Kuantum Dalgalanması ve Büyük Patlama: Evren Hiçlikten ve Kendiliğinden Var Olmuş Olabilir mi?

Bu haberi/konuyu daha iyi anlayabilmek için, öncelikle buradaki yazımızı ve buradaki incelememizi okumanızı tavsiye ederiz.

Modern kozmolojinin en büyük kuramlarından biri Evren'in büyük bir "patlama" ile başlamasıdır. Ayrıca bu yalnızca bir fikir değil aynı zamanda sayısız kanıt ile desteklenmiş bilimsel bir kuramdır. Kanıtlar arasında öncelikle Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması vardır. Bunu, Büyük Patlama'nın bir çeşit "yankılanması"na benzetebilirsiniz. Dahası, sürekli genişlemekte olan bir evren içinde olduğumuzu biliyoruz. Zamanda geriye gittiğimizi hayal edersek bu genişleme, bir noktada kökeni, yani Büyük Patlama'yı işaret etmektedir. Ayrıca Evren içerisinde bol miktarda helyum-4, helyum-3, döteryum gibi temel elementler bulunur. Tüm bunlar, Büyük Patlama Kuramı'yla hesaplanabilmektedir. Ama hala yapbozun büyük bir parçası eksik. Büyük Patlama'nın kendisine ne sebep oldu?

Yıllardır kozmologlar Evren'in kendiliğinden ve hiçlikten oluştuğu fikrine güvendi; yani Büyük Patlama'nın , Evren'i yoktan var edebilecek bir kuantum dalgalanmasının sonucu olduğunu düşündüler. Kuantum Mekaniği hakkında bildiğimiz kadarıyla bu, oldukça makul bir fikirdir. Ama sahiden fizikçilerin daha fazlasına ihtiyacı vardı: Bu fikre can verecek daha matematiksel bir kanıta...

Ahmed Neutron

Nihayet, 11 Nisan 2014'te, Çin'deki Wuhan Fizik ve Matematik Enstitüsünde çalışan Dongshan He ve arkadaşlarının çalışmaları sayesinde fizikçiler istediklerini elde ettiler. Çünkü bu kişiler, Amerikan Fizik Cemiyeti'nin dergisi olan Physical Review D'de yayınlanan makalelerinde, Büyük Patlama'nın gerçekten de kuantum dalgalanmaları sebebiyle kendiliğinden olmuş olabileceğinin ilk net matematiksel kanıtını ortaya koydular. Bu yeni kanıt, Wheeler-DeWitt denkleminin özel bir çözüm kümesine dayanıyor. Makalelerinin sonuç kısmında şöyle yazıyorlar:

Özet olarak, bu makalede evrenin hiçlikten, kendi kendine (spontane olarak) yaratılabileceğinin matematiksel bir kanıtını sunduk. Küçük bir gerçek vakum balonu, metadengeli sahte vakumda meydana gelen bir kuantum dalgalanmayla yaratıldığında, eğer ki düzenleme faktörü p, -2'ye ya da 4'e eşitse eksponansiyel olarak (giderek hızlanan biçimde) genişleyebilir. Bu sayede, erken evren geri döndürülemez biçimde var olur. Burada, kuantum potansiyelinin, baloncuğun eksponansiyel olarak büyümesi için gereken gücü verdiğini gösterdik. Dolayısıyla, erken evrenin doğumu, tamamen kuantum mekanizmaları tarafından belirlenmektedir.

Kişi; zaman, uzay ve maddenin erken evren içinde hiçlikten nasıl var olduğunu sorabilir. Baloncuğun eksponansiyel genişlemesiyle, uzay ve zamanın oluşacağı şüphesizdir. Heisenberg'ün Belirsizlik İlkesi'ne göre, kuantum dalgalanmaları sonucu sanal parçacıklar oluşacaktır. Genel olarak konuşacak olursak, sanal bir parçacık, doğumundan hemen sonra yok olacaktır. Ancak tek bir çifte ait 2 sanal parçacık, yok oluşlarından hemen önce, baloncuğun eksponansiyel genişlemesi nedeniyle ayrılabilir. Bu nedenle, vakum balonu eksponansiyel olarak genişlerken büyük miktarda gerçek parçacık oluşur. Baloncuğun eksponansiyel genişlemesiyle oluşan parçacık yaratılışının karmaşık matematiksel hesaplamalarını, ilerleyen çalışmalarımızda göstereceğiz.

