kalıntıları görmeyi beklerdik.
• Ve bir dereceye kadar mekansal eğrilik görmeyi beklerdik. Çünkü bir tekillikten kaynaklanan büyük bir patlamanın ilk genişlemesinin oranını ve toplam madde enerji yoğunluğunu mükemmel bir şekilde dengelemenin bir yolu yoktur.

Ancak bunların hiçbiri doğru değildir. Evren, her yerde aynı sıcaklığa sahiptir; arta kalan yüksek enerjili parçacıklar yoktur ve Evren, mekansal olarak mükemmel bir şekilde düzdür. Dolayısıyla ya evren öngörülebilir bir sebep olmadan sadece basit özelliklerle doğmuş olmalıdır ya da Evren'in zaten bu özelliklerle var olmasına sebep olan bir mekanizma olmalıdır.

Forbes

Enflasyon Teorisi: Büyük Patlama'nın Öncesi

7 Aralık 1979'da fizikçi Alan Guth, muhteşem bir farkındalık yaşadı. Bizim kozmik enflasyon olarak bildiğimiz, Büyük Patlama'nın üstel genişlemesinin erken bir döneminin, Evren'in bütün bu spesifik özellikleriyle doğmuş olmasına sebep olabileceğini fark etti. Enflasyon sona erdiğinde, bu geçiş, Büyük Patlama'ya yol açmış olmalıdır.

Elbette eski teorinize şıp diye yeni bir fikir ekleyemezsiniz ve yenisinin de daha iyi olduğunu ilan edemezsiniz. Çünkü bilimde yeni teorinin ispat yükü çok daha ağırdır.

Forbes

Yeni bir teorinin geçerli olan teorinin yerine geçebilmesi için şu üç şeyi yapması gerekir:

1. Geçerli olan teorinin tüm başarılarını yeniden üretmelidir.
2. Eski teorinin açıklayamadığı gizemleri açıklamalıdır.
3. Eski teorinin tahminlerinden farklı, test edilebilir yeni tahminler üretmelidir.

1980'ler boyunca enflasyonun ilk iki maddeyi kolaylıkla sağlayabildiği açıktı. Nihai testler, gözlemsel ve ölçüm yeteneklerimiz, Evren'in bize verdiklerini enflasyonun yeni tahminleriyle karşılaştırmamıza izin verdiğinde ortaya çıkacaktır. Eğer enflasyon doğruysa, sadece bu potansiyel olarak gözlemlenebilir sonuçların ne olacağını değil, aynı zamanda bu verileri toplamak ve buna dayanarak sonuçlar çıkarmak zorunda kalacağız.

Şimdiye kadar bu tahminlerden dördünü sınandık ve veriler, sonuçları değerlendirmek için yeterince iyi.

Forbes

Enflasyon Teorisi'nin 4 Kanıtı

Kanıt-1: Üst Sıcaklık Limiti

Evren, sıcak Büyük Patlama'da maksimum ve sonsuz olmayan üst sıcaklık limitine ulaşmış olmalıdır.

Büyük Patlama'dan arta kalan parıltının (kozmik mikrodalga arka plan ışıması) bazı bölgeleri ortalamadan biraz daha sıcak ve bazı bölgeleri de ortalamadan biraz daha soğuktur. Farklar çok küçüktür (yaklaşık 30.000'de 1 kadar), fakat yine de genç evren hakkında muazzam miktarda bilgi içerir.

Eğer Evren enflasyona maruz kaldıysa, üst sıcaklık limiti, Planck ölçeğinden (yaklaşık 10¹⁹ GeV) önemli ölçüde düşük olmalıdır. Bu, keyfî derecede geçmişe gittiğimizde görmeyi beklediğimiz sıcaklıktır. Bu dalgalanmalar hakkındaki gözlemlerimiz, bize Evren'in herhangi bir noktada bu maksimumun yaklaşık %0.1'inden (~10¹⁶ GeV) daha sıcak olmadığını göstermektedir - ki bu enflasyonu doğrular ve Evren'imizde neden manyetik monopoller ya da topolojik kusurlar olmadığına dair bir açıklama yapmamızı sağlar.

Forbes

Kanıt-2: Kuantum Dalgalanmaları

Enflasyon, Evren'de %100 adyabatik olan yoğunluk kusurları haline gelen kuantum dalgalanmalarına sahip olmalıdır.

Eğer bir bölgesi ortalamadan daha yoğun (ve daha soğuk) ya da daha az yoğun (ve daha sıcak) bir evreniniz varsa, bu dalgalanmaların doğası ya adyabatik ya da izoeğri olabilir. Adyabatik terimi "sabit entropi" anlamına gelirken, izoeğrilik "sabit uzamsal eğrilik" anlamına gelir. En büyük farkları ise normal madde, karanlık madde, nötrinolar vb. farklı parçacık türleri arasında enerjiyi dağıtma şekilleridir.

