Büyük Patlama bir patlama mıydı?

Kanca

28 Mart 1949 akşamı, Cambridge'li gökbilimci Fred Hoyle (okunuşu "fred hoyl") BBC radyosunda yirmi dakikalık bir konuşma yapıyor. Karşı çıktığı bir fikri anlatması gerekiyor: bütün maddenin uzak geçmişte belirli bir anda yaratıldığı fikri. Dinleyicinin önünde çizim yok, fotoğraf yok, yalnızca ses var. Hoyle o fikre kısa ve akılda kalan bir ad takıyor: "big bang", yani Büyük Patlama.

Ad tuttu. Hem de öyle tuttu ki bugün neredeyse herkesin kafasında aynı resmi çiziyor: karanlık bir boşluğun ortasında parlayan bir nokta, dört bir yana saçılan parçalar. Oysa bu resmin neredeyse her ayrıntısı yanlış. Büyük Patlama bir yerde olmadı. Her yerde oldu.

Merkezi soru

Evrenin geçmişine dair en ünlü fikre "patlama" deniyor; peki gerçekte ne oldu, bir patlamadan hangi yönleriyle ayrılıyor ve bu kuram neyi anlatıp neyi anlatmıyor?

Anlatım

Bir adın hikâyesi

Fikrin kendisi addan yaklaşık yirmi yıl daha yaşlı. Belçikalı gökbilimci ve rahip Georges Lemaître (okunuşu "jorj lömetr"), 9 Mayıs 1931'de Nature dergisinde yayımlanan kısa bir notta evrenin başlangıcını "tek bir atom" gibi düşünmeyi önerdi. Tarihçi Helge Kragh'a göre bu tarih, başlangıcı olan evren fikrinin doğum günü sayılabilir. Lemaître daha sonra kendi kuramını "ilkel atom" diye adlandırdı ve onu sönmüş bir havai fişek gösterisine benzetti.

Ama Lemaître bu benzetmenin kusurunu da biliyordu. Kragh'ın aktardığına göre havai fişek çevresindeki boşluğa doğru patlar; ilkel atomun ise içine yayılacağı bir çevre yoktu. Hoyle'un adı da aynı tuzağa düştü. Hoyle yıllar sonra, radyoda hiçbir görsel aracı olmadığı için sürekli canlı imgeler aradığını ve bu adı da böyle bulduğunu söyleyecekti.

Patlama ile genişleme

Gerçek bir patlamayı düşün: bir havai fişek. Önce bir merkezi var; fişek belirli bir noktada, belirli bir anda patlar. Sonra bir kenarı var; parçalar dışarı doğru uçar ve bulutun en dış çizgisi, ötesinde boşluk olan bir sınırdır. Parçalar da zaten var olan bir uzayın içinde, bir hava basıncı farkıyla itilerek yol alır.

Büyük Patlama'da bu üçünün hiçbiri yok. OpenStax'ın deyişiyle, genişleme bütün uzay-zamanın gerilmesidir; bu yüzden evrendeki bütün noktalar birlikte gerilir ve genişleme her yerde birden başlamıştır. Ziyaret edebileceğin, "Büyük Patlama burada oldu" diyebileceğin bir yer yoktur. Galaksiler de bir itme kuvvetiyle kaçmaz; genişleyen uzayın içinde pasif yolculardır.

Bunu görmenin en kolay yolu mutfakta. Fazla maya konmuş, üzümlü bir ekmek hamurunu düşün. Hamur bir saatte iki katına kabarırken üzümler birbirinden uzaklaşır; ama hiçbir üzüm yerinden kıpırdamaz, aralarındaki hamur büyür. Hangi üzümün üstüne oturursan otur, bütün öteki üzümlerin senden uzaklaştığını görürsün. Hiçbir üzüm "merkezdeyim" diyemez.

Benzetmenin sınırı

Ekmeğin bir kabuğu vardır, dolayısıyla bir ortası da vardır. OpenStax bu yüzden uyarır: benzetmeler yararlıdır ama harfiyen alınmamalı; evrenin sınırı, kenarı ve merkezi yoktur. İnsanın aklına hemen şu soru gelir: evren neyin içine genişliyor? Bu sorunun kendisi bir kenar varsayar. Genişleme bir dışarıya taşmak değil, her yerdeki mesafelerin birlikte büyümesidir.

