Evrenin Yaşı
EVRENİMIZIN KÖKENİ
Kozmoloji: Uzayın Evrimi Sorun
uBu bölümde bilimin en büyüleyici kuramlarından birini anlatacağım. Kozmolojinin (evrenbilimin) bu kuramı, ne diyor? Evren,bir başlangıca sahipti ve bu başlangıç çok karmaşıktı; öyle ki yaratılıştan ötesine bakmak olanaksızdı. Kurama göre,evren, yaklaşık 15-20 milyar yıl önce noktasal bir tekillikten doğdu. Büyük patlamadan sonraki ilk birkaç dakikada enerji çok büyük bir değerde idi.Fiziğin dört etkileşim kuvveti bileşik durumdaydı ve tüm maddeler ayırt edilemez bir “kuark çorbası” durumunda idi.İlk 10
– 43 saniye boyunca ,elektrozayıf ve gravitasyonun komple birleşmiş bir kuvvet oluşturmak için birleştiği sanılmaktadır. Büyük patlamayı izleyen ilk 10 –32 saniyede şiddetli ve elektrozayıf kuvvetler bir olarak kalırken gravitasyon bu birleşimden ayrılır. Bu dönem,parçacık enerjilerinin çok büyük olduğu kuarklar, leptonlar ve bunların ve bunların antiparçacıkları gibi ağır parçacıkların oluştuğu periyot idi. Sonra evren aniden genişledi ve sıcaklığın 10 29’dan 10 15 Kelvine indiği ılık dönem süresince soğudu. Bu dönem süresince şiddetli ve elektrozayıf kuvvetler ayrıldı ve büyük birleştirme şeması bozuldu. Evren soğumaya devam ettiği için büyük patlamadan sonra 10–10 saniye cıvarında elektrozayıf kuvvet ikiye bölünmüştür. Bugün bizim de sınıflandırdığımız gibi,evrendeki döt temel kuvvet doğmuştur.Radyasyonun Egemenliği
Büyük patlamadan sonra yaklaşık 700 000 yıl evrende “radyasyon” egemen idi,iyonlar tutuluyor ve fotonlar salınıyor,böylece radyasyonun ve maddenin termal dengesi sağlanıyordu. Radyasyon enerjisi, maddenin yığınlar ya da nötr hidrojen atomları oluşturmasını engelliyordu. Evren 700 000 yaşına geldiği zaman,genişlemiş ve yaklaşık 3000K cıvarına kadar soğumuş ve protonlar nötr hidrojen atomları oluşturmak için elektronlarla bağlanabilmiştir. Nötr atomlar hissedilir derecede fotonları saçmadığı için evren aniden fotonlara karşı şeffaf hale geldi. Siyah cismin enerji dağılım karakteristiği 3000K olduğunda fotonlar soğudu. Radyasyon artık evrene egemen olmadı ve nötr madde kümeleri sürekli bir şekilde gelişti,ilk atomları takip eden moleküller,gaz kümeleri ve sonunda galaksiler oluştu.
(Serway s: 1434-35)
Evet bazı bilimciler “Evrenimiz,bir büyük patlama sonucu oluştu ve genişlemeye devam ediyor” derken ötekiler “Evrenimiz genişliyor; ama asla bir büyük patlama olmadı” diyor. Son yıllarda daha önce görülmeyen elektromanyetik radyo tayfının bileşenlerini keşfeden teleskopların ve yardımcı elektronik sistemlerin yayılması ve parçacık fiziğindeki gelişmeler Evren hakkındaki görüşlerimizde devrimci değişiklere yol açtı.
Genel göreliliğin gözlem yapmaya uygun alanlarından biri de kozmoloji. “Her ne kadar bir “big bang”tan başlayarak evrenin genişlemesinin genel görelilik tasviri gözlemlerle uyumlu ise de sorunlar vardır. 1950’lerin ortasına kadar evrenin genişleme hızının ölçülen değerleri, evrenin Dünya’dan genç olduğunu içermektedir! Bu “yaş” sorunu 1960’ta çözümlendiği halde, kozmolojik gözlemler hala başlangıçtadır ve çeşitli seçenekli modelleri birbirinden ayırt edemez.
Genel görelilik için dönüm noktası, 1960’ların başlarında kuramın astrofizik alanında önemli uygulamaları olabilceğini gösteren,kuasarlar gibi alışılmamış astronomik nesneler keşfedilince geldi. Kuramcılar, kuramı ve onun gözlenebilir sonuçlarını anlamak için yeni yollar buldular. Son olarak,son çeyrek yüzyılın teknoloji devrimi, gezgenler arası uzay programının gelişmesiyle birlikte genel göreliliğin denel testlerini gerçekleştirmek için yeni, yüksek duyarlıklı araçlar sağladı.
Genel görelilikte ve “göreli astrofizik” denen yeni alanda araştırmanın gidişi, 1960’tan sonra hızlanmaya başladı. Hem kuramsal hem de gözleme dayalı yeni ilerlemeler,daima artan bir hız getirdi. Bunlar şunlardır: Kozmik fon radyasyonunun bulunması;big-bang’te hidrojenden helyumun sentezinin analizi; pulsarların ve kara delik adaylarının gözlenmesi;göreli yıldızların ve kara deliklerin kuramındaki gelişme;gravitasyonel radyasyonun kuramsal incelenmesi ve bunu gözlemek için deneysel bir programın başlaması; genel göreliliğin eski testlerinin düzeltilmiş uyarlamaları ve 1960’tan sonra bulunmuş olan yeni testler; kütle çekimi dalgaları için kanıt oluşturan ikili pulsarın keşfi,kara deliğin dışındaki kuantum etkilerinin ve karadelik buharlaşmasının analizi; bir gravitasyonal merceğin keşfi;kütle çekimi kuramının diğer etkileşmelerle ve kuantum mekaniği ile birleştirilmesinin başlaması.(s: 1136).
Genel görelilik,1960’I iki on yıl süresince,fizik dünyası ile astronomiyi yeniden birleştirdi. Görelilikteki araştırmalarda,gök mekaniği,saf matematik, deneysel fizik, kuantum mekaniği,gözlemsel astronomi,parçacık fiziği ve kuramsal astrofizik gibi disiplinler arası çeşitli konular ele alındı.(Serway,S: 1136-1137)
Rus meteorolog ve matematikçisi
Alexander Friedmann,1922 yılında etkileri yüzyıl boyunca süren bir keşif yaptı. Büyük Einstein’in başlangıçta görmezlikten geldiği bir şeyi farketmişti: evren genişliyor olabilirdi. Einstein, kozmoloji ilkesini uygulayarak kendi geliştirdiği genel görelilik kuramındaki evrensel kütle çekim denklemlerini basitleştirmiş ve görünüşte durağan olan bir evren modeli elde etmişti. Hatta evrenin kendi kütle çekimi ile kendi üzerine çökmesini engellemek için kozmik itme adını verdiği bir kuvvet bile icat etmişti. Friedmann,Einstein’in basit bir matematiksel hata yaptığını,bu nedenle de Einstein denklemlerinin evrenin genişlemesine olanak sağlayan ve yeni bir kuvvete gereksinim duymayan çözümlerini gözden kaçırdığını fark etti. Einstein da sonradan,kozmik itme gibi bir kuvvetin varlığını öngörmekle yaşamında yaptığı en büyük hatalardan biri olduğunu kabul etmiştir.Friedmann’dan bağımısz olarak çalışan Belçikalı kozolog Georges Lemaitre de 1927 yılında evrenin genişlediğini yeniden keşfetti ve bir adım ileri gitti. Lemaitre, galaksilerde görülen kırmızıya kaymanın evrenin genişlemekte olduğunun kanıtları olduğunu ileri sürdü. Lemaitre’ın kırmızıya kaymanın galaksilerin uzaklığıyla orantılı olması gerektiği yolundaki sezgisi kırmızıya kayma olayına fiziksel bir anlam vermekle birlikte durağan evren modeline fazlaca konsantre olmuş bulunan zamanın ünlü kozmologlarınca pek kabul görmedi. 1929 yılında Edwin Hubble’ın galaksilerin uzaklıklarını gözlemsel destek olarak kullanarak ampirik bir biçimde uzaklık-kırmızıya kayma yasasını nasıl ortaya koyduğunu gördük. İlginçtir, Hubble da kırmızıya kaymanın uzaklıkla doğrusal bir biçimde artmasının evrenin genişlemesinin kanıtı olduğunu hiçbir zaman tam anlamıyla kabul etmiş görünmedi. Sonraki kozmoloji uzmanları ise hemen hemen tam bir fikir birliği içinde Hubble yasasını genişleyen bir evren modeli geliştirmede temel olarak aldılar.
Genişleyen evren kuramı birçokları için kabul edilmesi çok güç bir kuram olmuştur. Bu kuram evrenin sınırlı bir zaman kadar önce son derece yoğun bir durumdan kaynaklandığını ima ediyordu. 1950 yılında bir radyo programında,durağan evren modelinin savunucularından
Fred Hoyle rakip olarak gördüğü genişleyen evren kuramından alaycı bir biçimde “büyük patlama” (big bang) olarak söz etti. Bu deyim bir anda çok tuttu. Büyük patlama kuramı tüm gözlenen evrenin geçmişte,günümüzden 10-20 milyar yıl kadar önce olağanüstü yoğunluktaki bir durumdan ortaya çıktığını ileri sürer. Büyük patlama kuramının en büyük kanıtı geçmişten,evrenin başlangıcından kalan ışınım alanı olmuştur.(Joseph Silk, Evrenin Kısa Tarihi, TÜBİTAK yay. 2. Basım (1997)s:62-63)
Einstein’ın Evreni
Einstein evreni sonsuz değildir;fakat herbiri yüz milyonlarca ateş halinde yıldızı ve hesaplanamayacak ölçüde seyrek gaz,soğuk demir,taş ve kozmik toz sistemlerini tutan milyarlarca galaksiyi içine alacak büyüklüktedir. Bu evrende,saniyede 297.600 km hızla uzayda yola çıkan bir güneş ışını büyük bir kozmik çember çizecek ve 200 milyar yer yılından biraz sonra kaynağına dönecektir!
Bununla birlikte Einstein, kendi evrenbilimini geliştirirken,yıllarca sonra açıklanan garip bir astronomik olayı bilmiyordu. Gaz moleküllerinin amaçsız akıntısı gibi,yıldızların ve galaksilerin hareketlerinin de rastgele olduğunu varsayıyordu. Bu hareketlerde görünüşte hiçbir birlik olmadığından Einstein onları bir yana itti ve evreni durgun saydı. Oysa astronomi bilginleri teleskop görüş alanının uzaklıklarındaki galaksiler arasında düzenli hareket belirtileri görmeye başlamışlardı. Belli ki bütün bu uzak galaksiler ya da “evren adaları” güneş sistemimizden ve birbirlerinden uzaklaşıyorlar. En ötekileri 500 milyon ışık yılı kadar uzakta olan dış galaksilerin bu düzenli uçuşu,daha yakındaki çekim sistemlerinin dönüşünden tümüyle ayrı bir durumdur. Böyle düzenli bir (s: 118) hareket,bir bütün olarak evrenin eğrisine etki ederdi. Bu nedenle evren durgun değildir.
Evrenin durgun olmadığı açık. Genişlediği de. Bir sabun köpüğü kabarcığının ya da balonun açılışına benzer bir biçimde açılmaktadır. Bununla birlikte bu benzetme tümüyle doğru değildir. Çünkü evreni benekli bir balon gibi düşünürsek, benekler maddeyi gösteriyor,bu beneklerin de açılıp genişlemesi beklenir. Oysa durum böyle değil, çünkü o durumda genişlemeyi biz sezemezdik. Harikalar Ülkesinde Alis’in çevresi de onunla birlikte büyüyüp küçülse, Alis’in kendi boyundaki apansız değişiklikleri anlayamayacağı gibi. Uzay, balonun benekler arasındaki bölgesi gibi genişlerken cisimler boyutlarını korur.
Uzaklığa göre hızı ışık yılı kadar olan yakın galaksiler,ancak saniyede 160 km hızla yol alırken, 250 milyon ışık yılı kadar olan yakın galaksiler,saniyede 40.000 km gibi ışık hızının yedide birine yakın bir hızla bizden ötelere doğru uçuyorlar. Ayrıcasız,bütün bu uzak galaksiler bizden ve birbirlerinden öteye gittiklerine göre,kozmik zamanın bir çağında hepsinin ateşli bir başlangıç kütlesi halinde toplu oldukları sonucuna varmak gerekir. Uzayın geometrisine biçim veren de içindeki madde ise bu galaksi öncesi çağında evren, aşırı bir eğrisi ve tasarımlanamaz yoğunluğu olan sıkışık bir kap durumunda olmalı. Uzaklaşan galaksilerin hızlarına göre yapılan hesaplamalar, galaksilerin bu büzülmüş evrenin “merkezinden” 5 milyar yıl önce koptuklarını ve uçmaya başladıklarını gösteriyor.
Genişleyen evren bilmecesini açıklamak için astronomi bilginleri ve evrenbilimciler bir çok kuram ortaya attılar. Belçikalı evrenbilimci Abbe Lemaitre’in öne sürdüğü kuram,evrenin ilk ve büyük bir atomla başladığı,bu atomun patlayarak bugün bile gördüğümüz açılmayı başlattığı yönündedir. Dr. George Gamow’un tanıttığı benzer bir kuram, evren genişlemeye başlamadan önce yoğun ateşli özde elementlerin nasıl oluşmuş olabileceğini ayrıntıları ile yeniden kuruyor. Başlangıçta diyor Gamow,evrenin çekirdeği,bugün yıldızların içinde bile bulunmayan tasarımlanamaz sıcaklıklarda kaynayan bir tip ilk buhar halindeydi. (Orta bir yıldız olan Güneş’in yüzey sıcaklığı 5500 derece iken iç sıcaklığının 40 milyon dereceye vardığı biliniyor)
O koşullarda hiç bir atom ya da molekül yoktu;yalnız karışıklık içinde nötronlar,protonlar oluşmaya başlayınca sıcaklık düşmeye başladı. Sıcaklık 1 milyar derece dolaylarına düşünce,nötronlar ve protonlar toplu olarak yoğunlaştılar. Elektronlar yayıldı ve ve çekirdeklere bağlandılar,atomlar oluştu. Böylece evrendeki bütün elementler kozmik doğuşun dönüm noktasına rastlayan anlarda oluştu ve bunu izleyen 5 milyar yıllık sürekli açılma içindeki görevleri belirledi.
Işıklar Sönecek mi?
Birkaç yıl sonra Dr. R.C.Tolman kozmik genişlemenin geçici bir durum olabileceğini ve gelecekte bunu bir daralma çağının izleyebileceğini ileri sürdü. Bu görüşe göre evren bir yürek gibi çarpan bir balondur;açılma ve daralma devirleri(s: 121) zamanın sonsuzluğunda birbirlerini izler. Bu devirleri yöneten,evrendeki madde miktarındaki değişikliklerdir. Çünkü Einstein’in gösterdiği gibi, evrenin eğrisi içinde bulunan maddeye bağlıdır. Bu kuramın zorluğu,evrenin bir yerinde maddenin yapılmakta olduğu varsayımına dayanmasındadır. Evrendeki madde miktarının sürekli olarak değiştiği doğru ise de,değişikliğin başlıca bir yönde-çözülmeye doğru olduğu görülmektedir. Görülen ve görülmeyen,atomun içindeki ve uzaydaki bütün doğa olayları,evrenin madde ve enerjisinin doymaz bir boşluktaki buhar gibi dağıldığını gösteriyor. Güneş, yavaş fakat belirli bir şekilde ölüyor;yıldızlar ölmek üzere olan közlerdir;evrenin her yerinde sıcaklık soğukluğa dönüşüyor;madde radyasyona çözümleniyor;enerji boş uzaya dağılıyor.
Böylece evren bir “ısı ölüm’e” ya da teknik yönden tanımlandığı gibi “işe çevrilemeyen maksimum enerjiye” doğru gidiyor. Bundan birkaç milyar yıl sonra evren bu duruma geldiği zaman tüm doğa eylemleri duracak. Bütün uzay aynı sıcaklıkta olacak. Hiçbir enerji kullanılamayacak,çünkü bütün enerji kozmozda eşit olarak yayılacak. Hiçbir ışık,canlılık ve ısı olmayacak,yalnız sürekli ve önüne (s: 122) geçilemez bir durgunluk olacak. Zaman sona erecek. Çünkü işe çevrilemeyen enerji,zamanın yönünü gösterir ve rastgele olmanın ölçüsüdür. Evrendeki bütün düzen yok olduğunda,rastgelelilik en yüksek düzeyine geldiğinde ve işe çevrilemeyen enerji artamadığında,neden ve sonuç ilişkisi ve sırası kalmadığında;kısaca evren durduğunda,zamanın yönü olmayacak-zaman olmayacak. Bu sonu önlemek olanaklı değil. Çünkü bilimin ilerleyişinden sonra sağlam kalan ve klasik fiziğin temel direği olarak ayakta duran,Termodinamiğin İkinci yasası olarak bilinen ilke,doğanın temel eylemlerinin geri dönüşsüz olduğunu bildirir. Doğa yalnız bir yönde işler.
Bununla birlikte,insanoğlunun zayıf bilgi alanı ötesinde bir yerde,evrenin kendi kendini yeniden yapıyor olabileceğini öne süren çağdaş kuramlar da var. Eistein’in madde ve enerjinin eşdeğerliği ilkesinin ışığı altında,uzayda yayılmış olan radyasyonun yeniden proton,proton ve elektron gibi madde parçacıkları halinde donduğunu tasarlamak olası. Bunlar daha büyük birimler oluşturmak için birleşebilir,daha sonra da kendi çekimlerinin etkisiyle Nebula, yıldızlar ve en sonunda galaksi sistemleri halinde toplanabilir(s: 123). Gerçekte laboratuvar deneyleri,gama ışınları gibi yüksek enerjili ışıma fotonlarının,belirli koşullar altında,elektron ve pozitron çiftleri oluşturmak için maddeyle birbirlerine karşılıklı etki edebildiklerini göstermiştir…
Evren genişliyorsa ve doğa olayları bir yönde ilerliyorsa,kaçınılmaz felsefi sonuç,her şeyin bir başlangıcı olduğudur. Bir zaman ve bir yerde kozmik eylemler başlamış,yıldızlar ateşlenmiş ve büyük evren gösterisi ortaya çıkmıştır. Bundan başka,bilimsel bilginin iç ve dış sınırlarında bulunan ipuçları,Yaratılış için kesin bir zaman olduğu yönündedir. Uranyumun çekirdek enerjisini yayma hızı ve uranyum oluşumuna giden herhangi bir doğal işlemin olmayışı,yeryüzündeki bütün uranyumun belli bir zamanda ortaya çıkmış olması(s: 126) gerektiğini gösteriyor. Bilimciler bunun 4-5 milyar yıl önce olduğunu hesaplıyor. Yıldızların içindeki termonükleer dönüşümlerin maddeyi enerjiye çevirme hızı, yıldızların yaşını oldukça güvenle hesaplamayı sağlar. Bugün gök kubbede görülen çoğu yıldızın olası ortalama yaşı 5 milyar yıldır… Böylece,evrenin en sonunda yok olacağını gösteren bütün kanıtlar,aynı kesenlikle zaman içinde belirli bir başlangıcı gösterir. Yürek solumasına benzeyen evren kuramına gelince,başlangıç sorunu yine ortada kalıyor. Bu düşünce,Yaratılış zamanını ancak sonsuz geçmişe iter. Oysa her kuram, bir şeyin önceden varolduğu yönünde bir önsel varsayıma dayanır.”
