1. Giriş
Yüzyıllardan beri insanlar yıldızlara baktılar ve evrenin bugünkü haline nasıl geldiğini merak edip durdular. Bu konu dini, felsefi ve bilimsel tartışmaların konusu oldu. Evrenin gelişimi konusundaki en ünlü ve en yaygın kabul gören modellerden biri büyük patlama teorisidir.
Büyük patlama teorisi her ne kadar ünlü olsa da aynı zamanda çok yanlış anlaşılan bir teoridir. Teori hakkındaki yaygın bir yanlış anlayış bu teorinin evrenin kökenini betimlediği yönündedir. Bu çok da doğru değildir. Büyük patlama, evrenin çok küçük ve çok yoğun bir halden bugünkü durumuna nasıl evrildiğini=oluştuğunu açıklama girişimidir. Evrenin yaratılışını başlatan şeyin ne olduğunu veya büyük patlamadan önce var olanın ne olduğunu veya evrenin dışında ne olduğunu açıklamaya çalışmaz.
Bir diğer yanlış anlama da büyük patlamanın bir tür infilak olduğudur. Bu da çok doğru değildir. Büyük patlama evrenin genişlemesini betimler. Teorinin bazı versiyonları inanılmaz hızlı (muhtemelen ışık hızından daha hızlı) bir genişlemeye işaret ederken, bu yine de bildiğimiz anlamda bir infilak=patlama değildir.
Büyük patlama teorisini kısaca özetlemek kolay bir şey değildir. Bu teori evreni algılama tarzımızla çelişen kavramlar içerir. Büyük patlamanın ilk aşamaları, evrenin bütün farklı kuvvetlerinin birleşik bir kuvvetin parçaları olduğu bir an üzerine odaklanır. Bilimin yasaları daha geriye doğru baktığınızda artık işlemez hale gelir.
2. Evren nasıl genişledi?
Büyük Patlama teorisi evrenin varolduktan hemen sonrasından bugüne kadar olan gelişimini açıklar. Evrenin neden bu şekilde olduğunu açıklamaya çalışan çeşitli bilimsel modellerden biridir. Bu teori, birçoğu gözlemsel verilerle kanıtlanmış olan çeşitli önverilerde [prediction] bulunmaktadır. Sonuç olarak evrenin gelişimi hakkındaki en popüler ve kabul gören teoridir.
Büyük patlama hakkında konuşurken kullanılan en önemli kavram "genişleme"dir. Çoğu insan büyük patlamanın, evrendeki bütün madde ve enerjinin küçük bir noktada yoğunlaştığı bir an'a ilişkin olduğu, sonra bu noktanın patlayarak uzaya madde saçmasıyla evrenin doğduğu düşüncesindedir. Gerçekte ise büyük patlama sadece uzayın genişlemesini açıklar.
Günümüzde, geceleyin gökyüzüne baktığımızda boş uzayın devasa boşluklarına serpiştirilmiş galaksileri görürüz. Büyük patlamanın ilk anlarında, gözlemlediğimiz bütün madde, enerji ve uzay sıfır hacimli ve sonsuz yoğunluklu bir alana sıkışmış durumdaydı. Evrenbilimciler buna tikellik [singularity] adını veriyorlar.
Büyük patlamanın başlangıcında evren neye benziyordu? Teoriye göre son derece yoğun ve son derece sıcaktı. Bu ilk anlarda evrende o denli çok enerji vardı ki, bildiğimiz madde oluşamıyordu. Ama evren hızlı bir şekilde genişledi. Bu da evrenin daha az yoğun olması ve soğuması anlamına geliyordu. Evren genişledikçe madde oluşmaya ve ışıma [radiation] enerji kaybetmeye başladı. Sadece birkaç saniye içerisinde evren tikellikten oluştu.
Büyük patlamanın sonuçlarından biri de evrendeki dört temel kuvvetin oluşumuydu. Bu kuvvetler şunlardır:
Büyük patlamanın başlangıcında bu kuvvetler tek bir birleşik kuvvetin parçalarıydı. Büyük patlamadan kısa bir süre sonra bu kuvvetler bugün oldukları gibi birbirinden ayrıldı. Bu kuvvetlerin nasıl bir zamanlar birleşik bir bütünün parçası oldukları bilim adamları için gizemini koruyor. Bir çok fizikçi ve evrenbilimci hala bu dört kuvvetin bir zamanlar nasıl birleşik olduğunu ve bunların birbirleriyle ilişkilerinin ne olduğunu açıklayacak Büyük Birleşik Teori'yi oluşturmaya uğraşıyor.
