Evrenin bir sonu yoksa onun şeklinden bahsedebilir miyiz?

Evren'e uzaydan bakma şansımız olsaydı, nasıl görünürdü? Bilim adamları, evrenin şeklini saptamak ve sonunun olup olmadığını öğrenmek için farklı ölçümler yaparak bu soruya cevap arıyor. Evren'in şekli nasıl ölçülebilir? Sonucu ne olur?

Evrenin geometrisi

Einstein’ın İzafiyet Teorisi’ne göre, “uzay, güçlü kütle çekimi nedeniyle kavislidir”. Yani evrenin yoğunluğu, evrenin geleceği kadar şeklini de belirler.

Bilim adamları evrenin “kritik yoğunluğunu” hesapladı. Kritik yoğunluk, evrenin genişleme hızını ölçmede kullanılan Hubble sabitinin karesi ile orantılı. Gerçek yoğunluk ile kritik yoğunluğun karşılaştırılması, bilim adamlarının evreni anlamasını kolaylaştırabilir.

Evren'in gerçek yoğunluğu kritik yoğunluktan daha az olursa, evrenin genişlemesini durdurmak mümkün olmaz, evren sonsuza kadar genişler. Bunun sonucunda da eyer şeklinde açık bir evren modeli oluşur.

Evren’in yoğunluğu kritik yoğunluktan fazla olursa, kapalı (sonlu) ve küresel bir evren modeli oluşur. Evren’in genişlemesi durursa, evren küçülür ve galaksiler birbirlerine daha yakın hareket etmeye başlar. Bu durum gerçekleşirse “Büyük Patlama’nın” tam tersi olan “Büyük Çöküş” başlar.

Evren’in yoğunluğu kritik yoğunluğa eşit olursa, evrenin bir kağıt gibi düz ve sonsuz olacağı düşünülmektedir.

Ölçümler, evrenin şeklinin düz olduğunu gösteriyor. Büyük Patlama’dan bugüne ışık hızı evrenin hacmini görmemizi sınırlandırmıştır. Evren'in yaşı yaklaşık olarak 13,8 milyar olduğundan bilim adamları ancak dünyanın 13,8 milyar ışık yılı uzağını görebilir.

Evren’in Ölçümü

Kozmolojiyi inceleyen bilim adamları, evrenin şeklini saptamak için onun yoğunluğunu ve genişliğini ölçmeye çalışmıştır.

20. yy başlarında astronom Edwin Hubble evrendeki galaksileri incelerken, onların Samanyolu’ndan uzaklaştığını gördü. Bunun üzerine evrenin genişlediğini duyurdu. Astronomlar, bu olaydan sonra süpernova ölçümlerine önem verdi.

Evren'in şeklini belirlemek amacıyla kullanılan diğer araçlar arka plan radyasyonunu ölçmeye çalıştı. NASA’nın büyük patlamadan geriye kalan kozmik mikrodalga arkaplan radyasyonunu ölçmek için uzaya yolladığı uydu Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, evren açık mı kapalı mı sorusunu cevaplandırabilmek için kullanıldı.

Bilim adamları, 2013 yılında evrenin 0,4 hata payıyla Evren’in düz olduğunu duyurdu.

^[1]

Evrenin şekli neden düz?

Zaman büyük patlamayla mı akmaya başladı ve büyük patlamadan önce ne vardı yazılarında anlattığım gibi fizikçiler klasik büyük patlama teorisini terk edeli çok oldu. Klasik teorideki tekillik problemini çözmek isteyen fizikçiler, deyim yerindeyse büyük patlamanın öncesini anlatan yeni bir film çektiler. Büyük patlamadan önce olanları anlatan bu teoriye de kozmik enflasyon dediler.

Evet, kozmolojik ölçeklerde bile enflasyondan kurtulmamız mümkün görünmüyor; ama kısaca açıklarsak bulunduğumuz evren bir değil, iki büyük patlamayla oluştu diyebiliriz. Ne yazık ki bu bilgi okullarda henüz güncellenmedi ve New Scientist dergisinin bile şimdi anlatacağım “şişme evresinin” hâlâ büyük patlamadan sonra gerçekleştiğini yazabilmesi, bu alanda bir kafa karışıklığı olduğunu gösteriyor.

Öyleyse kozmik enflasyon nedir?

Teoriyi 1979’da geliştiren fizikçi Alan Guth’un 2014 yılında MIT’de verdiği dersten özetlersek: “Planck anında (5,39 x 10-44 sn) ve Planck ölçeğinde 1,61622837 x 10-37 cm, ilkin evren kuantum köpüğü formunda mikroskobik bir yuvarlaktı.”