(Lincoln Barnett, Evren ve Einstein, Varlık yayınları,Nail Bezel çevirisi, (1976) s: 118-128)
1
.Gezegenlerin OluşumuDünyamızın yedi bucağında yaşayan biz insanlar için “sağlam toprak” tanımı,uygulamada, kararlılık ve süreklilik düşüncesiyle anlamdaştır. Bize ilişkin oldukları kadarıyla,Yeryüzünün bilinen bütün özellikleri, anakaraları ve okyanusları,dağları ve ırmakları zamanın başlangıcından bu yana varolabilirdi. Gerçekten de, tarihsel jeoloji verileri, Dünya yüzeyinin yavaş yavaş değiştiğini,su altındaki alanlar yüzeye çıkarken anakaraların büyük bölgelerinin okyanus (s: 275) suları altında kalmaya başladığını gösteriyor.
Eski dağların yağmurlarla yavaş yavaş sürüklenip gittiğini ve tektonik etkinlik sonucu zaman zaman kimi yeni dağların oluştuğunu ama bütün bu değişmelerin yerkürenin katı dış kabuğunda yer aldığını da biliyoruz.
Ama bir zamanlar bu katı kabuğun hiç bulunmadığını ve Dünyamızı erimiş kayaların büyüttüğü bir küre olduğunu düşünüp anlamak zor değildir. Gerçekten, Yerkürenin içine ilişkin incelemeler,kütlesinin büyük bölümünün hala erimişi durumda bulunduğunu,ara sıra “sağlam torak” dediğimiz şeyin aslında yalnızca erimiş magma yüzeyinde yüzen oldukça ince bir tabaka olduğunu gösteriyor. Yeryüzünün altında değişik deriliklerde ölçülen sıcaklıkların kilometre başına 30 santigrat arttığını,sözgelişi dünyanın en derin madeninde (Günye Afrika’da Robinson Deep’teki altın madeni) duvarların,madencilerin kavrulmalarını önlemek için soğuk hava düzeni kurmak zorunda kalınacak kadar sıcak olduğunu anımsamak bu kanıya varmanın en kestirme yoludur.
Böyle bir artış hızıyla yüzeyin yalnızca 50 km altında Dünya’nın sıcaklığı kayaların erime noktasına (1200-1800 °C arasında) varmak zorundadır ki bu, merkezden toplam uzaklığın yüzde birinden azdır. Dünya kütlesinin yüzde 97'sindaen çoğunu oluşturan, daha alttaki maddeni hepsi tümüyle erimiş durumda olmak zorundadır.
Böyle bir durumunu uzun zamandan beri var olamayacağı da açıktır ve bizler hala, dünya kütlesinin tümüyle erimiş bir durumda olduğu zaman başlayıp uzak bir gelecekte, merkezine değin tümüyle katı duruma gelinceye kadar sürecek binr soğuma sürecinin belli bir aşamasını gözlemekteyiz. Soğumaa ve katı kabuğun gelişme hızına dayalı kaba bir tahmin,soğuma sürecinin birkaç milyar yıl önce başlamış oluduğunu gösteriyor. Aynı sayı,dünya kabuğunu oluşturan kayaların yaşını tahmin ederek de elde edilebilir. İlk bakışta, kayalar değişebilir özellikler edinmemiş gibi görünürler ve o yüzden “kaya gibi değişmez” izlenimi verirlerse de gerçekte çoğu,eski erimiş durularından katı durulma geçişlerinden bu yana geçen zamanın uzunluğunu deneyimli bir jeologun gözleri önüne seriveren doğal bir saat içerirler.
Bu, yaşı açığa vuran jeolojik saat, ye ryüzününü çeşitli derinliklerinden ve yüzeyden alınan çeşitli kayalarda çoğu kez bulunan uranyum ve toryum (s: 276) miktarı dakikasıyla simgelenmiştir. Bu elementlerin atomları,kararlı element kurşunun oluşmasıyla sonuçlanan kendiliğinden olma yavaş bir radyoaktif bozunmaya uğrarlar.
Bu radyoaktif elementleri içeren bir kayanın yaşını saptamak için yalnızca radyoaktif bozunma sonucu yüzyıllar boyunca oluşmuş kurşun miktarını ölçmek yeter.
Aslında, kaya maddesi erimiş durumda bulunduğu sürece, radyoaktif bölünme ürünleri eremiş maddedeki difüzyon(yayım) ve konveksiyon(ısıyayım) süreciyle özgün yerlerinden başka yerlere taşınmış olmalıdırlar. Ama madde, eninde sonunda kaya halinde katılaştığından kurşun birikimi radyoaktif maddenin yanıbaşında olmaya başlayacak ve onun miktarı bize,tıpkı iki Pasifik arasındaki palmiyeler arasında dağılmış boş bira kutularının sayısının bir düşman casusuna her bir adada bir deniz piyadesi bölüğünün ne kadar kaldığı hakkında bir fikir vermesi gibi,bu sürecin ne zaman başladığı hakkında tam bir fikir verebilecektir.
Kurşun izotoplarının ve rubityum-87 ve potasyum-40 gibi kararsız öteki izotopların bozunma ürünlerinin, kayalardaki birikimini duyarlı içimde ölçme tekniklerinden yararlanan son zamanlardaki araştırmalarla,bilinen en eski kayaların en büyük yaşlarının yaklaşık 4.5 milyar yıl olduğu tahmin edilmiştir. Bundan dolayı, Dünya’nın katı kabuğu yaklaşık beş milyar yıl önce erimişi durumda bulunan maddeden oluşmuştur sonucuna varırız.
Öyleyse beş milyar yıl önceki Dünyayı,kalın bir hava, su buharı ve herhalde öteki çok uçucu maddelerden oluşan bir atmosferle sarılı, tümüyle çözelti durumunda bir küremsi olarak çizebiliriz.
Peki bu sıcak kozmik madde kümesi nasıl oluştu,onun oluşmasından hangi tür güçler sorumlu ve yapılanmasına gereken maddeyi kim sağladı? Küremizin kökenine olduğu kadar Güneş sistemimizin öteki gezegenlerinin kökenine de ilişkin bu sorular, gökbilimcilerin yüzyıllardır beyinlerini kaplayan bilmeceler olmuş ve bililmsel kozmogoninin(evrenin oluşum kuramı) temel konusunu oluşturmuştur.
Bu soruları bilimsel anlamda ilk yanıtlama girişimi, Doğa Tarihi (Natural History) adlı yapıtının kırk dört cildinden birinde seçkin Fransız doğacı George Louis Leclerc, Kont de Buffon tarafından 1749'da yapıldı Buffon, gezegen sistemimizin kökenini yıldızlar arası uzayın derinliklerinden gelen bir kuyruklu yıldızla Güneş arasındaki bir çarpışmanın sonucu olarak gördü. İmgelemi, uzun parlak kuyruğuyla (s: 277), o zamanlar yapayalnız sayılan Güneşimizin yüzeyini sıyıran ve onun dev gövdesinden küçük bir takım “damlalar” kopararak vuruşun etkisiyle onları döne döne uzaya fırlatan canlı bir “öldürücü kuyruklu yıldız” resmi çiziyordu.
Birkaç yıl sonra ünlü Alman düşünür Immanuel Kant, felsefe sistemimizin kökeniyle ilişkili olarak tümüyle değişik görüşler iler sürdü. O, Güneş’in kendi gezgen sistemini başka hiçbir göksel cismi karıştırmadan kendi kendine yaptığını düşünme eğilimdeydi. Kant, Güneşin başlangıçtaki durumunu,bugünkü gezgenler sistemeninin kapladığı hacmin (oylumun) tamamın tek başına kaplayan ve ekseni çevresinde yavaş yavaş dönen,bir oranda soğuk,dev bir gaz kütlesi olarak görüyordu. Kürenin,çevresindeki boş uzaya ışınım yayarak,düzenle soğuması giderek büzülmesine ve bunun sonucu olarak dönme hızının artmasına yol açtı. Bu hızlanan dönme sonucunda artan merkezkaç güçler başlangıçtaki Güneş kütlesinin giderek yassılmasına ve genişleyen ekvatoru boyunca bir dizi gaz halkası fırlatmasına neden oldu.(s:278)
Dönen kütlelerde böyle bir halka oluşumu Plateau tarafından büyük bir yağ kürede (Güneş durumunda olduğu gibi gazda değil) gerçekleştirilen klasik deneyle gösterilebilir; bu deneyde eşit yoğunluktaki başka bir sıvı içinde asılı duran ve mekanik bir hızlandırıcıyla hızlandırılan yağa halkaları oluşmaya başlar. Bu yolla oluşan halkalar daha sonra koparak Güneş çevresinde farklı uzaklıklarda dönen çeşitli gezegenler halinde yoğunlaştıkları düşüncesini destekliyor.
Daha sonra bu görüşler, 1796'da yayımlanan Evrende Sistem Açıklaması (Exposition du systeme du monde) adlı kitabında onları kamuoyuna sunan Laplace markisi Pierre-Simon tarafından benimsendi ve geliştirildi. Büyük matematikçi Laplace bu düşünceyi matematik bakımdan ele almaya girişmediyse de kendisin kuramın yarı-yaygın nitel tartışmasına adadı.
Altmış yıl sonra İngiliz fzikçi Clerk Maxwell, Kant ve Laplace’ın evrenle ilgili görüşlerine ilk kez böyle matematiksel bir işlem uygulamaya giriştiği zaman,görünüşte aşılamaz bir karşı çıkış duvarına çarptı. Aslında, şimdi kapladıkları bütün uzaya düzgün biçimde dağılmış durumdaki Güneş sisteminin çeşitli gezegenlerinde yoğunlaşmış maddenin,çekim güçlerinin onları ayrı ayrı gezegenlerde bir arada tutmaya güç yetiremeyeceği kadar ince dağılmış olacakları gerçeği gösterildi. O nedenle, büzülen Güneşten atılan halkalar,Satürn’ün,bu gezgen çevresinde dairesel yörüngeler üzerinde dönen ve katı bir uydu biçiminde “kümeleşme” doğrultusunda herhangi bir eğilim göstermeyen, sayısız küçük parçacıktan oluşma halkaları gibi sürekli halkalar halinde kalacaklardı.
Bu güçlükten tek kurtuluş çaresi, başlangıçta var olan Güneş zarfının şimdi gezegenlerde bulduğumuzdan çok daha fazla madde (en az yüz kez daha çok) içerdiğini ve bu maddenin yalnızca yüzde bir kadarının gezegen gövdelerini oluşturduğunu, kalanın Güneşe dönüştüğünü kabul etmektir.
Ne var ki böyle bir kabul,daha az ciddi olmayan bir karşı çıkışa yol açardı. Gerçekten,kökende gezegenlerle aynı hızda dönmekte olan bu denli küçük madde Güneş üzerine düşse gerçekte sahip olduğundan 5 bin kez daha büyük bir açısal hız kaçınılmaz biçimde ona aktarılmış olurdu. Bu durumda Güneş yaklaşık 4 haftada bir dönüş yerine saatte 7 dönüşlük bir hızla fırıl fırıl dönerdi.
Bu söylenenler Kant-Laplace görüşlerinin ölüm fermanı gibi göründü(s: 279) ve gökbilimciler gözlerini umutla başka yöne, Buffon’un çarpışma kuramını yeniden yaşama döndüren Amerikalı bilim adamları T. C. Chamberlin ve F.R. Moulton ve ünlü İngiliz bilim adamı Sir James Jeans’e çevirdiler. Buffon’un özgün görüşleri,doğal olarak oluşturuldukları zamandan bu yana edinilmiş olan kesin temel bilgilerle önemli ölçüde çağdaşlaştırılmıştı. Güneşle kuyrukluyıldız gibi bir gök cisminin çarpıştığı inancı şimdi bırakılıyordu,çünkü sonradan kuyruklu yıldız kütlesinin Ay’ın kütlesiyle karşılaştırıldığı zaman bile gözardı edilebilecek kadar küçük olduğu öğrenilmişti. Ve böylece saldıran cismin Güneş’in büyüklük ve kütlesiyle karşılaştırılabilir başka bir yıldız olduğuna inanıldı.
Ne var ki zamanında Kant-Laplace varsayımlarının temel güçlülerinden tek kurtuluş yolu sayılarak yeniden yaşama geçirilen çarpışma kuramı da kendisini bulanık bir ortamda buldu. Başka bir yıldızın güçlü bir vuruşu sonucu fırlayıp çıkan güneş parçalarının yassılmış eliptik yörüngeler çizmek yerine neden bütün gezegenlerin izlediği hemen hemen dairesel yörüngelerde hareket ettiklerini anlamak zordu.
Durumu kurtarmak için geçmekte olan bir yıldızın çarpmasıyla gezgenler oluştuğu sırada,Güneşin aslında yassı gezgen yörüngelerinin düzgün dairelere dönüşmelerine yardımcı olan,düzenle dönen bir gaz zarfla sarılmış olduğunu kabul etmek gerekiyordu. Gezegenlerin kapladığı bölgede varlığı bilinen böyle bir ortam olmadığına göre onun daha sonra yavaş yavaş yıldızlar arası uzaya dağıldığı ve tutulmalar düzlemi içinde Güneşten yayılan ve Zodiyak ışığı olarak bilinen donuk aydınlığın hep o eski görkemin kalıntısı olduğu kabul edilmişti. Ama Güneş çevresinde özgün gaz zarfı olduğunu kabul eden,kant-Laplace ile Buffon’un çarpışma varsayımı arasında bir melezi simgeleyen bu resim hiç doyurucu değildi. Ama yine de atasözünün dediği gibi,iki şeytandan daha az kötü olanı seçilmeliydi,gezgenler sisteminin doğuşunda çarpışma kuramı doğru kabul edildi ve son zamanlara kadar bütün bilimsel yapıtlarda,el kitapları ve halka dönük yapıtlarda (yazarın iki kitabı: Güneşin Doğumu ve Ölümü ve Yeryüzünün Yaşamöyküsü ) kullanıldı. Gezegenler kuramı kördüğümünü ancak 1943 sonbaharında genç Alman fizikçi C. Weizäcker kesip attı. O, astrofizik araştırmalarla toplanan yeni bilglieri kullanarak Kant-Laplace varsayımlarına karşı bütün karşı çıkışların (s:280) kolayca yok edilebileceğini ve bu çizgide ilerleyerek gezegenlerin kökeni konusunda eski kuramlardan hiçbirinin değinmiş bile olmadığı çok önemli gezgen sistemi özelliklerini açıklayan ayrıntılı bir kuram kurulabileceğini gösterebildi.
Weizäcker’in çalışmasındaki en önemli nokta, son iki on yılda astrofizikçilerin evrendik maddenin kimyasal yapısı hakkındaki düşüncelerinin tümüyle değişmiş olması gerçeğidir. Önceleri Güneş ve bütün öteki yıldızların Dünya’mızdan öğrendiğimiz kimyasal elementlerin aynı yüzdeleriyle bulunduklarına inanılıyordu. Yerkimyası(Jeokimya) çözümlemeleri bize,yeryüzü kütlesinin başlıca oksijen( çeşitli oksitler halinde) silisyum, demir ve daha küçük miktarlarda daha hafif elementlerden oluştuğunu gösterdi. Hidrojen ve helyum gibi hafif gazlar (neon, argon gibi asal denen ötekiler yanında) Dünya’da çok az miktarda bulunmaktaydı.(Gezegenimizde hidrojen en çok oksijenle birlikte suda bulunmaktadır; ama herkes bilir ki her ne denli Dünya yüzeyinin dörtte üçü sularla kaplıysa da toplu su kütlesi bütün Yeryüzü kütlesinin ancak çok küçük bir bölümüdür.)
Daha iyi bir kanıt yokluğunda, gökbilimciler bu gazların Güneş’te ve öteki yıldızlarda da çok az bulunduğunu varsayıyorlardı. Ne var ki, yıldız yapısının çok daha ayrıntılı incelenmesi Danimarkalı astrofizikçi B. Stromgren’in böyle bir kabulün tümüyle yanlış olduğu ve aslında,Güneş’imizin maddesinin en az yüzde 35’inin saf hidrojen olması gerektiği kanısına varmasına yol açtı. Daha sonra bu tahmin yüzde elliye çıkarılmış ve öteki Güneş bileşenlerinden önemli bir bölümünün saf helyum olduğu bulunmuştur. Güneşin içeriği üzerine kuramsal incelemelerin ikisi de (son zamanlarda M.Schwartzschild’in önemli çalışmasıyla doruğa eren) ve çok daha incelikli yüzey tayfı çözümlemeleri (spektroskopik analiz) astrofizikçileri şu çarpıcı sonuca götürdü: Dünya kütlesini oluşturan genel kimyasal elementler Güneş kütlesinin yalnızca yüzde birini oluşturmakta,geriye kalan hidrojenle helyum arasında birincinin hafifçe daha çok olması koşuluyla paylaşılmaktadır. Görünen o ki, bu çözümlemeler öteki yıldızların yapılarına da uyuyor.
Dahası yıldızlararası uzayın tümüyle boş olmadığı,ortalama yoğunluğu 1 milyon mil küp uzayda 1 mg madde olan bir gaz ve ince toz karışımıyla dolu olduğu ve bu son derece az bulunur biçimde dağınık maddenin Güneş ve öteki yıldızların sahip olduğu aynı kimyasal yapıya sahip gibi görüngü de biliniyor.(s: 281)
Yoğunluğu onca düşük olmasına karşın,bu yıldızlar arası maddenin varlığı,teleskoplarımıza girmeden önce uzayda yüz binlerce ışık yılı yolculuk yapmayı gerektiren uzaklıktaki yıldızlardan gelen ışık dikkate değer bir seçimli soğurma ürettiği için kolayca kanıtlanabilir. Bu yıldızlar arası soğurma çizgilerinin yeri ve yoğunluğu,bu dağınık maddenin yoğunluğunu daha iyi tahmin etmemize olanak sağlar ve bunun hemen hemen yalnızca hidrojen ve belki biraz helyum içerdiğini de gösterir. Gerçekten toz, çeşitli”dünyasal” maddelerin,toplu kütlenin yüzde 1’inden çok olmadığı, çok küçük parçacıklardan (yaklaşık 0.001 mm çapında) oluşur.