3. Büyük Patlama teorisi nasıl ortaya çıktı?
Büyük patlama teorisi evren üzerine çalışmalarda iki farklı yaklaşımın, gökbilim ve kozmolojinin bir sonucu olarak ortaya çıktı. Gökbilimciler yıldızları ve diğer gök cisimlerini gözlemlemek için aletler kullanırlar. Kozmologlar ise evrenin astrofizik özellikleri üzerine çalışırlar.
1800'lerde gökbilimciler spektoskop veya spektograf adı verilen aletlerle deneyler yapmaya başladılar. Spektoskop, ışığı, bileşiminde bulunan dalgaboylarının spektrumuna bölen bir gereçtir. Spektoskoplar, belli bir maddenin, örneğin ışıyan bir hidrojen tüpünün, hep o maddeye özgü dalgaboylarının aynı dağılımını ürettiğini gösterdi. Yani, bir spektograftaki dalgaboyu dağılımına bakarak, o ışık kaynağında ne tür elementler olduğunu anlayabiliyordunuz.
Bu sırada, Avusturyalı fizikçi Christian Doppler bir ses dalgasının frekansının, ses kaynağının görece konumuna bağlı olduğunu gösterdi. Görültülü bir cisim size yaklaştığında, oluşturduğu ses dalgaları sıkışır. Bu da sesin frekansını değiştirir, ve böylelikle siz sesi farklı bir perdeden işitirsiniz. Cisim sizden uzaklaştığında ise, ses dalgaları uzar ve perde alçalır. Buna Doppler etkisi adı verilir.
Işık da dalgalar halinde ilerler ve gökbilimciler de bazı yıldızların spektrumun kızıl tarafına umduklarından daha fazla ışık düştüğünü keşfettiler. Bununla, yıldızların Dünya'dan uzaklaştığı anlamına geldiği sonucunu çıkardılar. Yıldızlar uzaklaştıkça, yaydıkları ışığın dalgaboyları uzar. Spektrumun kızıl ucuna kayarlar, çünkü bu uçta daha uzun dalgaboyları vardır. Kozmologlar bu görüngüyü kızıla-kayma olarak adlandırır. Bir yıldızın kızıla kayması Dünya'dan ne kadar hızla uzaklaştığının bir işaretidir. Işık spektrumun ucuna doğru ne kadar kayarsa, yıldız o kadar hızlı uzaklaşıyor demektir.
1920'lerde gökbilimci Edwin Hubble ilginç bir şey farketti. Görünüşe göre yıldızın hızı Dünya'dan uzaklığıyla orantılıydı. Diğer deyişle, bir yıldız Dünya'dan ne kadar uzaksa o kadar hızlı bizden uzaklaşıyordu. Hubble bundan evrenin genişliyor olduğu sonucuna vardı.
Hubble'ın bu keşfi bugün hala sürmekte olan uzun bir tartışma başlattı: uzak bir gök cisminin hızıyla, bu cismin gözlemciden uzaklığı arasındaki ilişki tam olarak neydi? Kozmologlar bu ilişkiyi Hubble sabiti olarak adlandırıyorlar, ama hiç kimse bu ilişkinin ne olduğu konusunda anlaşamıyor.
Bütün bunların Büyük Patlama Teorisi ile ile ilgisi ne?
4. Hubble ve Einstein
Edwin Hubble zaman ilerledikçe evrenin genişlediğini ortaya koydu. Bu da demek oluyordu ki, milyarlarca yıl önce evren çok daha küçük ve çok daha yoğundu. Eğer yeterince geriye gidecek olsak, evren, evrendeki tüm madde, enerji, uzay ve zamanı içeren sonsuz yoğunlukta bir alana çökerdi. Büyük Patlama teorisi, bir anlamda, geriye doğru mühendisliğin bir sonucu olarak ortaya çıktı.
Bazılarının bu teoriyle büyük bir problemleri oldu. Bunlardan biri de ünlü fizikçi Albert Einstein'dı. Einstein evrenin statik olduğunu düşünüyordu. Statik bir evren değişmez. Hep aynı kalmıştır ve bundan sonra da aynı kalmayı sürdürecektir. Einstein ortaya koyduğu genel görecelik teorisiyle evrenin yapısını daha bir derinlemesine anlayabileceğini umuyordu.
Teorisini tamamladığında Einstein, yaptığı hesaplamalara göre evrenin genişliyor veya daralıyor olması gerektiğini görünce şaşkınlığa uğradı. Bu durum, evrenin statik olduğu yönündeki düşüncesiyle çeliştiği için bir açıklama bulmaya çalıştı. Ve genel görecelik teorisinin içerisine, evrenin genişlemesi veya daralması yönündeki apaçık gerekliliği giderecek bir sayı olan bir kozmolojik sabit ortaya koydu.
