Büyük Patlama: Her Şeyin Başlangıcı

Büyük Patlama ve tarihi

1927’de Georges Lemaitre -Belçika’da- genişleyen evren durumu için Genel Görelilik denklemlerine çözüm sağlayan, neredeyse hiç fark edilmeyen bir makale yayımladı. 1929’da ise Edwin Hubble tarafından yapılan uzak gökada gözlemleri gökadaların “Şarapnel” parçaları gibi birbirinden uzaklaştığına işaret ediyordu. 1930’a gelindiğinde Eddington, Willem de Sitter, Einstein da dahil olmak üzere kozmologlar evrenin durağan modellerinin tatmin edici olmadığı sonucuna vardılar. Lemaitre 1931’de genişleyen evrenin mantıksal sonuçlarını Hubble’ın gözlemleriyle birlikte sundu. 1931’e gelindiğinde Lemaitre, genişleyen evrenin mantıksal sonuçlarını araştırdı ve “Cesurca” genişleyen evrenin sonlu bir zamanda ortaya çıkmış olması gerektiğini ortaya koydu. Evren genişliyorsa şeklinde düşünmeye başladı. Evren genişliyorsa geçmişte daha küçüktü aynı zamanda geriye dönük bu tahminler evrendeki her maddenin son derece yoğun bir durumda bir araya toplandığının kanıtı niteliğindeydi. Lemaitre, fiziksel evrenin başlangıçta tek bir parçacık (Kendi deyimiyle: Primeval atom*) olduğunu ve bunun patlamayla parçalanarak uzay-zamanı ve evrenin genişlemesini ortaya çıkardığını savundu. Bu fikir şimdilerde Büyük Patlama Kozmolojisi olarak bildiğimiz şeyin doğuşunun göstergesiydi.

“Büyük Patlama” terimi, evrenin genişlemesi teorisine karşı çıkarak yıldız nükleosentezi konusundaki katkılarıyla tanınan İngiliz matematikçi, astronom ve kozmolog Sir Fred Hoyle tarafından 1949 yılında bir radyo programında ortaya atılmıştır. Hoyle, evrenin sonsuz büyüklükte olduğunu ve dolayısıyla bir başlangıcı olmadığını savunmuştu. Hoyle, kozmosun 12 milyar yıl önce meydana gelen devasa bir patlamayla yaratıldığını açıklayan teoriyi tanımlamak için “Büyük Patlama” terimini kullanmış olsa da, bu teoriyi kabul etmeyi reddetmiştir. Bunun yerine, evrenin bir başlangıcı olmadığını ve diğerleri birbirinden uzaklaştıkça yeni galaksilerin boşluklarda oluştuğunu savunmuştur.

Kozmik şişme kuramı ve Big Bang`in başlangıcı

Büyük Patlama kuramcıları, evrenin nasıl bu kadar hızlı evrim geçirdiğini kesin olarak anlayamıyorlardı. Fizikçi Alan Guth, 1979 yılında “Kozmolojik Genişleme” (EN: Cosmological Inflation) kuramıyla bu soruna çözüm getirdi. Evren, son derece kısa bir zaman aralığında (Saniyenin binde birinden kısa) 100 trilyon kere trilyon kere trilyon kere trilyon kere trilyon kat büyümüştü. Bu şişme, genç evrenin her bölgesinin büyümesini sağlamıştır. Gökadaların bulunduğu yerler, aynı arkaplan sıcaklığı ve aynı gökada türleri ile oldukça benzerdir. Eğer şişme olmasaydı evren açıkça ayırt edilebilecek gökada bölgelerinden oluşurdu.

Evren modellerinin genişlemesi: Friedmann denklemleri

α ölçek faktörüdür (Robertson Walker ölçek faktörü olarak da bilinir), G Newton’un yer çekimi sabitidir, ρ ve p sırasıyla hacimsel kütle yoğunluğu (hacimsel enerji yoğunluğu değil) ve basınçtır. H Hubble parametresidir (Hubble-Lemaitre yasası).