Sahte Vakum, Evren'in Tetikleyicisi Olabilir!

20. yüzyılın ilk yarısında kozmologlar modern fiziğin iki temel direğini (Kuantum Mekaniği ve Genel Görelilik), Evren'i tam anlamıyla tanımlayacak bir şekilde birleştirmekte zorlanıyordu. Tüm söyleyebilecekleri, bu kuramların tamamen birbiriyle ters düştükleri idi.

Büyük buluş, 1960'lı yıllarda fizikçi John Wheeler ve Bryce DeWitt'in önce bahsettiğimiz birbiri ile bağdaşmayan iki fikri, şimdi Wheeler-DeWitt Denklemi olarak bilinen matematiksel bir çerçevede birleştirmesiyle geldi.

Wheeler-Dewitt denklemi, birinci nesil bir "her şeyin teorisi" idi; bu tarz bir teoriye atılan ilk önemli adımlardan birisiydi. 1960’larda, John Wheeler ve Brice Dewitt, gelen görelilik ve kuantum mekaniğinin "kutsal evliliği" sayılabilecek bir matematiksel çerçeve ile geldiler. Denklem, kuantum kütle çekimi fikri için çok sayıda fikir sundu. Şunu unutmayın: Günümüzde "her şeye dair her şeyi" anlamaktaki en büyük problemlerimizden birisi, kuantum mekaniği ve kütle çekimini birleştirebilecek hiçbir modelimizin olmamasıdır. Bu, fiziğin kutsal kasesi olan problemdir. Problemi çözen kişi veya kişiler, insanlığın Evren'i algılayışını değiştirecektir.

Wheeler-Dewitt denkleminin en büyük problemi, "zaman" kavramını içermiyor oluşudur. Bu durum, ya zamanın fiziksel bir olgu olmadığı ya da denklemin eksik olduğu anlamına geliyordu. Yani bu, henüz aradığımız büyük birleştirme sayılamaz; ancak şu an için elimizdeki en iyisi bu. İşte Dongshan ve iş arkadaşlarının yaptığı ise, bu denklem içinde Büyük Patlama'nın başlangıç noktasını çözen yeni çözümler tespit etmek olmuştur.

Düşüncelerinin kalbinde Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi yatıyor. En basit ifadelerle, gözlemci bir kuantum parçacığının momentumunu ve konumunu aynı anda bilemez (aksi takdirde termodinamiği ihlal etmiş olurdunuz). Bu ilke, fizikçilerin yarı-durağan sahte vakum (metastable false vacuum) dedikleri şeyde gerçekleşen kuantum dalgalanmalardan ötürü küçük bir boş uzayın yoktan var olmasına olasılıksal olarak izin verir. Çünkü belirsizlik ilkesinden yola çıkarak, boş evrenin aslında o kadar da boş olmadığını görürüz. Vakumun içerisinde, parçacıklar olasılıksal kuantum dalgalanmalarından dolayı yoktan var olabilir veya vardan yok olabilirler. İşte "sahte vakum" fikri de buradan geliyor.

Bu durumda iki olasılık doğuyor: Uzay baloncuğunun hızla genişlemediği durumda, baloncuk neredeyse aynı anda yok olur. Ancak eğer baloncuk yeterince büyüklüğe genişlerse, işte o zaman geri döndürülemez bir şekilde bir evren yaratılır! Bu konuyla ilgili detaylı bir incelememiz için buradaki yazımızı okuyabilirsiniz.

Şimdi soru şudur: Wheeler-DeWitt denklemi, bu tarz bir genişlemeye, dolayısıyla hiçlikten bir Evren'in var olmasına izin veriyor mu? Dongshan ve ekibi şöyle söylüyor: 

Bir kere küçük bir gerçek vakum (true vacuum) baloncuğu yaratıldığında, katlanarak büyüme şansı olduğunu kanıtladık.

