big bang

• büyük patlamanın 10 büyük sırrı
  
  yıllardır süren tartışmalar, hatta iddialar sonuca ulaştı. medyatik parçacık hıggs bozonu, çok bilinen adıyla ‘tanrı parçacığı’ keşfedildi. peki bu ne anlama geliyor? bütün gizemler çözüldü mü? elbette hayır. bilim dünyasının önünde birbirinden büyük soru işaretleri duruyor. evren ortaya çıktığında saatler sıfırı değil de, 10-43 saniyeyi mi gösteriyordu? içinde yaşadığımız evren, sonsuz sayıdaki evrenlerden sadece biri mi? her şey, ‘büyük patlama’yla değil de ‘büyük dalga’yla mı ortaya çıktı? paralel evrenler var mı?
  
  doç.dr. kerem cankoçak/itü fizik mühendisliği bölümü
  
  1.
  maddenin temel yapıtaşlarının neden kütleleri var? ve neden bu kütleler birbirinden bu kadar farklı?
  çevremizde gördüğümüz her şey, giderek küçülen parçalar zincirinden oluşuyor; hava, su, ateş ve toprak, atomlardan; atomlar, çekirdek ile elektronlardan; çekirdek, nötron ve protonlardan; atom çekirdegindeki proton ve nötronlar da temel parçacık olan kuarklardan meydana geliyor. bozonlar ise bütün bunların temel etkileşimlerinin kuvvet taşıyıcıları. birbirlerine ağır bir top atan iki insan düşünelim. top bir insana çarptığında onu geriletiyor. bozonlar bu top gibi, ama iki yönde de çalışıyor, parçacıkları birbirlerine çekiyor veya itiyor. örneğin, bildiğimiz ışık yani foton, bir bozon. çünkü elektromanyetik kuvvetin, kuvvet taşıyıcısı.
  günümüz fiziğinde parçacıklar ise, alanların kaynağı. bir parçacık diğerinin alanını hissettiğinde etkileşme meydana geliyor. evrendeki her temel etkileşim kuvveti için bir alan var. öte yandan, enerjiye sahip her parçacık, bir kütleçekim alanı oluşturuyor. standart model’de parçacıklar, bir higgs alanı ile etkileşerek kütle sahibi oluyor. ama örneğin ışık yani foton ve gluonlar (kuarklar arasındaki güçlü etkileşimi sağlayan temel parçacıklar) higgs alanı ile etkileşmiyor, dolayısıyla kütlesiz kalıyor. w ve z bozonları (elektrozayıf etkileşimi sağlayan temel parçacıklar) ise higgs’le etkileşerek, bir anlamda higgs’in ‘ağdalılığı’ içinde kütle kazanıyorlar. tıpkı suya girdiğimizde hareketlerimizin ağırlaşması gibi, parçacıklar da higgs alanı içinde ağırlaşıp, kütle ediniyor. bu teorinin doğrulanması için higgs alanı, bir ekstra bozonun var olmasını gerektiriyordu. işte 4 temmuz’da cern'de keşfedilen bozon, çok büyük bir ihtimalle bu higgs bozonu.
  ancak bu keşif, konuyla ilgili tüm soruları yanıtlamıyor. zira higgs bozonunun keşfi tam olarak, farklı maddeleri oluşturan temel parçacıkların neden birbirlerinden bu kadar farklı kütlelere sahip olduklarını açıklamıyor.
  ayrıca higgs parçacığının kuantum düzeltmelerinden kaynaklanan bir sorunu daha var. bu düzeltmeler yüzünden, higgs bozonunun kütlesi astronomik değerlere çıkıyor. doğallık sorunu denen bu problemin olası çözümlerinden biri, higgs parçacığının başka birtakım parçacıklarla (örneğin süpersimetriden gelen süpereşlerle) kararlı hale getirilmesi. cern'deki lhc deneylerinin önümüzdeki yıllarda ele alacağı temel sorunlardan biri bu.
  
