Büyük Patlama Teorisi ve sorular

 

• Evrenin ve zamanın başlangıcının evrenin sonsuz yoğunluk ve sonsuz sıcaklıkta bir noktadan genişlediğinden hareket eden Büyük Patlama Teorisinin cevaplayamadığı sorular da var. Bu sorular sürekli sorgulayan doğamızın bilimsel gelişmenin kaynağını oluşturduğu gerçeğine işaret ediyor. 

 

Soru şu: Ortaya atıldığı günden bu yana üzerine atılan tüm testlerden geçen Büyük Patlama (Big Bang) teorisinden şüphe duyabilir miyiz?

Öncelikle bilimsel anlamda şüphe oldukça sağlıklı bir durumdur. Eğer bir teori güçlüyse, gerçekliği açıklıyorsa şüphe her zaman ispatı sağlar. Evreni ve içindeki her şeyin başlangıç noktasını açıklama iddiasındaki bir teori de tüm soru işaretlerine açıklama getirmekle yükümlüdür.

Einstein’ın “büyük hatası”

Büyük Patlama (Big Bang) evrenin oluşumunu açıklama konusundaki en iddialı teorimiz durumunda. Elimizdeki tüm veriler, evrenin bundan 13,8 milyar yıl önce sonsuz yoğunluktaki bir tekillik (singularity) durumundan geldiğini gösteriyor.

Bu teori kaynağını Albert Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’ndan alır. Einstein’ın 1915-1917 yılları arasında geliştirdiği bu kuramdaki denklemler evrenin durağan olamayacağını, ya genişlemesi ya da büzülmesi gerektiğini gösteriyordu. Elinde hiçbir gözlemsel veri bulunmayan Einstein, evreni sabit ve tutarlı kalabilmesi için denklemlerine “kozmolojik sabit” adını verdiği yapay bir terim ekledi. (Einstein daha sonra bunu hayatının en büyük hatası olarak nitelendirecekti.)

Hubble’ın gözlemleri ve Büyük Patlama teorisinin gelişmesi

Genel Görelilik Kuramı, bilim dünyasında kısa sürede büyük yankı uyandırdı. Bu kuramdan hareket eden bilim insanları Aleksandr Friedmann ve Georges Lemaître, denklemleri analiz ederek evrenin genişlediğini öngören matematiksel modeller geliştirdiler. Lemaître yayınladığı bir makalede, evrenin genişlemesi halinde uzaklaşan galaksilerin ışıklarının kırmızıya kayması gerektiğini de yazdı.

Büyük Patlama’nın “evreka” anı ise 1929 yılında Edwin Hubble’ın Mount Wilson Gözlemevi’nde yaptığı gözlemlerle geldi. Geliştirdiği teleskopla uzak galaksilerden gelen ışığı inceleyen Hubble, kırmızıya kayma olduğunu tespit etti. Daha da önemlisi, Hubble’ın verileri galaksiler ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaştığını gösterdi.

Basitçe bu durum, geçmişte galaksilerin hepsinin birbirine çok daha yakın olduğunu düşünmemize neden oldu. Yani bir noktada evrendeki tüm madde tek bir noktada var olmuş olmalıydı.

Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işımasının keşfi 

Bunu destekleyen en büyük bulgu ise 1965 yılında Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işımasının (CMB) keşfi ile geldi. Ancak bu keşiften önce, CMB’nin varlığı öngörülmüştü.

Bilim insanı George Gamow, evrenin başlangıçta çok sıcak ve yoğun olduğunu savunuyordu. Bu fikri geliştiren öğrencileri Ralph Alpher ve Robert Herman, 1948 yılında evrenin sıcak bir başlangıçtan gelmesi durumunda bu olaydan arta kalan bir ışımanın olması gerektiğini ve bunun günümüzde de ölçülebilir bir sıcaklıkta olacağını ifade etti. Alpher ve Herman bu ışımanın sıcaklığını 5 Kelvin (-268,15 santigrat) olarak hesapladı.

1960’larda ise Princeton Üniversitesi’nde bu çalışma yeniden ele alındı ve CMB’nin ölçülebileceği öngörüldü. Fizikçi Robert Dicke ve ekibi bunun için bir ölçüm aracı geliştirme çalışmalarına başladı. Fakat Bell Labs’ta çalışan Arno Penzias ve Robert Wilson, birkaç ay önce tesadüfen CMB’yi tespit etmişti. Çalışmayı okuyan Bell Labs’taki ekip Dicke ile iletişime geçti ve Büyük Patlama teorisinin altın çağı başladı.