Edwin Hubble'ın bulgularını gördüğünde Einstein yanıldığını kabul etti. Evren, görünüşe bakılırsa, genişliyordu ve Einstein'ın kendi teorisi de aslında bu sonucu destekliyordu. Teori ve gözlemler bazı öndeyilerde [prediction] bulunulmasına yol açtı. Bu öndeyilerden biri, evrenin hem homojen hem de eşyönlü [isotropic] olduğuydu. Temelde bu, gözlemcinin perspektifi ne olursa olsun evrenin aynı göründüğü anlamına gelir. Yeril bir düzeyde bu öndeyi yanlış gözükmektedir. Ne de olsa, her yıldızın bir güneş sistemi, yani bizimki gibi gezegenleri yoktur. Her galaksi aynı görünüme sahip değildir. Ama milyonlarca ışık yılına yayılan makroskobik bir düzeyde, maddenin evrendeki dağılımı istatistiksel olarak homojendir.
Bir diğer öndeyi de evrenin, büyük patlamanın ilk evrelerinde aşırı derecede sıcak olduğuydu. Bu dönemde ortaya çıkan ışıma [radiation] görüngüsel olarak büyük olmalıydı ve bu ışımanın kanıtlarından geriye bir şeyler kalmış olmalıydı. Evren homojen ve eşyönlü olması gerektiğine göre, sözkonusu ışımanın kanıtı da evren boyunca eşit bir şekilde dağılmış olmalıydı. Bilim adamları bu ışımanın kanıtını 1940'larda keşfettiler ama o dönemde buldukları şeyin ne olduğunu bilmiyorlardı. 1960'larda iki ayrı bilim adamı ekibi bugün kozmik mikrodalga arkaplan ışıması [cosmic microwave background radiation] dediğimiz şeyi keşfettiler. Kozmik mikrodalga arkaplan ışıması, büyük patlama sırasındaki ilk ateş topunun saçtığı yoğun enerjinin kalıntılarıdır. Başlangıçta aşırı derecede sıcakken, günümüzde 2.725 derece Kelvin'e, yani, -270.4 derece santigrada kadar soğumuştur.
Bu gözlemler büyük patlama teorisinin evrenin gelişimine ilişkin hakim model haline gelmesine yardımcı olmuştur.
Bir sonraki bölümde bilim adamlarının, büyük patlama sırasında ne olduğunu düşündüklerini ortaya koyacağız.
5. Evrenin ilk saniyesi
Bilim yasalarının sınırlı olmasından dolayı evrenin var olduğu ana ilişkin herhangi bir tahminde bulunamıyoruz. Bunun yerine, evrenin yaratılışını izleyen ilk anlara bakabiliriz. Şimdilik bilim adamlarının üzerine konuşabildiği en erken zaman dönemi t = 1 x 10-43 saniye (buradaki "t" evrenin yaratılışından sonraki zamanı gösteriyor). Diğer deyişle, 1.0 rakamını alın ve ondalık hanesini sola doğru 43 kere kaydırın.
Cambridge Üniversitesi bu ilk anlar üzerine yapılan çalışmayı kuantum kozmolojisi olarak adlandırıyor. Büyük patlamanın ilk anlarında evren o kadar küçüktü ki klasik fizik burada işlemiyordu. Bunun yerine kuantum fiziği iş görüyordu. Kuantum fiziği, atomaltı düzeydeki fizikle ilgilenir. Kuantum ölçeğindeki parçacıkların çoğu davranışı bize tuhaf görünür, çünkü bu parçacıklar klasik fiziğe ilişkin anlayışımızla uyuşmaz görünürler. Bilim adamları kuantum ve klasik fizik arasındaki bağlantıyı keşfetmeyi umuyorlar. Bu bize evrenin nasıl işlediğine ilişkin daha çok bilgi edinmemizi sağlayacaktır.
t = 1 x 10-43 saniyede, evren inanılmaz bir ölçüde küçük, yoğun ve sıcaktı. Evrenin homojen alanı sadece 1 x 10-33 santimetrelik bir alana yayılıyordu. Bugün, aynı uzay alanı milyarlarca ışık yılına uzanıyor. Büyük patlama teorisyenleri, bu aşamada madde ve enerjinin birbirinden ayrılabilir olmadığına inanıyor. Evrenin dört temel kuvveti de tek bir bileşik kuvvetti. Bu evrenin ısısı 1 x 1032 derece Kelvin'di, yani 1 x 1032 derece santigrattı. Saniyenin çok küçük bir parçasında evren hızlı bir şekilde genişledi. Evren bir saniyeden daha kısa bir zamanda birkaç kat büyüdü.