Evren'in bugünkü büyük ölçekli yapısında görünen bu imza, bu dalgalanmaların ne kadarının adyabatik, ne kadarının izoeğri olduğunu ölçmemize olanak sağlamaktadır. Gözlemlerimiz, bu erken dalgalanmaların en az %98.7'sinin adyabatik (%100 ile eşdeğer) ve en fazla %1.3'ünün (%0 ile eşdeğer) izoeğri olduğunu göstermektedir. Enflasyon olmadan, Büyük Patlama böyle bir tahminde bulunamazdı.

Forbes

Kanıt-3: Büyük Ölçekli Dalgalanmalar

Bazı dalgalanmalar, süper ufuk ölçeklerinde olmalıdır. Bunlar, ışığın Büyük Patlama'dan beri kat edebileceğinden daha büyük ölçekteki dalgalanmalardır.

Sıcak Büyük Patlama'dan itibaren parçacıklar, uzay boyunca sonlu bir hızla hareket ediyorlar; ışıktan daha hızlı değiller. "Kozmik ufuk" adını verdiğimiz ışık sinyalinin sıcak Büyük Patlama'dan beri ne kadar mesafe kat ettiğini temsil eden spesifik bir ölçeğimiz var. Enflasyon olmadan, dalgalanmalar, kozmik ufkun ölçeğiyle sınırlı olurdu.

Enflasyon, bu üstel olarak genişleyen enflasyon evresinde meydana gelen kuantum dalgalanmalarını uzattığından, kozmik ufuk ölçeğinden daha büyük süper ufuk dalgalanmalarına sahip olabilirsiniz. Bu dalgalanmalar, WMAP ve Planck uyduları tarafından sağlanan polarizasyon verilerinde görüldü ve enflasyonla mükemmel bir şekilde uyuştu.

Forbes

Kanıt-4: Daha Büyük Ökçeklerde Daha Büyük Dalgalanmalar

Bu dalgalanmalar neredeyse mümemmel ama tamamen de mükemmel olmayan bir şekilde boyuttan-bağımsız (İng: "scale-invariant") olmalıdır ve büyük ölçeklerde, küçük ölçeklerden biraz daha büyük büyüklüklere sahip olmalıdır.

Evren'deki bütün temel alanların doğası gereği kuantum yapılı olduğu düşünülmektedir ve enflasyondan sorumlu olan alanlar da buna dahildir. Kuantum alanların hepsi dalgalanır ve enflasyon boyunca bu dalgalanmalar modern kozmik yapımızın neden olduğu Evren boyunca gerilirler.

Enflasyonda bu dalgalanmalar neredeyse kusursuz bir şekilde boyuttan-bağımsız olmalıdır; yani büyük ve küçük, bütün ölçeklerde aynı büyüklükte olmalıdır. Ama daha büyük ölçeklerde sadece yüzde birkaç oranında birazcık daha büyük olmalıdırlar.

Bunu ölçmek için skaler spektral indeks adını verdiğimiz n_s=1 mükemmel değişmezlik değerine karşılık gelen bir parametre kullanmaktayız. Ölçüm yapacak olursak, yaklaşık %1 belirsizlikle 0.965 sonucunu elde ederiz. Enflasyon olmaksızın ölçek değişmezliğinden kaynaklanan bu hafif sapmanın hiçbir açıklaması yoktur; fakat Enflasyon Teorisi, bunu mükemmel bir şekilde öngörebilir.

Forbes

Sonuç

Kozmik enflasyonun başka öngörüleri de vardır. Enflasyon, Evren'in neredeyse mükemmel bir şekilde eğrilik derecesi %0.0001 ile %0.01 arasına düşen bir değerde düz olduğunu öngörmektedir. Ölçek değişmezliğinden biraz uzaklaşmak için ölçülen skaler spektral indeks, yaklaşık %0.1 oranında yuvarlanmalıdır (veya enflasyonun son aşamalarında değişmelidir). Ve sadece yoğunluk dalgalanmaları değil, enflasyondan kaynaklanan kütleçekim dalgası dalgalanmaları da olmalıdır. Şimdiye kadar gözlemler tüm bunlarla tutarlıydı; ancak henüz onları test etmek için gerekli hassasiyet seviyesine ulaşmadık.

Ancak dört adet bağımsız test, bir sonuç çıkarmak için fazlasıyla yeterli. Bu kanıtları kabul etmeyi reddeden birkaç sese rağmen, artık güvenle Büyük Patlama'dan öncesine ve Evren'in doğumuna yol açan kozmik enflasyona gittiğimizi söyleyebiliriz. Bir sonraki soru, enflasyonun sona ermesinden önce ne olduğu... Bu soru, artık 21. yüzyıl kozmolojisinin konusu...