Başka evrenler var mı?

Kanca

16 Aralık 2014. Kozmolog George Ellis ile gökbilimci Joe Silk, Nature dergisinde sert bir yorum yazısı yayımladı. Başlığı bir çağrıydı: "Fiziğin bütünlüğünü savunun." Yazının özeti tek cümleydi: evrene dair spekülatif kuramları deneysel doğrulamadan muaf tutma girişimleri bilimi zayıflatıyor.

Yazarların hedef aldığı fikirlerden biri, ufkumuzun ötesinde ışığı bize asla ulaşmayacak evrenlerin bulunduğu savıydı. Bir iddiayı doğrulayacak gözlem hiçbir zaman yapılamayacaksa, o iddia yine de bilime ait olabilir mi?

Merkezi soru

Çoklu evren fikri neden ortaya çıktı, hangi türleri var ve bilimsel bir iddiayı değerlendirirken kullandığımız ölçütler bu fikre nasıl uygulanabilir?

Anlatım

"Evren" ne demek?

Bilimsel yöntem dersinde iyi bir kuramın bir gözlemle yanlışlanabilecek öngörülerde bulunması gerektiğini görmüştük. Çoklu evren tartışması tam bu ölçütün sınırında yaşıyor. Ama önce sözcüğü netleştirmek gerekiyor, çünkü "başka evren" dört farklı anlamda kullanılıyor.

Fizikçi Max Tegmark 2003'teki bir derlemesinde paralel evren fikirlerini dört katmanlı bir sıraya dizdi. Birinci düzey en sıradanı: uzay sonsuzsa ve maddeyle aşağı yukarı düzgün biçimde doluysa, ışığının bize henüz ulaşamadığı sayısız bölge vardır. Tegmark'a göre bu, enflasyonun genel bir öngörüsü ve kozmolojinin standart modelinin bir sonucu; tartışmalı olan bu düzey değil.

İkinci düzeyde, Tegmark'ın deyişiyle kaotik enflasyonda başka bölgeler farklı fiziksel sabitlere, farklı parçacıklara, hatta farklı boyut sayısına sahip olabilir. Üçüncü düzey kuantum mekaniğinin çok dünyalı yorumudur; dördüncü düzeyde ise tamamen farklı matematiksel yapılar farklı fizik yasalarını tanımlar. Tegmark'ın vurguladığı soru, paralel evrenlerin var olup olmadığı değil, kaç düzey olduğudur.

Çözümlü problem: İkiziniz ne kadar uzakta?

Tegmark birinci düzeyin çarpıcı bir sonucunu da hesaplar. Sonlu bir bölgede parçacıklar ancak sonlu sayıda biçimde dizilebilir. Uzay sonsuzsa, her düzen bir yerde tekrarlanmalı. Tegmark'ın kaba tahminine göre sizin birebir bir kopyanız yaklaşık 10^(10^29) metre uzakta.

Bu sayıyı okumak için katları ayırmak gerekir. 10^(10^29), 1 ve ardından 10^29 tane sıfır demektir. Yani "10 üzeri 10 üzeri 29", yirmi dokuz haneli değil, yüz milyar kere milyar kere milyar haneli bir sayı. Bu haneleri milimetre aralıkla yan yana yazsaydık dizi 10^26 metre uzardı.

Karşılaştırma için bizim çalıştırdığımızda astropy'nin Planck 2018 modeliyle gözlenebilir evrenin yarıçapı yaklaşık 4,3 × 10²⁶ metre, yani yaklaşık 45 milyar ışık yılı çıktı. Sayının yalnızca yazılışı, gözlenebilir evrenin yarıçapının dörtte biri kadar yer tutar. Uzaklığın kendisi ise bunun kıyas kabul etmeyecek kadar ötesinde.