Soruna yaklaşımları ise şöyle oldu: Tamamen yarıçapıyla tanımlanmış küresel bir baloncuk düşündüler. Sonra da bu yarıçapın genişleme derecesini tanımlayan denkleme ulaştılar. Ardından baloncuğun geometrisi için üç senaryo dikkate aldılar: kapalı, açık ya da düz. Bu senaryoların hepsinde baloncuğun katlanarak genişleyebileceği ve dolayısıyla Evren'i oluşturabilecek büyüklüğe ulaşabileceği bir çözüm buldular: Yani Büyük Patlama'ya! Bu kozmologların üzerine kuramlar inşa edebilecekleri bir sonuç. Çok ama çok ilginç bir sonuç!

Kozmolojik Sabit

Günümüzün Evren modellerindeki önemli bir değişken de kozmolojik sabittir. Bu, uzay vakumunun enerji yoğunluğunu tanımlayan bir terimdir. Aslen Einstein tarafından Genel Görelilik Kuramı dahilinde ileri sürülmüştür ve Hubble'ın Evren'in genişlediği keşfinden sonra yine Einstein tarafından terk edilmiştir. 1990'lara kadar, çoğu kozmolog kozmolojik sabiti sıfır kabul etmiştir.

Ancak daha sonraları kozmologlar Evren'in genişlemesinin ivmelenmesine sebep olan bir şeyin kanıtını buldular. Bu da, kozmolojik sabitin sıfır olamayacağı anlamına geliyordu. Yani yeni bir Evren kuramı kesinlikle sıfırdan farklı bir kozmolojik sabit barındırmak zorundadır.

Peki, kozmolojik sabitin Dongshan ve iş arkadaşlarının yeni kuramındaki rolü nedir? İlginçtir ki bu kişiler, yaptıkları çözümlerde kuantum potansiyeli diye bilinen bir niceliğin kozmolojik sabitin rolünü oynadığını söylüyorlar. Bu potansiyel, fizikçi David Bohm tarafından 20. yüzyılın ortalarında geliştirilen pilot dalga kuramı denilen bir fikirden geliyor.

Pilot-dalga teorisi, şu anki kuantum teorisi tarafından yapılabilen tüm tahminleri üretebiliyor, Schrodinger kedisi gibi paradoksları açıklayabiliyor. Daha da önemlisi bu teori, kuantum potansiyeli isimli ek bir terimi de içeriyor. Kuantum potansiyeli, bilim insanları için kilit öneme sahiptir. Eğer kuantum potansiyeli, parçacığın gerçek konumunu bulmaya çalışmak gibi şeyler için kullanılırsa kuram, kuantum mekaniğini tamamen deterministik yapma etkisine sahiptir!

Pilot-dalga teorisindeki en büyük problem, sadece teoriye özgü tahminler yapamıyor olmasıdır. Pilot-dalga tarafından yapılan tüm tahminler ya daha geniş ölçekte kabul edilen kuantum teorisinin birebir aynısı ya da test edilemeyen tahminlerdir.

Şimdi Ne Olacak?

Henüz bir şey söylemek için çok erken. Çünkü bilim insanlarının bu tarz sonuçları uzun uzadıya tartışması, incelemesi, yeniden gözden geçirmesi gerekiyor. Denklemin çözümüne veya sonuçlarına yönelik eleştiriler biriktikçe ve bilim insanları akademik toplantılarda bu bulguların sonuçlarını değerlendirdikçe, biz de bunun Evren'e yönelik algılarımızı nasıl değiştirdiğini daha iyi öğreneceğiz.

Evren'in nasıl başladığının sırlarını çözmek, Evren'in dışında bir şeyin olup olmadığı veya Evren'den öncesi varsa bunun ne olduğunu tespit etmemizi sağlayabilir. Bunun da bilim ve felsefe üzerinde dönüştürücü bir etki yaratacağı aşikardır. Fakat aceleci davranmamalı ve büyük sonuçlara sabırsızlıkla sıçramamalıyız.

Çünkü gerçeği ortaya çıkarma çabası, bir yarış değil, uzun ve çetrefilli bir yolculuk. Bu yolculuğun üstesinden ancak ve ancak bilimle, akılla ve mantıkla gelebiliriz.