Mutlak sıcak değerinde olan evren, rastgele kuantum salınımları yüzünden sadece tek bir parametreyle belirlenen özel bir enerji alanı (skaler kuantum alanı) yarattı. Bunu Dünya’nın sıcaklığını ölçtüğünüzde Güneş’in sıcaklığını da ölçmek gibi düşünün. Garip, ama skaler alanlarda normal.

Skaler alanların bir özelliği de tıpkı denizlerin geç ısınıp geç soğuması gibi, onların da evrene göre daha geç enerji kaybetmesidir. Nitekim evren kuantum köpüğünden genişlemeye başlayınca (bize göre çok sıcak olmasına karşın) yarattığı kuantum skaler alana göre soğudu. Ancak, skaler alan evrene göre yüksek bir enerji değerinde takılı kaldı. İşte bu evrenin ışıktan hızlı şişmesini başlatacaktı:

Evrenin şekli ve kozmik enflasyon

Bunun negatif enerji ve enerjinin korunumuyla ilgili detaylarını kuantum köpük yazısında bulabilirsiniz. Özetle evren soğurken skaler alanın sıcak kalması, negatif enerji ve negatif basınç yaratarak yerçekimsel olarak itici olan yeni bir enerji alanının oluşmasını tetikledi: İnflaton alanı, yani şişme alanı. Böylece evren çok kısa bir süre için ışıktan hızlı genişledi, adeta şişti.

Biz de şişmenin başladığı ana soğuk büyük patlama diyoruz. Bu sırada evrenin boyu ~10-28 cm’den 1 cm’ye genişledi (~1026 kat büyüdü) şişme evresi 10-36 ila 10-33 – 10-32 saniye arasında, sadece 10-2 saniye sürdü. Öyle ki evren her 10-28 saniyede iki kat büyüdü ve sadece 100 kez ikiye katlanarak 1 cm çapında bir bilye boyuna erişti. Peki bildiğimiz sıcak büyük patlama ne zaman ve nasıl oluştu?

Evrenin şekli ve şişmenin durması

İnflaton alanı, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzünden, tıpkı radyoaktif bir parçacık gibi aniden ve rastgele bozundu. 10-33. saniyede inflaton alanı çöktüğünde sahip olduğu enerji, enerjinin korunumu yasası gereği sıcak büyük patlamayı, yani okuldan bildiğiniz büyük patlamayı tetikledi. Yaşadığımız ve sevdiğimiz, biraz da bildiğimiz gözlemlenebilir evren sıcak büyük patlamayla oluştu.

Peki bunun evrenin şekli ve bununla ilgili kozmolojik krizle ne ilgisi var derseniz: Alan Guth kozmik enflasyon teorisini sadece klasik büyük patlamadaki tekillik sorununu çözmek için geliştirmedi de ondan. Kozmik enflasyon 1) Ufuk problemini, 2) Homojen sıcaklık problemini ve 3) Evrende madde-enerjinin büyük ölçeklerde homojen, ama küçük ölçeklerde dağınık dağılması problemini çözüyor.

1) Evrenin çapı 92 milyar ışık yılı, ama yaşı 13,78 milyar yıldır. Kısacası evrenin çapı yaşından büyüktür. Hiçbir şey ışıktan hızlı gidemeyeceğine ve ışık da evrenin başlangıcından itibaren, uzayda en fazla 6,89 milyar ışık yılı mesafe kat edebileceğine göre (büyük patlamayı merkez alınca evrenin yarıçapı kadar), evrenin çapı neden yaşından büyüktür?

2) Kozmik mikrodalga artalan ışıması evren 380 bin yaşındayken, yani ilk ışık uzaya yayıldığı zaman oluştu. O zaman evrenin sıcaklığı 3000 dereceydi. Oysa bugün uzay boşluğunun sıcaklığı -270 derece. Hem de her yönde. Öte yandan, evrende sıcak yıldızlar var ve bunlar ısı ile ışık saçıyor. Öyleyse evrenin sıcaklığı neden her yerde ortalama olarak aynı?

3) 1 milyar ışık yılı ve daha büyük mesafelerde, madde ve enerjinin örümcek ağına benzeyen bir kozmik ağ şeklinde, evrenin her yerine eşit dağıldığını görüyoruz. Tartışmalı bir-iki istisnayı saymazsak ortalama galaksi sayısı evrenin her yerinde aynıdır. Ancak, lokal olarak galaksi sayısının az olduğu galaksiler arası boşluk var. Dünya ve Güneş arasında da uzay boşluğu var.