Yine Weizsacker kuramının ana düşüncesine dönersek,evrendeki maddenin kimyasal yapısına ilişkin bu yeni bilginin Kant-Laplace kuramının ekmeğine yağ sürdüğünü söyleyebiliriz. Güneş’in ilk gaz zarfı gerçekten böyle bir maddeden oluşuyorduysa, onun dünyasal elementleri simgeleyen yalnızca küçük bir bölümü dünyamızın ve öteki gezegenlerin oluşmasında kullanılmış olabilirdi. Kalanı, yoğunlaşmayan hidrojen ve helyum gazlarıyla simgelenen kısmıysa ya Güneşin üzerine düşerek ya da yıldızlararası uzaya dağılarak bir biçimde yok olmuş olabilir. Yukarıda açıklandığı gibi,bunlardan birinci olasılık Güneş’in eksenel dönüşünün daha çok hızlanmasıyla sonuçlanacağından,öteki seçeneği,yani “dünyasal” bileşimden gezegenlerin oluşmasından hemen sonra “artık madde”nin uzaya dağıldığını kabul etmeliyiz.
Bu bizi gezgenler sistemi oluşumunun aşağıdaki resmini izlemeye götürüyor. Güneşimiz yıldızlar arası maddenin yoğunlaşmasıyla ilk oluştuğu zaman onun büyük bir bölümü,belki de gezegenlerin şimdiki birleşik kütlelerinin yüz katı, dev bir döner zarf halinde dışarıda kaldı. (Böyle davranmasının nedeni,ilkel Güneş içinde yoğunlaşan yıldızlar arası gazın çeşitli kısımlarının dönüş durumlarındaki çeşitlilikte kolayca bulunabilir). Bu hızla dönen zarfın,yoğunlaşmayan gazlardan (hidrojen, helyum ve öteki gazların daha küçük miktarları) ve gaz içinde yüzen ve onun dönme hareketi boyunca taşınan çeşitli dünyasal maddenin (demir oksitler, silisyum bileşikleri,su damlacıkları ve buz kristalleri(toz parçacıkları’ndan oluştuğu düşünülmelidir. “Dünyasal” maddenin,şimdi gezegenler dediğimiz büyük kümeler oluşturması toz parçacıklarının çarpışmaları ve giderek daha çok büyüyen kümeler oluşturmalarının sonucu olsa gerektir.
Mantıksal bir düşünüşle,kütleleri hemen hemen eşit iki parçacığın,bu hızlarda çarpışmalarının bu büyüme sürecine yol açmaktan çok, büyük madde parçalarının dağılması ve karşılıklı olarak toz haline dönüşmeyle sonuçlanacağı kararına varılabilir. Öte yandan,küçük bir parçacık daha büyük biriyle çarpıştığı zaman onun içine gömüleceği ve böylece biraz daha büyük bir kütle oluşacağı da açık görünmektedir.
Bu iki sürecin,daha küçük parçacıkların giderek yok olmaları onların maddelerinin daha büyük kütlelerde toplanmalarıyla sonuçlanacağı apaçıktır. Daha sonraki aşamalarda maddenin büyük kümelerinin geçen daha küçük parçacıkları çekim gücüyle çekecekleri ve onları kendi büyüyen kütlelerine katacakları gerçeğine dayalı olarak süreç hızlanacaktır. Bu, bu durumda,büyük madde kütlelerinin kapma etkinliğinin önemli ölçüde daha büyük olacağını göstermektedir.
Weizsacker,
aslında,şimdi gezgenler sisteminin kapladığı bütün bölgede, o zamanlar asılı duran ince tozun gezegenleri oluşturan birkaç büyük kütle içinde kümelenmesinin yaklaşık yüz milyon yıllık bir dönemde olması gerektiğini gösterebildi.Gezgenler Güneş çevresindeki yolları üzerinde çeşitli boylardaki kozmik madde parçacıkları eklenmesiyle büyürlerken yeni yapıcı maddelerin yaptığı sürekli bombardıman yüzeylerini çok sıcak tutuyor olmalıydı. Bununla birlikte,toz,çakıl taşı ve daha büyük kaya desteği tükenir tükenmez,büyüme sürecinin durması ve yıldızlar arası uzayda ışınım nedeniyle yeni oluşmuş göksel cisimlerin dış tabakalarının soğuması ve içteki soğuma çok yavaş olduğu için kalınlaşarak büyümesi bugün bile süren katı çubuk oluşumuna yol açtı.(s: 283).
Gezegenlerin kökeni hakkındaki herhangi bir kuramın değinmesi gereken bir sonraki önemli nokta çeşitli gezegenlerin Güneşten uzaklıklarını düzenleyen özel kuralın( Titus-Bode kuralı olarak bilinir) açıklanmasıdır. Aşağıdaki tabloda,Güneş sisteminin dokuz gezegeniyle birlikte,kendilerini tek bir büyük parçada toplamayı başaramamış ayrı ayrı parçaların ayrıksılıksı durumunu karşılıyor görünümündeki,gezegenimsiler kuşağının da uzaklıkları sıralanmıştır.
Son sütundaki sayılar özellikle ilginçtir. Ufak tefek sapmalara karşın hiçbirinin 2’den çok farklı olmadığı açıktır ve bu bize şu yaklaşma kuralını oluşturma olanağı sağlar: Her gezegen yörüngesinin yarıçapı, güneş doğrultusunda kendisine en yakın gezgenin yörünge yarıçapının iki katı kadardır.
Bireysel olarak gezegenlerin uyduları için de benzer bir kuralın bulunduğunu ayrımsamak ilginçtir,bu gerçek, örneğin Satürn’ün dokuz uydusunun aşağıda verilen göreli uzaklıklarıyla gösterilebilir.
Gezegenlerin kendi durumlarında olduğu gibi,oldukça büyük (özellikle Phoebe için!) sapmalarla karşılaşıyoruz ama yine de aynı türden belirli bir düzenlilik eğilimi bulunduğundan zor kuşku duyulabilir.
Güneşin çevresindeki toz bulutu içinde yer alan toplaşma sürecinin neden bir tek büyük gezegenle değil de Güneşten bu özel uzaklıklarda oluşmuş birkaç büyük cisimle sonuçlandığını nasıl açıklayabiliriz?
Bu soruyu yanıtlamak için özgün toz bulutunda yer alan hareketin biraz daha ayrıntılı incelenmesine girişiyoruz. Her şeyden önce, Newton çekim yasasına uygun biçimde Güneş çevresinde hareket eden her maddesel cismin-ister küçük toz parçacığı,ister küçük bir göktaşı,isterse büyük bir gezgen olsun-Güneşi odak alan bir yörünge çizmekle sınırlı olduğunu anımsamalıyız. Gezegenleri oluşturan madde,başlangıçta çapı 0.0001 cm olan ayrı ayrı parçacıklar halinde idiyse çeşitli büyüklük ve yassılıktaki eliptik yörüngeler üzerinde hareket eden 10 üzeri 45 kadar parçacık olmalıydı. Böylesine yoğun bir trafiğin parçacıkları arasında yer alan sayısız çarpışmanın,bütün bu arıkovanı hareketinin belli bir büyüklükte düzenli olması gerektiği açıktır. Gerçekten de böyle çarpışmaların ya "trafik canavarlarını" toz etmeye ya da onları daha az kalabalık "trafik yolları"na,"yan yollar"a geçmeye zorlamaya yardım edeceğini anlamak zor değildir. Bu "düzenli" ya en azından bir oranda düzenli "trafik"e egemen olan yasalar nelerdir?
Bu soruna ilk yaklaşımı yapmak için hepsi Güneş çevresinde aynı dönüş dönemine sahip parçacıklardan oluşma bir grubu seçelim.
(George Gamow, 1-2-3 Sonsuz, Çeviri:C.Kapkın,Evrim Yay,275-286 …)
Kuantum ve Kozmoz
“Evreni anlama çabası insan yaşamını güldürücü bir tiyatro oyununun biraz yukarısına yükselten ve ona biraz trajedi zerafeti veren çok az sayıdaki birkaç şeyden biridir.”(Steven Weinberg)
“başlangıçlar ve hedefler insanların üzerinde durduğu başlıca konulardır. Her çocuk anne ve babasına doğumu ve ölümü ile ilgili sorular sorar. Fakat bu sorulara cevap veremeye giriştiğimiz anda, yanıtlarımızın insan topluluklarının tarihi ve sonunda gezgenin doğal tarihi ile koşullanmış olduğunu kavrarız. Yeryüzünün ve Güneşin kökenleri nelerdir ve sonları ne olacaktır? Kökenler ve Sonlar konulu araştırmamızda ileriye ve dışarıya doğru sürüklendikçe,bu soruyu yıldızlar,galaksi ve evren hakkında sorabiliriz: “ Bunu kim sipariş etti? Bu nereden geldi? Bunun sonu nasıl olacak?”
Her uygarlık deneyimleri çerçevesinde yanıtlandırmaya çalışarak bu soruları ele almıştır. Bu soruların yanıtları çoğu zaman, her insan topluluğunun öykülerinde belirtildiği gibi mitoloji konusu ve din kapsamındadır. Fakat bizimki, bilgi kazanımı ve kullanımını birincil önemde iyi bir şey olarak gören bir uygarlıktır ve bu nedenle biz bu soruları sormaya başladığımızda bilime döneriz. Burada denel bilimin bize evren hakkında öğretebileceği şeylerin mevcut teknoloji ile sınırlı olduğunu öğreniriz. Biz yalnızca,cihazlarımızın ortaya çıkarabildiği şeyleri biliriz.
İkinci Dünya Savaşı’ndan beri bu sorularla ilgili en az iki büyük teknolojik gelişme olmuştur. Bunların ilki,daha öce görülemeyen elektromanyetik radyo spekturumun bileşenlerini keşfeden teleskopların ve yardımcı elektronik sistemlerinin yayılmasıdır. İkincisi, bir deneysel bilim olarak nükleer fiziğin (s: 131) ve elemanter parçacık fiziğin gelişimidir. Bilim ve teknolojideki bu ilirlemeler bizi evrenin kökeni konusundaki şimdiki görünüşe getirmek için çok şey yapmışlardır. O kadar çok ki,on yıl önce bugün anladığımız şekilde “Big Bang”(Büyük Patlama) öyküsünü anlatmamız mümkün değildi. Son on yılda daha önceki yüzyıllarda evren hakkında öğrendiğimiz şeylerden daha çok şey öğrendiğimizi söylememiz doğru olur.”
Heinz R. Pagels
, konuyu çok hoş bir duruşmaya benzetmektedir. Aktarıyorum: “Bilim adamlarının evrenin kökeni problemine yaklaşım şekilleri,bir mahkeme salonundaki duruşmayı düşünerek anlaşılabilir. Bilimin bu dalında bir yargılamanın gerekli olmasının sebebi,yalnızca bir Evren olması ve onun yaratılışının da benzeri olmayan bir şey olmasıdır. Bilim adamları dışarı çıkıp ilgili yerlerde kuramlarını test edemezler;çünkü olay geçmiştir. Evrenin başlangıcı geçmişte işlenen bir suça benzer;artık olmamaktadır ve bilim adamlarının yapabileceği tüm şey,olayı işaret eden tüm kanıtları toplamak ve mümkün olan en iyi sonucu çıkarmaktır. Yargıç, duruşmanın sonucunda hiçbir çıkarı olmayan yaşlı bir bilim adamı olabilir. Jüri,çeşitli bilimsel mesleklerin temsilcilerinden oluşur. Yargılanmakta olan şey evrenin başlangıcı konusunda çeşitli görüşler ve kuramlardır. Kuramsal fizikçilerin çoğu ve astoronomlar olan avukatlar,yaratılışın belli bir görüşünü savunarak,verileri sunan tanıkları,deneycileri çağırarak tezlerini savunurlar.Bazı kişiler hiç duruşmaya gerek olmadığını ileri sürerler;evrenin yaratılışı diye bir şey yoktu ve evren her zaman,bugün onu gördüğümüz şekle çok benzer bir şekilde her zaman mevcuttu. Bir zamanlar yaygın bir şekilde savunulan bu görüş,evrenin değişmez durumlu modelini ifade eder;hiçbir başlangıç,hiçbir son yoktur;evren sonsuz dengededir. Yakın zamanlara dek değişmez durumlu modelin savunulabilmesinin nedeni,evrenin köken hakkında çok az kanıt bulunmasıydı. Fakat durum,bugün,dramatik bir şekilde değişmiştir.
Yaratılış konusundaki şimdiki görüş,“standart büyük patlama modeli” olarak isimlendirilmeye başlanan model,tüm evrenin muazzam bir patlamada oluştuğunu savunur. Tüm madde, yıldızlar ve galaksiler bir zamanlar çok sıcak,yoğun bir başlangıç öncesi madde çorbası halinde toplanmıştı. Bu madde çorbası hızla genişledi-patladı. Bu gelişme içinde soğudu,kendisinden çekirdeklerin,daha sonra atomların ve en sonunda,çok daha sonra galaksilerin yıldızların ve gezegenlerin yoğunlaşmasını sağladı. Bu genişleme,bugün hala devam ediyor,bir farkla ki,evren şimdi genişlerken çok daha soğuktur. Değişmeyen gökyüzü izlenimimize karşın evren,büyük bir değişiklik yeri idi ve öyle olmaya devam etmektedir.
Büyük Patlamanın Kanıtları
Büyük Patlama kozmolojisinin dayandığı iki deneysel kanıt parçası vardır:
İlki 1929-31 yıllarında Edvin Hubble’un evrenin genişlemesini keşfetmesidir. Hubble, uzak galaksilerden gelen ışığın kırmızıya kaymasının onların bizden uzaklığı ile orantılı olduğunu gözlemledi. Hubble’un vardığı sonuç,uzak bir galaksideki gibi yüksek hızla bizden uzaklaşan bir atomun spektral çizgilerinin hızıyla orantılı olarak kırmızıya kaydığı-bir tren uzaklaştıkça düdüğünün sesinin frekansındaki kayma gibi bir Doppler kayması- gerçeğine dayanıyordu. Kırmızıya kayma hızla orantılı olduğu için,uzak bir galaksinin hızının ve bizden uzaklığının da birbiriyle orantılı olduğu sonucu çıkar. Evrenin tek biçimli genişlemesi şüphesiz Hubble’un verilerinden çıkarılabilecek en basit sonuçtur. Tüm diğer yorumlar, şimdi hiçbir kanıt bulunmayan yeni bir ekzotik etki gerektirir. İkinci de,iki genç radyoastronom
Arno A.penzias ve Robert W. Wilson’un 1964’te keşfettikleri mikrodalga kozmik zemin ışımasıdır. Bu iki genç radyoastronom, New Jersey’deki Bell Laboratuvarları’ndaki çalışmalarında uzaydan gelen Dünya dışı) bir radyo parazıti saptadı. Parazit, yalnızca Güneş’in ve Samanyolu’nun konumlarından bağımsız olmakla kalmıyor,her yönden eşit olarak geliyordu. Yani parezit, bilimsel deyimle izotropikti. Parazit,aletin kendisinden kaynaklanabilir mi? Penzias ve Wilson, teleskopu böylesi bir parazitin kaynağı olabilecek kuş pisliği gibi kirlerden çok dikkatli bir biçimde temizlediler. Ölçümleri sonucu bu parazitin elektromanyetik tayfın mikrodalga bölümüne giren 7 cm dalgaboylu bir ışınım olduğuortaya çıktı. Bu ışınım kolayca saptanabiliyordu. Herhangi bir kanala ayarlanmamış televizyon ekranlarındaki parazitin yaklaşık yüzde biri aynı Dünya dışı ışınımdan kaynaklanmaktadır.Çok geçmeden bu mikrodalga ışınımının evrenin en uzak bölgelerinden kaynaklandığı ortaya çıktı. Işınımın çok büyük ölçüde izotropik olması onun-örneğin Güneş sistemindeki toz gibi- yakın bölgelerden değil,çok uzaklardan kaynaklandığının kantıdır. Hemen hemen aynı zamanlarda Princeton Üniversitesinde çalışmalarını yoğunlaştıran bir grup kozmoloji uzmanı,büyük patlamadan kalmış olmasını bekledikleri kozmik mikrodalga ışınımını araştırmaktaydılar. Robert Dicke ve çalışma arkadaşları evrendeki,Güneş ve diğer yıldızlardaki helyumun çoğunluğunun,evrenin başlangıç dönemlerinde termonükleer füzyon yoluyla ortaya çıkmış olması gerektiğini iddia ediyorlardı. Bunun olabilmesi için başlangıç dönemlerinde evrenin son derece sıcak olması gerekiyordu. Bu durumda evren, sıcak elektron ve protonların yaydığı yüksek enerjili fotonlarla dolu olacaktı. Evren genişledikçe bu ışınım soğuyacak ve günümüzde de elektromanyetik tayfın mikrodalga bölgesinde gözlenebilmesi gerekecekti. Princeton astronomları,20 yıl önce benzer bir düşünce biçiminin George Gamow tarafından ortaya atıldığından ve benzer öngrülere yolaçtığından habersizdiler.Gamow’un eski öğrencileri olan Ralph Alpher ve Robert Herman 1949 yılında bu antik ışınım nedeniyle gaünümüzde evrenin sıcaklığının 5 Kelvin cıvarında olması gerektiğini hesaplamışlardı. Bununla birlikte mikrodalga ışınımının deneysel olarak araştırılmasını önermemişlerdi. 1963 yılında iki Rus bilimadamı, Andrei Doroskhevich ve İgor Novikov mikrodalga ölçümlerinin kozmik fon ışınımına herhangi bir sınır getirip getirmediğini öğreenmek için Bell Laboratuvarları Teknik Bültenleri’ne başvurdular. 1961 yılından kalma Ed Ohm’un bir araştırmasına rastlayınca altın bulmuş gibi sevindiler. Ohm, bu araştırmada Bell Labıratuvarlarının 6 m çapındaki anteni ile gökyüzünü tararken 3 K dolayındaki sıcaklıklarda ışınımda bir fazlalık saptadığını belirtiyordu. Ne yazık ki Ohm aletlerden kaynaklanan gürültüyü bu parazitten ayıramamıştı.
