Fizik

Evren’in 7 Büyük Gizemi (Neden Çözülemiyorlar?)

Karanlık madde, zamanın doğası, uzaylılar ve süper kütleli kara deliklerin oluşumu gibi problemler astronomları yıllardır şaşırtmaya devam ediyor.

Son on yılda, kara deliklerin fotoğraflarını çektik, atomların içini inceledik ve Evren’in doğumunu gördük. Buna rağmen, Evren’i ve onu yöneten yasalar hakkında hala tamamlayamadığımız boşluklar var. Bu boşluklar, önümüzdeki yıllarda fizikçiler ve astronomlar tarafından çözülmesi beklenen gizemlerdir.

1-Neden Hiçlik Dışında Bir Şeyler Var?

Çizim: © Sam Chivers

Kozmolojinin standart anlayışına göre, başlangıçta enflasyonist bir boşluk bulunmaktaydı. (Aslında burada Kozmolojik Enflasyon – şişme Kuramından söz ediliyor. Büyük Patlama sonrasındaki kısa bir süre Evren hızla genişlemeye başladı. Ardından daha yavaş bir oran ile genişlemeye devam etti. Hızla genişlediği kısma enflasyon dönemi deniyor.) Başlangıçta bulunan çok yüksek enerji yoğunluğu ve itici kütle çekim sayesinde (dışarı doğru patlamayı tetikleyecek bir şişme alanı oluştuğunda) patlama meydana geldi ve Evren katlanarak genişledi. ‘Kuantum’ olan her şeyde olduğu gibi, boşlukta da belirsizlik hakimdir ve tahmin edilemezdir. Bu yüzden başlangıçtaki boşluk rastgele yerlerde, sıradan, gündelik bir boşluğa dönüştü. Fakat bu esnada enflasyonist boşluğun muazzam enerjisi bir yere gitmek zorundaydı. Bu yüksek enerji, maddelerin oluşmasını ve maddelerin yüksek sıcaklıklarda ısınmasını sağladı. Böylece birçok büyük patlama meydana geldi. Bu bilgiler dahilinde, Evrenimizi sürekli genişleyen enflasyonist boşluktaki Büyük Patlama balonu olarak düşünebiliriz. Tüm bu süreç, bir torba şekere eşdeğer kütleye sahip olan bir parça şişirici vakumla da başlayabilirdi. Fizik yasaları – özellikle kuantum fiziği – hiçlikten ortaya çıkan bir maddenin oluşmasına rahatlıkla izin verir. Öyleyse, şimdi bir sonraki problemimiz bellidir: fizik yasaları nereden geldi?

Simetrilerle korunan fizik

1918’de Alman matematikçi Emmy Noether bu probleme ışık tuttu. Korumum yasalarının yalnızca uzay ve zamanın derin simetrilerinin sonuçları olduğunu keşfetti. (Mesela sistem zamandan bağımsızsa yani zaman simetrisindeki değişimlerden etkilenmiyorsa enerjinin korunduğunu söyleyebiliriz.) Bu tür simetriler, tamamen boş bir Evrenin boşluğunun da simetrileri olabileceğini öne sürer. Yani belki de yoktan bir şeye geçiş aslında bir problem değildir. Belki de hiçlikten yapılandırılmış bir hiçliğe, galaksi dolu bir Evren’in hiçliğine geçiş yalnızca boşlukta bir simetri değişimidir. Fakat bu değişim nasıl meydana geldi? Amerikalı fizikçi Victor Stenger, sıcaklık düştükçe suyun yapılandırılmış suya ya da buza dönüştüğüne, çünkü buzun daha kararlı olduğunu dile getirdi. Bu düşünce beraberinde şunu sorgulattı: Yapılandırılmış hiçlik daha kararlı olduğu için Evren hiçlikten “yapılandırılmış hiçliğe” geçiş yapmış olabilir miydi?

2- Neden Her Galaksinin Merkezinde Büyük Bir Kara Delik Var?

