Büyük Patlama Teorisi nedir?
Büyük Patlama bizden önceki bir evrenin çöküşü olabilir mi?
Büyük Patlamadan önce ne vardı?
Sorularının cevabına bir bakış atalım:
Maalesef isimdeki “patlama” kelimesi çok büyük yanlış anlaşılmalara sebep olabiliyor. Teorinin isminde geçen “patlama” sözcüğü uzayın genişlemeye başladığını belirtmek için kullanılır, herhangi bir maddenin sıkışıp patlaması söz konusu değildir. Büyük Patlama’dan sonra Evren’in çok sıcak olduğunu düşünürsek “patlama” sözcüğünün o kadar yanlış olmadığını söyleyebiliriz fakat Büyük Patlama bildiğimiz patlamaların aksine bazı maddelerin kimyasal tepkimeleri sonucu basınç ve ısı oluşturması değil, uzayın genişlemesidir.
Diğer bir yanılgı ise Büyük Patlama'nın Evren’in başlangıç anındaki sonsuz enerji yoğunluğu olduğunu düşünmektir. Büyük Patlama, Einstein denklemlerinin Friedmann çözümüne göre Evren’in genişlemeye başlamasının ilk anıdır. Büyük Patlama Teorisi sadece evrenin içerisindeki maddenin değil aynı zamanda uzay ve zamanın başlangıcının da Büyük Patlama anındaki tekillilik olduğunu söyler.
Öncelikle tekillilik konusunda “bütün Evren’in tek bir noktada olması” gibi bir yanılgı var ki bu doğru değil.
Büyük Patlama anında Evren’imizin tekillilik durumunda olup olmadığı bilinmiyor. Hatta o anda Evren’imiz sonsuz büyüklükte bile olabilir. Büyük Patlama hakkında bir kitap veya yazı okuduysanız, “Evrenimiz t1 saniyede bir golf topu büyüklüğündeydi, t2 saniyede Dünya büyüklüğüne ulaştı…” gibi cümleler okumuş olmanız mümkün. Ancak bu tarz cümlelerde Evren’in büyüklüğünden kasıt “gözlemlenebilir evrenin” büyüklüğüdür, Evren’in kendisinin değil. Büyük Patlama anının belli koşullara uyması halinde tekillilik içermesi gerektiğini gösteren bazı teoremler vardır, gelin onlardan ikisine göz atalım.
İlki, Hawking-Penrose Tekillilik Teoremleri’dir. Bu teoremlerden birine göre güçlü enerji koşulu sağlanan uzay-zaman bölgesinde tekillilik olmak zorundadır. Güçlü enerji koşulu, negatif basınçtan (tension) dolayı oluşan itici anti-kütleçekimin, enerjiden dolayı oluşan çekici kütleçekiminden daha güçlü olması durumudur ve teoreme göre eğer böyle bir koşulu sağlayan uzay-zaman alanı varsa o alan tekillilik içermek zorundadır. Bu duruma uyan iki yerin olduğu düşünülüyordu: Karadelikler ve Evren’in başlangıcı. Ancak sonradan pek çok fizik teorisinin gösterdiğine göre Evren’in başlangıç koşullarının güçlü enerji koşuluna uymadığı görüldü. Henüz doğrudan gözlemlenmeyen ancak fizikçilerin büyük çoğunluğunun doğru olduğuna inandığı Enflasyon Teorisi’nde de Evren’in başlangıcı güçlü enerji koşuluna uymaz. Bu nedenle fizikçiler artık bu teoremi ciddiye almıyorlar.
