Evren ne demek?

Bir an

Ocak ayının son pazarı, gece on bire doğru. Aksoy ailesi Erzurum'un on beş kilometre dışında, karla kaplı bir köy yolunun kenarında arabadan inmiş. Şehrin turuncu ışığı arkada kalınca gökyüzü bambaşka görünüyor: başlarının üstünden, ufuktan ufka soluk, sütlü bir şerit geçiyor. Rıza Dede eldivenli parmağıyla şeridi gösteriyor: «Samanyolu. Çocukken koyunları beklerken her gece bunun altında yatardık.»

Ada'nın cebinde astronomi kulübünün haftalık görevi var. Gülay Hanım tahtaya tek bir soru yazmıştı: «Evren nedir? Bir paragrafta anlatın. "Her şey" demek yasak.» Ada iki gündür bu cümleyi kuramıyor. Her şey demeden evreni nasıl tarif edeceğini bilmiyor.

On yaşındaki Kuzey ise başka bir şeyle uğraşıyor. Başını iyice geriye atmış, şeridin bittiği yeri arıyor. «Dede, evrenin sonu nerede? Bir duvarı var mı? Varsa arkasında ne var?»

Rıza Dede gülüyor, Ada'ya dönüyor: «Bu soruyu kulübe sen götür. Benim cevabım başka bir cevap.»

Soru

«Evren» sözcüğü bilimde tam olarak neyi kapsar, gözümüzün ve teleskoplarımızın ulaşabildiği evren ile evrenin tamamı aynı şey midir?

Sezgi

Gülay Hanım'ın yasağı akıllıca, çünkü «her şey» cümlesi bir tanım değil bir kaçış. Kozmolojinin evren tanımı daha az iddialı ama daha işe yarar: fiziğin ölçebildiği ve hesaplayabildiği her şey, üstelik içinde bulunduğu sahne de dahil.

Bu son cümle ilk bakışta tuhaf geliyor. Gündelik deneyimde uzay bir oda gibidir: eşyaları çıkarırsan oda boş kalır. Ama yirminci yüzyılın fiziği, ileride 6. modülde göreceğimiz gibi, uzayın ve zamanın madde ile birlikte eğilip büküldüğünü ve genişleyebildiğini gösterdi. Evren eşyaların durduğu bir oda değil; oda da eşyalar da onun.

Kuzey'in sorusuna gelince, önce gördüğümüz ile var olanı ayırmak gerekiyor. Işık sonlu bir hızla yol alır ve evrenin bugünkü hâliyle genişlemeye başlamasının üzerinden sonlu bir süre geçti. Demek ki ışığının bize ulaşmaya vakit bulduğu bir bölge var, bir de ışığı henüz yolda olan bölgeler.

Denizde bir gemiden bakınca ufuk çizgisini düşün. Ufuk denizin bittiği yer değil, senin görüşünün bittiği yerdir; başka bir gemideki kaptanın ufku başka bir yerdedir. Gözlenebilir evrenin sınırı da böyle bir ufuktur. Benzetme bir noktada kırılıyor: denizdeki ufku Dünya'nın eğriliği belirler ve gemi ilerlemezse yerinde durur. Evrendeki ufku ise zaman belirler; biz yerimizden hiç kıpırdamasak bile her yıl yeni ışık yetiştiği için bu ufuk yavaşça genişler.

Bu ayrımı inceleyen bilim dalının da bir adı var.

Nasıl biliyoruz?

Gözlenebilir evrenin bir sınırı olduğunu bir düşünce deneyinden değil, ölçümden biliyoruz. Gökyüzünün her yönüne, en güçlü teleskoplarla bile görebildiğimiz galaksilerin ötesine baktığımızda, sonunda yıldızlardan ya da galaksilerden gelmeyen, her yönden neredeyse aynı sıcaklıkta gelen sönük bir mikrodalga ışıma ile karşılaşırız. Bu kozmik mikrodalga ardalanıdır ve 12. modülün bütün konusu o olacak. Burada önemli olan şu: bu ışık, evren yaklaşık 380 bin yaşındayken, gaz ilk kez ışığı geçirecek kadar soğuduğunda yola çıktı. Ondan önceki evren ışığa karşı bir sis kadar opaktı. Işıkla bakarak bu sisin ötesini göremeyiz.

