Büyük Patlama(Big Bang) Teorisi

20.yüzyılın en sıradışı keşiflerinden birisi “Büyük Patlama” ya da diğer adıyla “Big Bang” teorisidir. Büyük Patlama teorisi, bugün bilim camiası arasında evrene ilişkin en kabul gören teorilerden birisidir. Büyük Patlama’ya göre evrenin bir başlangıcı vardır ve uzayda var olan her şey, bir zamanlar bu başlangıç noktasında “tekillik” durumunda beklemekteydi.

Büyük Patlama teorisini açıklamadan önce 1900’lü yılların başlarına kadar, bilim camiasında evrenin varlığına ve kökenine ilişkin kabaca hangi görüşlerin hakim olduğunu ve Büyük Patlama teorisinin hangi kanıtlara ya da gözlemlere dayanarak geliştirildiğini açıklayarak, 20.yüzyılın ses getiren teorisini hazırlayan zemini incelemekte fayda görüyorum.

Newton’un Mirası

17.yüzyılda öne sürdüğü kütleçekim teorisiyle 200 yıl boyunca fiziğe egemen olan Newton, evrene dair görüşleriyle de çoğu bilim insanının düşünce sistemini etkilemiştir. Newton’a göre evren sonsuz büyüklükte ve sabit bir yerdi. Ne başlangıcı, ne de sonu olan uçsuz bucaksız bir alemdi. 1920’li yıllara , evrenin bir başlangıcı olduğu fikri öne sürülene kadar, zaman zaman evrenin bir başlangıcı olup olmadığı hakkında şüpheler besleyen bir takım düşünürler ve bilim insanları olmuşsa da, sınırsız büyüklükte ve durağan bir evren anlayışı insanların kafasında yerleşmiş, uzun yıllar hakim görüş olmuştur.

Büyük Patlama Teorisine İlk Bakış

Amerikalı astronom Vesto Slipher, 1912 yılında teleskobuyla bir takım gözlemler yapmış, o zamanlar “bulutsu” olarak bilinen galaksilerden yayılan ışığın Doppler Etkisi‘ni ölçmüştür.Bu ölçümler neticesinde, neredeyse tüm bulutsuların Samanyolu’ndan uzaklaştığını gözlemleyerek durağan evren fikrine gölge düşürmüştür.

1922 yılına gelindiğinde Rus astronom Alexander Friedmann, Einstein’in Genel Görelilik denklemlerinden yola çıkarak, Einstein’in o zamanlar “Kozmolojik Sabit” dediği, denklemlerine sonradan ekleyerek evrenin sonsuz ve durağan kalmasını ifade eden eşitliğin tersine, evrenin bir başlangıcı olabileceği şeklinde bir sonuç çıkarmıştı.

Edwin Hubble, 1924 yılında galaksimize en yakın bulutsu olan Andromeda’yı ve diğer bulutsuları inceleyerek aslında bu yıldız sistemlerinin başlı başlına birer galaksi olduğunu keşfetti. 1929 yılında ise Doppler Etkisi yönteminden faydalanarak galaksilerin bizden uzaklaştığını ve galaksilerin uzaklaşma hızı ile bize olan mesafeleri arasında bir ilişki olduğunu keşfederek Büyük Patlama teorisinin temellerini atacak olan George Lemaitre’ye böylece bir yol göstermiş oldu.

Belçikalı bir fizikçi olan George Lemaitre, Hubble’nin yaptığı gözlemlerden önce, tıpkı Friedmann’ın Einstein’in eşitliklerinden yola çıkarak geliştirdiği “evrenin bir başlangıcı olabileceği” fikrinin aynısını, ancak Friedmann’dan bağımsız olarak ortaya atmıştı. Hubble’nin, galaksilerin birbirinden uzaklaştığını gözlemlemesi neticesinde Lemaitre 1927 yılında, galaksilerin uzaklaşmasına sebep olan şeyin aslında evrenin genişlemesi olduğunu öne sürerek ilk “Büyük Patlama” teorisini ortaya atan isim olmuştur.(Evrenin genişlemesine ilişkin ele aldığımız yazımızı buradan okuyabilirsiniz.)

Galaksilerin birbirinden uzaklaşmasını temsil eden bir görsel.

Edwin Hubble’nin galaksilerin uzaklaşmasına ilişkin yaptığı gözlemlerden hareketle, galaksiler bizden ne kadar uzaktaysa, o kadar hızlı bir şekilde uzaklaştığını belirten günümüzdeki “Hubble Yasası” olarak bilinen yasadan yola çıkan Lemaitre, zamanda ne kadar geriye gidilirse galaksilerin birbirine o kadar yaklaşacağını; nihayet 13.8 milyar yıl kadar geriye gidilirse evrende bulunan her şeyin tek bir noktada toplanmış olması gerektiğini söyleyip Büyük Patlama teorisini bir adım daha ileri taşımıştır.