Tegmark aynı tahminin başka bir biçimini de verir. Bizim Hubble hacmimizde yaklaşık 10⁸⁰ proton var. Tegmark'ın varsaydığı yüksek bir sıcaklıkta bu hacme 10¹¹⁵ parçacık yeri sığar ve her yer dolu ya da boş olabileceği için olasılık sayısı 2^(10^115) olur. Bunu 10'un kuvveti olarak yazınca 10^(0,301 × 10^115), yani yaklaşık 10^(10^114,5) çıkar. Özdeş bir Hubble hacmine olan uzaklık için küp kök alınır ve üs 10^114,0'a iner. Katlanmış üslerde çarpmalar ve kökler neredeyse hiçbir şey değiştirmez. Tegmark bu yüzden sonucu kısaca 10^(10^115) metre diye yazar.

Sabitler neden bu değerde?

İkinci düzey, fizikteki eski bir bilmeceyle bağlantılı. Kozmolojik sabit, yani karanlık enerjinin yoğunluğu, neden bu kadar küçük? Leonard Susskind 2003'te sicim kuramının olası çözümlerinden oluşan "manzaranın" (landscape) akıl almayacak kadar büyük ve çeşitli göründüğünü yazdı ve bunun, ister beğenelim ister beğenmeyelim, antropik ilkeye destek verdiğini ekledi.

Antropik ilke kabaca şunu söyler: gözlediğimiz sabitler, gözlemcilerin ortaya çıkabileceği değerlerde olmak zorunda, çünkü başka türlüsünde onları ölçecek kimse olmazdı. Steven Weinberg 1987'de Physical Review Letters'da kozmolojik sabite antropik bir üst sınır koydu. Sabit çok büyük olsaydı evren galaksiler oluşamadan dağılırdı. Hugo Martel, Paul Shapiro ve Weinberg 1997'de hesabı olasılığa çevirdi. Sabitin farklı "alt evrenlerde" farklı değerler aldığı kuramlarda, gözlenen değerin olasılığının, ölçecek birinin var olması koşuluyla belirlendiğini yazdılar. Bir yıl sonra uzak süpernovalar, evreni iten gizemli şey dersinde gördüğümüz sıfırdan büyük ve küçük bir kozmolojik sabite işaret etti.

Bu, çoklu evreni kanıtlamaz. Ama savunucularının neden onu ciddiye aldığını gösterir: gözlenen değer, çoklu evren ve antropik seçim birlikte düşünüldüğünde şaşırtıcı olmaktan çıkıyor.

Sınanabilir bir iz var mı?

Çoklu evren her durumda gözlemin dışında kalmayabilir. Sonsuz enflasyon senaryosunda bizim gözlenebilir evrenimiz, büyüyen bir baloncuğun içinde yer alır. Başka baloncuklar bizimkine erken dönemde çarpmışsa, evrenin ilk ışığında dairesel bir iz bırakmış olabilir.

Stephen Feeney, Matthew Johnson, Daniel Mortlock ve Hiranya Peiris 2010'da bunu ilk kez aradı. WMAP'in yedi yıllık verisinde, sonradan seçim yanlılığına düşmemek için tasarlanmış bir algoritmayla baloncuk çarpışması izi taradılar. Sonuç: veri, standart modele baloncuk çarpışması eklemeyi gerektirmiyordu. Bütün gökte görülebilir çarpışmaların ortalama sayısına, yüzde 68 güvenle 1,6'dan küçük olacak biçimde bir üst sınır koydular.

Bu sonuç önemli, çünkü bir çoklu evren modelinin başarısız olabileceği bir sınav tanımlıyor. Ama iz bulunmaması, çoklu evrenin yokluğu anlamına gelmez; baloncukların hiç çarpışmamış ya da izlerinin görünemeyecek kadar sönük kalmış olması da mümkün.

Ölçü sorunu

Tegmark'ın aynı derlemede vurguladığı daha derin bir sorun var: ölçü sorunu (measure problem). Sonsuz sayıda evren varsa ve her olası sonuç sonsuz kez gerçekleşiyorsa, "bu sonuç daha olası" demek anlamını yitirir. Sonsuzları karşılaştırmak için bir kurala ihtiyaç var, ve farklı kurallar farklı olasılıklar verir. Tegmark'a göre ikinci ile dördüncü düzey arasında sınanabilir öngörüler yapabilmek için bu sorunun çözülmesi gerekiyor. Enflasyon dersindeki eleştirmenlerin kaygısı da buydu: her şeyi öngören bir kuram, hiçbir şeyi öngörmüyor olabilir.