Evrenin sonlu mu sonsuz mu olduğunu bugün bilmiyoruz. Bildiğimiz şu: bugün görebildiğimiz her parça, bir zamanlar birbirine çok daha yakındı, çok daha yoğundu ve çok daha sıcaktı. OpenStax'ın hatırlattığı gibi, bugün var olan bütün madde ve enerji, seni oluşturan parçacıklar da dahil, oradan geldi. Bir anlamda hâlâ Büyük Patlama'nın içindeyiz; o her yanımızda.

Ne genişlemez?

Uzay genişliyorsa odan, sen ya da Güneş Sistemi de mi büyüyor? Hayır. Ekmekteki üzümler kabardıkça şişmez. Aynı biçimde kütleçekimi galaksileri ve galaksi kümelerini bir arada tutar; kümeler birbirinden uzaklaşır ama kendileri büyümez. Atomları bir arada tutan kuvvetler de kütleçekiminden çok daha güçlüdür. Genişleme, yalnızca kendi kütleçekimiyle birbirine bağlı olmayan büyük ölçeklerde, kümeler arasında görünür.

Genişlemeyi tek bir sayıyla anlatmak

Gökbilimciler genişlemeyi bir ölçek çarpanıyla anlatır; OpenStax onu R harfiyle gösterir. İki galaksi kümesi arasındaki mesafe iki katına çıkarsa R de iki katına çıkmış demektir. Uzak bir galaksiden yola çıkan ışık da bu gerilmeye katılır: dalga boyu uzay ne kadar gerildiyse o kadar uzar. Kırmızıya kayma, ışığın yola çıktığı andan bu yana evrenin ne kadar büyüdüğünü söyler.

Bunu tek satırda yazabiliriz: 1 + z = λ_gözlenen / λ_salınan = R_bugün / R_o zaman. Sesli okunuşu: bir artı kırmızıya kayma, gözlenen dalga boyunun ışığın salındığı andaki dalga boyuna oranına eşittir; bu da bugünkü ölçek çarpanının ışığın yola çıktığı andaki ölçek çarpanına oranıdır.

Çözümlü problem: Dalga boyu iki kat

Hidrojenin kırmızı çizgisi laboratuvarda 656,3 nanometrede durur. Uzak bir galaksinin tayfında aynı çizgiyi 1312,6 nanometrede bulduğunu düşün. Oran 1312,6 bölü 656,3, yani tam 2. Demek ki 1 + z eşittir 2, z eşittir 1.

Anlamı şu: bu ışık yola çıktığında evrendeki bütün mesafeler bugünkünün yarısıydı. Galaksinin bir yerden fırlatıldığını değil, ışık yoldayken aradaki uzayın iki katına gerildiğini söylüyoruz. Aynı ölçek başka bir galaksiden bakan bir gözlemci için de geçerlidir; hiç kimse ayrıcalıklı değildir.

Çözümlü problem: Sıcak ve yoğun bir başlangıç

OpenStax, evren daha yoğunken daha sıcak olduğunu ve genişledikçe soğuduğunu anlatır; bunu bir sprey kutusundan fışkıran gazın soğumasına benzetir. Işığın dalga boyu ölçekle birlikte uzadığı için, Wien yasasına göre ışımanın sıcaklığı da aynı oranda düşer. Kısacası T, R ile ters orantılıdır. Sesli okunuşu: sıcaklık, ölçek çarpanı kaç kat büyürse o kadar kat azalır.

Evren ilk kez saydamlaştığında, hidrojen atomlarının oluşabildiği yaklaşık 3000 kelvin sıcaklıktaydı. O ışımanın bugünkü sıcaklığı 2,73 kelvin ölçülüyor. 3000 bölü 2,73 yaklaşık 1100 eder. Demek ki o günden bu yana evrendeki mesafeler yaklaşık 1100 kat büyüdü. Bugün aralarında bir metre olacak iki nokta, o zaman yaklaşık 0,9 milimetre, yani bir toplu iğne başından daha kısa bir aralıkla duruyordu. Bu ışımanın kendisini ayrıntısıyla ayrı bir derste inceleyeceğiz.

Kuramın anlatmadığı şey

Büyük Patlama kuramı, evrenin çok sıcak ve çok yoğun bir hâlden bugüne nasıl evrildiğini anlatır. En başındaki anı anlatmaz. OpenStax'a göre saniyenin 10⁻⁴³'te birinden öncesine uzanan bir kuram henüz yok; yoğunluk o kadar yüksekti ki genel görelilik yetmez, zaman kavramı bile çöker. Bu sayı, virgülden sonra kırk iki sıfır ve ardından bir birle yazılır; okunuşu on üzeri eksi kırk üç saniyedir.