Böylece Princeton araştırmacıları boş yere fazla çalışıp çabalamaktan kurtulmuş oldular. Kozmik mikrodalga tayfını ikinci bir dalga boyunda ölçmeyi başardıkları zaman da Bell Laboratuvarlarının keşfini sonuçlandırmış oldular. Işınımın da çoğunlukla kara cisim ışınımı biçiminde olması gerektiği sonucuna vardılar.
(Evrenin Kısa Tarihi, Joseph Slik,s: 63-64)
Bu araştırmacılar evrenin siyah boş uzayının mutlak şekilde soğuk olmadığını; mutlak sıfırın üzerinde üç Kelvinlik az bir sıcaklığı olduğunu buldular. Bu sıcaklık fotonların uzayın tamamından geçen ışıma banyosunun sonucudur. Bu fotonların frekanslarının ya da renklerinin dağılımı ölçülmüştür ve bunun tam üç kelvin sıcaklıkta bir kara nokta için Planck’ın kara nokta radyasyon eğirsininki ile aynı olduğu bulunmuştur. Bu durumda kara nokta tüm evrendir.
Bu ışıma banyosunun yorumu,onun büyük patlamadan kalan sıcaklık olduğu şeklindedir- bu durum bir kamp ateşi çevresindeki kayaların sıcaklığını gözlemleyip,fazla uzun olmayan bir süre önce orada ateş yanmış olduğu sonucuna varmaya benzer. Bir zamanlar evren milyarlarca derece sıcaklıkta son derece yoğun bir madde çorbası idi. Sonra patladı,bugüne kadar,genişlemenin sonucu olarak birkaç derece sıcaklığa kadar soğudu. Sıcaklığı hala düşmektedir,fakat şimdi çok yavaş şekilde. Bu mikrodalga zemin ışıması kanıtı büyük patlama modelinin doğruluğu jürisinde oturan bilim adamlarının çoğunu ikna etti. Evren bir patlamadan yaratılmıştı-her zaman var değildi.
Astrofizikçiler ve kozmologlar evrenin yaratılışının kuramsal bir modelini kurmuşlardır. Saatlerini yaratılıştan sonra yaklaşık olarak saniyenin ilk yüzde birinde başlatıyorlar,çünkü saniyenin ilk yüzde birinden önce sıcaklıklar o kadar yüksük ve enerjiler o kadar büyüktü ki,bu günün yüksek enerji fiziği kuramının ötesine uzanmalıydılar- bu çok spekülatiftir. Fizikçiler,bir saniyenin ilk yüzde birinden sonraki genişlemeyi tanımlayan fiziği,durumun nasıl olduğunu belli bir kesinlikle söyleyebilmelerine yetecek kadar iyi anladıklarını düşünüyorlar.
Bir saniyenin ilk yüzde birinde,başlangıç anı çorbasının sıcaklığı yüz milyar kelvin derecesi idi,bu gerçekten çok socak bir çorba idi. Çorba esas olarak elektronlar,pozitronlar,fotonlar, nötrinolar ve antinötrinolardan oluşuyordu. Bu parçacıklar karşılıklı etkileşimde bulundukça sürekli yaratılıyor ve yok ediliyorlardı. Bu çorbanın yoğunluğu ve sıcaklığı o kadar büyüktü ki,bir elektron ve pozitronun fotonlar şeklinde yok olması,fotonların bir elektron pozitron çifti yaratmak üzere çarpışması kadar olasıydı. Bu elektronlar,nötrinolar ve fotonlara ek olarak,başlangıç anı çorbasında fotonların sayısının milyarda bir kadar küçük bir proton ve nötron kirliliği vardı. Çorbadaki bu küçük beneğin üzerinde durmak gerekiyor,çünkü bu beneklerden tüm galaksiler ve yıldızlar ve nihayet yeryüzü yapılacaktır.
Bir saniyenin ilk onda biri geçtikten sonra,evren yaklaşık olarak on milyar dereceye kadar soğudu. Bu sıcaklık elektron ve pozitronları,fotonlar ve nötrinolarla dengeden çıkarmaya yetecek kadar soğuktu ve şimdi eğer pozitronlar yok edilirse yeniden yaratılmayacaklardı-tüm geri kalan şey elektronlar(s:134), nötrinolar ve fotonlardı. Üç dakika gerçekten sonra,evrenin sıcaklığı küçük protonlar ve nötronlar kirliliğinin çekirdek halinde birleşmesine yetecek kadar düştü- parçacıklar daha az harekete geçiriliyordu. İlk oluşan çekirdekmer en hafif olanlar,döteryum ve helyumdu. Fizikçiler nükleer fiziğin yasalarını kullanarak bu şekilde yapılmış helyum ve diğer hafif elementlerin miktarını hesaplayabilirler ve büyük patlamada yapılmış olan helyum miktarının evrendeki tüm maddenin yaklaşık yüzde 27’sini oluşturduğunu bulurlar,bu da,gözlem sonuçları ile uyum halindedir. Bu hesaplamalar ve gözlemlerle uyum büyük patlama modeline büyük inanılırlık vermektedir.
Ancak yaklaşık yüz bin yıl geçtikten sonra-evren oldukça soğuk hale geliyordu- sıcaklık elektronların atomları oluşturmak üzere çekirdekle birleşmesine yetecek kadar düştü. Patlamadan çıkan büyük atomik madde bulutları galaksiler ve yıldızlar halinde yoğunlaşmaya başladılar. Yıldızların içinde,hidrojen ve helyumdan çekirdek senteziyle karbon ve demir gibi ağır elementler oluştu. Birkaç milyar yıl sonra,evren bugün göründüğü gibi görünmeye başladı. Bugün evren, on ile yirmi milyar yıl arası bir yaşa sahiptir. Tersine Dünya’mız,yaklaşık dört beş milyar yıl yaşındadır ve dünya üzerinde yaşam ise yaklaşık iki buçuk milyar yıl yaşındadır.
Çevrenizde gördüğünüz her şey bir fosildir. Tıpkı derin kayaların gezegenimizin yaratılışının fosilleri olması gibi,çekirdekler ve atomlar da büyük patlamanın fosilleridir. Onların yaratıldıkları bir zaman vardı,her zaman var değildiler. Biz, her şeyi doğuran başlangıç anı çorbasına kıyasla çok düşük sıcaklıklarda donmuş fosil bir dünyayız.
Evrenin bu görüşüne karşı bazı ciddi eleştiriler vardır, fakat bu eleştiriler esas olarak ayrıntılar üzerindedir,fikrin kendisi üzerinde değildir. Yüzyıllar önce verilen Kopernik’in Güneş merkezli sistemi gibi,büyük patlama modeli de esas olarak doğru görünmektedir. Hazırlanmakta olan yeni deneysel teknoloji – new mexico’da çok büyük radyo anteni dizisi ve uzay teleskopu- ile “standart büyük patlama modeli” üzerinde yeni testler yapılabilir. Bazı sürprizlerle karşılaşabiliriz,fakat eğer bu yaratılış öyküsünün belli başlı özellikleri değişirse, bu çok önemli bir durum olacaktır.(Pagels,bunları 1993’te yazıyor) (s: 135)
Büyük patlama modelinin şimdiki evren konusunda verdiği çok tatmin edici niteliksel ve niceliksel açıklamalara rağmen,fizikçiler bir saniyenin ilk yüzde birinden ötesine bakmaya yönelmişlerdir. Burada fizikçilerin yüksek enerji fiziğinden bildikleri ve birleştirilmiş gauge alan teorilerinin fikirleri temelinde spekülasyonda bulunmaları gerekiyor. Bir saniyenin ilk yüzde birinde başlangıç anı çorbasında protonlar ve nötronlar olduğu kesin görünmektedir,küçük bir kirlilikti bu. Bir saniyenin ilk milyonda birinde bunlar da yoktu. Protonlar ve nötronlar kendileri renkli kuarklar ve gluonlar karışımlarından donup çıkan fosillerdir. Bir saniyenin ilk milyonda birinde,fizikçiler, çorbanın bugün bildiğimiz temel parçacıklar leptonlar, kuarklar ve gluonlardan oluştuğunu ve hepsinin birbiriyle etkileşim halinde olduğunu düşünmektedirler. Daha da yüksek sıcaklıklar ve daha erken zamanlarda kuarklar ve leptonlar birbirine dönüşmüş olabilir-o sıcak zamanlarda evrenin madde,antimadde asimetrisini yaratmış olacak ve bugün protonun dengesizliği olarak görünecek olan etkileşimler. En yüksek sıcaklıklarda ve en erken zamanlarda etkileşimler arasındaki tüm ayırım kaybolur- bu mükemmel simetrisi olan bir evrendir.
Bu büyük patlama nasıl oldu? Kuarklar,leptonlar ve gluonların başlangıç anı çorbasının kökeni neydi? O nereden geldi? Şüphesiz bu fizikçilerin deney ve teori temelinde emin şekilde yanıtlayabilecekleri bir soru değildir. Ancak spekülasyonda bulunabiliriz. Şimdi bildiğimiz şekliyle fizik yasalarına dayanan,bana çekici gelen bir yanıt var. “Evren nereden geldi?” sorusunun yanıtı onun bir boşluktan ortaya çıktığıdır. Tüm evren hiçbir şeyliğin yeniden ifadesidir. Evren hiçbir şeye nasıl eşit olabilir? Tüm o yıldızlara ve galaksilere bakın! Fakat eğer bu olasılığı dikkatle incelersek evrenin,şimdiki şekliyle bile,hiçbir şeye eşit olabileceğini öğreniriz.
Bugünkü evrenin dikkate değer bir özelliği, evrendeki tüm enerjiyi toplarsanız,hemen hemen sıfıra eşit olmasıdır. İlk olarak,çeşitli galaksilerin birbirleri için kütlesel çekiminin potansiyel enerjisi vardır. Bu galaksilerin kütlesi ile orantılıdır. Galaksileri ayırmak için enerji vermek gerektiği için,enerji muhasebemizde bu muazzam bir negatif enerji sayılır. Defteri kebirin (büyük muhasebe defteri) artı yönünde evrendeki (s: 136) tüm parçacıkların kütle enerjisi bulunur. Bu da bir başka muazzam sayı,eksi enerjinin onda biri kadar daha az bir sayı yapar. Eğer iki sayı eşit olsaydı,evrenin toplam enerjisi sıfır olur ve evreni yaratmak için hiç enerji gerekmezdi.
Astronomlar toplam enerjiyi sıfır yapacak olan kayıp kütleyi aramaktadırlar. Bu kayıp kütlenin saklı olabileceği birçok yer vardır. Galaksilerin kütlesinin çoğu görünmeyen büyük halelerdedir. Belki de galaksilerin çekirdeklerinde büyük görünmeyen kara delikler vardır. Eksik kütle için en yeni aday küçük bir nötrino kütlesidir. Evren kütleli nötrinolarla dolu olabilir ve o da kütlenin asıl kısmı olabilir. Ş imdi anlamak zor,fakat büyük bir kütle-enerjinin görülmemiş olması muhtemeldir ve o zaman evrenin toplam enerjisi sıfır olabilir.
Son zamanlara kadar,evrenin bir boşluktan yaratılmış olduğu fikrine bir engel, evrendeki protonların nereden gelmiş olduğunun açıklaması idi. Fakat protonun dengesiz olduğu şeklindeki kuramsal olasılıkla bu itiraz aşılmıştır. Evrenin şimdiki madde,antimadde asimetrisi,mükemmel bir simetriye sahip olabilecek olan ilk ateş topunun orjinal durumunu yansıtmıyor. Bu nedenle evrenin boşluğun bir temsili olduğu fikrine tüm itirazların aşılması mümkün görünüyor. Fakat boşluk nasıl kendisini kendiliğinden bu kuarklar,leptonlar ve gluonların ateş topuna dönüştürülebilir-büyük patlama?
Göründüğü kadarıyla boşluk dengelidir(kararlıdır). Benzer şekilde bir zamanlar atomlar dengeli görünüyordu,fakat şimdi öyle olmadıklarını biliyoruz- atomların çekirdekleri kendiliğinden,radyoaktiflik olarak görünen,görülmeye değer bir tepkimede parçalanabilir. Kuantum kuramının yasalarına göre,normalde kararlı olan çekirdeklerin bozunmaları olasılığı vardır. Kanımca,bir boşluğun da aynı şekilde kararsız,dengesiz olması olasıdır- bir boşluğun kendisini bir büyük patlama patlamasına dönüştürmesinin çok küçük bir kuantum olasılığı vardır. Belli bir nükleer bozunma konusunda hiçbir açıklama yoktur- yalnız bir olasılık verilebilir. Benzer şekilde,eğer bu fikir doğru ise,belirli büyük patlama olayını açıklamak üzere hiçbir açıklamaya gerek olmaz. Hiç kimse olayın olmasını beklemediği için,son derece küçük fakat sonlu bir olasılığı varsa bile,bir gün olacağı kesindir. Evrenimiz zar atan bir Tanrı’nın yaratısıdır.(s: 137)
Bilim adamları evrenin başlangıcının ayrıntıları üzerinde tartışıyorlarsa da,genel özellikleri hakkında bir ortak analayışa ulaşılmıştır. Eğer şimdi evrenin sonunu incelemeye dönersek,böyle bir ortak anlayış bulunmadığını görürüz: Bilim adamlarının duruşmasına geri gidecek olsak, hiç bir anlaşma bulamazdık. Evrenin doğuşu çok uzun süre önce neler olduğu konusunda dağınık ip uçları baraktıysa da,nelerin olacağı konusunda henüz hiçbir sağlam ipucu bulunmamaktadır. Evrenin sonunu tartışmak,işlenmek üzere olan bir suç üzerinde tartışmaya benzer. Hatta bir suçun işlenmek üzere olduğu konusunda bazı ipi uçları da bulabilirsiniz,fakat hiçbir sayıda ip ucu suçun işlenmesi gerektiği anlamına gelmez. Bilim adamlarının en fazla yapabileceği şey, olacak olay hakkında ip ucu toplamak ve daha sonra veriler uyan senaryolar oluşturmaktır.
Fizikçiler evrenin temelde iki sonu olabileceğini düşünüyorlar: ateş veya bu; ya kızartılacağız ya da donacağız. Bu iki senaryo,Einstien’in evrenin ya kapalı ya açık olduğunu gösterdiği denklemlerine Alexander Friedmann’ın çözümlerini çağrıştırıyor. Açık evren, şimdi genişleyen evrenin süresiz şekilde genişlemeye devam ettiği evrendir. Kapalı evren, belirli bir sınıra kadar genişler ve sonra yeniden büzülür.
Açık bir evrende mi yoksa kapalı bir evrende mi yaşadığımız sorusu,veriler mevcut olunca yanıtlanabilecek deneysel bir sorudur. Uzak galaksilerin gözlemlenen kırmızıya kaymaları,en uzak galaksilere kadar Hubble’ın yasasına uygundur-kırmızıya kayma uzaklıkla orantılıdır. Bu, evrenin değişmeyen bir hızda genişlemekte olduğu-yavaşlamadığı veya hızlanmadığı- anlamına gelir. Tekbiçimli genişlemeden sapmanın dikkatli şekilde ölçümü ile evrenin açık mı,kapalı mı olduğunu belirlemek mümkündür.
Evrenin açık mı kapalı mı olduğu sorusunun yanıtına ulaşmanın bir diğer yolu vardır; o da evrenin toplum kütlesel yoğunluğunun hassas şekilde belirlenmesidir. Şu anda genişlemeyi yavaşlatmaya yetecek kadar kütle yok görünmektedir ve açık bir evrende olduğumuz sonucuna varabiliriz. Fakat bu sonucu değiştirecek olan “eksik kütle”- görülmeyen madde- olabilir.
Kapalı evren senaryosunda,evren belki on milyar yıl genişlemeye devam edecektir. Daha sonra genişleme durur ve büzülme başlar(s: 138). Uzak galaksiler ışıklarında kırmızıya kayma yerine şimdi maviye kaymış olurlar. Milyarlarca yıl sonra gökyüzü gittikçe daha sıcak olacaktır. Büyük patlamanın 3 boyutlu filmi şimdi tersine oynar ve sonunda her şey yaratılışta bulunan madde çorbası halinde çöker. Evrenin bu noktada “sıçrayıp” yeniden genişleyip genişlemeyeceği iyi anlaşılmamış olan fiziğe bağlıdır. Ama çökme veya sıçramadan insanlığın ya da ne haline gelirse bir şeyin ayakta kalması pek olası değildir. Evren kapalı ise sonumuz ateşte yok olma olacaktır. Bazı insanlar ekonomi biliminin “kasvetli bilim” olduğunu düşünürler,fakat kanımca kasvetli olan kozmolojidir.
Açık evren senaryosunda,evren süresiz şekilde genişlemeye devam eder ve galaksiler daha da uzaklaşır. Başlangıçta bu ateşte kızararak ölmeye göre daha yumuşak bir alternatif gibi görünür. Fakat evrenin,eğer açıksa, onu bugün bildiğimiz gibi kalamayacağı açıktır. Bilinen ya da tahmin edilen,derece derece yaşlanması için zamanı olursa evrenin bozulacağını gösteren fiziksel süreçler vardır. Halihazırda protonun dengesiz olup olmadığını incelemek üzere deneyler yapılmakta olduğu gerçeğinden söz edilmiştir. Eğer proton bozulması gözlenirse, o zaman bu, bildiğimiz kadarıyla evrenin sonunun proton ömrü kadar bir süre içinde olduğu anlamına gelir. Bir kozmik kanserin saldırısına uğrayan tüm evren çürüyüp gidecektir.
Proton şimdiki teorilerimizde belirtilenden çok daha fazla dengeli olsa bile,oluşabilecek diğer felaketler vardır. Evren aslında tekin bir yer değildir. Düşük kütleli yıldızlar yaklaşık yüz bir milyar (10 üzeri 14) yılda soğurlar ve gezgenler diğer yıldızlarla çarpışmalarla,yaklaşık milyon milyar (10 üzeri 15) yılda yıldızlardan ayrılır. Galaksiler ömürleri için bir üst sınıra sahiptir ve onların yüksek hızlı yıldızları yaklaşık on milyar milyar (10 üzeri 19) yılda uçup giderler. Kalanların galaktik çekirdekteki büyük kara deliklerce yutulduğu tahmin edilmektedir.=
Kara delikler evrenin sonu konusunda önemli rol oynayabilirler,çünkü bugün gördüğümüz maddenin çoğu karadeliklerde sona erebilir. Fakat İngiliz Fizikçi Stephen Hawking’in geliştirdiği modern kara delikler kuramı,karadeliklerin bile dengesiz olduğu ve enerji ışıması yaptıklarını ifade ediyor. Bir seneryado,evrenin sonu, uzun aralıkla karadelikler ve uzun (s: 139) dalgaboylu elektromanyetik ve kütlesel çekim dalgalarından,kendilerinden ilgi çekici hiç bir şeyin yapılamayacağı enerji biçimlerinden oluşur. Bu, nihai enerji krizi olurdu-patlamayla değil fakat bir vınlamayla-büyük bir vınlama- soğuk zalim bir dünya.