Evrenin şekli problem

Kozmik enflasyon, yani evrenin ışıktan hızlı şişmesi sona erdikten sonra, bugün 92 milyar ışık yılı çapında olan uzay sade 1 cm çapındaki bir kürecikte sıkışmıştı. Kısacası bugün en güçlü teleskoplarla bile görmekte zorlandığımız en uzak bölgeler bile evren 10-32 saniye yaşındayken; yani ilk saniyenin 100 trilyon kere milyar kere milyarda birinde birbirine dokunuyordu.

Bu nedenle evrenin ortalama sıcaklığı daha baştan eşitlendi. Nitekim bu anın kalıntısı olan kozmik mikrodalga artalan ışımasında (CMB), cenin evrendeki sıcaklık farklarının yalnızca 15 binde 1 olduğunu görüyoruz. Bu da Homojen Sıcaklık problemini çözüyor.

İkincisi evren enflasyondan sonra da ışıktan yavaş bir hızda; ama ilk başlarda ışık hızına yakın bir hızda genişlemeye devam etti. Ta ki yerçekimi genişlemeyi yavaşlatana kadar… Bu sebeple CMB üzerinde benekler halinde görülen başlangıçtaki sıcaklık farkları da genişleyerek bugünkü süper galaksi kümelerine dönüştü.

Bu küçük farklar ise enflasyondan sonra gelen ikinci rastgele kuantum salınımları dalgasında oluşmuştu. Böylece kozmik enflasyon madde ve enerjinin neden büyük ölçeklerde uzaya eşit dağıldığını çözüyor; çünkü evrenin çapı sadece 1 cm iken “et ete değiyordu”, madde ve enerjinin dağılım homojendi.

Galaksilere gelince

Rastgele kuantum salınımlarından kaynaklanan küçük sıcaklık ve dolayısıyla yoğunluk farkları da maddenin küçük ölçeklerde uzaya dağınık dağılmasına yol açtı. Böylece tek tek galaksiler ve yıldızlar oluştu. Gelelim evrenin şekli meselesine:

Evrenin şekli ve evrenin yaşı

Bu sorun evrenin çapının neden yaşından büyük olduğuyla alakalı: 1) Evren başlangıçta kısa bir süre için ışıktan hızlı şiştiği, 2) enflasyondan sonra bir süre için de ışık hızına yakın hızlarda genişlediği ve 3) 13,78 milyar yıldır da genişlemeye devam ettiği için evrenin çapı yaşını aştı.

Şöyle düşünün: Evrenin çapı bugünkü genişleme hızıyla her 10 milyar yılda 2 katına çıkıyor. Bu da bugün bizden 1 milyar ışık yılı uzakta olan bir galaksinin 10 milyar yıl sonra 2, 20 milyar yıl sonra 4 ve 30 milyar yıl sonra da 8 milyar ışık yılı uzakta olacak olması demek!

İşte o zaman da evrenin şekli düz olmalıdır diyoruz ve neden öyle derseniz: İnflaton alanı gerçek evren köpükleri yaratacak şekilde bozunuyor. Aynı zamanda inflaton alanı ışıktan hızlı şişmeye de devam ediyor. Gerçek evrenlerin genişleme hızı ise tanım gereği ışık hızından yavaş oluyor.

Bu nedenle inflaton alanında sonsuz sayıda evren oluşsa bile, inflaton alanı bu evrenlerin oluşum hızından çok daha hızlı olarak (belki de sonsuz hızda) şişmeye devam edecektir. Öyleyse kozmik enflasyon aslında ezeli enflasyondur ve ezelden beri sonsuz sayıda evren yaratmaktadır (gerçi zamanın kökeni ve çoklu evren yazılarında belirttiğim gibi bu da ayrı bir problem çıkarıyor). Öyle ki sonsuz enflasyon evrenin şeklini de etkilemiştir:

Evrenin şekli ve sonsuz enflasyon

Nitekim kendimizi sonsuz kainatta kaynar su kabarcıkları gibi köpüren sonsuz sayıda tekil evren köpüğü içinde, sadece yaşadığımız evrenle sınırlarsak evrenin şekli problemi ile karşılaşıyoruz. Neden derseniz bunu bize klasik büyük patlama teorisi de açıklayabilir:

Büyük patlama teorisini kanıtlayan gözlemlerden bildiğimiz gibi, bizden 3,26 milyon ışık yılından (1 milyon parsek, 1 megaparsek) daha uzak olan bütün galaksiler, ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşıyor. Öyle ki sıcak büyük patlama anında ve sonraki milyarlarca yıl boyunca gözlemlenebilir evrenin bir parçası olan galaksiler zamanla gözlemlenebilir evrenin dışına çıktılar.