Çizim: © Sam Chivers

Bildiğimiz kadarıyla Evrenimizde yaklaşık iki trilyon galaksi bulunmakta neredeyse her birinin merkezinde süper kütleli bir kara delik olduğu bilinmekte. Süper kütleli kara delikler 50 milyar Güneş kütlesinde olabileceği gibi Sagittarius A* (4.3 milyon Güneş kütlesine sahip bu kara delik galaksimiz Samanyolu’nun merkezinde bulunuyor) gibi daha az kütleli de olabilirler. Ancak bu karadeliklerin merkeze nasıl ulaştıkları sorusu kozmolojinin çözülmeyi bekleyen büyük problemleri arasında yer alıyor. Masif (çok kütleli, büyük) yıldızların ömürlerinin son aşamasında süpernova patlaması meydana gelir. Bu yıldızların ölümü yani kendi kütle çekimleri altında çöküşü sonucunda yıldız kaynaklı kara deliklerin oluşur. Fakat, kimse süper kütleli bir kara deliğin nasıl oluştuğunu bilmiyor!

Süper kütleli kara deliklerin olası doğuşları

Kozmik tarihin büyük bir bölümünde, galaksi merkezleri çok sayıda maddenin küçük bir hacimde hapsolduğu yerler olmuştur. Bu yüzden, süper kütleli kara deliklerin, yoğun bir yıldız kümesinde birbirleriyle defalarca birleşen yıldız kaynaklı kara deliklerden oluşması söz konusu olabilir. Kesin olmamakla birlikte geçtiğimiz yıllarda keşfedilen kütle çekim dalgaları bu hipotezin bir kanıtı olabilir. (Bu olay, 29 ve 36 Güneş kütleli iki kara deliğin birleşmesi sonucu gerçekleşti.) Kara deliklerden biri süpernova kalıntısı olamayacak kadar büyüktü. Bu nedenle, bu büyük kütleli kara deliğin daha önce de birleşme yaşamış olabileceği düşünülüyor.

Süper kütleli karadeliklerin oluşumunda bir başka alternatif ise yoğun gaz bulutlarının doğrudan büzüşmesidir. Yine, bu kara delikler hem kara delik birleşmesinden hem de gaz bulutunun çöküşünden meydana geliyor olabilir. Bir başka olasılık ise süper kütleli kara deliklerin Büyük Patlama sırasında oluşmuş olabileceğine dair. Bu hipotezlere dayanarak şu soruyu sorabiliriz: İlk önce hangisi oluştu? Galaksiler mi yoksa süper kütleli kara delikler mi? Bu kozmik tavuk ve yumurta sorusuna son olasılığımız farklı bir bakış açısı katıyor. Önce galaksilerin doğması ardından bu galaksilerin merkezlerindeki büyük kara delikleri doğurması yerine, ilk önce süper kütleli kara delikler oluşmuş ve etrafında yıldız galaksiler şekillenmiş olabilir.

Parlak süper hızlı jetler

Kütlelerine rağmen, en büyük süper kütleli kara delikler bile Güneş Sisteminden pek de büyük değildir. Yine de güçlerini, zıt yöndeki süper hızlı madde jetleri (fıskiye gibi düşünebiliriz.) aracılığıyla milyonlarca ışık yılı boyunca yansıtırlar. Bu tür jetler, galaksinin iç bölgelerinde hızlı ve dış bölgelerinde yavaştırlar. Jetlerin bu davranışı, galaksilerin iç bölgelerinde bulunan gazların dağılmasına ve yıldız oluşumu sönümlemesine neden olur. Dış bölgelerde ise bunun aksine gazların sıkışmasını sağlar ve yıldız oluşumu tetikler. Galaksilere ait en büyük kara deliklerden çıkan güçlü fışkırmalar, yıldız kütlelerini belirliyor gibi görünüyor. Hatta, jetlerin Güneş gibi daha küçük, daha soğuk yıldızlara doğru bir eğilimi olduğunu söyleyebiliriz. (Güneş benzeri yıldız oluşumları galaksilerin dış bölgelerinde meydana gelir.) Öyleyse, kim bilir, belki de Güneşimiz için Sagittarius A * ‘ya teşekkür etmeliyiz! Çünkü, bu kara delik sayesinde şu an bu sayfayı okuyor olabiliriz.

3- Karanlık Madde Nedir?