CMB’nin kaynağı

Bell Labs’ta çalışan ekip 1965 yılında aslında başka bir radyo sinyalini ölçmeye çalışıyordu. Ekip ölçümler sırasında evrende her yönden gelen sabit bir “gürültüye” rastladı. Mutlak sıfırın çok az üzerinde, 2,7 Kelvin olarak ölçülen bu ışımanın tüm evrende neredeyse mükemmel bir homojenlikte dağılmış olması ikilinin ilgisini çekti ve Princeton’daki araştırmayla veriler birleştirildiğinde Büyük Patlama’nın ilk resmi çizildi.

Büyük Patlama teorisine göre evren ilk anlarında çok sıcak ve yoğundu. Bu yoğunlukta ışık serbestçe yayılamıyordu. Ancak evren genişledikçe soğudu ve sonunda fotonların serbest kalabileceği sıcaklık olan yaklaşık 3 bin Kelvin’e (2.726,85 santigrat) ulaştı. Rekombinasyon dönemi olarak adlandırılan bu dönemde yayılan bu ışık, günümüzdeki CMB’nin kaynağı olarak değerlendiriliyor. Yani CMB, Büyük Patlama’dan kalan ısının doğrudan gözlemlenebilir kalıntısıdır.

2013 yılında da CMB, Planck uydusu tarafından yüksek hassasiyetle haritalandırıldı ve evrenin erken dönemlerindeki çok küçük sıcaklık dalgalanmalarını gösterdi ki bu da bugünkü galaksilerin tohumlarıydı.

Hafif elementlerin miktarının hesaplanması

Büyük Patlama teorisini güçlendiren bir diğer nokta da evrendeki hafif elementlerin oranı konusundaki öngörüsüydü. Büyük Patlama’yı takip eden ilk üç dakika içinde evrenin milyarlarca Kelvin sıcaklığındaki halinde ilk atom çekirdekleri oluşmaya başladı. Bu süreci Büyük Patlama Nükleosentezi olarak adlandıran bilim insanları, ilk anda protonlar ve nötronların oluşup daha sonra döteryum (ağır hidrojen), helyum-3, helyum-4 ve çok az miktarda lityum-7’nin oluştuğunu öngördü. Hesaplamalara göre evrende hafif elementler daha yaygın olmalıydı. İlk hesaplar evrenin yüzde 75 oranında hidrojen ve yüzde 25’e yakın oranda helyum-4 ve çok az miktarda döteryum, helyum-3 ve lityum-7’nin varlığına işaret ediyordu.

Evrenin farklı bölgelerinde eski yıldızlar ve galaksiler ve özellikle çok eski gaz bulutlarına bakılarak yapılan gözlemler Büyük Patlama teorisinin öngörüleriyle birebir örtüştü. Bu da bu teorinin geçerliliğinin çimentosu oldu.

Sorular, sorular…

Büyük Patlama teorisini güçlü kılan noktalar bunlar. Bunlar yeterince ikna edici gözükebilir. Bu teorinin öngörülerinin ispatlanması, gözlemlenebilir ve ölçülebilir kanıtlara sahip olması onu bugün geçerli kılıyor ama bu teori konusunda çok büyük soru işaretleri var.

Bunlardan en önemlisi evrendeki genişlemenin kökeni ve mekanizmasıdır. Büyük Patlama’dan hemen sonra evrenin ani ve hızla genişlemesinin fiziksel dinamikleri halen büyük bir soru işaretidir. Bu genişlemeyi başlatan alanın neden başlayıp neden durduğuna yönelik sorular bu teoriyle yanıtlanamaz.

Büyük Patlama teorisi “dış destekle” ayakta duruyor

Karanlık madde ve karanlık enerji de Büyük Patlama için ciddi bir sorundur. Evrenin yüzde 95’inden fazlasını oluşturan karanlık madde ve karanlık enerjinin ne olduğu da Büyük Patlama teorisiyle açıklanamıyor ve sadece dolaylı etkileri hesaba katılıyor. Bu durum Büyük Patlama teorisinin “dış destekle” dengede tutulduğu yönünde eleştirilere neden oluyor.