Sahte vakumun fiziği

False Vacuum (Sahte Vakum), skalara benzer bir alandır ancak elektrik ve manyetik alanlar gibi bir yönü yoktur. Standart Model’in Higgs alanı ya da büyük birleşik teoriler skalere örnek olarak verilebilir. Higgs alanlarının özelliği, enerji yoğunluğunun alan bittiğinde (Sıfır olan) değil, alanın bitmeyen bazı değerlerinde (Sıfır olmayan) minimum olmasıdır. Enerji yoğunluğu diyagramı şöyle gösterilebilir:

ø = ø t ise enerji yoğunluğu sıfırdır ve bu nedenle sıradan vakum (True Vacuum) oluşur. Enerji yoğunluğu diyagramının platosu yeterince düzse, erken evren standartlarına göre enerjinin düşürülebilmesi için skalara ait enerji yoğunluğunun sıfıra yaklaşması çok uzun zaman alabilir. Sahte vakumun kendine özgü özellikleri negatif basıncından kaynaklanır. Enerji yoğunluğunun yerçekimi alanları yarattığı gibi basınçlar da yerçekimi alanları yaratır. Bu nedenle sahte vakumun negatif basıncı şişmenin ardındaki güç olan itici bir yerçekimi alanı oluşturur.

Sahte vakumun basıncının daha iyi anlaşılabilmesi için enerjinin korunumu yasasına başvuracağız. Sahte vakumla dolu bir oda hayal edin. Basit olması için yerçekimi etkilerini yok sayıyoruz. Sahte vakumun basıncı uf değerinde sabit olduğundan odanın içindeki enerji U=uf V‘dir. V burada hacmi temsil eder. Şimdi, odanın bir duvarının piston olduğunu ve bu pistonun hızla dışarı çekildiğini hayal edelim. Çekilen piston sonucunda odanın hacmi dV artmış olsun. Odanın içinde bilinen bir madde olsaydı enerji yoğunluğu hızla azalırdı. Ancak sahte vakum enerji yoğunluğunu hızla düşüremez. Bu nedenle, enerji yoğunluğu sabit kalır ve toplam enerji artar. Enerjinin korunması gerektiğinden ekstra enerji pistonu çeken madde tarafından sağlanır (Yani biz). Bu nedenle, pistonu dışarı doğru çekmek için kuvvet uygulamamız gerekir. Bu da sahte vakumun negatif basınç p oluşturduğu anlamına gelir. Enerjideki değişim dU = ufdV olduğundan bu da yapılan işe eşit olmalıdır: dW = -pdV. Sahte vakumun basıncı p = uf‘dir. Basınç negatiftir. Genel görelilik evrenin genişlemesini yavaşlatan yerçekimi alanının uf+3p ile orantılı olduğunu söyler. Yani sahte vakumun negatif basıncı net bir itici yerçekimi alanı oluşturmak için pozitif enerji yoğunluğunu yener.

Hiçbir şeyden nasıl bir şey elde edilir?

Fizik akademisinin üstüne oldukça düşütüğü sorulardan bir tanesi de “Hiçbir şeyden nasıl bir şey elde edilir?” olmuştur. Fizik yasaları, evrenin var olmama olasılığının çok yüksek olduğunu gösteriyor. Termodinamiğin ikinci yasası, düzensizlik ve entropinin zaman içinde sürekli olarak artmaya eğilimli olduğunu belirtir. Entropi, bir sistemin bileşenlerini sistemin genel görünümünü değiştirmeden kaç kez düzenleyebileceğimizi ölçer. Örnek olarak sıcak gaz içindeki moleküller, aynı sıcaklık ve basıncı yaratacak şekilde yeniden düzenlenebilirler. Bu nedenle gazlar, yüksek bir entropi sistemidir. Aynı mantıkla yaklaşıldığında hiçliğin karşımıza çıkabilecek en yüksek entropi sistemi olduğu fark edilir. Hiçlikle istediğiniz kadar uğraşın, istediğiniz kadar karıştırın, yine hiçlik olarak görülecektir. Entropiden başka evrenin var olmama olasılığını gösteren başka bir özellik fizikçilerin simetri olarak adlandırdığı -bu gündelik hayattaki simetriden çok farklıdır- bir özellik yer alıyor. Bir sistemin simetriye sahip olması için sisteme bir etki uyguladığınızda, sistemin bu etkiden sonra daha önce olduğu gibi görünmesi gerekir. Bu mantıkla yola çıkarsak hiçlik tamamen simetriktir. Ne yaparsanız yapın, hiçlik yine aynı hiçliktir. Simetriler bozulmaya mahkûmdur. Bozulan simetriler evrende ciddi değişikliklere yol açar.

Kuantum dalgalanma ve sanal parçacıklar

Kuantum Dalgalanma (EN: Quantum Fluctuation), uzayın belirli noktalarında kısa süreli enerji değişikliklerine sebep olan bir olaydır. Enerjinin korunumu ilkesine aykırıdır ancak ihlal çok kısa bir süre içinde gerçekleşir.