Çok daha iyi, Penrose tarafından kanıtlanmış bir teorem daha vardır. Daha iyidir çünkü sadece sıfır-enerji (null energy) koşulu kullanır. Sıfır-enerji koşulu, eğer bir alanın çevresinden geçen ışık huzmeleri o alanın kütleçekim merkezinden geçmek zorundaysa (kütle çekim merkezinden geçmeden savrulması da mümkün olabilirdi) o alanın kütleçekim merkezinin tekillilik içermesi gerektiğini söyler. Ancak bu teoremin iki sorunu vardır: sıfır-enerji koşulu kuantum mekaniği ile çelişiyor gibi gözüküyor ve uzayın herhangi bir zamanda sonsuz olduğunu varsayar ki, uzayın sonlu mu sonsuz mu olduğunu bilmiyoruz. Eğer Evren’imiz düz ise bu Evren’imizin sonsuz olduğunu gösterir fakat Evren’imiz düz değil kapalı bir evren ise bu, onun sonlu olduğunu gösterir. Evren’imizin sonlu olması okuyucu için biraz kafa karıştırıcı olabilir çünkü akla “Evren’in sınırına gelirsek ne göreceğiz?” gibi bir soru getirebilir. Evren’in kapalı olduğu topolojiler “sonlu ama sınırsız” olarak ifade edilir. Örneğin bir basketbol topunun yüzeyi böyle bir topoloji için güzel bir örnektir. Basketbol topunun yüzeyi iki boyutlu ve sonlu bir yüzeydir ancak sınırı yoktur. Bu da topun üzerinde ne kadar ilerlerseniz ilerleyin asla “yüzeyin sonu” gibi bir yer ile karşılaşmayacaksınız demektir. Topun yüzeyinde bir yönde ilerlerseniz bulunduğunuz yere geri dönersiniz. Eğer Evren’imiz sonlu ise sınırsız olacaktır, bu nedenle “Evren’in sınırı” gibi bir kavram anlamsızdır.
Günümüzde yapılan ölçümler Evren’imizin düz veya düze fazlasıyla yakın olduğunu gösteriyor. Ancak Evren’imizin bu kadar düz olabilmesi için madde ve enerji yoğunluğu parametresinin çok hassas bir değerde olması gerekir ve bu parametrenin neden bu kadar hassas değere sahip olduğunun klasik Büyük Patlama modelinde bir açıklaması yoktur. Bu nedenle bir problemdir ve bu probleme Düzlük (Flatness) Problemi adı verilir. Enflasyon Teorisi bu problemin cevabını veriyor gibi gözüküyor. Bunların yanı sıra Büyük Patlama anında ne olabileceği hakkındaki teorilere gelelim.
Büyük Patlamadan Önce Ne Vardı?
En çok merak edilen sorulardan biri budur ve sorunun cevabı basitçe “bilmiyoruz”dur. Evet, bilmiyoruz. Bunun en önemli sebebi Soru 6'da açıkladığımız üzere Evren’deki en eski ışık olan Kozmik Mikro Arkaplan Işıması’ndan öncesini gözleyemiyor oluşumuzdur. Bunun yanı sıra klasik Büyük Patlama Teorisi, Evren’in başlangıcını bir tekillilik olarak görmektedir. Bu nedenle, Büyük Patlama’nın uzayın ve zamanın başlangıcı olduğuna dair yazı veya kitap okuduysanız bu soruyu merak etmeniz çok doğal.
Diğer yandan, Büyük Patlama ve öncesini açıklayabileceğimiz bazı teorilerimiz ve tahminlerimiz var. Her ne kadar bu yazımızın konusu olmasa da bu konuyla ilgili çok fazla soru sorulduğu için bu soruyu yanıtsız bırakmamaya karar verdik. Her bir teoriyi ve modeli detaylı olarak işlemek çok uzun olacağı için her birinden kısaca bahsettik, yine de cevapların istemsiz bir şekilde bazı yerlerde teknik detaya girdiğini belirtmemiz gerek. Her ne kadar “Büyük Patlama’dan önce ne vardı?” sorusu sorması çok kolay bir soru olsa da cevap vermesi hiç de kolay değildir. Şimdi bazı olası cevaplara göz atalım.
Stephen Hawking’e göre “Büyük Patlama'dan önce” demek anlamsızdır çünkü Büyük Patlama uzay ve zamanın başlangıcıdır, zamanın olmadığı bir andan söz etmek ise anlamsızdır. Bu soru “Kuzey Kutbu’nun kuzeyinde ne vardır?” diye sormak gibidir.