Büyük Patlama ve Tekillik

Büyük Patlama teorisine göre evrende bulunan her şey(galaksiler,yıldızlar,gezegenler,kara delikler vs.) 13.8 milyar yıl önce “tekillik” olarak adlandırılan, sonsuz yoğunluğa ve sıcaklığa sahip bir bölgede sıkışık durumdaydı. Tekillik noktasında bugün bilinen fizik kuralları tam anlamıyla geçersizdi ve doğanın 4 temel kuvveti(kütleçekim,elektromanyetik kuvvet, zayıf ve nükleer kuvvet) birleşik bir haldeydi. Bu tekillik dönemi olarak bilinen zamanda tüm fizik kuralları tekillik halini açıklayamamaktadır.

Büyük Patlama dediğimiz olay, tekillik anında bulunan evrenin kendisinin ve tüm enerjisinin tekillikten kurtulup genişlemesidir. Büyük Patlama’dan sonraki 10-43  ve 10-11 saniye arası dönem ise spekülasyona oldukça açık bir dönemdir. Çünkü Büyük Patlama anı, bugün günlük hayatta karşılaşmadığımız ve hatta laboratuvarlarda bile üretemediğimiz şartlara sahiptir.

Tekillik anını temsil eden bir görsel. Görsel:http://carmencafe.blogcu.com/cern-de-geri-sayim-basladi/4045301

Bu dönemdeki zamanı  ise “Planck Zamanı” ile tanımlarız. Çünkü Planck Zamanı oldukça küçük zaman dilimleriyle ilgilenir ve Büyük Patlama anına dahil olan olaylar oldukça kısa bir zaman diliminde gerçekleşmiştir.

Büyük Patlama anında, 10-43 saniye ile 0 saniye arasındaki dönem ise “Planck Dönemi” şeklinde ifade ediliyor. Bu süre zarfı arasında doğanın 4 temel kuvvetinin birbirinden ayrıldığı düşünülüyor. Evren bu zaman zarfında, enerjinin kusursuz denebilecek bir simetriye sahip olduğu bir durumu yaşıyordu. Bugün kuantum dalgalanmaları olarak bilinen bu durum, enerji yoğunluğunun simetrisini(eşit dağılımını) bozduğu düşünülüyor. Böylece günümüzdeki galaksilerin,yıldızların vs. diğer bir deyişle büyük ölçekli yapıların kökeninin kuantum dalgalanmalarına dayandığı öne sürülüyor. Ayrıca, aynı süre zarfında “kozmik enflasyon denilen, evrenin kendisinin ışık hızından hızlı bir şekilde ani bir genişleme dönemine girdiği sanılıyor.

Planck Dönemi sırasında, evrenin sıcaklığı ve yoğunluğu aşırı derecede yüksek olduğu için sürekli olarak anti-parçacık ve parçacık çiftleri oluşuyor ve birbirlerini yok ediyorlardı. Ancak evren 10−11 saniye yaşındayken, “baryogenesis” denilen bir olayın, maddenin anti-madde üzerinde bir üstünlük kurmasına, diğer bir deyişle madde miktarının anti-madde miktarından fazla olmasına sebep olacak bir olayı gerçekleştirerek kuark ve lepton gibi normal maddelerin, karşıtları olan anti kuark ve lepton çiftleri üzerinde sayıca üstünlük kurmasına yol açtı.

Şunu da belirtmek gerekir ki, 10−11 saniyeden sonraki dönemin şartları, bugün parçacık hızlandırıcılarında gerçekleştirilebildiği için üzerinde daha fazla bilgi sahibi olduğumuz zaman dilimleridir. Böylece o dönemden sonraki dönemler açısından bilim bizlere yol gösterebilmektedir.

10−6  saniye  civarında, evrendeki sıcaklık, kuark ve gluon çiftlerinin ilk proton ve nötronları oluşturmak amacıyla bir araya gelmesini sağlayacak şekilde düştü ve ilk proton ve nötronlar oluşmuş oldu.

Büyük Patlama’dan yaklaşık 1 saniye sonra ise, kuark ve leptonların anti-kuark ve anti-leptonlara sayı bakımından üstün gelmesine benzer şekilde, elektronlar da karşıt parçacıkları olan pozitronlardan sayıca üstün hale geldi. Bu durumdan sonra evrene proton,nötron ve elektron parçacıkları hakim olmaya başladı.