Ateş veya buz,hangi senaryo olursa olsun,eğer ilk olarak kendisini yok etmezse,insan türünün her şey üzerinde düşünmeye uzun bir zamanı olacaktır. Yalnızca on yıl önce,fizikçiler ve astrofizikçiler evrenin başlangıcı ve sonu konusunda düşündükleri için özür dilemek zorundaydılar- çünkü iyi deneysel verilerin yokluğunda bu zorunlu olarak spekülatif düşünce idi. Bugün o durum değişmiştir;veriler mevcuttur ve gelecekte daha da fazlasını bileceğiz. Kuarklar,leptonlar ve gluonların yasalarının keşfi ve astronomik araçlardaki gelişmeler evrenin bilmecesini açığa çıkarmak için güçlü araçlar sağlamaktadır.
Evrenin sonu problemine karşı optimistik veya pesimistik bir tutum geliştirmek yararsızdır. Evrende kendi arzularımızı yansıtmaktan kaçınmanın zor olduğunu kavrıyorum;en zeki kişiler bile bunu yapar. Fakat optimizm, hayatta kalma kapasitemize inanç, yalnızca bir milyar yıl yaşındaki bir evrim süreci tarafından içimize programlanmıştır ve dünyanın ortamı ile koşullandırılmıştır. Bu, türlerle
Karşılaşan uzun süreler için uygun olmayabilir. Zamanın sonsuz erişimleri yaşamı bilinmeyen şekillerde koşullandıracaktır.
Fizikçiler, tüm varoluşun son koşullarını ifade eden nihai yasaların gerçekten varolup olmadığını henüz bilmiyorlar. Belki evreni ve o evrende yaşamı yöneten hiç bir mutlak yasa yoktur. Fiziğin son bölümü yazılana kadar,çok sayıda sürprizle karşılaşabiliriz. Belki de yaşam, bugün yok oluşunu evreninki ile birlikte ifade eder görünen fizik yasalarını değiştirebilir. Eğer böyleyse, o zaman yaşam kozmolojide şimdi öngörüldüğünden daha önemli bir role sahip olamaz mı? Bu, üzerinde düşünmeye değer bir problemdir. Aslında, bu, düşünmeye değer tek problem olabilir”
(Heinz R.Pagels, Kozmik Kod II, Sarmal yay,s:131-140)
“Kozmoloji, eskiden yalancı bilim kabul edilir ve geçmişte faydalı iş yapmış,fakat bunama öncesi mistikleşmiş fizikçilerin uğraş alanı kabul edilirdi. Bunun iki nedeni vardı. Birincisi,güvenilir gözlemlerin hemen tamamen eksikliği idi. Gerçekten 1920’lere kadar tek önemli gözlem, geceleri gökyüzünün karanlık oluşu idi. Fakat bunun da önemini kimse takdir edememişti. Bununla birlikte,yakın yıllarda kozmolojik gözlemlerin kapsamı ve kalitesi,teknolojinin gelişmesiyle muazzam şekilde ileri gitti. Böylece kozmolojiyi bir bilim olarak kabul etmemek için,onun gözlemsel tabanı olmadığını ileri süren itirazlar da artık geçerli değil.
Fakat,ikinci ve daha ciddi bir itiraz var: Kozmoloji, evren hakkında bazı başlangıç koşulları kabul edilmezse hiçbir öngörü yapamaz. Böyle bir kabul yapmadan söylenebilecek tek şey,şimdi her şeyin böyle olmasının nedeninin,onların geçmişte öyle olmuş olmalarıdır! Gene de bir çok kimse,bilimin,evrenin zaman içindeki evrimini yöneten,yerel yasalarla ilgilenilmesi gerektiğine inanıyor. Onlar, evrenin nasıl başladığını belirleyen evrenin sınır şartlarının,bilimden ziyade metafizik veya din ile ilgili bir soru olduğunu düşünüyorlar. Roger’in ve benim ispatladığımız teoremlerle durum daha da kötüleşti. Bunlar,genel göreliliğe göre,geçmişimizde bir tekillik olması gerektiğini gösteriyordu. Bu tekillikte,alan denklemleri tanımlanamaz. Yani klasik genel görelilik,kendi yıkılışına da yol açmaktadır: evrende olan biteni önceden belirleyemeyeceğini,bu kuram,öngörmektedir.
Her ne kadar bir çok kimse bu sonucu memnuniyetle karşıladılarsa da bu beni derinden rahatsız etmiştir. Eğer fizik yasaları,evrenin başlangıcında geçerliliğini yitiriyorsa,niye başka herhangi bir yerde de yitirmesin? Kuantum kuramında,mutlak olarak yasak olmayan her şeyin olabileceği ilkesi vardır.
Bilimsel bir kurama sahip olabilmenin tek yolu,fizik yasalarının,evrenin başlangıcı da dahil olmak üzere,her yerde geçerli olmasıdır. Buna demokrasi ilkelerinin bir zaferi olarak bakılabilir: Evrenin başlangıcı niçin diğer noktalarda geçerli olan yasalardan muaf olsun? Eğer her nokta eşitse,bazılarının diğerlerinden daha eşit olmasına izin verilemez...
Kozmolojide ilgi, sonsuzda değil,sonlu bir bölgede yapılan ölçümler üzerinedir. Biz evrenin içindeyiz;dışarıdan içeriye doğru bakmıyoruz…
Jim Hartle ve ben 1983’teki önerimizi “Evrenin Sınır Şartı,Onun Sınırının Olmamasıdır” Bu konuşmamın geri kalan kısmında göstereceğim ki,Evrenin Sınırının Olmaması koşulu, içinde yaşadığımız,yani küçük tedirgemelerle,genişleyen,izotrop ve homojen bir evrene uymaktadır… Gözlemlerimize göre evren madde içermektedir ve mikrodalga arkaalanından ve hafif elementlerin miktarından çıkardığımıza göre,geçmişte çok daha sıcak ve yoğun idi. Gözlemlerimizle uyumlu en basit şemaya “sıcak büyük patlama” modeli diyoruz. Bu senaryoda evren, sonsuz sıcaklıkta ve ışıma dolu bir tekillikle başlar. Genişlerken,ışıma soğur ve yoğunluk aşağıya iner. Zamanla ışımanın enerji yoğunluğu,rölativistik olmayan maddeninkinden daha aşağıya iner ve genişleme, maddenin ağır bastığı bir şekil alır. Fakat ışınım kalıntısını,mutlak sıfırdan 3K yukarıda,bir arkaalan mikrodalga ışıması şeklinde hala gözlüyoruz.(s:104)Sıcak büyük patlama modelinin güçlüğü,başlangıç şartları hakkında bir kuramı olmayan bütün kozmolojilerin ortak güçlüğüdür: Onun öngörü yapma yeteneği yoktur. Genel görelilik tekillikte geçerliğini kaybettiği için,büyük patlamadan her şey çıkarılabilir. Örneğin evren niye büyük ölçüde böyle homojen ve izotrop da niçin galaksi ve yıldızlar gibi yerel düzensizlikler var? Evren, sonsuz genişleme ile tekrar çökme arasındaki ayırım çizgisine niçin böylesine yakın? Bu çizgiye bugün bizim olduğumuz kadar yakın olmak için,başlangıçta genişleme oranı son derece hassas bir şekilde seçilmiş olmalı. Eğer büyük patlamadan bir saniye sonra genişleme oranı 10 milyarda bir kadar küçük olsaydı,evren birkaç milyon yıl sonra tekrar geriye çökmüş olurdu. Bu eğer 10 milyarda bir kadar büyük olsaydı evren bir kaç milyon yıl sonra neredeyse boş kalırdı. Her iki halde de,yaşamın ortaya çıkması için süre yetmeyecekti. Bu nedenle ya antropik ilkeye başvurmak veya evrenin niye böyle olduğu hakkında bazı fiziksel nedenler bulmak zorundayız.
Sıcak büyük patlama modeli şunları açıklamaz:
1. Evren,yaklaşık olarak homojen ve izotropiktir. Fakat küçük pertürbasyonlar var,
2.Evren, yeniden çökmeyi önleyecek hemen hemen tam kritik bir hızla genişlemektedir.
Bazıları enflasyon denilen şeyin başlangıç koşulları kuramını gereksiz kıldığını savunmaktadırlar. Buna göre evren,büyük patlamada hemen her halde başlayabilirdi. Evrenin koşulları uygun olan yerlerinde enflasyon denilen bir eksponansiyel genişleme evresi bulunmaktadır. Bu, yalnız o bölgenin büyüklüğünü 10 üzeri 30 (10
30) veya daha fazla kere arttırmakla kalmayacak,o bölgeyi homojen ve izotrop halde ve yeniden çökmeyi önleyecek kritik hızla genişlemekte bırakacaktır. İddiaya göre,yaşam ancak enflasyon olan bölgelerde (s: 105) gelişmiştir. Bu nedenle,kendi bölgemizin homojen,izotrop ve kiritik hızla genişlemekte olmasına şaşırmamalıyız.
Fakat, evrenin şimdiki halini enflasyon tek başına açıklayamaz. Bunu evrenin şimdiki halini alıp,zamanda geriye doğru giderek görebiliriz. Yeter madde miktarı varsa,tekillik teoremleri,geçmişte bir tekillik olduğunu gösterecektir. Büyük patlamadaki evrenin başlangıç koşullarını,bu modelin başlangıç koşulları olarak seçebiliriz. Bu şekilde,büyük patlamadaki keyfi başlangıç koşullarının,şimdi geçerli olacak herhangi bir duruma götürebileceğini gösterebiliriz. Hatta, ekseri başlangıç koşullarının,bugün gördüğümüze benzer bir duruma getireceğini iddia edemeyiz: hem bizimki gibi bir evrene götürecek başlangıç koşullarının ve hem de götürmeyecek olanların doğal ölçüsü sonsuzdur. Bu nedenle, birinin ötekinden daha büyük olduğu iddia edilemez.
Fakat, kozmolojik sabit ile içinde madde alanları olmayan gravite halinde gördük ki, sınır olmaması şartı,kuantum kuramı limitleri dahilinde öngörülebilen bir evrene götürebiliyor. Bu özel model, madde dolu olan ve sıfır veya çok küçük bir kozmolojik sabite sahip,içinde yaşadığımız evreni açıklamıyor. Ama kozmolojik sabiti atarak ve madde alanlarını katarak (s: 106) daha gerçekçi bir model bulabiliriz…
Şimdi bu modelin nasıl evrim göstereceğine bakılabilir. .. Sınır olmaması hipotezi,evrenin uzaysal olarak kapalı olduğunu içerir. Kapalı bir evren,bir gözlemci bütün evreni göremeden önce yeniden çöker. Böyle bir evrenin entropisinin,maksimum genişleme zamanında,olay ufkunun alanının dörtte birine eşit olduğunu göstermeye çalıştım. Lakin şu anda öyle görünüyor ki 1/4 yerine 3/16 buluyorum. Kuşkusuz ya yanlış bir yoldayım veya bir şeyi unutuyorum.
(Stephen Hawking,Uzay ve Zamanın Doğası, 89-114)
Zaman Oku
Bu konuşmayı Roger’le çok farklı düşündüğümüz bir konuyla bitirmek istiyorum. Evrenin bizim bulunduğumuz bölgesinde, zamanda ileri ve geri yönler konusunda,aradaki farkı görmek için bir filmi ileri ve geri oynatmak yeter. Bardaklar masadan düşerek kırılacakları yerde, parçaları birbirine yapışacak ve bardak gerisin geriye masanın üzerine sıçrayacaktır. Keşke gerçek hayat da böyle olsaydı. Fiziksel alanların uyduğu lokal yasalar zamana göre simetriktir. Böylece,geçmiş ve gelecek arasında gözlenen fark, evrenin sınır koşullarından gelmelidir. Evrenin uzaysal olarak kapalı olduğunu,bir maksimum büyüklüğe kadar genişleyeceğini ve tekrar çökeceğini varsayalım. Roger’in vurguladığı gibi,evren bu tarihin iki ucunda çok farklı olacaktır. Evrenin başlangıcı dediğimiz şey için evrenin,çok düzgün ve düzenli olduğu görülüyor. Lakin tekrar çöktüğü zaman,onun çok karışık ve düzensiz olacağını bekleriz.düzenli olanlardan daha çok,düzensiz şekiller varolduğu için,başlangıç koşullarının son derecede hassas olarak seçilmesi gerekir…
Önce ben,tedirgemelerin taban durumunda oldukları hakkındaki bu argümanların,genişleme-daralma çevriminin her iki ucunda geçerli olacağını düşünmüştüm. Evren, düzgün ve düzenli olarak başlayacak ve genişledikçe, gitttikçe daha düzensiz ve karmaşık bir hale gelecekti. Fakat düşünüyordum ki,yeniden küçüldükçe,yeniden düzgün ve düzenli hale dönecekti. Fincanlar kendiliğinden yapışacak ve masanın üzerine sıçrayacaktır. Evren yeniden küçülürken,insanlar gençleşecek,yaşlanmayacaktır. Gençiliğimize dönmek için,evrenin yeniden çökmesini beklemenin anlamı yoktur; zira bu çok uzun sürecektir. Fakat eğer evren daralırken zaman oku yön değiştirirse,bu kara delikler içinde de gerçekleşebilmelidir. Lakin yaşamı uzatmak için bir karadelik içine atlamayı tavsiye etmiyorum.
Evren, daralmaya başladığı zaman, zaman okunun yön değiştireceğini iddia eden bir makale yazmıştım. Fakat onan sonra Don Page ve Raymond Laflamme ile yaptığım konuşmalar,hayatımın en büyük yanlışını veya hiç olmazsa fizikteki en büyük yanlışını yapmış olduğuma beni ikna etti. Evren,çökerken düzgün bir duruma dönmeyecekti. Bunun anlamı,zaman okunun geriye doğru dönmeyeceği idi.O, genişlemede olduğu gibi hep aynı yönü gösterecekti.
Zamanın iki ucu nasıl farklı olabilir? Tedirgemeler niçin bir uçta küçük olurken ötekinde olmuyordu? Bunun nedeni alan denklemlerinin küçük bir,üç-küre sınırına uyan,iki olası karmaşık çözümün olmasıdır. (s:117)
Zaman okunun yönü değişmeyeceğine-ve zamanımı aştığıma – göre konuşmama bir son vermem iyi olur. Uzay ve zamanla ilgili araştırmalarımda öğrendiğim çok dikkate değer iki şeyin altını çizmiş oldum.
- Gravite, uzayzamanı,bir başlangıcı ve bir de sonu olacak şekilde kıvırır.
- Gravite ve termodinamik arasında derin bir bağlantı vardır.
Bu, gravitenin üzerine etki yapacağı manifoldun topolojisini belirlemesindedir.
Uzay-zaman pozitf eğriliği,üzerinde klasik genel göreliliğin geçerliğini kaybettiği, singülerlikler doğurur. Kozmik sansür hipotezi, bizi karadelik singülerlikler doğurur. Kozmik sansür hipotezi,bizi karadeik singülerliklerinden (tekilliklerinden) koruyabilir;ama büyük patlamayı,tam cepheden çıplak olarak görebiliriz. Fakat kuantum genel göreliliği ve onunla birlikte,sınır olmaması önerisi, gözlediğimize benzeyen bir evren öngörür. Hatta, bunun, mikrodalga arka planında,gözlenen fluktuasyon spektrumunu öngördüğü de anlaşılıyor. Lakin kuantum kuramı,klasik kuramın kaybettiği öngörüyü yeniden sağlasa da bunu tam olarak yapamaz. Çünkü uzay-zamanın tamamını karadelikler ve kozmolojik olay ufukları dolaysıyla göremeyeceğimiz için,gözlemlerimiz, tek bir durum yerine,bir kuantum durumları ensemble’I ile belirlenir. Bu ek bir öngörülememe getirse de,evrenin niye klasik göründüğünü de açıklayabilir. Schrödinger’in kedisini,yarı canlı,yarı ölü olmaktan kurtaran da budur.
Fizikten öngörüyü kaldırmak ve on u indirgenmiş şekilde, yeniden yerine koymak,başlıbaşına bir başarı öyküsüdür. Söyleyeceklerim bundan ibarettir.
(Hawking’in konuşması,Uzay ve Zamının Doğası, s: 114-120)
Uzay-zaman geometrisi ve bunun sonucunda uzayın geometrisi deyince ne anlaşılmalı? "Uzayın yapısını soruşturmak herkesin harcı değildir,çünkü hiçbir şey uzayın sıradan,yani Eukleides uzayı olduğunu bize göstermez. Evrenin genişlemesini zaman içinde araştırmak doğaldır,çünkü genel görelilik,özü bakımından, Evreni uzay zaman birliği içerisinde kavrar,öyle ki, Evrenin gelişmesi onun betimlemesinden ayrılamaz.
Öyleyse, uzayın gelişmesini incelemek,genel göreliliği Evrenin tümüne uygulamaktır. Bu, ilke olarak olağandır,çünkü,Evrenin enerji bakımından içeriği onun geometrisini belirler. Bu içerik hakkında gözlemle elde edilen bazı bilgilerimiz var.
Her zaman olduğu gibi,gerçek bir cismi matematik bir betimleme ile incelemek söz konusu olduğu zaman,sorunun verilerini derinlemesine değiştirmeksizin,matematik çözümlemeyi kolaylaştırmaya yarayan bazı sadeleştirmeler yapmaya zorlanırız. Böylece elde edilen sade soruna model adı verilir.
Ele aldığımız konuda,maddenin yıldızlar ve galaksiler olarak dağılışı önce bir yana bırakılır;onun ortalama kütle yoğunluğu galaksilerinkine eşit olan,tekdüze (homojen) bir akışkan gibi dağıldığı varsayılır. Galaksiler arasındaki uzaklıklar,Evrenin yayılır göründüğü uzaklıklara göre küçük olduğundan,böyle bir yaklaşım akla-uygundur ve çözümün (s: 61) sonuçlarını önemli ölçüde bozmaması gerekir.