  2.
  her şey büyük patlama ile mi başladı?
  içinde yaşadığımız evren sürekli genişliyor, dolayısıyla çok uzun bir zaman önce (tam olarak 13.7 milyar yıl önce) çok küçük bir noktadaydı (bir atomdan daha küçüktü). yapılan hesaplamalar, sıfır zamandan sonraki saniyenin 10 binde birinde, bugün gördüğümüz evrenin tüm içeriğinin atom çekirdeği yoğunluğunda sıcak bir madde yığınına sıkıştığını gösteriyor. ama bu noktada, şimdiki fizik kuramlarımız işlemez oluyor. henüz daha geriye giden, tutarlı ve diğer her şeyi açıklayan bir kuram çıkmadı ortaya. yani günümüz fiziği ‘başlangıcı’ açıklayamıyor. çok sayıda kuram var elbette. örneğin sicim kuramlarına dayanan bir kuantum kütleçekim kuramı ispatlanabilirse, zamanın doğuşundaki tekillik sorunu çözülebilir. çünkü kuantum fiziği bize, zamanın diğer her şey gibi öbekli olduğunu söylüyor. peki bu ne demek? bu, zamanın bölünemeyen en küçük olası bir birimi var, anlamına geliyor. elbette bu temel zaman birimi çok küçük: 10-43 saniye; ama bu sıfır değil. dolayısıyla bu, herhangi bir tatmin edici kuantum kütleçekim teorisinin bize, evrenin sıfır zamanda sonsuz yoğunluktaki bir tekillikten değil, çok yüksek bir yoğunluk durumunda, 10-43 saniye yaşıyla başladığını söyleyeceği anlamına geliyor.
  
  3.
  evrenin başlangıcındaki enerji nereden geliyor?
  einstein’ın 1905’de ortaya koyduğu özel görelilik kuramına göre e=mc2 (enerji eşittir kütle çarpı ışık hızının karesi) ile uyumlu olarak enerji madde, parçacık ve alanlar arasında değiş tokuş yapabilir. alanda yeteri kadar uygun enerji varsa, kendini bir çift parçacığa dönüştürebilir (bir parçacık ve onun karşı-parçacığına) ve bu varlıklar, enerjileri başka bir çeşit alan enerjisine dönüştükçe, yok olarak etkileşebilirler. kuantum belirsizliği, elektron gibi bir nesnenin kesin bir enerjiye sahip olmasının imkânsız olduğunu söylüyor; ne kadar enerji taşıdığı hakkında hep biraz belirsizlik var. ama kuantum belirsizliği, bize aynı zamanda, boş uzayın enerjisinin bile kesin bir değere sahip olmasının imkânsız olduğunu söylüyor. oysa sıfır, kesin bir değer. kuantum fiziğine göre, boş uzay, yani vakum olarak düşündüğümüz şey, aslında bu şekilde oluşmuş kısa ömürlü varlıkların kaynaştığı bir alan. bu varlıklar, sadece teorik bir tahmin değil. elek-tron gibi gerçek yüklü parçacıklar etrafındaki bu ‘sanal’ parçacık bulutunun varlığı, elektrik ve manyetik güçlerin ölçülen kuvvetini açıklamakta önem taşıyor. zira durum böyleyse, belki de evren bir kuantum dalgalanmasından başka bir şey değil. üstelik evrenin toplam enerjisi de sıfırdır: yani negatif kütleçekim, maddenin pozitif enerjisine eşittir. dolayısıyla başlangıçta büyük bir enerji patlaması olmamış, bir kuantum dalgalanması olmuştur. ancak henüz büyük patlama’daki tekillikte ne olduğunu açıklayan bir teori yok, sadece bir tekilliğin yakınında ne olacağını söyleyen teori var.
  