İlk Element

Büyük Patlama’dan birkaç saniye sonra sıcaklık yaklaşık 1 milyar kelvin, yoğunluk ise atmosferimizin yoğunluğuna eşit bir durumda iken, nükleosentez olarak bilinen süreçte, nötronlar protonlarla birleşerek döteryum dediğimiz bilinen ilk hidrojen izotoplarının oluşmasına sebep oldu. Fakat bir çok proton parçacığı birleşme eylemini gerçekleştirmeyerek “hidrojen çekirdeği” olarak kaldı.

Evren, bu durumda bile elektronların proton ve nötronlarla birleşip, bugün uzayda bulunan hidrojen ve helyum elementlerini oluşturamayacak kadar sıcak bir haldeydi. Büyük Patlama’nın sebep olduğu ışımadan yayılan fotonlar sürekli olarak aşırı hareketli haldeki elektronlara çarpıyor ve ilerleyemiyordu. Bu durum, Büyük Patlama’dan yaklaşık 380 bin yıl sonrasına kadar devam etti.

Evren’in oluşumundan 380 bin yıl sonra sıcaklık, elektronların atom çekirdekleriyle(proton ve nötron) birleşip çoğunlukla hidrojen ve daha az miktarda helyum elementlerini oluşturacak kadar soğudu. Bu süre zarfından sonra ışık fotonları artık evrende yol kat etmeye başladı. 13.8 milyar yıl sonra insanoğlu, bu fotonları mikrodalga formunda tespit ederek Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması dediğimiz, Büyük Patlama’dan arta kalan ışımayı tespit etti. Kozmik radyasyonun ise -270.424 °C olduğu günümüzdeki hassas aletlerle ölçülmüş durumdadır.

Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması
Görsel:Berkeley.Edu

Büyük Patlama Teorisine Bilim Camiasından Tepkiler

George Lemaitre’nin 1920 ve 30’lu yıllarda Hubble’nin gözlemsel verilerine dayanarak öne sürdüğü Büyük Patlama teorisi bir çok bilim insanı tarafından hoş karşılanmadı. Lemaitre’nin ayrıca Roma Katolik Kilisesi’nde papaz olması, ortaya attığı Büyük Patlama Teorisi’nin diğer bilim insanları tarafından “yaratılış argümanını desteklemek için öne sürülmüş” bir sav olduğu iddia edildi.

Lemaitre’nin teorisine ise karşı cephede olan birkaç muhalif mevcuttu. Bunlardan en dişlisi, başını Fred Hoyle’un çektiği “Steady State Teorisi” savunucuları olup; evrenin bir başlangıcının olmadığı, evrende bulunan hidrojen ve helyum gibi elementlerin ise her zaman var olduğu ve sürekli bir şekilde yaratıldığını öne sürüyorlardı. Büyük Patlama teorisine alternatif diğer teoriler ise “Milne Modeli” ve Fritz Zwitcky’in savunduğu Tired Light(Yorgun Işık) gibi teoriler de bulunuyordu. Ancak, 1963 yılında Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması’nın keşfiyle Büyük Patlama teorisinin kanıtlanmasına kadar, Büyük Patlama Teorisi’nin en büyük alternatifi ve en çok taraftar toplayanı Fred Hoyle’un Steady State Teorisi olmuştur.

1949 yılının Mart ayında Fred Hoyle, bir radyo yayını sırasında Lemaitre’nin öne sürdüğü evrenin bir tekillikten yaratıldığı hipotezini, kimi kaynaklara göre küçük görmek amacıyla “Big Bang” diye niteleyerek Büyük Patlama Teorisi’nin istemeden de olsa isim babası olmuştur.

2.Dünya Savaşı sonrası dönemde, bilim camiasında evrenin yaratılışına ilişkin bu 2 sağlam taraftarı bulunan teoriden hangisinin doğru olduğu merak ediliyordu. Hoyle, Steady State teorisi ile hidrojen ve helyum elementlerinin kökenine ilişkin her ne kadar yanlış bir çıkarımda bulunduysa da, periyodik tabloda geri kalan elementlerin, yıldızların çekirdeklerinde yaratıldığını öne sürerek hidrojen ve helyum dışındaki elementlerin nasıl oluştuğunu açıklayabilmiştir. Fakat evrenin kökenine ilişkin teorisinin de bir o kadar yanlış olduğu ortaya çıkacaktı.  Öte yandan Büyük Patlama Teorisi’nin doğruluğunu kanıtlamak amacıyla bir takım girişimler de yapılmıyor değildi.