Çizim: © Sam Chivers

Karanlık madde, herhangi bir elektromanyetik ışıma ile etkileşime girmeyen maddedir. Diğer bir deyiş ile ışık ya da enerji yaymaz. Avrupa Uzay Ajansı’nın Planck uydusu karanlık maddenin Evren’in ne kadarını oluşturduğu sorusuna ışık tuttu. Galaksiler, yıldızlar, gezegenler gibi gözlemleyebildiğimiz maddeler Evren’in kütle enerjisinin yalnızca yüzde 4.5’ine karşılık gelirken; karanlık madde ise yüzde 26,8’lik kısmına tekabül ediyor. Bu nedenle, görünür yıldızlardan ve galaksilerden yaklaşık altı kat daha ağır gelir. Gözlemleyemediğimiz bu maddenin varlığı diğer maddeler üzerindeki kütle çekimsel etkisi sayesinde belirlenebiliyor. Bu etkisi ile karanlık madde, galaksilerin bütünlüğünü korumasını ve yıldızların bir arada kalmasını sağlıyor. Örneğin, eğer karanlık maddenin çekimsel etkisi olmasaydı; galaksimiz Samanyolu’nda, Büyük Patlama’dan sonraki 13.82 milyar yıl içerisinde yıldızları oluşturacak miktarda madde bir araya gelemezdi. Bu yüzden, karanlık maddenin galaksimizde yıldızların doğuşunu hızlandıran bir role sahip olduğunu söyleyebiliriz.

Karanlık madde bileşenleri

Uzun süredir, karanlık madde parçacıkları için tercih edilen adaylar zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (WIMP-Weakly Interacting Massive Particles) olmuştur. Ancak bu parçacıklar her ne kadar uyumlu olsalarda, henüz İsviçre’de Cenevre yakınlarındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda görünmeyi başaramadılar.

Bir başka olasılık ise varsayımsal atom altı parçacığı olan aksiyonlardır. Aksiyonlar, oldukça küçük kütleye sahip, elektrik yükü olmayan ve az etkileşime giren parçacıklardır. Enflasyon teorisine göre, Aksiyonlar (Axion) Büyük Patlama sırasında oluşmuş olmalılar. Buna ek olarak, João G. Rosa and Thomas W. Kephart, aksiyon bulutlarının, kararsız ilkel kara delik kalıntıları olduğunu öne sürdüler. Bütün bu özelliklere dayanarak, aksiyonlar karanlık madde olma adaylığını kazanıyor. Şaşırtıcı bir şekilde, onlarca yıl süren araştırmalara rağmen, yeryüzü tabanlı hiçbir deney karanlık madde arayışında başarılı olamadı. Bu bağlamda, değiştirilmesi gereken şey madde teorisinden ziyade, kütle çekim teorisi olabilir. Fakat belki de karanlık madde, tek bir parçacığın oluşturduğu bir sıvı değil; çevremizde gördüğümüz atomik madde gibi karmaşıktır. Belki de Evren karanlık yıldızlar ve karanlık gezegenler ve karanlık yaşamla doludur!

4- Zaman Var mı?

Çizim: © Sam Chivers

Amerikalı fizikçi John Wheeler, “her şeyi bir anda durduran şey zamandır.” dedi. Ancak zaman yanıltıcı bir kavramdır. Zaman hakkında bildiğimizi sandığımız şeylerin çoğunda yanılıyoruz. Örneğin, zamanın aktığını söyleriz. Bununla birlikte, bir şeyin akması için, bir nehrin nehir kıyısına göre akması gibi, başka bir şeye göre akması gerekir. Öyleyse, zaman neye göre akıyor? İkinci bir zaman var diyebilir miyiz? Büyük olasılıkla, zamanın akışı, elde ettiğimiz bilgileri organize etmek için beynimiz tarafından yaratılan bir yanılsamadır. Zamanı üç farklı şekilde algılıyoruz: geçmiş, şu an ve gelecek. Ancak, ortak bir gerçek zaman fikri, gerçeklikle örtüşmeyen bir kavramdır. Çünkü görelilikle birlikte zamanda mutlaklığını yitirmiştir. Bu yüzden, bir başkasının zamanının tam olarak nasıl dilimlendiği, size göre ne kadar hızlı hareket ettiğine veya deneyimledikleri yer çekiminin gücüne bağlıdır.