Evren, genişledikçe soğudu. t = 1 x 10-35 saniye civarında madde ve enerji birbirinden ayrıştı. Kozmologlar buna baryogenesis adını veriyorlar. Baryonik madde gözlemleyebildiğimiz madde türüdür. Bunun tersine, karanlık madde'yi gözlemleyemeyiz, ama enerjiyi ve geri kalan maddeyi nasıl etkilediğine bakarak onu bilebiliriz. Baryogenesis sırasında evren yaklaşık aynı miktarda madde ve anti-madde ile doldu. Madde, anti-maddeden daha fazlaydı, bu yüzden, çoğu parçacık ve anti-parçacık birbirlerini yok ederken, bazı parçacıklar varlıklarını sürdürdü. Bu parçacıklar daha sonra evrendeki bütün maddeleri oluşturmak üzere bir araya gelecekti.
Kuantum çağını, bir parçacık kozmolojisi dönemi izledi. Bu dönem t = 1 x 10-11 saniyede başlar. Bu, bilim adamlarının parçacık hızlandırıcılar ile laboratuar koşullarında yeniden yaratabildikleri bir evredir. Bu da, bu sırada evrenin neye benzeyebileceğine ilişkin bazı gözlem verilerine sahip olabileceğimiz anlamına gelir. Birleşik kuvvet bileşenlerine ayrıldı. elektromanyetizm ve zayıf nükleer kuvvet birbirinden ayrıldı. Fotonlar madde parçacıklarını sayıca çoğalttı, ama evren, içerisinde ışık ışıyamayacak kadar yoğundu.
Bundan sonra, büyük patlamadan .01 saniye sonra standart kozmoloji dönemi başladı. Bu andan sonra, bilim adamları evrenin nasıl geliştiğine ilişkin epey bir şey bildiklerini düşünüyorlar. Evren genişlemeyi ve soğumayı sürdürdü ve baryogenesis sırasında oluşan atomaltı parçacıklar birbirlerine bağlanmaya başladı. Bunlar nötronları ve protonları oluşturdular. Tam bir saniye geçtiğinde, bu parçacıklar hidrojen, helyum ve lityum gibi hafif elementlerin çekirdeklerini oluşturabilmişti. Bu süreç nükleosentez olarak adlandırılır. ama evren henüz elektronların bu çekirdeklere bağlanıp kararlı atomlar oluşturmasına izin vermeyecek kadar yoğun ve sıcaktı.
Bir sonraki bölümde sonraki 13 milyar yılda neler olduğuna bir göz atacağız.
6. Sonraki 13 milyar yıl
Büyük patlamanın ilk saniyesinde çok şey olup bitti. Ama bu, hikayenin sadece başlangıcıydı. 100 saniye sonra, evrenin sıcaklığı 1 milyar derece Kelvin'e adar soğudu. Atomaltı parçacıklar birleşmeyi sürdürdü. Kütle olarak, elementlerin dağılımı yaklaşık yüzde 75 hidrojen çekirdekleri ve yüzde 24 helyum çekirdekleriydi (geri kalan yüzde 1 ise lityum gibi diğer hafif elementlerden oluşuyordu).
Evrenin sıcaklığı, eletronların çekirdeklere bağlanabilmesi için hala çok yüksekti. Bunun yerine, elektronlar pozitron adı verilen diğer atomaltı parçacıklarla birleşerek daha fazla sayıda foton ürettiler. Ama evren, fotonların ışık saçmasına izin veremeyecek kadar yoğundu.
Evren genişlemeyi ve soğumayı sürdürdü. Yaklaşık 56,000 yılında evren 9,000 derece Kelvin'e (8,726 derece santigrat) kadar soğudu. Bu zamanda, evrendeki madde dağılımının yoğunluğu ışımanın [radiation] yoğunluğuyla denkti. Bundan 324,000 yıl sonra, evren genişlemeyi sürdürerek ısısı 3,000 derece Kelvin'e (2,727 derece santigrat) düştü. Sonunda protonlar ve elektronlar birleşerek yüksük [neutral] hidrojen atomları oluşturdular.
