Oğuz Pancar

Karanlık enerji her zaman bu kadar güçlü değildi, olsaydı evrenin erken dönemlerinde gaz ve toz bulutlarının birleşerek yıldızları ve galaksileri oluşturması olanaksız olurdu.

Son birkaç haftadır Einstein’ın evrene bakışımızı kökten değiştiren kuramlarından söz ediyoruz. Bu büyük fizikçinin hiç mi hatalı bir kuramı, öngörüsü olmamıştır diye sorarsanız, var elbette, hem de kendisinin “En büyük hatam” diyeceği kadar büyük ve önemli bir yanlış öngörü; ama kaderin cilvesine bakın ki aradan neredeyse 80 yıl geçtikten sonra Einstein’ın yine haklı olduğu ortaya çıkar!

Einstein’ın hata olarak nitelendirdiği, “Λ” (lambda) adını verdiği “kozmolojik sabit” kavramıdır. Lambda’ya neden gerek duyduğunu açıklamak için o dönemin evrenle ilgili bilimsel kabullerine göz atmamız gerek.

1920’lere kadar insanlığın evren düşüncesi yalnızca Samanyolu Galaksisi ile sınırlıdır desek yalan olmaz; o güne kadar geliştirilen teleskopların menzili ancak galaksimiz sınırlarına kadar gözlem yapmaya olanak vermektedir çünkü. 1919’da ABD’deki Mount Wilson Gözlemevi’ne kurulan Hooker Teleskobu’yla bu durum değişir; insanlık ilk kez Samanyolu dışındaki Andromeda ve Triangulum galaksilerini gözlemleme şansına sahip olur. Evren düşündüğümüzden büyüktür, hem de çok daha büyük!

O güne dek evrenin yalnızca Samanyolu Galaksisi’nden ibaret ve sabit olduğu düşünülmektedir. Yani Einstein 1917’de kozmolojik sabit kavramını ortaya attığında, o dönemin evren tasarımına uygun bir kuram geliştirmiştir aslında. Einstein’ın bu kavrama yönelten soru şudur: mademki kütle, uzay-zamanı eğerek cisimleri birbirine çekiyor, bu durumda zamanla tüm gök cisimleri birbirine artan bir hızda yaklaşacak ve sonunda hepsi evrenin merkezinde tek bir kütle olarak birleşecektir. Bu olmadığına, en azından gözlemler evrenin sabit olduğunu gösterdiğine göre, gözlemleyemediğimiz ve kütleçekimin ters yönünde çalışan bir kuvvet daha olmalıdır. Einstein, kütlesi olan cisimleri kütleçekime ters yönde iten bu kuvvete “kozmolojik sabit” adını verir.

Ancak evren tasarımı 1929’da Edwin Hubble’ın yine Mount Wilson Gözlemevi’ndeki çalışmaları ile bütünüyle değişir. Hubble, gözlemlenen galaksiler ne kadar uzaktaysa onlardan gelen ışığın aynı oranda kızıla kaydığını fark eder.

[Doppler Etkisi olarak bilinen bu olgu, uzaklaşan ya da yaklaşan cisimlerden bize ulaşan ışığın dalga boyuyla ilgilidir. Uzaklaşmakta olan bir cisimden bize gelen ışığın dalga boyu uzar ve frekansı düşer, ki bu durumda biz o ışığı daha kırmızı olarak görürüz. Yaklaşan cisimlerden gelen ışık ise tam tersine mavi olarak görülür. Her iki renkteki ışığın dalga boyunu ölçerek ışık kaynağı cismin bizden/bize hangi hızda uzaklaştığını ya da yaklaştığını ölçebiliriz⁽¹⁾.]

Evrenin genişlemekte olduğu anlaşılınca, Einstein’ın durağan bir evreni açıklamak için kullandığı kozmolojik sabit kavramına gerek kalmaz ve büyük fizikçi bu düşüncesini en büyük hatası olarak nitelendirir.