Zamandaki bu farklılık günlük yaşamımızda fark edilmeyecek kadar küçüktür. Çünkü bu etkiler, yalnızca ışık hızına yakın göreceli hızlarda veya ultra güçlü yerçekiminde fark edilebilir. Yine de, görelilik sayesinde biliyoruz ki bir kişinin uzay ve zaman aralığı bir başka kişi ile aynı değildir. Görelilik teorisi ile birlikte uzay ve zaman ayrı iki kavram olmaktan çıkar, ayrılmaz bir şekilde iç içe geçer. Evrenimizde, tüm olaylar – Büyük Patlama’dan Evrenin ölümüne kadar – önceden var olan dört boyutlu bir uzayzamanda düzenlenmiştir. Yani, aslında hiçbir şey zaman üzerinde “ilerlemez”.

Einstein, arkadaşı Michele Besso’nun ölümünden sonra yazdığı gibi: “O, bu tuhaf dünyadan benden önce ayrıldı. Fakat bu hiçbir şey ifade etmiyor. Bizim gibi fiziğe inanan insanlar, geçmiş, şu an ve gelecek arasındaki ayrımın inatçı bir yanılsama olduğunu bilirler. ” Bir filmi geriye sardığımız gibi Evren’in genişlemesini de geriye sardığımızı hayal edersek, uzay ve zamanın parçalandığı bir ana gidebiliriz. Bu ana dayanarak, fizikçiler Evren’in başlangıcında zamanın daha temel bir şeyden ortaya çıkmış olabileceğinden şüpheleniyorlar. Fakat, kimse bu şeyin ne olduğunu bilmiyor.

5- Karanlık Enerji Nedir?

Çizim: © Sam Chivers

Karanlık enerji, galaksilerin birbirinden uzaklaşmasını, Evren’in genişlemesini sağlayan itici çekim gücüne sahip, görünmez bir enerjidir. Astrofizikçiler 1998 yılında, “karanlık enerjiyi” keşfetti. Varlığına dair gözlemlenebilir delil Tip 1A süpernova ölçümlerinden geldi. O zamana kadar bilim dünyasında Evren’in sabit bir hızda genişlediği varsayımı hakimdi. Bu varsayım gözlemlerimizle uyuşmuyordu çünkü süpernovalar beklenilenden daha sönüktü. Bu problemin nedeni ne olabilirdi? Evren’in genişlemesi katlanarak devam ediyor olabilir miydi? Evet, kozmik genişleme hızlanmış ve onları daha da uzaklaştırmıştı.

O zamanlar, bilim insanları büyük ölçekli Evren’i etkileyen tek kuvvetin, galaksiler arasında görünmez bir ağ gibi hareket ederek kozmik genişlemeyi durduran kütle çekim olduğunu düşünüyordu. Evren’in genişlemesine yol açan karanlık enerji Evren’in kütle enerjisinin yaklaşık üçte ikisini oluşturur. Bu, kozmologları oldukça şaşırtan bir sonuçtu. Çünkü, karanlık enerji tüm Evren’i etkileyen kütle çekimi bastırmış ve Evren’in kontrolünü yaklaşık beş milyar yıl önce ele geçirmişti.

Bilim tarihindeki tahmin ve gözlem arasındaki en büyük uyuşmazlık

Karanlık enerji kozmolojik bir sabit olup uzayın içsel bir itmesi olabilir. Boşluktaki kuantum enerji dalgalanmaları bu tür bir itmeye neden olabilir. En iyi mikroskopik dünya teorimiz olan kuantum teorisi boşluğa uygulandığında, teoriler karanlık enerjininkinden 10 ve ardından 120 sıfır daha büyük bir enerji yoğunluğu olduğunu gösteriyor. Bu fark, tahmin ve gözlem arasında bilim tarihinde rastlanılan en büyük tutarsızlık olmuştur.

Muhtemelen, kuantum teorisini Einstein’ın kütle çekim teorisiyle birleştirmeyi başardığımızda, bu çelişki ortadan kalkacaktır. Ayrıca, uzay deneyleri de bu bilim tarihinin en büyük bulmacalarından birinde rol alıyor. Örneğin, 2022’de Avrupa Uzay Ajansı, Euclid adlı teleskop ile karanlık evreni keşfetmek üzere bir çalışma yürütecek. Görev, karanlık enerjinin kozmik zamanla nasıl değiştiği problemine bir ipucu sunabilir. Ve belki, Euclid bu bulmacayı çözmek için hayati bir ipucu sağlar.