Avrupa Uzay Ajansı'nın Planck uydusu 2009 ile 2013 arasında bu ışımanın bütün gökyüzü haritasını çıkardı. Haritanın en ince ayrıntıları, evrenin yaşını, içeriğini ve uzayın biçimini hesaplamanın en duyarlı yollarından birini verdi.

Peki bu ışığın geldiği yer bugün ne kadar uzakta? İlk akla gelen cevap «evren 13,8 milyar yaşında, öyleyse 13,8 milyar ışık yılı» olur. Bu cevap yanlış, çünkü ışık yol alırken uzay da genişlemeye devam etti. Yola çıktığı noktalar bugün çok daha uzakta.

Ufkun ötesi için ise elimizde yalnızca dolaylı bir ipucu var. Planck uzayın büyük ölçekte düz olduğunu, binde iki duyarlılıkla ölçtü. Düz bir uzay sonsuza dek uzanabilir; ama düz olduğu hâlde kendi üstüne kapanan, sonlu ama kenarsız bir biçimi de olabilir. Ölçüm bu iki seçeneği birbirinden ayıramıyor.

Yaygın yanılgılar

Sayılarla

Planck'ın sayılarıyla gözlenebilir evrenin büyüklüğünü kendimiz hesaplayabiliriz. Genişleme hızı saniyede megaparsek başına yaklaşık 67,7 kilometre, maddenin payı yüzde 31, karanlık enerjininki yüzde 69 alınıp standart modelin denklemi bilgisayarda çözülünce gözlenebilir evrenin yarıçapı yaklaşık 46,2 milyar ışık yılı çıkıyor. Aynı hesap evrenin yaşını 13,79 milyar yıl veriyor; yani yarıçap, ışığın evrenin yaşı boyunca durgun bir uzayda gidebileceği yolun yaklaşık 3,3 katı.

Bu kürenin hacmi yaklaşık 3,5 çarpı 10 üzeri 80 metreküp eder. İçindeki sıradan madde, yani atomlardan yapılmış her şey, yıldızlar, gaz bulutları, gezegenler ve biz, bütün bu hacme yayılınca ortalama dört metreküpe yaklaşık bir proton düşüyor. Karşılaştırma için: elli metrekarelik, tavanı iki buçuk metreden biraz yüksek bir odada yaklaşık 3 çarpı 10 üzeri 27 hava molekülü var. Evren ortalamada, insanın yapabileceği en iyi vakumdan bile çok daha boştur; madde galaksilerde ve yıldızlarda toplandığı için boşluk bize öyle görünmez.

Bütün gözlenebilir evrendeki proton ve nötron sayısı bu yoğunluktan yaklaşık 9 çarpı 10 üzeri 79, kabaca 10 üzeri 80 çıkıyor. Büyük bir sayı, ama sonlu ve hesaplanabilir. Evrenin tamamı için ise böyle bir sayı yazamayız: gözlenebilir bölgenin dışında ne kadar evren olduğunu bilmiyoruz.

Bağlantılar

Neye bağlı: Gözlenebilir evrenin bir sınırı olması iki şeye bağlıdır: ışığın sonlu bir hızla yol alması (2.1) ve evrenin bugünkü genişlemesinin sonlu bir süre önce başlamış olması (8.6). Işık sonsuz hızlı olsaydı ya da evren sonsuz yaşta ve durağan olsaydı ufuk olmazdı; 7.1'de bunun gece gökyüzünün karanlığıyla nasıl bağlantılı olduğunu göreceğiz. Sınırın 13,8 değil 46 milyar ışık yılında olması ise genişlemenin tarihine bağlıdır (7.6, 8.7). Işıkla bakışın 380 bin yaş civarında durması da evrenin o yaşta saydamlaşmasına bağlıdır (12.1).

Ona bağlı olanlar: Evren hakkında bildiğimiz her şey bu kürenin içinden gelir. Ufkun ötesi hakkında söylenen her cümle, gördüğümüz bölgenin evrenin geri kalanına benzediği varsayımına, yani 6.7'deki kozmolojik ilkeye dayanır. Evrenin sonlu mu sonsuz mu olduğu sorusu (18.3, 28.4) ve başka evrenler olup olmadığı tartışması (28.3) bu ayrım yüzünden ölçümle kapatılamıyor. Ufuk zamanla genişlediği için gelecekteki gökbilimciler bizden biraz daha fazlasını görecek; ama 27. modülde göreceğimiz gibi karanlık enerji, şu an görebildiğimiz bazı galaksilerin bir gün görüş alanından çıkmasına da yol açacak.