Teoriye göre kuantum dalgalanması sonucu sanal parçacıklar oluşur. Sanal parçacıklar madde ve antimadde çiftleri şeklinde ortaya çıkar. Kuantum alan teorisi matematiğinin bir sonucu olarak ortaya çıkan sanal parçacıkların detayları hala tam olarak anlaşılamamıştır. Parçacıklar doğrudan gözlemle tespit edilemezler ancak matematiksel hesaplamalarla gözlenebilirler ve tespit edilebilirler. Sanal parçacıklar ve anti-parçacıklar ayrı konulardır.

Kuantum dalgalanması ve sanal parçacıklar soyut konseptlerdir ve zor anlaşılabilirler. Bununla birlikte bir analoji yardımıyla daha anlaşılır hale getirilebilirler. Şöyle düşünün: Bir partiye gitmek istiyorsunuz, ancak kapıda bir bouncer var ve sadece belirli sayıda kişi içeri alınabilir. Kapıda bekleyen birçok insan var ancak siz ve arkadaşınız partide olmak istiyorsunuz. Bouncer, içerideki insan sayısını kontrol etmek için sürekli olarak kapıya bakar ve bazen bir kişi çıkar ve bir başka kişi içeri girer. Bu durumda, kapıda bekleyen insanlar arasında sizin için bir “Sanal kapı” oluşur. Yani bir kişi çıktığında siz ve arkadaşınız için bir yer açılır. Sanal kapı bir süre sonra kapanır ancak bu sırada siz ve arkadaşınız partiye girmeyi başarırsınız. Sanal parçacıklar da benzer şekilde çalışır. Kuantum dalgalanması sırasında bir parçacık anti-parçacık çifti oluşur ve bir süre sonra birbirlerine geri dönerek yok olurlar. Bu süre boyunca parçacık ve anti-parçacık birbirlerinin yerlerini işgal ederler ve sanal parçacıklar olarak adlandırılırlar. Bu süre sonunda enerji korunumu yasası gereği parçacık ve anti-parçacık birbirlerine geri dönerek yok olurlar.

Kuantum dalgalanma olayı muhtemelen evrendeki ve evren öncesindeki olaylar arasındadır. Başka bir deyişle bu olay hiçlikte de gerçekleşebilir. Bu olayların enerji dengesi ve özellikleri her seferinde farklıdır ve sık sık meydana gelirler. İçlerinden biri doğru şartlar altında meydana gelirse evrenin genişlemesini (Big Bang) başlatabilecek bir tetikleyici olabilir.

Bu teorinin kesinliği kanıtlanmamıştır ve doğrulanması için gözlenebilir kanıtlara ihtiyaç vardır. Bu nedenle bu teorilerin doğruluğunu destekleyecek sonuçları gözlemlemek için beklememiz gerekebilir ancak eğer teori ve hesaplamalar doğruysa evrenin nasıl var olduğu sorusuna nihai bir cevap verilmiş olacaktır.

Kaynaklar

1. ^{PDF FILE} Guth, A. H. (n.d.). Inflation. California Institute of Technology. [California Institute of Technology]
2. ^WEBSITE Scientific American. (n.d.). The Founder of Cosmic Inflation Theory on Cosmology’s Next Big Ideas. Scientific American. [Scientific American]
3. ^WEBSITE New Scientist. (n.d.). Cosmic inflation. New Scientist. [New Scientist]
4. ^{PDF FILE} Kay, B. (n.d.). The Fate of the Universe. University of North Carolina Wilmington. [University of North Carolina Wilmington]
5. ^{WIKIPEDIA ENTRY} Friedmann equations. (2023, March 10). In Wikipedia. [Wikipedia English]
6. ^{WIKIPEDIA ENTRY} Hubble’s law. (2023, March 11). In Wikipedia. [Wikipedia English]
7. ^BOOK Hawking, S., & Sagan, C. (1990). A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. Bantam.
8. ^BOOK Lawton, G. (2019). Neredeyse Her Seyin Kökeni.
9. ^BOOK TÜBİTAK. (2019, October 5). Dış Uzay: Evren’de Büyüleyici Bir Yolculuğa Çıkın.
10. ^WEBSITE Spalding, K. (2023, February 2). Lost Interview With Creator Of Big Bang Theory Rediscovered After Six Decades. IFLScience. [IFLScience]