Evrenin Sırları-1 Büyük Patlama

Bu iddialı başlık bana ait değil aslında, geçen haftalarda Boğaziçi Üniversitesi’nde herkese açık olan ve Fizik Bölümü Öğretim Üyesi Prof. Alpar Sevgen tarafından verilen seminerin adı. Seminer boyunca tuttuğum notlar ve sonrasında izlediğim Universe for Dummies tarzı onlarca videoyu kaynak alarak sizlere iki hafta boyunca bilim dünyasının evrenle ilgili son keşiflerinden söz etmek istiyorum. Küçükken astronot olmak istemem dışında konuyla ilgili hiçbir hâkimiyetim yok, fakat içiniz rahat olsun yazımı Profesör’e onaylattım, yine de bu işin sonunda soru-cevap kısmı olmadığına memnunum.

Konu, evrenin nasıl oluştuğu, boyutu, sınırları ya da kaderi olunca tüm gözler yine o adama çevriliyor; 20. yüzyılın gerçek dâhisi Albert Einstein’a. Öncelikle Einstein’in 1917 tarihli ‘Genel Görelilik’ kuramını ele almalıyız: Enerji yoğunluğu uzay-zamanı büker. ‘Bu cümledeki tüm kelimelerin anlamını tek tek bilsem de bir araya geldiklerinde bir şey ifade etmiyor’ diyenlerdenseniz henüz sayfayı terk etmeyin. Bir şans tanıyın lütfen. Konuyu “Bir üçgenin iç açıları toplamı 180 derecedir” diye de açabilir, size olayı hemen kavrayacakmışsınız hissi de verebilirdim. Söz veriyorum; konu ilkokul çocuklarının bile bildiği bu kurala gelecek, ama bir sonraki hafta, hem de bir üçgenin iç açılarının toplamının pekâlâ 180’den farklı olabileceğini göstererek. Başlayalım mı?

Einstein’ı anlamak

Big Bang’i hepiniz duymuşsunuzdur: Evrenimizin 13,8 milyar yıl evvel, bir noktadan genişleyerek ve soğuyarak bugünlere nasıl geldiğimizin genel kabul görmüş teorisi. Big Bang yani genişleyen evren teorisi ilk olarak Einstein’in Genel Görelilik kuramından yola çıkar. Kuram ‘eğrilik=enerji’ der. Evrende dört boyut vardır: En, boy, yükseklik ve zaman. Olayların hakiki arenası zaman veya uzay değil, birleşimidir: uzayzamandır. Yani dört boyutlu bir koordinat bize bir olayın nerede ve ne zaman olduğunu verir. Formülde ‘eğrilik’ derken evrenin yani uzayzamanın şeklinden bahsediyoruz. Teori, enerjinin diğer bir deyişle kütlenin (çünkü fizikçi olmasak da hepimizin bildiği gibi, E=MC², enerji kütlenin ışık hızının karesiyle çarpımına eşittir. Yani biri bir diğerine dönüşebilir) içinde bulundukları uzayzamanı eğdiklerini söylüyor. O zaman bükülmüş bu uzayzamanda hareket eden cisimler düz gidecekken adeta bir enerji tarafından itilmiş veya çekilmiş gibi aşağıdaki karıncalar gibi yollarından sapar. Bahsettiğimiz enerjiyi çıkarabildiniz mi? Evet, yerçekiminden bahsediyorum. Kütleçekim de diyebiliriz. Evrenin eğriliği yani şekli, içinde bulunan kütlenin yoğunluğuna yani yarattığı yerçekimine veya kısaca toplam enerjiye bağlıdır. Kavramanız için son bir cümle, bir de benzetme: Kütle uzaya nasıl büküleceğini söyler, uzay da kütleye nasıl hareket edeceğini. Çok gergin bir şekilde tuttuğunuz çarşafın üzerine bowling topu attığınızı düşünün, çarşaf içeri doğru bükülecektir. Daha sonra bir bilyeyi attığınızda ise bowling topunun bilyeyi yanına çektiğini görürsünüz.