Daha önce de bahsettiğimiz üzere çoğu fizikçi artık uzay ve zamanın başlangıcının Büyük Patlama olduğunu düşünmüyor. Günümüzde pek çok fizikçi en iyi kozmolojik model olarak Enflasyon Teorisi’ni kabul ediyor. Bir sonraki cevabımız bunun hakkında olacak.
Enflasyon Teorisi, klasik Büyük Patlama Teorisi’nde çıkan Ufuk Problemi, Düzlük Problemi, Monopol Problemleri gibi problemlere çözüm getirmesinin yanı sıra Evren’in başlangıç koşullarının neden hassas ayarlanmış (fine-tuned) gibi gözüktüğünü de açıklar. Enflasyon Teorisi’nden bahsetmemiz çok uzun süreceği için bu teori üzerine başlı başına bir yazı yazmamız gerekir, o nedenle şimdilik sadece şunu söyleyelim: Enflasyon Teorisi, ilk ortaya atıldığında evrenin 10-32 saniyelik bir süre içerisinde 1050 misli büyüdüğünü söylüyordu.
Bu teorinin devamı olan ve konumuzla asıl alakası olan Sonsuz Enflasyon Teorisi, enflasyonun sadece Büyük Patlama’dan sonra çok kısa süre içerisinde gerçekleşen bir şey değil, aynı zamanda Büyük Patlamaları yaratan bir mekanizma gibi davrandığını gösterir. Bir uzay düşünün, entropisi maksimum seviyede olsun. Bu durum, o uzayın içerisindeki maddenin maksimum düzensizlikte olduğunu gösterir. Bu uzayın düzenli olan çok küçük bir bölgesi katlanarak genişlemeye başlayabilir. (Teoriye göre enflasyonun nerede ve ne kadar sürede gerçekleşeceği kesin değildir.) Bizim de Evren’imiz böyle bir bölgeden doğmuş olabilir. Bu da neden gözlemlenebilir Evren’in entropisinin maksimum düzeyde olmadığını gösterir. Elbette bu bir kez gerçekleşmek zorunda değildir, uzayın başka küçük yerleri de bu şekilde katlanarak genişleyip düzenli yapılar oluşturabilir; bu da hem çoklu-evrenlerin varlığına hem de uzay ve zamanın Büyük Patlama’dan (küçük bölgenin genişlemeye başlamasından) önce var olduğuna işaret eder.
Ancak BGV Teoremi olarak bilinen bir diğer teoreme göre Enflasyon Teorisi’nde Evren Büyük Patlama ile başlamadıysa bile evrenlerin zamanda genişlemesi sonsuzdan beri değildir, bu da hala “zamanın başlangıcı” problemini çözmemiş olabileceğini gösterir. Üstelik bu teorem (Hubble sabitinin ortalama olarak 0’dan büyük olması dışında) neredeyse hiçbir varsayım ortaya atmamaktadır. Bu nedenle aslında Enflasyon Teorisi her ne kadar güçlü bir teorem olsa da tek başına çoklu-evrenlerin başlangıcını açıklayamaz. Fizikçiler bunun bir Kuantum Kütleçekimi Teorisi ile giderilebileceğini düşünmektedirler çünkü Enflasyon Teorisi, Genel Görelilik Teorisi’nin matematiğine dayalı bir teoridir ve biliyoruz ki Evren’i (özellikle mikroskobik evreni) tam anlamıyla anlamak için Genel Görelilik Teorisi tek başına yetersizdir, bu nedenle bir Kuantum Kütleçekim Teorisi’ne ihtiyacımız vardır.
Örneğin fizikçi Sean Carroll, Kuantum Sonsuzluk (Eternity) Teoremi’nin zamanın başlangıcı olmadığını gösterdiğini söylüyor. William Lane Craig ile yaptığı tartışmada bunu şöyle dile getiriyor:
Eğer Kuantum Mekaniği’ne uyan, sıfır enerjisi olmayan, fizik yasaları zamanla değişmeyen bir evreniniz var ise evren zorunlu olarak sonsuzdan beri vardır.
Ancak bu teorem ile ilgili şöyle bir sıkıntı var; yukarıda da bahsedildiği üzere teoremin koşullarından biri evrenin sıfır enerjisi olmamasıdır. Fakat günümüzdeki gözlemler Evren’in enerjisinin sıfır ya da sıfıra çok yakın olduğunu gösteriyor.