  4.
  evrende neden madde var?
  evren henüz bir saniye yaşında bile değilken, eşit miktarda madde ve karşı-madde içeriyordu. karşı madde aslında maddenin özdeşi; tek bir farkla: zıt kuantum sayısına sahip. örneğin elektron eksi elektrik yüküne sahipken, karşı-elektron (pozitron) artı elektrik yüklü. evren hızla soğudukça, madde ile karşı-madde arasındaki simetri bozuldu. denge kayboldu. elektronlar, pozitronlar, fotonlar, nötrinolar ve karşı-nötrinolardan oluşan başlangıç anındaki çorbanın sıcaklığı yüz milyar dereceyken, bu yüksek sıcaklıklarda parçacıkların karşılıklı etkileşimde bulunmaları, sürekli bir yaratılış ve yok ediliş süreciydi. bu yüksek sıcaklıkta, bir elektron ve pozitronun fotonlar şeklinde yok olması, fotonların, elektron-pozitron çifti yaratmak üzere çarpışması kadar olasıydı. ancak bu başlangıç anı çorbasında, fotonların sayısının milyarda biri kadar küçük bir oranında proton ve nötron kirliliği vardı. çorbadaki bu küçük öbekten, tüm galaksiler ve yıldızlar ve nihayet gezegenimiz ortaya çıktı. ilk üç dakika geçtikten sonra, evrenin sıcaklığı, küçük proton ve nötron kirliliğinin çekirdek halinde birleşmesine yetecek kadar düştü. maddenin evrimindeki temel ilke, simetrinin kırılmasıdır. tamamen simetrik bir evrende, atomların ortaya çıkması, yıldızların, galaksilerin oluşması imkânsızdır. bu süreç de zamanın başlangıcında, evrenin ilk nano saniyelerinde meydana gelmiştir. işte cern'deki lhc deneyleri, bu mekanizmanın nasıl gerçekleştiğini keşfetmeyi amaçlıyor.
  
  5.
  evreni özel yapan nedir? evrenin parametreleri nasıl ayarlanmış?
  evrenimizi yaşam için uygun bir ev haline getiren doğa yasaları, nasıl olup da birtakım kozmik rastlantılarla belirlenmiş olabilir? bu kozmik rastlantıların araştırılması, bazen “antropik (insan merkezli) kozmoloji” olarak anılır; çünkü var oluşumuz, rastlantıların var oluşuna dayanır. modern kozmolojinin gizemlerinden biri olan bu soruya verilecek iki cevap var: ilki, insan merkezli ilke dediğimiz kestirmeci yaklaşım, diğeri ise ‘çoklu evrenler’. antropik ilkeye göre, evren başka türlü oluşsaydı zaten bu soruları soramazdık, çünkü var olmazdık. ancak bu açıklamadan tatmin olmayan fizikçiler yeni kuramlar geliştirdi. bu kuramlara göre, içinde yaşadığımız evren, sonsuz sayıdaki evrenlerden sadece biri. dokuzuncu soruda biraz daha açıklayacağımız bu kuram hakkında en ayrıntılı ve kapsamlı bilgiler john gribbin'in çoklu evrenler (alfa bilim dizisi) kitabında yer alıyor.
  
  6.
  ‘kara madde’ nedir?
  gözlemlenebilir evrende yapılan ölçümler, galaksilerin hesaplanabilen maddeden daha fazla maddenin çekim etkisi yüzünden çok hızlı döndüklerini ortaya çıkardı. kaynağını bilmediğimiz bu maddeye, “kara madde” adını veriyoruz. evrendeki maddenin yüzde 23’ünü oluşturduğu hesaplanan bu etkinin, ‘madde’ olduğunu biliyoruz, çünkü galaksileri döndüren bir kütleçekim kuvveti var. şimdi cern'deki lhc deneylerinde, süpersimetrik parçacıklar keşfedilmeye çalışılıyor. bulunurlarsa, kara maddenin kaynağı açıklanabilecek.
  
  7.
  ‘kara enerji’ nedir?
  1990'ların sonunda yapılan ölçümler gösterdi ki, itici bir ‘kara enerji’ sayesinde evren hızlanarak genişliyor. aslında evrenin enerji yoğunluğunun, kaynağını bilemediğimiz, ama ölçebildiğimiz kara madde (yüzde 23) ve kara enerjinin (yüzde 73) dışında kalıp da tanımlayabildiğimiz kısmı, yüzde 4 kadar. bütün bu kozmolojik verileri tutarlılık içinde açıklayabilen çeşitli fizik modelleri var, ancak bunlar henüz test edilmemiş durumda.
  