Kozmik Yumurta/Büyük Patlama

Genişleyen evren, Edwin Hubble’ın gözlem ve ölçümleriyle kanıtlansa da aslında bu düşünceyi ilk ortaya atan kişi Belçikalı gök bilimci Georges Lemaître’dır. Lemaître 1927’de, evrenin “kozmik yumurta” ya da “temel atom” adını verdiği tek bir noktadan başlayarak genişlediğini öne sürer. Bu kuramı başlangıçta çok taraftar bulmasa da, Hubble’ın gözlemleriyle doğrulanan “genişleyen evren” tasarımı kozmolojide büyük bir paradigma değişimine ve aynı zamanda yanıtladığı sorulardan çok daha fazlasına yol açar.

Mademki evren genişlemektedir, o zaman filmi geriye doğru oynatırsak tüm evrenin başladığı tek bir noktaya ulaşırız, yani Lemaître’nın kozmik yumurtasına. Bundan yaklaşık 13.8 milyar önce, neredeyse sonsuz enerjinin sıkıştığı neredeyse sonsuz küçük bu noktanın birdenbire genişleyerek bildiğimiz evreni oluşturmasına “Büyük Patlama” adı verilir. Uzay ve zaman bu patlamayla yaratılır, kristalleşemeyecek kadar yüksek sıcaklıklar biraz düşünce önce kuvvet alanları ve atomaltı parçacıklar, sonra da atomlar oluşur. İlk yıldızların oluşması çok daha sonradır.

Buradaki “patlama” sözcüğü sizi yanıltmasın, daha çok bir “şişme”den söz ediyoruz. Evren vakumda hızla ilerlemiyor, şişen evrenin kendisi; tıpkı bir balon üzerine işaretlenmiş iki noktanın balon şiştikçe birbirinden uzaklaşması gibi.

[Alan Guth’un 1980’de öne sürdüğü ve günümüzde en çok kabul gören büyük patlama modeline göre, patlamayı izleyen ve “kozmik şişme” olarak adlandırılan ilk 10^-36 saniyede evrenin ışık hızının çok üstünde bir hızla genişlediği düşünülür.]

Büyük Patlama kuramı, George Gamow, Ralph Alpher, Robert Herman, Arno Penzias ve Robert Wilson gibi bilim adamlarının katkılarıyla gelişir ve özellikle “Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işınımı”nın (Cosmic Microwave Background Radiation) keşfedilmesiyle güç kazanır.

[Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işınımı, Büyük Patlama’dan 380 bin yıl sonra evrenin yeteri kadar soğuyarak sıcaklığının istikrar kazandığı dönemden kalma bir kara cisim ışımasıdır. Evrenin yaşından, evrendeki madde yoğunluğuna ve evrenin büyüklüğüne kadar pek çok konudaki en önemli kanıt olan bu ışınım, tüm evreni yaklaşık 2.725 Kelvin “ısıtır”⁽²⁾.]

Genişlemekte olduğunu anlaşıldıktan sonra, evrenin kaderi sorulan temel soru haline gelir; evren neden genişlemektedir ve geleceği ne olacaktır?

Büyük Çöküş

Bu sorunun yanıtı evrendeki madde yoğunluğuna bağlıdır. Ortalama madde yoğunluğu (ρ ile gösterilir) eğer kritik yoğunluk olarak hesaplanan, metreküpte 9×10^-27 kg değerinden fazlaysa bir süre sonra genişleme yavaşlayacak ve evren, kütleçekimi etkisiyle küçülmeye başlayacaktır, ta ki yeniden tek bir nokta haline gelene kadar. “Büyük Çöküş” (Big Crunch) adı verilen bu senaryoya göre, bu nokta muhtemelen yeniden patlayacak ve patlama-çökme döngüsü sonsuza dek sürecektir.

Eğer ρ değeri kritik yoğunluğa eşitse evren sabit kalacak, bundan daha düşükse sonsuza dek genişlemesini sürdürecektir.

Evrenin hesaplanan yoğunluğu ρ değerine yakındır. Ancak metreküpte 5 Hidrojen atomuna denk gelen kritik yoğunluğun çok azı bilinen maddeden oluşur; gözlemlenen madde yoğunluğu olması gerekenin çok azıdır. Geri kalanı, evrenin genişlemesi dışında yıldızların, kara deliklerin yörüngelerinin neden bu şekilde olduğunu ancak onu dikkate alarak açıklayabildiğimiz karanlık maddeden oluşur. Hesaplamalara göre evrenin yalnızca %5’i bildiğimiz maddeden, %27’si ise gözlemlenemeyen, ancak etkileri yoluyla ölçülebilen karanlık maddeden oluşmaktadır.