Gözlem,bize, bir sadeleştirmeyi daha düşündürmektedir. Galaksilerin dağılışını ya da bize ulaşan (X ışınlarına kadar olan düşük frekanslı radyo dalgaları) çeşitli biçimlerdeki ışımaların dağılışını gözlediğimiz zaman,gökyüzünün hiçbir bölgesinde,hiçbir ayrıcalıklı doğrultunun bulunmadığı ve temelde iyi dağılmış bir yayılmanın varolduğu görülür. Bu durumda Yeryüzünden bakılınca Evrenin içeriğinin izotrop (bütün doğrultular eşdeğer) olarak göründüğü söylenir. Bazı ışımalarda bu izotropluk,büyük bir kesinlikle,binde bir mertebesinde doğrulanmıştır.
Başka yerlerde böyle olmadığı halde,insanı gözeten bir rastlantı sonucu,bizim, Evrenin izotrop olarak göründüğü çok elverişli bir bölgeye yerleştirilmiş olmamız pek az bir olasılık gösterir. Böylece, genel olarak, bir gözlemcinin bir galaksi üzerindeki yeri ne olursa olsun onun kendi görüş açısından Evreni yine izotrop olarak görmesi gerektiği kabul edilir. Bu varsayım,matematik formülleştirmede dile getirilirse
izotrop modeller sınıfı elde edilir.Olan şudur ki izotrop Evren modelleri,onları bütün modellerden ayırt eden sade ve temel bir özelliğe sahiptirler. Gerçekten burada,bir
mutlak zaman tanımı yapmak olanağı vardır.Özel görelilik söz konusu olduğunda bir yana atılan zamanın,genel göreliliğin aşırı bir uygulaması halinde yeniden ortaya çıktığını görmek insanı şaşırtabilir. Aslında burada Newton’un mutlak zaman kavramı söz konusu değildir. Şimdiki durumda galaksilerde,ayrıcalıklı gözlemcilerin yer aldığı kabul edilir. Galaksilere göre büyük bir hızla yer değiştiren Einstein’in hayali gözlemcilerini işe karıştırmadan,kendimizi yalnız bu tür gözlemcilerle sınırlandırırız. Sözünü ettiğimiz zaman,yalnızca ayrıcalıklı gözlemcilerin (s: 62) ölçtükleri zamandır. Bu zaman, şu anlamda mutlaktır ki,çeşitli gözlemciler Evrende aynı ayırt edici nitelikleri ortak olarak gördükleri, özellikle, aynı yerel galaksi yoğunluğu ya da ışıma yoğunluğunu gözledikleri anda saatlerini aynı zamana ayarlamayı kararlaştırabilirler. Açıktır ki,böyle bir uzlaşma, ancak gözlemciler için birbirine benzer durumlar gerçekten varolduğu sürece olanaklı olabilir. Bu da ancak izotrop bir evrende görülür.
Mutlak bir zamanı böylece tanımlayınca,uzay-zamanı yeniden uzay ve zaman koordinatlarına bölebiliriz. Bütün yerel gözlemcilerin aynı saate ayarlandıkları,yani aynı galaksiler ve ışıma dağılımını gördükleri uzay-zaman kesimine, şimdi
uzay diyeceğiz. Alışık olduğumuz uzay gibi ( bu zaten aynı uzaydır),bunun da üç boyutu vardır. Küçük ölçüde,nisbeten küçük uzaklıklar araştırıldığı sürece (bu uzaklıklar her şeye karşın yüz milyonlarca ışık yılına kadar gidebilir),uzayın pratikte özellikleri,Eukleides uzayının özellikleridir. Burada paralel doğrular var gibi görülür; doğru çizgi yaklaşık olarak iki nokta arasındaki en kısa yoldur; bir üçgenin iç açılarının toplamı 180derecedir. Bununla birlikte daha büyük uzaklıklar için,yani uzayın şimdiki durumu ve milyarlarca ışık yılı düzeyindeki uzaklıklarla ilgilendiğimiz zaman,uzay, artık zorunlu olarak,Eukleides uzayı değildir.Uzayın Eğriliği
Einstein’in denklemlerini izotrop bir Evren örneği için çözebiliriz. Bulunan sonuçlar kuşkusuz verilere,özellikle, belli bir anda Evrende bulunan enerji yoğunluğuna bağlıdır. Şimdi,tanımlanmış olan uzayın geometrisine gelince,genel olarak üç halin mümkün olduğu görülür (Bu sonuçlar 1930 yıllarında elde edilmiştir. Bunları, Einstein, Lemaitre, Eddington, Tolman, Robertson,Walker ve Friedman’ın araştırmalarına borçluyuz.)
Birinci durum: En basit durum, uzayın üç boyutlu bir Eukleides uzayı olması durumudur. Genel görelilik bu durumu saf dışı etmiyor,uzay-zaman eğri olduğu halde uzay eğri olmayabilir.
İkinci durum: Küre durumunda olduğu gibi ve daha önce anlatılan eğriliğe sahip uzay örneğinde görüldüğü gibi uzay, eğri ama sonlu olabilir. Boyutların sayısını azaltarak,bunun, daha sade bir görüntüsü verilebilir: yıldızların,galaksilerin ve bizim, iki boyutlu yamyassı varlıklar olduğumuzu varsayalım. Bu koşullar altında öğreneceğimiz geometri, çevremizin geometisi,yani düzlem geometri ya da başka bir deyişle iki boyutlu Eukleides uzayı geometrisi olacaktır. Evrenimizin kendisi ise iki boyutlu ve eğri bir uzay oluşturabilecektir. Onun izotrop olması,eğriliğin her yerde aynı olduğu anlamına gelir. Bu da Evrenin,üzerinde galaksilerin, Dünya’nın ve bizim sığıştiğimiz bir küre yüzeyinden başka bir şey olmadığı sonucunu verir. Bu kürenin yarı çapı birkaç milyar ışık yılı ya da daha fazla olacaktır ve bunun eğriliğini doğrudan doğruya saptayabilmemiz için,kısa ömrümüzün olanak vermediği aynı mertebeden uzaklıkları aşmamız gerekecektir. Nasıl uzay bize üç boyutlu bir Eukleides uzayı olarak görünüyorsa,yassı insanlar için de gerçek, bir düzlemde yer almış gibi görünecektir. Böyle bir uzay, Riemann uzayı adını alır(Aslında Riemann çok daha genel uzaylar üzerinde çalışmıştır.).
Üçüncü durum: Geometrinin Eukleides uzayı olmadığı ama uzayın Eukleides uzayı gibi sonsuz olduğu,üçüncü bir uzay sınıfı vardır. 19. Yy matematikçileri,Eukleides geometrisini ve beşinci postülayı bir sorun olarak ele aldıkları zaman,önce Eukleides uzayı olmayan iki uzay sınıfını inceleme yoluna gittiler. Birincisi, üç boyutlu küreden başka bir şey değildir. Böyle bir uzayda,iki “doğru” daima birbirini keser ve sonuç olarak paralel yoktur. İlk olarak Rus Lobatçevski’nin ileri sürdüğü ikinci öneri öyle bir uzaydır ki,burada, verilen bir doğruya bir noktadan sonsuz sayıda paraleller çizilebilir.Bununla birlikte bu,birçok bakımdan Riemann uzayına benzer:özellikle izotroptur. Teknik bir dil kullanırsak,kürede olduğu gibi pozitif değil negatif ve sabit bir eğriliği olan bir uzay sözkonusudur. İki boyutlu Lobatçevski uzayının tamamıyla sadık bir görünümünü,üç boyutlu Eukleides uzayında yer alan bir yüzeyle göstermek olanaklı değildir. Böyle olunca, bunu, Riemann uzayı için yaptığımız gibi,yassa kişilerle görünür bir hale getirmek olanak dışıdır.
İzotrop bir evrende olanaklı üçüncü uzay sınıfı,üç boyutlu Lobatçevski tipinde bir uzaydır.
Birbirinden bu kadar açımça ayrı olan olanaklı bu üç uzay sınıfını görünce, hemen şu soru ortaya çıkıyor: içinde yaşadğımız uzayın gerçek yapısı nedir? Eukleides uzayı mıdır, Riemann tipinde midir ya da Lobatçevski tipinde midir?
Bu soruya ilke olarak deney yolu ile karşılık verilebilir. Gerçekten uzay-zaman geometrisinin içeriği,Einstein denklemleri kullanılarak belirlenmiştir. Uygulamada izotrop bir uzay için Einstein denklemleri,Evrenin tüm genişlemesini,ondaki enerji yoğunluğuna bağlamaktadır. Bu yoğunluk ise kütlelerin ve özellikle uzaydaki galaksi kütlelerinin dağılmasından başlayarak hesaplanabilir. Bu iki tür nicelik arasında,yani kütle ve dağılma arasında bulunan bağlantı,açıkça uzayın geometrisine bağlı olduğundan,sağlanan oranlara göre bundan uzayın biçimi çıkarılabilir.
Bu program gerçekleştirilmiştir. Burada bazı kesinsizlikler vardır,çünkü kütle yoğunluğu hesabında,Evrenin ışıklı olmayan ama ağırlığı bulunan bir parçasının unutulup unutulmadığı her zaman düşünülebilir.(örneğin hidrojenin yakalanamayan biçimde hipotetik bir dağılışı),olanaklı olan bu çeşitli parçaları gözden geçirmek ve gözlemin onlara dolaylı olarak koyduğu sınırları belirlemek yerinde olur. Uygulamada, ikisi dışında, bütün bu olanakları ortadan kaldırmak olanaklı olmuştur;bunlardan birinin olasılığı özellikle çok azdır;bu da Evrende karanlık maddenin bir dağılımının bulunduğudur. İkincisi galaksiler arasında büyük ölçüde iyonlaşmış bir maddenin yer aldığını varsaymaktadır. Gerçekten de bunun böyle olduğunu düşünme olanağı vardır. Bu olanakları bir yana bırakırsak,şu sonuca varırız: Evrenimiz Lobatçevski tipinde olmalıdır. Bu,onun özellikle sonsuz olması demektir.(Evrende çok sayıda nötrinolar ya da gravitonlar varsa, bu soucu yeniden gözden geçirmek gerekecektir.).
(R. Omnes, Evren ve Dönüşümleri, Onur Yays:61-66)
EVRENİN GENİŞLEMESİ VE GENEL GÖRELİLİK
“Olaylar dünyası,dinamik olarak üç boyutlu uzayda bir dönüşüm süreci gibi tanımlanabilir. Ama statik olarak dört boyutlu bir uzay-zaman süreklisi gibi de tanımlanabilir. Klasik fizik bakımından biri dinamik ve öbürü statik olan bu iki tanım eşdeğerdir. Oysa görelilik kuramı bakımından statik olanı daha kullanışlı ve daha nesneldir. Bununla birlikte,istersek, görelilik kuramında da dinamik tanımı kullanabiliriz. Yalnız zaman artık “mutlak” olmadığı için bu uzaya ve zamana ayırma işleminin nesnel anlamı olmadığını unutmamalıyız. Bundan sonraki sayfalarda “statik” anlatımı değil,gene “dinamik” anlatımı kullanacağız. Ama bunun sınırlarını hep göz önünde tutmalıyız.
Hala aydınlatılması gereken bir nokta var. En önemli sorunlardan biri daha çözülmedi: Eylemsiz (süredurumlu) bir sistem var mıdır? Doğa yasaları üzerine onları Lorentz dönüşümüne göre değişmezliği ve birbirine göre düzgün doğrusal hareket eden bütün eylemsizlik sistemlerinde geçerliği üzerine bazı şeyler öğrendik. Yasaları biliyoruz;ama onlara hangi sınırlar içinde başvurmamız gerektiğini bilmiyoruz.
Bu güçlüğü anlamak için klasik fizikçi ile bir görüşme yapalım ve ona bazı sorular yöneltelim:
“Süredurumlu sistem nedir?”
“Mekanik yasalarının geçerli olduğu bir koordinat sistemi(KS)dir.
Einstein- L.Infeld,Fiziğin Evrimi, Onur yay s: 180-181…..)
“
Genel göreliliğin, zorunlu olarak,uzay-zamanı kendi bütünlüğü içerisinde ele aldığını ve buna göre uzayın evrimini de kapsadığını belirtmiştik.Bu gelişmenin ne demek olduğunu bilmek için en kolay yol galaksileri, esas olarak, uzayda bir takım noktalar gibi düşünmektir. Bir galakside bulunan gözlemciler için, atom fiziğini nicelik bakımından tanımlamaya yarayan temel sabitlerin değişmez olduklarını kabul edeceğiz. Bu, Planck sabitini, elektronun kütlesi ile yükünü ve ışığın hızını kapsar. Galaksiler arasındaki uzaklıkları ölçtükleri zaman, bu gözlemciler,elde ettikleri sonuçları atomik birimlere bağlarlar... Böylece gökbilimsel uzaklıkları atomik birimlerle karşılaştırarak gözlemciler değişiklikleri yakalayabilirler. Başka bir görüş, doğrudan doğruya deney sonuçlarına dayanmak ve genel görelilik modellerinin galaksiler tayfının kırmızıyla doğru sistemli bir yer değiştirmesi öngörüp görmediğine bakmaktan ve olayın pratikte ne anlama gelebileceğini düşünmekten ibarettir.
Kuramsal olarak, Evrenin bütün modellerinde, gelişmelerinin (s: 66) bir devresi boyunca,galaksilerin tayflarının kırmızıya doğru sistemli olarak yer değiştirdikleri bulunmaktadır, bu da ancak her durumda Evrenin bir genişleme halinde olmasına bağlanabilir. Başka bir deyişle atomik birimlerle ölçüldüklerinde, galaksiler arasındaki uzaklıklar zamanla artmaktadır.
Öyleyse genişleme, gerçekten uzayın bir büyümesine, yani atomik birimlerle ölçülen bir bölgenin boyutlarının sistemli olarak artmasına karşılıktır.
Einstein denklemleri, şimdiki durumu hesaba katarak,ilke olarak Evren’in gelecekteki gelişmesinin ne olması gerektiğini önceden söylemeye olanak sağlamaktadır. Bununla birlikte, şimdiki durumu belirleyen ölçülerdeki önlenmez yanlışlar,Einstein denklemlerinin çözümünün özelliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Özellikle denklemlerin ifadelerine giren ve burada Newton’un evrensel çekim sabitinin (s: 67) oynadığı role oldukça yakın bir rol oynayan ve kozmolojik sabit adını alan bir büyüklük vardır. Uygulamada bu büyüklük birbirine çok uzak iki kütlenin karşılıklı etki yasaların belirtirken,Newton sabiti bu yasayı küçük uzaklıklar için belirlemektedir. Kozmolojik sabit hakkındaki bilgimiz hiç de kesin değildir,çünkü bunu hesaplamak için büyük uzaklıklarla ilgili ve önemli derecede yanlışları bulunan pek çok gözlemi işe karıştırmak gerekmektedir. Toplam olarak bu yaklaşıklıklar hesaba katıldıkları zaman, tahminler yapmanın ve özellikle, gelecekte Evrenin bir büzülme devresinin beklenip beklenmeyeceğini bilmenin olanaksız olduğu görülür. Ne olursa olsun,şilmdiki genişleme aşamasının daha birçok onlarca milyon yıl süreceğini beklemek uygun olur.
Buna karşılık Einstein denklemleri, geçmiş hakkında çok kesin sonuçlar elde etmeye olanak sağlar. Bunun nedeni şudur: Evrende şimdiki kütle yoğunluğuna,kozmolojik sabite ve hatta uzayın geometrisine ait kesinsizlikler, geçmişe doğru gittikçe daha az önemli bir rol oynamaktadırlar. Gözlemin getirdiği bütün bilgiler hesaba katıldığı ve bunlar, genişlemenin (s: 68) geçmişteki akışını belirtecek biçimde Einstein denklemlerine eklendiğinde, görünüşte önlenemez olduğu kadar olağan dışı bir sonuca varılır. Geçmişin uzak bir devresinde, maddeni yoğunluğu ile uzay-zamanın eğriliği sonsuzdu. Bu anın zamanını tam bir kesinlikle söyleyemeyiz;ama bunun geçmişte altı ile on beş milyar yıl arasında bulunduğu, en olası değirin on milyar yıl olduğu söylenebilir.
Olayı en iyi canlandırabilecek olan yine Riemann Evreni’nin durumudur. Zaman içerisinde geriye doğru gidildikçe,iki boyutlu modelimizde, uzay küresinin yarıçapı gittikçe küçülmektedir,burada madde sürekli olarak darlaşan bir hacme sıkışmaktadır; sonunda tarihin sıfır zamanına varılır ki, bu anda bütün Evren bir toplu iğne başı kadardır. Bir Labatçevski uzayında, böyle göze çarpan bir görüntü yoktur;ama sonuç aynıdır. Gerçekte çok küçük zamanlar için uzayın geometrisi pek önemsiz bir rol oynar.
Bu sonucun, bazı sadeleştirici varsayımların yanıltıcı bir sonucu olup olmadığını kendi kendimize sorabiliriz. Sonunda evrensel bir zamanın varlığı, tam olamayan bir izotropluk özelliğinden geliyordu. Bununla birlikte durum böyle görünmüyor. Temel bir araştırmada, İngiliz Penrose ve Hawking, Evrenin gelişmesi, kendi bütünlüğü içinde incelendiği zaman, ‘tekilliklerin’ varlığının önüne geçilmez bir olay olduğunu kesin bir şekilde göstermişlerdir. Genel halde bu tekilliklerin alabilecekleri biçimler çok çeşitlidir ve kurgubilim yazarlarına yeni konular verebilir: izotrop modelin gösterdiği gibi sonsuz eğrilik ve yoğunluk halleri dışında, Evrenin, zaman çizgilerinin kapandığı ve böylelikle aynı olayların sonsuz defa yinelenmesine yol açtığı ve bir başka uzay-zaman ile çakıştığı durumlarla karşılaşılabilir. toplam olarak izotroplik bir yana bırakılsa bile bir ya da birçok “başlangıç tekillikleri”nin varlığına ait sonuçlardan kuşku duyulması olanaksız görünüyor.
Daha Augustinus o zaman bile soruyu ortaya (s: 69) atmıştı: “Yaratmadan önce Tanrı’nın ne yaptığını soranlara ne karşılık vermeli?” Evrenin sıfır zamanından önce ne olduğunu soranlara ne diyeceğiz? Genişlemeden önce sonsuz olarak büzüldü mü? Hiçbir şey bilmiyoruz? Gerçekte sıfır zamanından önce yer alan olayın, bu devrenin koşullarına dayanabilecek hiç bir izi kalmadığına göre, büyük bir olasılıkla hiçbir zaman bile bilemeyeceğiz.