Mesela Wheeler-DeWitt denklemine göre eğer Evren’imiz kapalı ise Evren’imizin Hamiltonu (enerjisi de denilebilir) 0’a eşittir. Bu denklem eğer H=0 ise Evren’imizin dalga fonksiyonunun da zaman içinde değişmeyeceğini söyler. Bu zamanın aslında bir illüzyon olduğunu kanıtlar mı? Bilemiyoruz fakat bunun üzerine konuşmak konumuzun dışına çıkmak olur.
Ekpirotik model (Ekpyrotic model), süper sicim teorisinden ilham almıştır ve Büyük Patlama’dan önce ne vardı sorusuna yanıt vermesinin yanı sıra Evren’deki homojenlik (uniformity), Evren’in şeklinin düz olması ve başlangıcının çok sıcak olması gibi çıkarımları WMAP ve Planck uydusu deneyleri ile de uyumludur. En iyi avantajı çoklu-evrenler üretmemesidir. Bu modelin söylediği şey şudur: Evren’imiz iki tane üç boyutlu bran’ın dört boyutlu uzay içerisinde çarpışması sonucu oluşmuştur. (Editör notu: Bran’ı ya da brane’i "ince bir zar" gibi düşünebilirsiniz.) İki branın çarpışmasında kinetik enerjileri kuarkları, elektronları, fotonları vs. meydana getirmiştir. Evren homojendir çünkü çarpışma neredeyse her yerde aynı anda gerçekleşir. Branların geometrisi düz olduğu için evrenimiz de düzdür. Kütleli manyetik monopoller, klasik Büyük Patlama Teorisi’ne göre ilksel evrende oluşmuştur, gözlemlenmediği için bize sorun yaratır fakat bu model manyetik monopoller öngörmez.
Stephen Hawking, “sanal zaman” adı verilen bir kavram ortaya atar. Zamanın sembolü olan t'yi -1’in karekökü olan i ile çarparsanız it'yi yani sanal zamanı elde edersiniz. Sanal zaman, bir uzay boyutu gibi davranır; üstelik, istenmeyen tekillilikleri de ortadan kaldırır; buna Evren’in başlangıcındaki tekillilik de dahil. Hartle-Hawking modeli bir tür Sınırsız (no-boundary) Kuantum Kozmoloji Modeli’dir. Bu modeli çekici kılan şey Evren’imizin başlangıç (initial) koşulları ve Evren’imizin zaman içerisinde nasıl değiştiği hakkında açıklamalar sunmasıdır. Bu modelde zaman tıpkı bir uzay boyutu gibi davrandığı için “zamanın başlangıcı” kavramı anlamsızdır. Bunu bir top analojisi ile anlayabilirsiniz. Topun üzerinde seçtiğiniz rastgele bir noktanın topun başlangıcı olduğunu söylemek ne kadar anlamsızsa zamanın başlangıcı olduğunu söylemek de o kadar anlamsızdır. Ancak bu modelin bazı tahminlerinin yanlışlandığını belirtmemiz gerekir. Bazı olası çözümler ortaya atılmış olsa bile henüz deneysel veriler ile doğrulanmamıştır.
Döngüsel (Loop) Kuantum Kütle Çekim Teorisi, Genel Görelilik Teorisi ve Standart Model’i tek bir teoride birleştiren ve böylece her şeyin teorisi olmaya aday teorilerden biridir. Bu teoriye göre uzay-zaman kuantize edildiği için (yani en küçük uzay ve zaman birimleri Planck Boyutu ve Planck Zamanı olduğu için) Büyük Patlama anında tekillilik söz konusu değildir. Ayrıca bu teori Enflasyon Teorisi ile tutarlı olduğundan zamanın başlangıcı hakkında bize bir şeyler söyleyebilir.
Kaynaklar
- Yazar Yok. Kaynak. (9 Eylül 2020). Alındığı Tarih: 9 Eylül 2020. Alındığı Yer: Bağlantı | Arşiv Bağlantısı