[Karanlık madde, görünen maddeyle ya da elektromanyetik alanla etkileşmez, o yüzden bildiğimiz yöntemlerle gözlemlenemez, yalnızca kütleçekim etkisi yoluyla var olduğunu biliyoruz.

Karanlık madde, anti-maddeden farklıdır. Hemen her parçacığın bir anti parçacığı bulunur; protonun anti-proton, elektronun positron, muonun anti-muon gibi. Bunlar diğeriyle aynı kütleye ancak ters elektrik yüküne sahiptir. Bir parçacıkla anti parçacığı bir araya geldiğinde birbirini yok eder ve enerjiye (foton) dönüşür (kimi durumda foton ve daha düşük kütleli diğer bir parçacık-anti parçacık ikilisine).]

Evrendeki tüm madde ve enerjinin %32’si gözlemlenen madde/enerji ve karanlık maddeyse, geri kalan %68’i neden oluşur peki? Bunu yanıtlamadan önce evrene bakışımızı toptan değiştiren gözlemlerden söz edelim.

1990’ların sonunda biri astrofizikçi Saul Perlmutter diğeri de Brian Schmidt ve Adam Riess tarafından yürütülen iki ayrı projenin sonuçları, evrenin giderek artan bir hızda genişlediğini gösterir. Evrenin genişlediği bilinmektedir ancak bunun giderek azalan bir hızda olduğu, günün birinde genişlemenin duracağı ya da en azından giderek yavaşlayacağı düşünülürken bu sonuç bütünüyle beklenmedik bir gelişmedir. Evreni yine tek bir nokta olmaya doğru zorlayan kütleçekimini yenen, üstelik gücü de giderek artan bu esrarengiz kuvvet nedir?

Ama önce şunu soralım, bilinen parçacık ya da alanlarla etkileşime girmeyen ve yalnızca evreni genişlemeye zorladığını bildiğimiz bu kuvvet, Einstein’ın kozmolojik sabitiyle aynı şey değil midir?

Her Yer Karanlık

Bu kuvvete “karanlık enerji” diyoruz. Her ikisinin de “karanlık” olarak adlandırılmasına bakarak karanlık madde ile bir bağıntısı, akrabalığı olduğunu düşünmeyin. Yalnızca haklarında hemen hiçbir şey bilmediğimiz için karanlık olarak nitelendiriyoruz bunları.

Karanlık enerjinin etkilerini günlük yaşamda gözleyemiyoruz; ama yapılan gözlemler, evrenin, gözlem yapılan noktaya bağlı olarak, megaparsec başına (3.26 milyon ışık yılı) 70 km/sn hızla genişlediğini gösteriyor. Yani 1 megaparsec uzaktaki bir gök cismi bizden her saniye 70 km, 10 megaparsec uzaktaki her saniye 700 km hızla uzaklaşmaktadır. Bu da evrenin en uzak kısımlarının bizden ışık hızının üstünde bir hızla uzaklaşmakta olduğu ve o bölgelerden bize gelecekte de ışık ulaşmayacağı anlamına gelir.

[Işık hızı sınırı yalnızca parçacıklar (kütlesi olan ya da enerji) için geçerlidir, burada genişleyen, uzayan evrenin kendi dokusudur ve ışık hızı sınırı bu durumda geçerli değildir.]

Peki evren bu kadar hızlı genişliyorsa, neden masadaki kahve fincanımızın bizden anbean uzaklaştığını görmüyoruz? Bunun nedeni kütleçekiminin küçük ölçeklerde karanlık enerjiye üstün gelmesidir. Kütleçekimi galaksimizi bir arada tutabiliyor ama diğer galaksilerle aramızda uzaklık sürekli artıyor.

Karanlık enerjinin doğası hakkında neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz ama tahminlerimiz yok değil. Bunlardan en çok taraftar bulanı, “vakum enerjisi”. Şaşırtıcı ama vakumun yani hiçliğin de bir enerjisi var gibi görünüyor ve bu enerji kütleçekimin ters yönde çalışıyor. Bunu nasıl biliyoruz derseniz kuantum dünyasının en garip olaylarından birinden söz etmek gerek.