6- Neden Uzaylılara Dair Bir İşaret Görmüyoruz?

Çizim: © Sam Chivers

1950’de, ilk nükleer reaktörü yapan kişi olan Enrico Fermi, New Mexico’daki Los Alamos bomba laboratuvarının kantininde öğle yemeği yiyordu. Aniden şöyle dedi: “Herkes nerede?” Masadaki herkes onun ne demek istediğini tam olarak anlamıştı. Yıllar sonra, Fermi’nin sorusunu Amerikalı fizikçiler Michael Hart ve Frank Tipler bağımsız olarak incelediler. Hart, uzaylıların Samanyolu’nda yayıldığını ve koloniler oluşturduğunu düşündü. Tipler ise uzaylı kolonistlere kendi kendini üreten robotlar tarafından yardım edileceğini varsaydı. Hart ve Tipler, düşük hızlarda bile galaksideki her yıldızın ziyaret edileceği öne sürdüler. Bu sonuca Samanyolu’nun yaşı ile yolculuk sürelerini kıyaslayarak vardılar. Öyleyse Fermi’nin belirttiği gibi, uzaylılar burada Dünya’da olmalı. Fakat buralarmış gibi görünmüyor. Bu olaya, “Fermi paradoksu” dendi.

Paradoksu çözmek için uzaylılara dair yüzlerce açıklama öne sürüldü. Örneğin, galakside ortaya çıkan ilk zeka olduğumuz bu fikirlerden birisiydi. Bu açıklamalar galakside tamamen yalnız olduğumuz ve gelişimimizi olumsuz etkileyebilecek ileri uygarlıkların dışında kaldığımız fikirlerini de barındırıyordu. Paradoksu giderebilecek daha olası bir varsayım ise paradoksun olmamasıdır. Uzak geçmişte uzaylılar tarafından yapılan herhangi bir ziyaretin izleri rüzgar, yağmur ve jeolojik süreçler tarafından silinebilir. Böylece paradoks ortadan kalkar. Ancak son zamanlarda, New York Rochester Üniversitesi’nden Dr Jonathan Carroll-Nellenback liderliğindeki bir ekip, Güneşimizin bir dünya dışı genişleme dalgasından geçmiş olabileceğini öne sürdü.

Dünya dışı yaşamı yarım yüzyıldan fazladır teleskoplarla arıyoruz. Buna rağmen gökadamızda henüz uzaylılara dair bir iz bulamadık.
Bununla birlikte, Dr. Jason Wright liderliğindeki Pennsylvania Eyalet Üniversitesi ‘indeki bir ekip, bunun aslında bir problem olmadığını söylüyor. Çünkü Galaksinin yalnızca çok küçük bir bölümünü aradık. Bu noktada, Douglas Adams’ın The Otostopçunun Galaksi Rehberi’nde söylediği sözü aklımıza getirebiliriz. “Uzayın boyutları akıllara durgunluk verecek kadar geniştir. Uzay boşluğunun ne kadar büyük olduğuna inanamazsınız. Çok çok uzaklardaki bir eczaneye giden uzun bir yol düşünün. Uzaktan bakınca o bina nasıl bezelye tanesi kadar küçük görünürse, uzaydaki her şey de o geniş boşlukta bir bezelye tanesi gibidir.”

7- Doğanın Temel Yapı Taşları Sorunu

Çizim: © Sam Chivers

Lego parçalarını farklı kombinasyonlarla birleştirerek binlerce farklı model oluşturabiliriz. İster gemi ister roket yapalım modellerizi oluşturan en küçük parça temelde aynıdır. Evren’deki maddeleri bu modeller gibi düşünürsek, hepsinin temel yapıtaşının aynı olduğunu görürüz: kuarklar ve leptonlar. Şimdi Lego parçalarının yüzlerce ve binlerce kat daha büyüğünün yapılıp piyasaya sürüldüğünü varsayalım. Lego şirketi böyle bir üretim yapması kulağa çılgınlık gibi geliyor değil mi? Ancak, doğanın temel yapı taşları için yaptığı işlem tam olarak budur. Normal madde sadece iki tür kuark ve iki tür leptondan oluşur. Bunlara birinci nesil diyelim. Bununla birlikte, tüm parçacıkların yüzlerce kat daha ağır olmasının yanı sıra birinciyle aynı özelliklere sahip ikinci bir kuark ve lepton ‘nesli’ daha vardır. Ayrıca birinci nesil ile aynı özelliklere sahip fakat binlerce kat daha ağır olan üçüncü bir nesil de vardır.