 1917’de Einstein, Genel Görelilik teorisi ile evrendeki madde yoğunluğuna bağlı olarak evrenin önce genişleyeceğini sonra da çökeceğini ama asla sabit kalmayacağını öngörür. Einstein evrenin genişleyip genişlemediğini astronomlara sorar. Gözlemciler o günün teleskoplarıyla evrenin durağan olduğuna, her gezegenin olduğu yerde kaldığına kanaat getirirler. Einstein da, her ne kadar teorisi evrenin sınırlarının değişken olduğunu öngörse de, içine hiç sinmeyerek evreni sabitlemek için, evrenin şeklini yerçekimine bağlayan denkleminde, sol taraftan bir kozmolojik sabit çıkarır. Galaksilerin madde yoğunluğu yüzünden birbirlerine yakınlaşmalarını veya birbirlerinden uzaklaşmalarını engelleyecek, sabit bir karşı kuvvet.  Fizikçilerin hep yaptığı gibi Einstein da sabitine havalı olması açısından Yunan alfabesinden bir harf atar: Lambda. Eğrilik-lambda = enerji.

Sürpriz bir şekilde 1929'da Edwin Hubble, evrenin durağan olmadığı, genişlediği şeklinde bir gözlem yapar.  Hubble’ın aslında astrofiziğe meraklı bir avukat olduğunu ve ABD’nin milyarlarca dolara mal olan 1990’da uzaya yolladığı teleskoba adını verdiğini söylememe izin verin. Hubble net bir şekilde galaksilerin birbirinden zamanla uzaklaştığını gözlemlemiştir. Dahası, uzakta olan bir galaksi uzaklığı ile aynı oranda daha hızlı hareket ediyordur, yani genişleme homojendir. Bir üzümlü ekmek hamuru düşünün. 4 cm’lik bir yarıçapı olan top şeklinde bir ekmek. Merkezinden 1 cm, 2cm ve 3cm uzaklıkta üzümler olsun. Şimdi bu ekmeği pişirelim, içine tam da ekmeği iki katına büyütecek maya koymuş olalım. Pişmiş ekmeğin yarıçapı 8 cm oluyor. Üzümler ise merkezden 2cm, 4cm ve 6cm uzaklıkta olacaktır. En yakındaki üzümün eski yerine göre 1 cm, en uzaktaki üzümün ise 3 cm yol aldığının farkındasınız. Örnekte üzümler galaksi, hamur da uzayın boşluğu. Mayanın ne ihtiva ettiği ise haftaya kalsın. Uzayın boşluğu genişliyor. Daha uzaktaki galaksinin arkasında daha çok uzay boşluğu olduğundan o daha uzağa gidiyor. Hubble’ın vardığı sonuçlardan biri de yıldızların her birinin birbirinden uzaklaştığı yani evrenin bir merkezinin bulunmadığıydı. Bu bulgu da kendini kâinatın merkezinde sanan insanlara gelsin.

Hubble’ın buluşundan sonra Einstein, Lambda’sının hayatının en büyük hatası olduğunu söyler ve onu siler. Aşağıdaki resim tam da o pişmanlığını psikoloğuna anlattığı an çekilmiş olabilir mi acaba? Fakat aslında Einstein 90’larda aramızda olsa Lambda’sını geri getirirdi. Cevap mayada gizli.

Gök cisimlerinin birbirinden uzaklaşması buluşu bir yandan da zamanda geriye gidersek galaksilerin birbirine yakınlaşacağını öngörür. Demek ki başlangıçta tüm galaksiler birbirine yapışık, hatta bir bütündü. Hubble Big Bang’i doğrulayan bir gözlem yapmış oldu.

Einstein ve Hubble’dan gelen bu veriler iki öngörüyü beraberinde getirdi.

1- Evrenin herhangi bir yönünden çevrene baktığında hep aynı miktarda gökcismi görürsün.

2-Bir diğer öngörü de evrenin, patlamanın ilk evrelerinde aşırı derecede sıcak olduğuydu. Bu dönemde ortaya çıkan ışımanın kanıtlarından geriye bir şeyler kalmış olmalıydı. Birinci öngörüye göre, söz konusu ışımanın kanıtı da evren boyunca eşit bir şekilde dağılmış olmalıydı. Bu öngörü ispatlanırsa Big Bang kanıtlanmış olacaktı. Öyle de oldu.