Planck uydusunun verilerine göre bu evrim yaklaşık 13,8 milyar yıldır sürüyor. Yani "ne zaman" sorusunun iyi ölçülmüş bir cevabı var; "nerede" sorusunun cevabı ise her yerde. "Öncesinde ne vardı" sorusu ise bugün bilimin elindeki araçların ötesinde duruyor.

Aslında…

Bir de yaygın bir hikâye var: Hoyle'un bu adı kuramla alay etmek için taktığı. Kragh, bunu gösteren bir belge bulunmadığını yazar. Hoyle da sonradan adı aşağılamak için seçmediğini söylemiştir.

Büyük resim

Büyük Patlama'yı bir yerde olmuş bir olay değil, her yerde birden süren bir süreç olarak düşünmek, kozmolojinin geri kalanını anlamanın anahtarıdır. Kırmızıya kaymayı bir hız ölçüsü değil, uzayın gerilme ölçüsü olarak okumak bu resimden gelir. Evrenin bir merkezi olmadığı için gökyüzünün her yönünden aynı soluk ışımanın gelmesi de bu resimle anlaşılır.

Bu ders, Kopernik'in başlattığı bir yolculuğun da son durağı. Önce Dünya'nın, sonra Güneş'in, sonra Samanyolu'nun merkez olmadığını öğrendik. Büyük Patlama bir adım daha atıyor: evrenin bir merkezi yok; her gözlemci kendini merkezde sanabilir ve hiçbiri haklı değildir.

Özet

1. Büyük Patlama, uzayın içinde bir noktada olmuş bir patlama değil, uzayın kendisinin her yerde birden genişlemeye başlamasıdır; evrenin bir merkezi ya da kenarı yoktur ve galaksiler genişleyen uzayda pasif yolculardır.
2. Genişleme bir ölçek çarpanıyla anlatılır: 1 + z, bugünkü ölçeğin ışığın yola çıktığı andaki ölçeğe oranıdır; sıcaklık da ölçekle ters orantılı düştüğü için, evren saydamlaştığı günden bu yana mesafeler yaklaşık 1100 kat büyümüştür.
3. Kuram, evrenin sıcak ve yoğun bir hâlden yaklaşık 13,8 milyar yıldır nasıl evrildiğini anlatır; saniyenin 10⁻⁴³'te birinden öncesini ise henüz hiçbir kuram anlatamıyor. Ad 1949'da Hoyle'un bir radyo konuşmasından gelir; fikir ise Lemaître'nin 1931'deki notuna dayanır.

Görev

Quiz

1. Büyük Patlama adı kime ve hangi yıla dayanır?
2. Gerçek bir patlamanın Büyük Patlama'da bulunmayan üç özelliği nedir?
3. Evren genişliyorsa Güneş Sistemi neden büyümüyor?
4. Uzak bir galaksinin ışığında bir tayf çizgisinin dalga boyu üç katına çıkmışsa, ışık yola çıktığında evrendeki mesafeler bugünkünün ne kadarıydı?
5. Büyük Patlama kuramı evrenin hangi anını anlatamaz?

Cevaplar

1. Fred Hoyle'a, 1949'daki bir BBC radyo konuşmasına dayanır; fikrin kendisi ise Lemaître'nin 1931'deki notuna.
2. Bir merkezi, bir kenarı ve parçaların içine saçıldığı, önceden var olan bir çevresi vardır; Büyük Patlama'da bunların hiçbiri yoktur.
3. Çünkü kütleçekimi galaksileri ve kümeleri bir arada tutar, atomları bir arada tutan kuvvetler de daha güçlüdür; genişleme yalnızca birbirine bağlı olmayan büyük ölçeklerde görünür.
4. Üçte biri; 1 + z eşittir 3 olduğundan bugünkü ölçek, o zamanki ölçeğin üç katıdır.
5. Saniyenin 10⁻⁴³'te birinden önceki anı; orada yoğunluk genel göreliliğin açıklayamayacağı kadar yüksektir.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Üzümlü ekmekte her üzüm ötekilerin kendinden uzaklaştığını görüyordu; uzaktaki üzümler de daha hızlı uzaklaşıyordu. Gökbilimciler aynı örüntüyü galaksilerde buldu: bir galaksi ne kadar uzaktaysa o kadar hızlı uzaklaşıyor. Bu ilişkiye bugün Hubble-Lemaître yasası deniyor. Uzaklık ile uzaklaşma hızı arasındaki bu orantı ne söylüyor, ve evren neden genişliyor?