Işık hızı sonlu olduğu ve o galaksiler de bizden artık çok uzakta olduğu için, bizler sonsuza dek beklesek bile söz konusu galaksilerin ışığı bize asla ulaşamayacak. Böylece aramızda fiziksel etkileşim, neden-sonuç ilişkisi ve nedensellik bağı da olmayacak; çünkü ışık bize gelirken evren çok daha fazla genişlemiş olacak. Bu da bizi evren ile Dünya gezegenin en büyük ortak yanlarından birine getiriyor:

Evrenin şekli ve karanlık madde

Fizikçilerin evrenin şeklini eline cetveli alıp ölçecek hali yok. Şunun şurasında 40 yıldır Ay’a insan göndermeyi beceremiyoruz. Nerede kaldı ki fiziğe aykırı şekilde ışık hızını aşıp uzak galaksilerde tur atmak? Evrenin şeklini ölçmek için dolaylı gözlemler yapıyoruz ve bunlardan biri de yerçekimi mercek etkisidir:

Kara delik gibi iri cüsseli cisimler arkadan gelen yıldız ışığını büyüteç gibi bükerek odaklar. Hatta bu yüzden aynı yıldızın 4 kez patladığını gördüğümüz olmuştur. Uzak galaksiler de daha uzak galaksilerin ışığını çevresinden bükerek Dünyamıza odaklarken yerçekimi mercek etkisine yol açarlar.

Ayrıca astrofizikçiler evrende görünmez karanlık madde olduğunu biliyor. Karanlık madde normal maddeden 5 kat fazla olduğu için özellikle de uzak ve büyük mesafelerde arkadan gelen ışığı daha güçlü büküyor. Hatta evrendeki karanlık maddenin miktarını buna bakarak da ölçüyoruz.

İşte Melchiorri, Planck verilerindeki mercek etkisine baktığı zaman, ışığın evrende sanılandan daha çok büküldüğünü gördü. Bu da karanlık maddenin sanılandan daha fazla olduğunu, dolayısıyla evrendeki yerçekiminin sanılandan daha güçlü olduğunu gösterdi.

Evrenin şekli ve kaderi

Kısacası evrendeki yerçekimi evreni küre şeklinde bükecek kadar güçlü olabilir. Bu da evrenin genişlemesinin en erken 22 milyar yıl sonra duracağını ve evrenin yeniden küçülmeye başlayarak 35-36 milyar yıl içinde kara delik halinde çöküp yok olacağını gösteriyor. Melchiorri çok net bir analiz yaptığını ve Planck verilerine göre, evrenin küre şekilli olma ihtimalinin düz olmasından 41 kat yüksek olduğunu söylüyor. Peki bu neden kozmolojik krize yol açıyor?

Evrenin şekli ve bilimsel düşünce

Bu tür durumlarda yapmamız gereken şey Occam’ın usturasını uygulamaktır: Sıra dışı iddialar sıra dışı kanıtlar gerektirir. Şimdilik Melchiorri’nin iddiası evren hakkında bildiğimiz her şeye aykırı ve sadece tek bir destekleyici kanıta dayanıyor. Bu iddia bildiğimiz her şeyi yıkıyor, ama yerine hiçbir şey koymuyor. Bilim insanlarının işte bu yüzden son derece tutucu davranması gerekiyor.

Princeton Üniversitesi’nden David Spergel’in dediği gibi, “Bu doğruysa evren hakkında bildiklerimizi derinden etkileyecektir. Çok önemli bir iddia; ama veriler tarafından desteklendiğinden emin değilim. Aksine, kanıtların tam tersini gösterdiğini söyleyebilirim.” Neyse ki bu sonucu istatistiksel veri hatasıyla açıklayamasak bile sorunu çözmek için fazla beklememiz gerekmeyecek.

Şili’de inşa edilen Simons Gözlemevi birkaç yıl içinde tamamlanacak. Biz de gelişmiş teknolojiler sayesinde, uzaya uydu göndermek yerine, Dünya’dan bakarak yerçekimi mercek etkisini Planck’tan çok daha kesin olarak ölçeceğiz. Böylece evrenin şekli nedir? Düz mü, küresel mi sorusunu kesin olarak yanıtlayacağız.

Peki evren içi boş bir hologram mı, dahası karanlık madde evrenden eski olabilir mi? Peki ya doğada nesnel gerçeklik var mı ve varsa Kuantum Darwinizmle nasıl oluşuyor? Bütün bunların yanıtını şimdi okuyabilir ve evrenin doğası ne olursa olsun, evren simülasyonu yapan en küçük kara delik bilgisayarı nasıl çalıştıracağımızı da hemen görebilirsiniz. Lodostan korunacağınız güneşli bir pastırma yazı olsun. ^[3]