  8.
  ‘her şeyin teorisi’ mümkün mü?
  fizikçiler bugün evrende bulduğumuz tüm kuvvetlerin, yani kütleçekim, elektromanyetizma ve sadece çekirdek ile onun altı ölçekte işleyen iki kuvvetin (‘yeğin’ ve ‘zayıf’ olarak isimlendirilen); çok yüksek enerjilerde işleyen tek bir süper güçten ayrılmış olduğu konusunda hemfikir. ancak en büyük sorun, kütleçekimini, diğerleri ile aynı matematiksel pakete yerleştirmek. bu yüzden kuantum kütleçekimi, bugün araştırma dünyasının güncel bir konusu. bu gerçekleşirse, ‘büyük patlama’ anındaki tekilliklerden kurtulmak mümkün olacak ve evrendeki tüm kuvvet ve parçacıklar, ‘her şeyin teorisi’nde tek bir denklem dizisinde tanımlanabilecek. ‘her şeyin teorisi’ne en yakın aday ‘sicim teorisi’; ya da onun modern versiyonu olan ‘m-teori’. bu kuram, elektron gibi temel varlıkları matematiksel noktalar olarak kabul etmek yerine, onları sıradan ‘sicim’ ismiyle adlandırılmış titreşen bir şeyin döngüleri olarak ele alıyor.
  
  9.
  paralel evrenler nedir?
  kuantum fiziği, cep telefonlarından dna’ya her şeyin nasıl çalıştığını açıklayabilse de, gerçekte neden böyle olduğunun cevabını veremiyor. buradaki temel gizem de, bir elektronun iki delikten aynı anda geçmesi (diğer bir deyişle schrödinger’in kedisi) paradoksu. hangi delikten geçtiğine baktığınızda, elektronlar ekranda girişim deseni oluşturmuyor, belli bir duruma ‘çöküyorlar’. kopenhag yorumuna göre, elektron gibi kuantum varlıklarının siz onlara bakmıyorken ne yaptıklarını sormak anlamsız. ancak kuantum fiziğinin tek yorumu bu değil. 1957 yılında hugh everett ile başlayıp, bryce dewitt ile devam eden ve en son david deutsch’un toparladığı bir diğer yoruma göre, elektronun nerede olduğuna baktığınızda, dalga fonksiyonu çökmez ama gözlemci de dâhil tüm evren bölünür. üst üste binme durumları aslında ‘çoklu evrenler’dir. bu kuramın (bir kez daha gribbin’in ‘çoklu evrenler’ kitabını öneririm) birçok çeşitlemesi var. ‘çoklu evrenler’de özel bir evren olmadığı gibi, tek bir çoklu evren modeli de yok. belki de her bir karadelik başka bir evrene olan bağlantı.
  
  10.
  evrenin sonu nasıl olacak?
  günümüzde parçacık fiziğinin ve kozmolojik araştırmaların temel uğraş alanlarından biri de kara madde ve kara enerji kaynaklarını belirleyebilmek ve tutarlı bir kuramsal model çerçevesinde bunların birbirlerine oranlarını hesaplamak. kara madde ile kara enerjinin birbirlerine oranları, aynı zamanda evrenin gelecekteki tarihi hakkında da bilgi veriyor. kara enerji baskın olursa, evren ‘büyük parçalanma’ ile son bulacak; kara madde daha yüksek oranda çıkarsa, evren kendi içine çökecek. son olarak bunların oranı birbirini dengeleyecek şekilde çıkarsa, evren, ‘düz evren’ olarak adlandırılan bir süreçte, günümüzdeki gibi hızlanmaya devam edecek.
  
  kaynakça
  john gribbin, çoklu evrenler, alfa yayınevi bilim dizisi, çev: emin karabal, 2012
  k. ford, 101 soruda kuantum, alfa yayınevi bilim dizisi, çev: barış gönülşen, 2012
  gerard't hooft, maddenin son yapıtaşları, tübitak yay.
  david ve richard garfinkle, üç adımda evren, alfa yayınevi bilim-felsefe
  dizisi, çev: deniz guliyeva, 2012
  brian greene, evrenin zerafeti, tübitak yay., çev: ebru kılıç, 2011