Kendi elinle

Kapanış

1. Evren bütün madde ve enerjiyle birlikte uzayın ve zamanın kendisidir; uzay ve zaman evrenin konduğu bir kap değil, onun parçasıdır.
2. Gözlenebilir evren, ışığın bize ulaşmaya vakit bulduğu bölgedir; sınırı bir duvar değil zamanın çizdiği bir ufuktur ve yarıçapı standart modele göre yaklaşık 46 milyar ışık yılıdır.
3. Evrenin tamamının gözlenebilir bölgeden büyük olduğu ölçümle uyumludur, ama sonlu mu sonsuz mu olduğu bilinmiyor; bu ayrım akademinin her dersinde «gördüğümüz» ile «çıkardığımız» arasındaki farkın ilk örneğidir.

Beş soru

1. Kozmolojinin evren tanımında uzay ve zaman nerede durur, ve bu gündelik «oda» resminden nasıl ayrılır?
2. Gözlenebilir evren nedir ve neden her gözlemcinin kendi gözlenebilir evreni vardır?
3. Denizdeki ufuk benzetmesi gözlenebilir evrenin sınırını anlatmakta nerede işe yarar, nerede kırılır?
4. Gözlenebilir evrenin yarıçapı neden 13,8 değil yaklaşık 46 milyar ışık yılıdır ve bu sayı neden «Model» etiketi taşır?
5. Planck'ın uzayın düz olduğunu ölçmesi, evrenin tamamının sonsuz olduğunu kanıtlar mı? Neden?

Yanıtlar

1. Kozmolojiye göre evren yalnız madde ve enerjiden ibaret değildir; uzay ve zaman da evrenin parçasıdır. Gündelik resimde uzay eşyaların içine konduğu ve eşyalar çıkınca boş kalan bir odadır. Görelilik ise uzayın ve zamanın madde ile birlikte eğilip genişleyebildiğini gösterdi; oda da eşyalar da evrene aittir.
2. Gözlenebilir evren, ışığın ya da başka bir habercinin evrenin genişlemeye başladığı andan bugüne bize ulaşmaya vakit bulduğu bölgedir. Sınırı gözlemcinin konumuna göre çizildiği için her gözlemci kendi gözlenebilir evreninin merkezindedir; bu bir ayrıcalık değil, bakmanın geometrisidir.
3. Ufuk benzetmesi sınırın bir kenar değil görüşün bittiği yer olduğunu ve her gözlemcinin ufkunun farklı olduğunu iyi anlatır. Kırıldığı yer şudur: denizdeki ufku Dünya'nın eğriliği belirler ve gemi durursa ufuk da durur; evrendeki ufku zaman belirler ve yerimizden kıpırdamasak bile ufuk yavaşça genişler.
4. Işık bize doğru yol alırken uzay genişlemeye devam ettiği için ışığın yola çıktığı noktalar bugün çok daha uzaktadır. Yaklaşık 46 milyar ışık yılı doğrudan ölçülmez; Planck'ın ölçtüğü genişleme hızı ve içerik standart modelin denklemine konularak hesaplanır. Bu yüzden «Model» etiketi taşır.
5. Kanıtlamaz. Düz bir uzay sonsuza dek uzanabilir, ama düz olduğu hâlde kendi üstüne kapanan sonlu bir biçimi de olabilir. Ölçüm yalnız gözlenebilir bölgenin çok büyük bir evrenin küçük bir parçası olabileceğini söyler; evrenin tamamının büyüklüğünü vermez.

Sonraki derse köprü

Kuzey'in sorusu iki soruydu ve yalnız biri bu dersin konusuydu. «Evrenin sonu nerede?» sorusuna bilim ölçümle cevap verebiliyor. Rıza Dede'nin «benim cevabım başka bir cevap» dediği yer ise başka türden bir soruya açılıyor: evren neden var? 0.2'de bu akademinin ne vaat etmediğini netleştireceğiz. Bilimin «nasıl» ve «ne zaman» sorularını «neden» sorusundan ayıracak ve her derste kullanacağımız kanıt etiketlerini tanıyacağız. Bu derste karşılaştığımız «Model» etiketi de onlardan biri: ölçülen ile modelden hesaplanan arasındaki farkı her derste görünür tutuyor.