Teorik olarak Büyük Patlama sırasında eşit miktarda madde ve anti-madde oluşmalıydı. Bu da Büyük Patlama teorisinin açıklayamadığı bir durumdur. Evrende bugün neredeyse hiç bulunmayan anti-maddeye ne olduğu, evrenin başlangıcında neden maddenin galip geldiği halen bilinmiyor.

Hem bilimsel hem de felsefi olarak tartışmaların odağında ise en ilgi çeken soru var: Büyük Patlama’dan önce ne vardı? Ya da öncesi var mıydı?

Yine bazı gözlemsel veriler ve çelişkiler de Büyük Patlama teorisinin eksik kalan taraflarına dikkat çekiyor. Bunlardan en önemlilerinden biri CMB haritalarında ortaya çıkan ve beklenenden çok daha soğuk olan bir nokta. Bu noktanın nasıl oluştuğu bilinmiyor.

Lityum problemi

Evrenin bazı bölgelerinde görülen devasa boşluklar ve galaksi kümeleri, Büyük Patlama teorisinin homojen evren varsayımıyla çelişiyor. Bu bölgelerin nasıl oluştuğu, genişlemenin dinamiği konusunda yeni bir fizik bakış açısı geliştirilmesi gerektiğini dahi gösteriyor olabilir.

Bilim insanlarının “Lityum Problemi” olarak adlandırdığı bir soru da Büyük Patlama teorisinin temelini oluşturan ilk madde oluşumunu ele alan nükleosentez hesaplamalarının yeniden düşünülmesine neden oluyor. Hesaplamalara göre evrende bugün bulunduğundan 3 ila 4 kat daha fazla lityum olması gerekiyor. Ancak tüm gözlemler lityum miktarını az gösteriyor.

Uyumsuz gözlemler

Son olarak da James Webb Uzay Teleskobu’nun son yaptığı gözlemler, evrenin çok erken dönemlerine ait olabilecek çok eski galaksiler gözlemledi. Büyük Patlama teorisinin hesaplamaları bu kadar erken dönemde böylesi karmaşık yapıların oluşamayacağını gösterirken, gözlemler bu öngörüyle çelişiyor. Bazı araştırmacılar bu veriler ışığında Büyük Patlama sonrası genişleme hızı ve madde yoğunluğu konularının yeniden ele alınması gerektiğini düşünüyor.

Devasa bir karadelik içinde miyiz?

Tüm bu sorulara rağmen halen Büyük Patlama teorisi, evrenin başlangıcını açıklama konusundaki en yaygın kabul görmüş teori. Ancak son dönemde bilim dünyasında, günümüzün en parlak bilim insanlarının tartıştığı bir hipotez var: Evren dediğimiz şey devasa bir karadelik mi?

Bu başka bir yazı konusu ancak kısaca anlatacak olursak, bugün yapılan hesaplamalara göre gözlemlenebilir evren boyutunda yani 93 milyar ışık yılı genişliğindeki bir karadeliğin madde yoğunluğu, evrenimizin madde yoğunluğuyla aynı. Bu veri bile tek başına “devasa bir karadeliğin içinde miyiz” sorusunu ortaya koyuyor.

Bu teoriye göre evrenimiz, başka bir evrende oluşmuş bir karadeliğin içinde olabilir. Evrenimizin sınırı, yani gözlemleyemediğimiz evren bu karadeliğin olay ufkudur ve Büyük Patlama dediğimiz şey aslında bu karadeliğin içinde doğmuş bir uzay-zaman bölgesinin ortaya çıkışı olabilir.

Bu hipotez, Büyük Patlama teorisinin klasik yorumlarının yani tekillik ve başlangıç anı konseptinin geçersiz olmasına neden olur. Gözlemlediğimiz genişleme de karadeliğin iç yapısından kaynaklı olabilir.

Her bilimsel teori gibi, Büyük Patlama da mutlak bir hakikat olarak değil, mevcut verilere en iyi yanıtı veren model olarak değerlendirilmeli. Büyük Patlama teorisi, geçici bir kesinlikle bize evrenin geçmişine açılan bir pencere sunmakta. Bununla birlikte halen cevaplanmamış sorular, bilimin sorgulayıcı doğasını ve evrenin sırlarla dolu derinliğini gözler önüne seriyor.