Her yanlış anlamayı önlemek için,zamanın bir başlangıcının varlığını söyleyebileceğimiz koşulları iyice belirtelim: her şeyden önce genel göreliliğin, kendi bütünlüğü içerisinde, evreni tanımına gerçekten uygulanabileceğini kabul etmek gerekir. (Bir sıfır zamanı olanağına karşı düşünen bazı yazarlar, genel rölativiteyi yadsımayı ya da değiştirmeyi yeğlediler). Sonra uzayın izotrop olduğunu kabul etmek gerekir, aksi halde, başlangıç zamanı, uzayın bölgelerine göre değişebilir görünür. Burada temel bir sorunun söz konusu olduğunu ve bir sürü olanakların karşısında bulunduğumuzu gizlememeliyiz. Bununla birlikte bilgilerimizin şimdiki çerçevesi içinde zamanların bir başlangıcını varlığı, olsa olsa en sade ve en doğal varsayım olarak kalmaktadır. Kaldı ki, bunun dikkate değer deneysel doğrulanmalarının bulunduğunu göreceğiz.
Durağan Kuramlar
Bazı kuramlar,zamanın bir başlangıcı olduğunu zorunlu olarak kabul etmeden de galaksi tayflarını kırmızıya kaymasını açıklamak eğilimindedirler.
Uzun süre çok tutulan bu tür bir kuram, İngiliz
Bondi, Gold ve Hoyle tarafından ileri sürülmüş ve durağan evren kuramı adını almıştır. Bu kuram, genişleme ile Evrenin başlangıcı olmadığını varsayan görüşü uzlaştırmaya çalışır.Burada genişleme, uzay-zamanın davranışında gerçek bir görüngü diye kabul edilmiştir. Bundan başka bu kuram, Evrenin, görünüşte, bütün noktalarında ve bütün (s: 70) zamanlarında pratik olarak aynı kaldığını ileri sürer. Bu iki koşulun uzlaştırılabilmesi için sürekli olarak iş başında bulunan ve madde üreten bir mekanizmanın varolması gerekir. Bu üretim, maddenin yoğunluğunu olduğu gibi korur,aksi halde genişleme sonucu olarak bu yoğunluk gitgide azalacaktı.
Bu konuda bazı noktaların belirtilmesi gerekiyor:
Maddenin üretilmesi mekanizması çok yavaş olmalıdır, çünkü genişlemenin oluştuğu zamanlar süreci çok büyüktür. Bu büyüklük ise elemanter parçacıkların üretiminin çok zayıf oluşunun bir sonucudur, çünkü bu üretim çok büyük kuramsal güçlükler doğurmaktadır. Burada, yalnızca protonlarla elektronların mı,yoksa nötronların ve hatta karşı parçacıkların mı yaratılması söz konusudur diye soruşturulmuştur. Bu üretimin hangi bölgelerde gerçekleşebileceği sorunu da ortaya atılmıştır. Gerçekten de böyle bir üretim,keskin bir biçimde,çok büyük ve çok küçük ölçekteki görüngüler arasında yer alan bağlantı sorununu ortaya çıkaracaktır.
Gerçek şudur ki böyle bir oluş genel görelilikle ile uzlaşamaz.
Bir başka kuram, Dirac tarafından ortaya atıldı. Burada atomik birimler cinsinden ölçülen galaksiler arası uzaklıkların artmasının, atomik uzaklıkların zaman boyunca bir azalmasından ileri geldiği düşünülüyor. Planck etkisinin sabiti, elektron yükü ya da kütlesi gibi değişmez saymaya alıştığımız büyüklükler zamanla değişiyorlarsa böyle bir sonuç ortaya çıkabilir. Kaldı ki bu kuram, görelilik yapısında bir genişlemenin başka bir sonucunu da olanak dışı bırakmamaktadır.
Ama öyle bir görüngü vardır ki bu kuramları çürütür gibi, hiç değilse büyük güçlüklerle karşılaştırır gibi görünüyor: Bu görüngü evrensel ısı ışımasıdır.
Bunu açıklamak için genel olarak bir ısı ışımasının ne olduğunu ve böylece geriye dönerek ısı ve sıcaklık ile ilgili bazı temel kavramları belirtmek gerekir.(s: 71).
(Roland Omnes, Evren ve Dönüşümleri, s: 66-71)
Evrenbilim yani kozmoloji, hem fiziği hem de astronomiyi kendine temel dayanak yapmış modern bir bilim dalı. Bizi, göklerde, gezgenler arası uzayda, yıldızlar arası uzayda gezdiren bir bilim dalı.
Big Bang Kuramı
Evrenimiz epeyce yaşlı. Ne kadar diyorsanız 15 milyar yıl kadar diyeceğim. Evren denen şeyi gökyüzüne gözlerimizi ve aklımızı diktiğimizde anlarız. Evren, illa bir başlangıç ve sona mı sahiptir? Evren' in başlangıcı var mıdır? Bu varsayımdan asla vazgeçemez miyiz? Devam edelim. Evren' in bir sonu var mıdır? Bu son kaçınılmaz mıdır? Hawking, 1992’de yaptığı bir konuşmada felsefecilere ve bilim felsefecilerine ve bazı fizikçilere ilginç göndermeler yapmıştı: "
Onlar hala görelilik ve kuantum mekaniği gibi bu yüzyılın ilk yıllarının bilimsel kuramlarını tartışıyorlar. Fiziğin şimdiki keşif alanlarıyla bağlantı kurmamışlardır."(Hawking, Karadelikler ve Bebek Evrenler ,s:47-48)
Tersine Evrim
Bildiğimiz şekilleri ile fizik yasalarını bir izotrop Evren modeline uygularsak,öncelikle fizikçi Gamow tarafından incelenmiş olan bazı temel sonuçları elde ederiz.
Buradaki yöntem,Evrenin geçmişte nasıl davranması gerektiğini incelemekten başka bir şey değildir. Genel Görelilik, bize,zamanın içerisinde,genişlemenin nasıl meydana gelmesi gerektiğini söylemektedir;bunun şimdi galaksilerde bulunan madde üzerindeki tepkilerini inceleyibiliriz. Böylece zaman içerisinde geriye gitmek olanaklı olur. Bu incelemenin sonuçlarının,önerilen çerçeve içerisinde Evrenin tarihini anlatacak olan bir film biçiminde gösterildiğini ve geçmişe gitmek üzere şu andan başlayarak bu filmin gözümüzün önünde,tersine oynatıldığını düşünelim.
Genişleme tersine izlenirse bu, önce bize, birbirine yaklaşan galaksileri gösterir. Zaman içinde gerilere doğru gidildikçe galaksilerin her birindeki yıldızlar,geçmişlerindeki kişiliklerine bürünürler ve bunları meydana getirmiş olan gaza dönerler;daha sonra galaksilerin birbirine değdiği bir an gelir. O zaman ne olur? Evren büzülmeye devam eder,galaksiler birbirine karışarak tek bir gaz haline gelirler. Yalnızca bağlı olduğu galaksinin gravitasyonal çekimi altında bulunan bir gaz molekülü,şimdi komşu galaksilerden gelen gazın da gravitasyonal çekimini duyar. Evren büzüldüğü için moleküller gittikçe birbirine yaklaşır. Sonunda,büzülen bu gaz ısınır ve moleküllerin yer değiştirme hızı artar. Böylece Evren büzüldüğü ölçüde moleküller gittikçe birbirine yaklaşır ve gittikçe hızlanır,birbirine çarpar,yerlerinde duramaz ve onların,yüksek bir sıcaklığın özelliği olan devinim haline ulaştıkları görülür. Evren şimdi sıcak bir gazla,tersine görüşümüzde galaksilerden gelen ilk madde ile, aslında gelecek galaksilerin kalıbı ile doludur.(s:81)
Kuşkusuz,yüksek sıcaklıktaki bu gaz, bir ısı ışıması yayar ve hem gazın hem ışımanın başına neler geldiğini düşünmek yerinde olur. Evren büzülmeye devam ettiği sürece,zaman içindeki bu geri gidiş boyunca sıcaklık yükselir.
Gazın atomları gittikçe daha fazla ışıma yayarlar ve büzülme dolaysıyla kazandıkları enerjinin en büyük bölümünü bu ışımaya harcarlar;öyle ki çok geçmeden ışımada,atomlarda bulunan enerjiden daha çok enerji kullanılmış olur.
Filmi durduralım. Fiziğin olağan yasaları ile genel görelilik kuramının birleşmesinin,Evrenin geçmişte yüksek bir sıcaklık derecesinde bulunması ve şiddetli bir ısı ışımasını kapsaması gerektiğini bundan çıkarmak uygun olacaktır. Bu dersten kuvvet alarak,artık, Evrenin başlangıç devresindeki davranışını incelemeye başlayabiliriz.
Genişleme ve sıcaklık
İzotrop bir Evrenin,başlangıcına yakın devrelerdeki davranışını düşünelim. Görüldüğü gibi evrim tarihi,uzay-zamanın sonsuz bir eğriliğe sahip olduğu ve sıfır zamanı demeyi uygun gördüğümüz bir anda başlamaktadır.
Einstein denklemleri,genişlemeyi Evrenin içeriğindeki enerji yoğunluğuna bağlama olanağını sağlıyor,bu enerji hiç değilse birinci milyon yıl süresince başlıca ısı ışımasından gelen enerjidir. Pratik bakımdan ışıma yasaları sayesinde sıcaklık bilindiği zaman enerji yoğunluğun ne olduğu söylenebilir. Bunun sonucu olarak Einstein denklemleri,uzayın genişleme hızı ile sıcaklık ve zaman arasında çözümleri kolaylıkla bulunabilen bağlantılar verir.
Böylece sıcaklığın zamana bağlı olarak değişmesi konusunda,daha sonra özellikle anlamlı görünecek olan bazı değerler bulunur:
- Evrenin doğuşundan 10
En kolay yol, bizim alışık olduğumuz sıcaklıklara dönmek ve sıcaklık arttıkça hangi yeni görüngülerin ortaya çıktığını incelemektir. Biliyoruz ki,sıcaklık binlerce dereceye ulaştığı zaman,bütün cisimler,eridikten sonra buhar haline gelirler ve sonunda ayrı ayrı atomlardan oluşan bir gaz biçimini alırlar. Evren için geçerli olan yoğunluklarda,sıcaklık 3.000 dereceye yaklaşarak bunu aşarsa,atomlar da gitikçe kararsız olurlar ve kendilerini oluşturan elektronlar ile çekirdeklerine ayrılmaya başlar. Bir milyon derecede artık çoktan beri ortada atom kalmamıştır. O zaman elektronlar ve çekirdekler,ısı ışımasını oluşturan ve gittikçe yoğunlaşan bir fotonlar banyosuna dalmışlardır.
Sıcaklık 10 üzeri 10 dereceye yaklaşınca yeni bir görüngü ortaya çıkar: artık ısı ışımasında yalnızca fotonlar değil elektronlarla pozitronlar da yer alır.
(Roland Omnes, Evren ve Dönüşümleri, s: 81-83 )
Gamow Modeli
Şimdiye dek uzmanların üzerinde en çok durduğu evrenbilim modelini size anlatmak istiyorum. Bu düşüncelerin filizlenmesi 1930 yıllarına dek uzanıyor. Bu yıllarda,asıl anlamı ile evrenbilimin göreli temelleri atılmıştır;bu temeller,”ilk atom modeli” gibi uyarıcı bir ad veren Mgr Lemaitre tarafından ortaya konmuştur. Bununla birlikte,bundaki büyük pay, bu modellerin fiziksel sonuçlarını,bunu baştan aşağıya yenileyecek biçimde inceleyen Georges Gamow ve çalışma arkadaşlarına aittir. Gamow, buna büyük patlama (big bang) adını vermişti; bu, gelişmenin hızlı oluşunu ve ilk aşamalarında sonuçların şiddetini iyice gözümüzün önüne sermektedir.
Burada izotrop bir Evren modeli söz konusudur. Öyleyse buna,evrensel bir zaman kavramı,bir sıfır anında başlayan bir zaman katılabilir. Bu evrenin içeriği şimdiki anda varolan nükleonlara eşit sayıda nükleonlardan ve bir ısı ışımasından ibarettir. Daha kesin söylemek gerekirse Evrenin belli bir parçasının o zamandan beri genişleme halinde olduğu ve daima, ortalama olarak,aynı nükleon sayısını kapsadığı düşünülebilir.
Einstein denklemleri ve İstatistik termodinamiğin yasaları,uzayın genişlemesinin ve ısı ışımasının sıcaklığının,zaman boyunca nasıl değiştiklerini tam olarak göstermeye olanak sağlamaktadır(Sonuçlar çok sadedir;uzayın belli bir bölgesinin boyutları,zamanın kare kökü ile orantılı olarak artar ve sıcaklık bu kare kökle ters orantılı olarak azalır). Böyle bir sistemde hangi fizik görüngüler birbirlerini izleyebilmiştir?
Varlıklarını çok küçük bir süre içerisinde sürdürebilen nükleonlar,Evrenin,içeriği tamamıyla ihmal edilebilecek olan bir bileşenidir,bu içerik pratikte ısı ışıması ile aynı sayılabilir. Bu ışıma bütün elemanter parçacıkların bir karışımından ibarettir: bunların arasında fotonlar, elektronlar,pozitronlar,müonlar,nötrinolar,pionlar,nükleonlar,karşı-nükleonlar,bunun yanısıra daha az bilinen parçacıklar yer alır. Bu çeşitli türden parçacıkların her birinin oranı sıcaklığa bağlı olarak değişir,başlangıçta her türün,aşağı yukarı eşit olarak temsil edildiği düşünülebilir. Bu parçacıkların yoğunluğu çok büyüktür: atom çekirdeklerinin ilk saniyenin yüz binde birindeki yoğunluklarının birçok katıdır ve böylece santimetre küp başına 10 15 gram mertebesindedir.
Saniyenin yüz binde biri, bu, son derece kısa değil mi? Şuna işaret etmelidir ki,önemli olan, bir fizik büyüklüğün (burada zaman) mutlak değeri değil,bunun, sistemin özelliklerini belirleyen aynı cinsten büyüklüklere olan oranıdır. Pi mezonları ve nükleonlar gibi birbirlerine kuvvetle etki tepki yapabilecek olan elemanter parçacıklar, bunu 10
–23 saniye mertebesinde bitirirler. Yüz binde bir saniyede bunların 1018 kez birbirlerine etki yapabilecek zamanları vardır. Bu o kadar büyük bir zamandır ki,bize istatistik yöntemlerin temelinde bulunan hesapları rahatça ve serinkanlılıkla uygulama olanağını verir. Çekirdeklerin yoğunluk mertebesindeki bir yoğunluğa gelince bu bizi,büyük bir bölümünü incelediğimiz görüngülerin ötesine sürüklemez..Varlıklarını sürdürecek olan ve şimdi galaksileri oluşturan elemanlar olarak karşımıza çıkan nükleonların sayısının küçüklüğü hakkında,şu, bir fikir verebilir: bunlar, ancak, ısı ışımasının tamamlayıcı parçası olan nükleonların milyarda biri kadardır. Kaldı ki bunları, birbirinden ayır etmek olanaksızdır;ama yalnızcı şunu söyleyebiliriz ki,Gamow modelinde,çok yüksek sıcaklıklarda nükleonların sayısı, karşı-nükleonların sayısını, milyarda birin bir kesri kadar aşar. Bu sayı,ne kadar küçük olursa olsun,maddenin daima orada varolduğunu ve esas olarak bir başlangıç verisi olduğunu varsayan kuramının temel bir parametresidir. Maddenin varoluşu kadar esaslı bir şeyin nükleonlarla karşı?nükleonların bilançosu gibi küçük bir dengesizliğe dayanması garip görülebilir; kaldı ki,bu dengesizlik,derin bir gerekçe olmaksızın ortaya konmuştur;ileride zihnimizi karıştıran bu soruna yeniden döneceğiz.
Genişleme sürdükçe sıcaklık azalır ve en ağır parçacıklar,ısı ışımasının içende yokolur. Bu sonuç, soğumanın değil ışımanın ısınmasının tartışılması sırasında açıklanan sonuçtan çıkar. Sıcaklık ölçüsü olarak parçacıkların ortalama enerjisi alınırsa,ısı enerjisi göreli kütle enerjisinden daha küçük olur olmaz,bu parçacıkların (gerçekte çok kural dışı bir biçimde) pek hızlı olarak kayboldukları görülür. Böylece nükleonlarla karşı-nükleonlar ilk kaybolanlar arasında bulunur. Saniyenin binde birinin sonunda,ısı ışımasında bunlardan artık pratik olarak hiçbiri kalmaz. Ancak, başlangıçta hafif bir fazlalık oluşturanlar varlıklarını sürdürür,ötekiler karşı nükleonlarla çiftleşerek birbirlerini karşılıklı olarak yok eder.
Bundan sonra da Evrenin tarihi,oyuncuların birbiri peşinden kayboldukları romantik bir dram görüntüsünü kazanır:
Birinci Perde
: Kişilerin tanıtılması. Bu perde 10 üzeri-4 saniye sürer ve hadronik dönem adını alır.Çünkü bu dönem, parçacıkların birbirlerini kuvvetle (bu parçacıklara hadronlar denir,hadros Yunanca’da kuvvetli demektir) etkileyebildikleri,yani bir çekirdekteki nükleonlar kadar kuvvetli etkileşme yeteneğine sahip parçacıkların bulunduğu biricik perdedir. Nükleonlarla karşı-nükleonların yokoluşundan sonra, hadronlar ailesinin son arta kalanları olan pi mezonları da kaybolur. Geriye nötrinolar,elektronlar,pozitronlar,fotonlar (müonlar,kütleleri pek farklı olmadığından,ölümde hemen pionları izler) ve başlangıçtaki zayıf nükleon fazlalığı sahnede kalır.İkinci Perde : Bu perde,aşağı yukarı bir çeyrek saat sürer ve pozitronların tamamıyla son bulur. Bu sırada bu pozitronlar elektronların çoğunu da birlikte sürükler. Elektrik yükünün korunumu yüzünden ne kadar elektron varsa tastamam o kadar nükleon kalır; bu nükleonlar zorunlu olarak protonlardan ibarettir. Birinci perdenin sonunda nükleonların yarısını oluşturan nötronlar beta bozunması gibi tepkimeler yüzünden arada protonları doğurmuşlardır;açık bir deyişle bu, bir nötrino bir nötrona rastlayınca bir proton ve bir pozitron doğuruyor ve bu sonuncusu da daha sonra yok oluyor demektir.
Seyircilerin dikkatini uyandırmak için bu perde boyunca birdenbire ilginç bir değişme oluşur: gerçekten nükleonlar birbirleri ile tepkimeye girerler ve daha ağır çekirdekleri,özellikle helyum çekirdeklerini oluşturur. İleride bu sahneye yeniden dönme fırsatını bulacağız.