BIG BANG

Evrenin tarihine girmeden evvel birçoğunuzun zaten bildiği bir bilgimizi tazeleyelim. Uzayın büyüklüğünden dolayı, mesafeleri bildiğimiz km ölçütüyle değil de, ışık yılı ölçütüyle hesaplıyoruz. Işık bir saniyede 300.000 km yol kat edebilir. Bir yıldızın orada olduğu bilgisine sahip olmamız için yıldızın ışığının gözümüze gelmesi gerekiyor. Bir yıldızın 1 milyar ışık yılı uzakta olması demek, o yıldızın gözümüze görüntüsünün gelmesi 1 milyar yıl aldı demek, kısaca 1 milyar evvelki haline bakıyoruz demek. Bu ay için 1,5 saniye, güneş için ise 8 dakika olarak hesaplandı. Bir başka deyişle güneş bir anda yok olsa, dünya olarak biz bu bilgiye 8 dakika sonra sahip olacağız, yerçekimi de bundan habersiz olduğu için 8 dakika olmayan güneşin etrafında dönmeye devam edeceğiz.

13,8 milyar yıl önceki Big Bang’den, bir müddet sonra mevcut sis dağıldı ve ışık serbest kalarak evrenin her yanına dağıldı. Bu ışımanın izinin bulunması 1964’te gökyüzünü dinlemek için yapılan bir antendeki parazitin varlığı ile ortaya çıktı. Sıkı durun evrenin oluştuğu zamanlardan gelen bu ışığa hepiniz rastladınız. TV’de kanal değiştirirken ekranın karıncalanmasının yüzde 1’lik sebebi bu parazit.

Tam başlangıç anını ise en gelişmiş teleskoplarımız bile inceleyemiyor çünkü başlangıç ile 380.000 sene sonrası arasından gelen bir ışık yok. Neden? Çünkü evren plazma durumunda, aşırı yoğun ve opak. Sisli havada su zerreciklerinin ışığı saçtığı gibi, boşta gezen elektrik yüklü protonlar(+) ve elektronlar(-) da ışığı saçıyor. Derken 380.000’inci yıla geldiğimizde, evren genişlemiş ve ısı başlangıçtaki sonsuz sıcaklıktan tam olarak 3.000 Kelvin’e (2.700 santigrat) düşmüş oluyor. Sonunda elektron protona tutunabiliyor ve elektrik yükü nette sıfır olan hidrojen ve helyum atomu oluşuyor. Artık ışık saçılmıyor, ona buna çarpmadan yol alabilmesi de ortamı transparan yapıyor, yani sis perdesi kalkıyor. Çok gelişmiş teleskoplarımız sayesinde evrenin tam 380.000 yıl boyunca oluşturduğu kozmik mikrodalga arka plan ışımasının (CMB) dağılmadan son anda yaydığı ısı aşırı hassas bir şekilde uydular tarafından ölçülüyor. Ölçümler evrenin her tarafının aynı sıcaklıkta olduğunu gösteriyor. Ancak 1/100.000 oranında dalgalanmalar var. Bazı yerlerde 3000 Kelvin’den biraz fazla bazı yerlerde biraz az. Aşağıda evrenin 380.000 yaşındaykenki ısı dalgalanmalarının haritasını görüyoruz. (Işıma dünyamızın her yönünden gözlemlendi. Elips şekli sizi yanıltmasın, bu yalnızca küreyi haritalama tekniği) Sıcaklığın biraz fazla olduğu yerlerde gaz yoğunlaşmış, biraz az olduğu yerlerde ise gaz yoğunlaşmamış. Dalgalanmalar tamamen rastgele. Yerçekimi kuvveti evrenin 380.000’inci yılında mimari görevini yerine getirmeye başlıyor ve daha büyük yoğunluklar, daha az yoğunlukları çekerek ileride yıldızlar, galaksiler ve boşluklara dönüşüyor. İlk yıldızlar 200 milyon yıl sonra, ilk galaksiler ise 1 milyar yıl sonra oluşuyor.

2006 yılı Nobel Fizik Ödüllü "Evrenin Bebeklik Fotoğrafı" 

Big Bang’den saliseler sonrası

1x10^-43 (saniyenin 10 milyon X trilyon X trilyon X trilyonda biri) saniyede, evren inanılmaz ölçüde küçük, yoğun ve sıcaktı. Kuantumca konuşmaya başlıyoruz dikkatinizi çekerim. Kuantum fiziği atomaltını inceleyen fizik dalı.  Bu evrede kuantum teorisi ile yerçekimi teorisinin birleştiği düşünülüyor ki bu modern fiziğin ulaşmaya çalıştığı ‘her şeyin teorisi’ne işaret ediyor. Yalnız henüz kanıtlanmadığını söyleyelim. Evren ışık hızından hızlı bir şekilde 80 kez ikiye katlanarak genişledi. Buna enflasyon teorisi deniyor. Enflasyon devresi Big Bang’in ‘bang’ dediğimiz patlama kısmı. Evren, genişledikçe de soğuyor.