Kuantum mekaniğine göre vakum bütünüyle boş değildir, bir enerjisi vardır ve bu enerji seviyelerinde sürekli olarak çok küçük dalgalanmalar meydana gelir⁽³⁾. Bu dalgalanmalar sırasında, Heisenberg'in belirsizlik ilkesi gereği çok kısa bir süre için, bu enerji parçacık-anti parçacık çiftleri şeklinde cisim kazanır. Çok kısa bir sürede birbirini yok eden ve sahip oldukları enerji vakuma geri dönen bu çiftler "sanal parçacıklar" olarak adlandırılır⁽⁴⁾. Parçacık çiftleri çok kısa süreliğine var oldukları için, bu olayın enerjinin korunumu yasasını ihlal etmediği kabul edilir.

Sanal parçacıkların ortaya çıkış ve yok oluş sıklıkları çeşitli değişkenlere bağlı olsa da kimi tahminler 1 metreküplük hacimde 1 saniyede ortaya çıkan sanal parçacık çifti sayısının 10¹⁰⁰ gibi olağanüstü yüksek bir rakama ulaşabileceğini söylüyor. Yani evrendeki her noktada her an inanılmaz sayıda parçacık-anti parçacık çifti birdenbire ortaya çıkıp ölçülemeyecek kadar kısa sürede yok oluyor.

Bu parçacıkların ömrünün son derece kısa olması, bir etkiye sahip olmadıkları anlamına gelmiyor. Yüksüz iki metal plakayı vakum ortamında birbirine birkaç nanometre yakın olarak yerleştirdiğinizde bu plakaların birbirini çektiğini görürsünüz. Bunun nedeni plakalar arasındaki boşlukta ortaya çıkan sanal çiftlerin kısıtlı olmasına karşın, çok daha fazla sayıda olan dıştaki çiftlerin plakaları birbirine doğru itmesidir. “Casimir Etkisi” olarak adlandırılan bu kuvvet, karanlık enerjinin de kaynağı olabilir.

Kaynağını ve doğasını henüz bilmesek de değerini hesaplayabildiğimiz karanlık enerji, formüllerde nasıl gösteriliyor derseniz, Einstein’ın lambdası “Λ” ile ve çoğunlukla da karanlık enerji değil kozmolojik sabit olarak adlandırılıyor. Anlayacağınız, bu büyük bilim adamının “En büyük hatası” bir hata olmamakla kalmadı, kozmolojideki en gizemli olgulardan birini açıklamak için gerek duyulan bir kavram haline geldi.

Büyük Yırtılma

Bitirirken evrenimizi bekleyen olası gelecekten de söz edelim biraz. Karanlık enerji her zaman bu kadar güçlü değildi, olsaydı evrenin erken dönemlerinde gaz ve toz bulutlarının birleşerek yıldızları ve galaksileri oluşturması olanaksız olurdu. Karanlık enerjinin bundan 7 ile 3 milyar yıl önce kütleçekimine üstün gelerek evrenin genişlemesini ivmelendirdiği düşünülüyor.

“Büyük Yırtılma” adı verilen senaryoya göre gelecekte galaksiler birbirinden gittikçe uzaklaşacak, daha da güçlenen karanlık enerji bir süre sonra galaksileri, yıldız sistemlerini parçalayacak, sonunda atomlar ve en son atom altı parçacıklar birbirinden kopacak; kısacası evren yalnızca temel parçacıklardan oluşan sonsuz bir boşluk haline gelecek. Ama endişe etmeyin, bunun gerçekleşmesi en az 20 milyar yıl alacak; büyük olasılıkla biz burada olmayacağız.

1. Trafik polislerinin “radar” adını verdikleri cihaz da aynı ilkeye göre çalışır. Yaklaşmakta olan taşıttan yansıyan manyetik ışınların kırmızıya kayma ölçüsüne göre hızı hesaplanabilir.
2. O yüzden evrenin ortalama sıcaklığı mutlak sıfır olan -273.15°C değil -270.425°C’dir.
3. Kuantum Dalgalanmaları (Kuantum Fluctuations).
4. Bu parçacıkların ortaya çıkışı ve yok olması 1 Plack zamanından, yani 10^-43 saniyeden daha kısa sürer.