Neden 3 farklı parçacık nesli var?

Daha ağır nesiller yaratmak, daha fazla enerji ihtiyacı demektir. Bu yüzden, bugün bunlara daha az rastlarız. Fakat, birinci nesilden ağır olan kuark ve leptonların Büyük Patlama’da kritik bir role sahip olması muhtemeldir. Burada yeni bir gizem ortaya çıkıyor. Neden her nesil birbirinden oldukça farklı parçacık kütlelerine sahip? Amerikalı fizikçi ve Nobel ödüllü Dr. Steven Weinberg bu konuya dair ilginç bir açıklaması var. Maddenin temel yapı taşları, Higgs alanıyla etkileşime girerek kütle kazanırlar. Higgs alanı, evrenin her bölgesinde var olduğu düşünülen bir enerji alanıdır. Bu alanda, Higgs bozonu olarak adlandırılan temel bir parçacık bulunur ve diğer parçacıklarla etkileşime girer. (Higgs bozunu, alanda kuantize olmuş kümelerdir, bu yüzden parçacık özelliklerine sahiptir.)

Kütlenin oluşumu ve miktarı parçacığın alanla nasıl etkileştiğine bağlıdır. Örneğin, fotonlar Higgs alanı ile etkileşmediği için kütlesiz kalan parçacıklardır. Weinberg, Higgs alanıyla en çok etkileşime giren parçacıkların, Higgs parçacığına yakın kütlelerle sonuçlandığını vurguluyor. Ve bunların üçüncü neslin parçacıkları olduğuna dikkat çekiyor.

Weinberg, Higgs ile doğrudan etkileşime giren parçacıkların yalnızca üçüncü neslin parçacıkları olabileceğini öne sürdü. Belki ikinci nesil, doğrudan Higgs ile etkileşime giren keşfedilmemiş bir parçacıkla etkileşime girerek kütlesini elde ediyordur. Ve belki ilk nesil parçacıkları da bu şekilde henüz keşfedilmemiş ikinci bir parçacıkla etkileşime girerek kütle kazanıyordur. Nesillere göre kütle kazanımı, kulaktan kulağa oyununa benzetebiliriz. Oyun ilerledikçe başlangıçta söylenen cümleden farklı bir cümle ortaya çıkmaya başlar. Kütle kazanımına da benzer şekilde bakabiliriz. Belki de her alt nesil, Higgs alanı ile daha az etkileşiyordur. Bu yüzden, alanın kütle oluşturma etkisi alt nesillerde daha az etkilidir. Weinberg, böyle bir mekanizmanın ayrıntılı olarak nasıl çalışacağını bilmiyor. Ancak fizikçiler, Weinberg’in “doğanın üç farklı formdaki yapı taşları” problemine dair bir ipucu vermiş olabileceğini vurguluyor.

Göz Atmak İsterseniz

Kaynak: The Universe’s 7 biggest mysteries (and why they’re unsolved); https://www.sciencefocus.com

Matematiksel

İrem Şalk

Çocukluğumda matematiğe ve lise ile birlikte ise fiziğe ilgi duymaya başladım. Şu an İTÜ-Fizik mühendisliği 4. Sınıf öğrencisiyim. Hayal etmeyi ve yeni şeyler keşfetmeyi sevmemin; doğa ve sanata olan düşkünlüğümün temelinde evrenin bu köşesinde anlamaya çalıştığımız doğa bilimlerini görüyorum. Bu yüzden, benim doğa da gördüğüm hayran bırakacak güzelliği, kaosu ve sadeliği, belirlenemez ve belirlenebilir davranışları imkanım olduğu kadar başkaları ile paylasabilmek için yazılar yazma kararı aldım. Hep birlikte yüzümüzü aydınlığa ve bilime dönebilmemiz umuduyla.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.