1x10^-35 saniyesinde evren yaklaşık birbirine eşit miktarda madde ve anti-madde ile doldu. Ancak simetri maddenin lehine bozuldu. Madde, anti-maddeden milyarda bir oranında daha fazlaydı, bu yüzden, çoğu parçacık ve anti-parçacık birbirlerini yok ederken, kalan sağlar bizim oldu. Tanrı Parçacığı belki kulağınıza tanıdık gelmiştir. Meşhur kitabın yazarı Nobelli Leon Lederman aslında “Where is this God Damn Particle” diye bağıra bağıra maddeye kütlesini kazandıran kuvvet parçacığını -Higgs Bozonu’nu- arıyorken, editörü kitap daha çok satış yapar diye ‘Damn’ kelimesini çıkarmış adı ‘Tanrı Parçacığı’ kalmıştı. CERN’de inşa edilen ve Big Bang’in canlandırılmaya çalışıldığı milyarlarca dolarlık Büyük Hadron Çarpıştırıcısı deneyinde 2013 yılında Higgs Bozonu’nun varlığı resmen ispat edildi.

Yaklaşık 10 saniye geçtiğinde, Higgs Bozonu ile kütle kazanan proton, elektron, nötron ve tabi ki madde ile anti-maddenin çarpışması sırasında ortaya çıkan diğerlerinden milyar kere fazla radyasyon parçacığı fotonlar vardı. Çok önemli başka bir atomaltı parçacığı daha vardı ki adına ‘kara madde’ deniliyor. Kara madde konusunu gelecek haftaya bırakalım. Fakat evren henüz elektronların protonlara ve nötronlara bağlanıp kararlı atomlar oluşturmasına izin vermeyecek kadar yoğun ve sıcaktı.

O meşhur “3. dakikada ne oldu?” sorusuna geliyoruz. 3. dakikada evrenin sıcaklığı 1 milyar derece Kelvin'e kadar soğudu. Atomaltı parçacıklar birleşmeyi sürdürdü. Kütle olarak, elementlerin dağılımı yaklaşık yüzde 75 hidrojen çekirdekleri ve yüzde 25 helyum çekirdekleriydi. Bundan 380.000 yıl sonra demin bahsettiğim gibi ısı 3000 Kelvin’e kadar düştü ve nihayet kararlı hidrojen atomu oluştu, ışık serbest kaldı.

Bomba sorular

Evrende yalnızca hidrojen ve helyum var idiyse, mesela 200.000 yıldır hayatta olan biz homosapienler nasıl oluştuk?  İçimizdeki karbon, demir, oksijen, kalsiyum… vs nerden geldi? Hidrojen ve helyum atomlarının örneğin karbonu oluşturması için 120 milyon Kelvin sıcaklık gerekiyor. Ama artık evren 3 Kelvin (-270 santigrat). Geçmiş olsun. Evrenin 380,000’inci yılında kalmıştık en son, zamanda seyahatimize devam edelim o halde. 200 milyon yıl geçiyor. Evren soğuyor. İlk yıldızlar oluşuyor. Bu genç yıldızlar hızlı yaşa genç öl misali 50 milyon yıl sonra patlıyor. Supernova bildiniz. Bu süpernova, malzemelerimizin pişerek ağır elementleri oluşturması için gereken muazzam ısıyı çok şükür sağlıyor. Biz ve dünyamız, güneşimiz ve her şey patlayan yıldızların külleriyiz. Voila!

Peki gece neden karanlıktır? E güneş gece batıyor da ondan diyorsanız gelecek hafta bambaşka bir yanıt için misafirim olun. İçinde yüz milyarlarca yıldız olan 400 milyar galaksi barındıran evrenin hangi noktasına baksak bir yıldıza denk geliyoruz. Bu kadar çok ışık nasıl olur da dünyayı geceyken de aydınlatmaz? 

Cevaplar haftaya.