Bu ikinci perdeye leptonik dönem denir. Leptonlar adı,toplu olarak elektronları, pozitronları,nötrinoları ve hatta bundan başka müonları da gösterir. Sonunda sahnede fotonlarla,protonlar ve elektronlar arasındanh arta kalanlar yer alır Daima hazır bulunan nötrinolar bundan sonra ancak sessiz kişiler rolünü oynayacaklardır ve kuliste kalmışlardır.
Üçüncü Perde
: Bu, bir milyon yıl süren görkemli bir perdedir. Burada fotonların önce yükselişi seyredilir ve sonra onların çöküşü görülür. Isı ışımasını oluşturan öteki bileşenlerin tersine,bunların sayısı azalmaz,çünkü kütleleri sıfır olduğundan,bu fotonların yok olmasını belirleyecek olan belli bir sıcaklık onlar için söz konusu değildir. Bununla birlikte,uzayın genişlemesi sonucu,yoğunlukları gittikçe azalır. Bunun gibi, sıcaklık ile birlikte ortalama enerjileri de azalır,çünkü bu enerji ortalama olarak ısı enerjisi mertebesinde kalır.Bütün perde boyunca,protonlarla elektronlar ayır kalır ve atomlar halinde bağlanmaya yönelmez,çünkü onların ısı hareketleri henüz çok büyüktür. Fotonların sayısı gibi onların sayısı da değişmez,çünkü elektronlarla protonların sayısının fotonlarınkine oranı milyarda bir olan bir büyülü değere eşittir.
Perdenin başında maddesel parçacıklar (protonlarla elektronlar) sayılarının azlığı yüzünden önemsiz bir rol oynuyorlardı ve bütün sahne önü,genişleme olayını tamamıyla enerjileri ile belirleyen fotonlar tarafından ele geçirilmişti. Bununla birlikte yavaş yavaş bu enerjinin azalması sonucu, maddesel parçacıklar üstünlük kazanmaya başlarlar. Bir 500.000 yıl sonunda onlar kütleleri ile genişlemenin temposunu denetlemeye yönelirler. Bununla birlikte basınca olan katkıları bakımından sonuna kadar önemsiz kalır.
Bu dönem,burada fotonların oynadıkları temel rol yüzünden ışımalı dönem adını alır.
Dördüncü Perde
: Bu, yıldı dönemi, yani içinde bulunduğumuz dönemdir ve bizim açımızdan en ilginç olanıdır. Bu dönem, atomların,galaksilerin, ağır çekirdeklerin,yıldızların doğumu gibi çok büyük olayları bize göstermeli idi. Ama, şimdiye kadarı ile bir parça canlılığı eksik olan bir tarihin başta gelen görüşlerinden birini oluşturan üçüncü perdeden dördüncü perdeye geçiştir.Şimdi üçüncü perdenin,ışımalı dönemin sonunda,yani 600.00 yılı ile iki milyon yılı arasında neler olduğunu düşünelim.
Evrenin sıcaklığı yavaş yavaş 5000 derecelerden 2000 dereceye düşer ki bu, soğuk yıldızların yüzeyinde bulunan sıcaklıklar düzeyindedir. Maddesel parçacıkların yoğunluğu da santimetre küpte 10 üzeri –22 gram düzeyinde,yani her santimetre küpte yaklaşık 1000 parçacık düzeyinde kalmakla birlikte genişleme sonucu yavaş yavaş azalır. 'Isı fotonları' bunun bir milyar katıdır.
Işımalı dönemin sonunu gerçekten gösteren şey,protonlarla elektronların ısı hareketlerinin,onların atomlar halinde birleşme eğilimlerine karşı koymaya artık yeterli olmayışıdır. Atomların oluşması 3.000 derece yakınında gerçekleşir ve birkaç yüz bin yıl sonunda tamamıyla sona ermiş olur. O zaman yüklü parçacıklardan,protonlarla elektronlardan oluşan bir gazdan nötral hidrojen atomlarından oluşan bir gaza geçilir. Işımalı dönem bir ölümle değil bir doğumla, atomların doğumu ile son bulur.
Onların içinde yüzdükleri gazın yapısındaki bu değişme,ısı ışımasındaki fotonların davranışında belirleyici bir rol oynar. Gerçekten,ışımalı dönem boyunca bir foton bir elektrondan bir başkasına gidiyor,onlarla birlikte sıçrıyor ve etkileşiyordu bu da enerjilerinin eşitlenmesini ve böylece toplu ısı dengesini sağlıyordu. Şu halde atomlar serbest elektronlara göre çok daha az bir biçimde fotonlarla etkileşme halindedirler. Böylece atomların oluşumu süresince,madde ile etkileşmeden önce fotonlar gitgide daha uzun sürelerde daha fazla yol alırlar.
Evrenin gelişmesinin bir sonucu da atomların yoğunluğunun azalmasıdır;çünkü her atoma düşen uzay hacmi artmıştır. Bunun sonucu olarak fotonlar,uzayı gittikçe atomlardan boşalmış bulurlar ve böylece yutulmadan önce daha da büyük yollar aşarlar. Sıcaklığın düşmesi olayı da birçok sonucun birleşmesiyle,her atomun bir fotonu yutabilme olasılığını daha da azaltır. Kısaca Evren genişledikçe bir fotonun saçılması ile yutulması arasında geçen zaman artar.
Böylece öyle bir an gelir ki,düzen zıvanadan çıkar. Bunu anlamak amacıyla,kendisi için fazla yaşlı bir dünyada çok geç doğan bir fotonu izleyebiliriz. Doğduğu zaman bu fotonun önünde uzun bir ömür umudu,diyelim ki bir milyon yıllık bir ömür umudu var gibi görünür;bu sayıyı, tam bu anda henüz serbest olan atomlarla elektronların yoğunluğunu hesaba katarak kestirebiliyoruz. Böylece foton bir milyon yıl uzayda dolaşır. Ama bu süre boyunca Evren o kadar genişlemiş,elektronların yoğunluğu o kadar azalmıştır ki,doğuşundan bir milyon yıl sonra foton bunlara rastlamaz ve şimdi önünde yüz milyon yıllık bir yaşam umudu daha belirir. Ve bu oluşum sürüp gider,bu kez yoğunluğunun azalması ile madde,fotonlar karşısında gittikçe silinir,bu fotonlar artık atomlarla etkileşmeyi başaramazlar.
Böylece öyle bir an gelir ki fotonlar artık madde ile etkileşemez olur ve Evrende denizin ortasındaki bir gemi gibi hiçbir zaman limana varmadan,son bir atoma rastlayamadan yalnız kalır. Bu dikkate değer görüngü,Evrenin ısı dengesinde bulunduğu devrenin sonunu gösterir. Bunun oluşu aşağı yukarı,sıfır zamanından bir milyon yıl sonradır O zaman sıcaklık da 3.000 derece idi.
Isı fotonlarının tarihi burada bitmez. Aralarından pek azı bir yana bırakılırsa,atomlara rastlamadıklarından,onların kaybolma olanakları bile yoktur. Araçlarımızdan birinin,bugün, bu fotonlardan birini kaydettiğini düşünelim,ne göreceğiz? Bu foton çok erken,on milyar yıl kadar önce saçılmıştı. Bütün bu süre içerisinde gittikçe artan bir hızla kaynağı ondan uzaklaştı,öyle ki,şimdi onu yakaladığımız zaman, o kırmızıya doğru büyük bir kayma göstermektedir. Aslında kırmızıya doğru olan bu kaymayı genel göreliliğin önceden bildirdiği gravitasyonal bir etki olarak da yorumlayabiliriz. Sonuç aynıdır. Şu halde daha önce söylediğimiz gibi bir ısı ışımasının tayf çözümlemesinden,kaynağın sıcaklığı bulunabilir. Eğer eski zamanların sıcak Evreninin fosil kalıntısı olan bu evrensel ışımanın çözümlenmesi yapılırsa,kırmızıya olan sistematik kayma bu ışımanın,çok soğuk bir ışıma olduğu sonucunu verir.
Bu ışımanın ne kadar soğuk olduğunu ölçmek için –273 santigrat dereceden daha düşük bir sıcaklık bulunmadığını belirtelim. Bu sıcaklıkta bütün ısısal hareketler sıfır olur.
Fosil ışımanın (arkaalan ışıması) izlemesi gereken gelişmeyi hesaplarken 1948’de Gamow,bunun daima ısı görünüşünde,ama şimdi birkaç kelvinlik bir sıcaklık göstermesi gerektiğini önceden söylemişti. 1965’te Bell Telefon Laboratuvarı deneycileri
Arno Penzias ve Robert Wilson yaklaşık 7 santimetre dalga uzunluğu bandında son derece kesin bir radyo ışımasını ölçemeyi gerçekleştirdiler. Aslında Gamow kuramını bilmedikleri için onu denemek gibi bir sorunları yoktu. Tam olarak izotrop,yani hangi yönde gözlenirse gözlensin,şiddeti aynı olan bir ışımanın varlığını bulunca çok şaşırdılar. Böyle bir izotopluğun ancak bu ışımanın Güneş’ten ya da bizim galaksimizden gelmesi halinde açıklanması olanaklı olabilirdi. Ayrıca bunun daha uzaktan geldiğini ve böylece Evreni doldurduğunu kabul etmek gerekiyordu. Daha sonra başka dalga uzunlukları (70 santimetre, 3 milimetre,2.5 milimetre) şeritlerinde ölçemeler yapıldı,daima aynı izotroplukla karşılaşıldı. Bu farklı dalga boylarında ölçülen ışıma şiddetleri karşılaştırılınca görüldü ki bunlar, sıcaklığı 3 Kelvin olan bir ısı ışımasından beklenebileceği şekilde dağılmaktadır. Çok geçmeden bu ışımanın birçok yıl önce Gamow’un önceden haber verdiği ışıma olduğu anlaşıldı. Bu buluş evrenbilimde bir devrime işaret olacaktı. Çünkü ilke kez evrenbilimsel bir teori önceden haber verme gücünü ortaya koymuştu. Özellikle uydular aracılığı ile daha çok sayıda gözlem yapılacağı zaman,Evrenin paleontolojisinin 1965’te başladığı herhalde söylenebilecektir.(R. Omnes, Evren ve Dönüşümleri, s:94-102)
YARATILIŞ GÜNLERİ
“Yaratılış probleminden daha ilginç ne olabilirdi? Ayrıca, kozmolojinin problemleriyle temel parçacıkların problemleri erken devrede,özellikle saniyenin ilk yüzde birinde biraraya geliyordu. Her şeyrden önce, erken evren hakkında yazmak için uygun bir zamandı. çünkü şu son on yılda, erken evrende olayların akışıyla ilgili ayrıntılı bir kuram “standart model” olarak büyük kabul görmüştü.
İlk saniyenin ya da ilk dakikanın ya da ilk yılın sonunda evrenin neye benzediğini söyleyebilmek müthiş bir şeydir. Bir fizikçi için işleri sayılara dökebilmek, falanca zamanda evrenin sıcaklığı, yoğunluğu ve kimyasal bileşimi filanca değerlerdeydi diyebilmek keyif vericidir. Doğru, tüm bunlardan kesin olarak emin değiliz; ama artık bu tür şeylerden, çok güvenle olmasa da söz edebilmemiz heyecan vericidir. Okuyucuya iletmek istediğim işte bu heyecandır.
Bu kitabın okuyucu için amaçlandığını söylesem iyi olur. Kimi ayrıntılı savlar üzerine kafa yormak isteyen, fakat matematiği ve fiziği iyi bilmeyen kişiler için yazdım bu kitabı.”(Önsöz’den)
“Evrenin tarihini geriye doğru başlangıcına dek izleme dürtüsü, karşı konulmaz bir dürtüdür.16. ve 17. yy’da çağdaş bilimin başlamasıyla, fizikçiler ve gökbilimciler evrenin kökeni sorununa tekrar tekrar dönmüşlerdir.
Ne var ki böyle araştırmalar geçmişte pek itibar görmedi. Anımsıyorum,öğrenci olduğum sürede ve sonra 1950'lerde kendi araştırmama (başka konularda) başladığımda, erken evrenin incelenmesi saygın bir bilimcimin zaman ayıracağı türden şeyler olmadığı düşüncesi yaygında. Bu yargı mantıksız da değildi. Çağdaş fizik ve astronomi tarihinin uzun bir dönemi boyunca, üzerine erken evren(s: 1) tarihini inşa edecek yeterli bir gözlemsel ve kuramsal temel yoktu.
Ama şu son on yıl içinde(yıl:1976) bütün bunlar değişti. Bir erken evren kuramı öyle yaygın kabul gördü ki, gökbilimciler ona sık sık “standart model” diyorlar. Bu,kimi zaman “büyük patlama” kuramı denen kuramla aşağı yukarı aynıdır; fakat ona evrenin içeriği hakkında daha kesin bir reçete eklenmiştir. Erken evrenin işte bu kuramı elinizdeki kitabın konusunu oluşturmaktadır.”
Weinberg
, “standart modele erken evrenin kısa bir özetini “ vermek istediğini belirterek şöyle devam eder:“Başlangıçta bir patlama vardı. Ama bu yeryüzünde bildiğimiz, belirli bir merkezden başlayıp dışa doğru yayılarak çevredeki havanın gittikçe daha çoğunu kapsayan bir patlama gibi değildi;fakat her yerde aynı anda meydana gelen, başından beri tüm uzayı dolduran, her maddesel parçacığın diğer bütün parçacıklardan hızla uzaklaştığı bir patlamaydı. Bu bağlamda “tüm uzay” ya sonsuz bir evrenin tümü ya da bir kürenin yüzeyi gibi kendi üzerine kıvrılan sonlu bir evrenin tümü anlamına gelebilir. her iki olasılığın da anlaşılması kolay değildir;fakat bu bir engel değildir; erken evrende uzayın sonlu ya da sonsuz olması hemen hemen hiç önemli değildir.
Evrenin İlk SaniyeleriSaniyenin yüzde biri kadar bir zaman sonra (ki bu, hakkında güvenle konuşabileceğimiz en erken zamandır), evrenin sıcaklığı yüz milyar derece santigrat dolayında idi. Bu, en sıcak yıldızın merkezinden de sıcaktır;öyle bir sıcaklık ki olağan maddenin hiçbir bileşeninin,moleküllerin,atomların hatta atom çekirdeklerinin,birarada bağlı kalmasına olanak yoktu. Tersine, bu patlamada birbirinden hızlla uzaklaşan madde, temel parçacıklar denen çeşitli parçacıklardan oluşmuştu”(s: 2)
“Bol sayıda bulunan bir parçacık çeşiti elektrondu... Erken zamanlarda bol olan bir başka parçacık türü de elektronla tamtamına aynı kütleli fakat artı yüklü bir parçacık olan pozitrondur. Şimdi ki evrende pozitronlar yalnız yüksek enerji laboratuvarlarında, kimi radyoaktiflik türlerinde ve kozmik ışınlarda, süpernovalar gibi şiddetli gök olaylarına görülmektedir. Fakat erken evrende pozitron sayısı elektron sayısına neredeyse tam olarak eşitti. Elektronlardan ve pozitronlardan başka yaklaşık olarak aynı sayıda değişik nötrino türleri vardı(Nötrinolar, hiçbir şekilde yükü ve kütlesi olmayan hayalet gibi parçacıklardır). son olarak evren ışık ile doluydu. Işık parçacıklarından ayrı olarak alınmamalıdır. Kuantum kuramı ışığın sıfır kütleli ve sıfır elektrik yüklü,foton denen enerji paketçiklerinden oluştuğunu söyler... Her foton ışığın dalga boyuna bağlı olarak,belirli miktarda enerji ve momentum taşır. Erken evreni dolduran ışığı betimlemek için diyebiliriz ki,fotonların sayısı ve ortalama enerjisi, elektronlarınki ile pozitronlarınki ile ya da nötrinolarınki ile yaklaşık olarak aynıydı.
Bu parçacıklar(elektronlar, pozitronlar, nötrinolar ve fotonlar) sürekli olarak salt enerjiden yaratılıyorlar, kısa süre yaşadıktan sonrada yine yok oluyorlardı. Dolaysıyla bu parçacıkların sayıları önceden saptanmış değildi;bu sayıyı,yaratılma ve yokedilme süreçleri arasındaki denge belirliyordu. Bu dengeden, yüz milyon derece sıcaklığındaki bu kozmik (s: 3) çorbanın yoğunluğunun, suyun yoğunluğunun dört milyar katı kadar olduğunu çıkarabiliriz. Ayrıca, ağır parçacıklardan, yani şimdiki dünyada atom çekirdeklerinin bileşenlerini oluşturan proton ve nötronlardan da az bir miktar vardı.(Protonlar artı yüklüdür; nötronlar azıcık daha ağırdır ve elektrik yükleri yoktur). Bunlar, kabaca her bir milyar elektrona, bir milyar pozitrona, bir milyar nötrinoya ya da bir milyar fotona karşılık bir proton ve nötron bulunacak oranda mevcutlardı. Bu sayı, yani her çekirdeki parçacığı başına bir milyar foton, evrenin standart modelini hesaplamak için gözlemden alınması zorunlu olan çok önemli bir niceliktir. Bölüm III’te tartışılan kozmik arkaalan ışımasının keşfi aslında bu sayının ölçümüydü.
Büyük Patlamanın İlk Çekirdeği
: HidrojenPatlama sürdükçe sıcaklık düştü;onda bir saniye sonra otuz milyar santigrat dereceye, bir saniye kadar sonra on milyar dereceye ve ondört saniye sonra da üç milyar dereceye indi. Bu yeteri kadar soğuk olduğundan,elektronlar ve pozitronlar, fotonlar ve nötrinolardan yeniden yaratılmalarına oranla daha çabuk oykolmaya başladılar. Maddenin bu yok olması sırasında açığa çıkan enerji,evrenin soğuma hızını geçici olarak yavaşlattı. Ancak sıcaklık düşmesi sürdü ve ilk dakikanın sonunda bir milyar dereceye indi. Evren artık protonların ve nötronların karmaşık çekirdekler oluşturmaya başlamaları için yeteri kadar serindi: çekirdeklerin oluşması önce bir proton ve bir nötrondan oluşan ağır hidrojen (yani döteryum) çekirdeği ile başladı. Yoğunluk hâlâ yeteri kadar yüksek ( suyunkinden biraz daha az) olduğundan, bu küçük çekirdekler hızla bir araya gelip en kararlı küçük çekirdeği, yani iki proton ve iki nötrondan oluşan helyum çekirdeğini yapmayı başardılar.