Bu zamanda, yani büyük patlamadan 380,000 yıl sonra evren saydamlaştı. Işık evren boyunca ışıyabiliyordu. İnsanların sonradan kozmik mikrodalga arkaplan ışıması olarak tanımlayacağı ışıma mekana sabitlendi. Kozmik mikrodalga arkaplan ışıması üzerine bugün çalıştığımızda evrenin o zamande neye benzediğini tahmin edebiliyoruz.Sonraki 100 milyon yılda, evren genişlemeyi ve soğumayı sürdürdü. Küçük kütleçekimsel dalgalanımlar madde parçacıklarının bir araya gelerek kümelenmelerine neden oldu. Kütleçekim evrendeki gazların sıkışık bir şekilde bir araya gelmiş kümeler oluşturmalarına sebep oldu. Gazlar sıkıştıkça daha yoğun ve daha sıcak hale geldiler. Evrenin ilk yaratılışından 100 ila 200 milyon yıl kadar sonra bu gaz kümelerinden yıldızlar oluştu.
Yıldızlar bir araya gelerek galaksileri oluşturmaya başladı. Sonunda, bazı yıldızlar süpernovalara dönüştü. Süpernovaya dönüşen bu yıldızlar, patladıklarında bütün evrene kendi bünyelerindeki maddeleri saçtılar. Bu maddeler arasında doğada gördüğümüz bütün ağır elementler de vardı. Ve sonra galaksiler de kendi aralarında kümelenmeler oluşturdular. Bizim güneş sistemimiz yaklaşık 4.6 milyar yıl önce oluştu.
Bugün, evrenin sıcaklığı 2.725 derece Kelvin'dir (-270 degrece santigrat), yani mutlak sıfırdan sadece birkaç derece daha yüksektir.
7. Teorinin bize söyledikleri
Bazı kozmologlar Büyük Patlama'yı evrenin yaşını tahmin etmede kullanıyor. Ama farklı hesaplama teknikleri sebebiyle, bütün kozmologlar evrenin gerçek yaşı üzerinde uzlaşabilmiş değil. Yapılan tahminlerde 1 milyar yıldan fazla bir zaman oynaması olabiliyor.
Evrenin genişlediğinin keşfedilmesi başka bir sorun daha ortaya çıkardı. Sonsuza dek mi genişleyecek? Genişlemesi duracak mı? Bir süre sonra gerisingeri küçülecek mi? Genel görecelik teorisine göre, bütün bunlar evrende ne kadar madde olduğuna bağlı.
Mesele kütleçekimle ilgili. Kütleçekim madde parçacıkları arasındaki çekim kuvveti. Bir cismin bir diğer cisim üzerinde uyguladığı kütleçekim kuvvetinin miktarı, bu iki nesnenin büyülüğüne ve ikisi arasındaki uzaklığa bağlı. Eğer evrende yeterince madde varsa, kütleçekim kuvveti sonunda genişlemeyi yavaşlatacak ve evrenin büzüşmesine sebep olacaktır. Kozmologlar bunu, pozitif eğriye [positive curvature] sahip kapalı bir evren olarak nitelendireceklerdir. ama genişlemeyi tersine çevirmeye yetecek kadar madde yok ise evren sonsuza dek genişleyecektir. Böylesi bir evren ne herhangi bir eğriye [curvature] ne de negatif eğriye [negative curvature] sahiptir.
Eğer kapalı bir evrende isek, sonunda bütün evren büzüşecek ve kendi içine çökecektir. Kozmologlar buna Büyük Çöküş [Big Crunch] adını veriyorlar. Bazı kozmologlar evrenimizin genişleme ve büzüşme çevrimi içerisinde yaratılmış olan bir dizi evrenin sonuncusu olduğunu öne sürüyorlar.
Büyük Patlama teorisine göre evrenin bir merkezi yoktur. Evrendeki her nokta, herhangi bir merkezi konum olmaksızın, diğer bir noktayla aynıdır.
Büyük Patlama teorisinin ele almadığı bazı büyük sorular da vardır:
Ama herkes Büyük Patlama teorisini benimsiyor değil. Bu teoriye neden karşılar ve evren için alternatif modeller nedir? Bunu haftaya okuyacağız.
8. Büyük Patlama teorisinin sorunları
Bilim adamları Büyük Patlama teorisini ilk ortaya koyduklarından beri bir çok kişi bu teoriyi sorguladı ve eleştirdi. Burada Büyük Patlama teorisine yönelik en yaygın eleştirilerden bazılarını özet olarak vereceğiz:
Evrenin gelişimini açıklama girişiminde bulunan birkaç alternatif model vardır. ama bunlardan hiçbiri büyük patlama teorisi kadar yaygın bir kabul görmemiştir.