Aslında…

Büyük resim

Çoklu evren sorusu, gökbilimin bir kuramı değerlendirme ölçütlerini sınıyor. Kuramın bir parçası gözlenemese bile, gözlenebilen parçaları sınanabilir: enflasyon ilk ışıktaki izleriyle sınanıyor, baloncuk çarpışmaları aranıyor, sabitlerin değerleri olasılık hesaplarıyla karşılaştırılıyor. Eleştirmenler ise gözlenemeyen bir parçanın ağırlığı arttıkça kuramın bilimden uzaklaştığını söylüyor.

Bu tartışmanın değeri, cevabından çok sorduğu soruda. "Bilim nedir?" sorusu yalnızca felsefecilerin değil, evrenin sınırına dayanan kozmologların da günlük sorusu hâline geldi.

Özet

1. "Başka evren" dört anlamda kullanılıyor: ışığı bize ulaşmamış uzak bölgeler, farklı sabitli enflasyon baloncukları, kuantum mekaniğinin dalları ve farklı matematiksel yapılar. Tegmark'a göre birinci düzey standart kozmolojinin sonucudur.
2. Katlanmış üslü sayılar akıl almaz ölçekler tanımlar: özdeş bir kopyanın uzaklığı 10^(10^29) metre, gözlenebilir evrenin yarıçapı ise yalnızca 4,3 × 10²⁶ metre. Weinberg'in antropik akıl yürütmesi, kozmolojik sabitin küçüklüğünü çoklu evrenle ilişkilendiriyor.
3. Feeney ve arkadaşlarının baloncuk çarpışması araması bir sınav tanımladı ama iz bulmadı; ölçü sorunu ise olasılık öngörülerini zorlaştırıyor. Ellis ve Silk sınanamayan kuramları bilimin dışında görürken Carroll onları olağan bilim sayıyor.

Görev

Quiz

1. Tegmark'ın dört düzeyi nelerdir ve hangisinin tartışmasız olduğunu söyler?
2. 10^(10^29) sayısını yazmak için kaç haneye ihtiyaç vardır?
3. Weinberg'in antropik akıl yürütmesi kozmolojik sabit hakkında ne söyler?
4. Baloncuk çarpışması aramasının sonucu neydi ve neden önemlidir?
5. Ellis–Silk ile Carroll'un görüşleri hangi noktada ayrışır?

Cevaplar

1. Işığı bize ulaşmamış uzak bölgeler, farklı sabitli enflasyon bölgeleri, kuantum mekaniğinin dalları ve farklı matematiksel yapılar; birinci düzeyi tartışmasız sayar.
2. Yaklaşık 10^29 haneye, yani yüz milyar kere milyar kere milyar haneye.
3. Sabit çok büyük olsaydı galaksiler oluşamaz ve onu ölçecek kimse olmazdı; bu yüzden farklı değerlerin denendiği bir çoklu evrende bizim ölçtüğümüz değerin küçük olması beklenir.
4. WMAP'in yedi yıllık verisinde iz bulunmadı ve görülebilir çarpışma sayısına üst sınır kondu; önemli, çünkü bir çoklu evren modelinin başarısız olabileceği bir sınav tanımlıyor.
5. Ellis ve Silk sınanamayan kuramların deneysel doğrulamadan muaf tutulmasını bilime zarar olarak görür; Carroll çoklu evrenin de öteki modeller gibi açıklama gücü, Bayesçi çıkarım ve deneysel başarıyla değerlendirilebileceğini savunur.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Çoklu evren tartışması gözlemin ulaşamadığı yerde yaşıyor. Oysa gözlemin ulaşabildiği sınır da sürekli genişliyor. Aynası otuz metreyi aşan yer teleskopları, uzaydaki yeni gözlemevleri ve devasa gökyüzü taramaları, bugün göremediğimiz sönük ve uzak cisimleri görmeyi hedefliyor. Önümüzdeki yirmi yılın büyük teleskopları hangi soruların peşinde?