Yukarıdaki paragraflarda bahsettiğimiz Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması tespit edilmeden önce, bu kozmik ışığın varlığına ilişkin bir takım hesaplamalar yapılıyordu. Ralph Alpher ve Robert Herman gibi fizikçiler, Büyük Patlama’dan yayılan arta kalan ışığın, evrende mikrodalga halinde bulunması gerektiğini hesaplamıştı. Diğer yandan Lemaitre’nin Büyük Patlama teorisi, George Gamow tarafından geliştirilmiş ve tıpkı Ralph Alpher ve Robert Herman gibi Gamow da arta kalan ışımanın evrende bulunması ve nükleosentez sürecinin olması gerektiğini savunmuştur.

Büyük Patlama’dan Arta Kalan Işıma

1965 yılında New Jersey’daki  Bell Telefon Laboratuvarı’nda çalışan 2 genç astronom Arno Penzias ve Robert Wilson, antenlerine karışan, ne olduğunu bilemedikleri bir radyasyon tespit ettiler. Antenlerini her yöne doğru çevirdiler ve bu radyasyon da tıpkı Gamow ve diğerlerinin öne sürdüğü gibi evrenin her yerinden geliyor gibiydi. Sonradan Büyük Patlama üzerine yapılan çalışmaları okuyan bu 2 çalışan, antenlerine karışan radyasyonun Büyük Patlama’dan arta kalan radyasyon olması gerektiğini anladılar ve şans eseri Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması’nı tespit etmiş oldular. Bunun üzerine 1978 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldüler.

Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması’nın tespitiyle birlikte artık evrenin bir başlangıcı olduğu resmen kanıtlanmış oldu. Hoyle’un öne sürdüğü Steady State Teorisi ise Büyük Patlama teorisi karşısında kaybederek tarihin tozlu sayfalarına karışmış oldu. Ancak Fred Hoyle 2000’li yıllardaki ölümüne kadar Büyük Patlama Teorisi’ni kabul etmeyerek teoriye inanmayı reddetmiştir.

Büyük Patlama Kuramına İlişkin Bazı Meseleler ve Tutarsızlıklar

Madde-Anti Madde Eşitsizliği

Evrenin oluşum aşamasında madde ve anti-madde miktarının ve dağılımının eşit olduğu düşünülüyordu. Fakat bilinmeyen bir sebebin, maddenin anti-madde parçacıkları karşısında lehine bir üstünlük kurmasını sağladığı ve bugün evrende gördüğümüz her şeyin(galaksi,yıldızlar,gezegenler vs.) maddeden oluşmasına yol açtığı öne sürülüyor. Bu sebebe ise baryogenesis denir. Baryogenesis ismini verdikleri olayın gerçekleşmesini sağlayan şeyin ne olduğu, bugün bilim camiasında hala bilinmezliğini korumaktadır.

Evrenin Genişleme Hızına İlişkin Sorunlar

1929 yılında Edwin Hubble’ın galaksilerin bizden uzaklaşma hızına bakarak evrenin genişlediğini keşfetmesiyle birlikte, evrenin genişleme hızını hesaplamıştır. Bu hız “Hubble Sabiti” olarak bugün bilinmektedir. Edwin Hubble’nin hesapladığı genişleme hızı, bugün gelişmiş uydu ve teleskopların yardımıyla daha hassas ve gözlemlere uygun bir biçimde hesaplanabiliyor. Fakat bazı ölçüm aletlerinin hesapladığı değerler arasında bir tutarsızlık mevcut durumdadır.

Hubble Uzay Teleskobu 2000’li yılların başında evrenin genişleme hızını ölçerek bu sayının saniyede 73 kilometre megaparsec olduğunu bulmuştur. Diğer bir ifadeyle evren, her 3.3 milyon ışık yılı çapı mesafesinin içinde saniyede 73 kilometre bir hızla genişlemektedir.(Evrenin genişlemesine ilişkin yazımıza buradan ve evrenin genişleme hızının ne kadar olduğuyla ilgili ayrıntılı bir yazımıza da buradan ulaşabilirsiniz.) Fakat son zamanlarda, Avrupa Uzay Ajansının Planck Uydusu, Hubble Teleskobu’nun evrenin genişleme hızına ilişkin ölçtüğü değerden farklı bir değer ölçtü. Planck Uydusu’na göre evrenin genişleme hızı saniyede 67 kilometre megaparsec’dir.

Açıkca görüldüğü gibi, her 2 ölçüm aleti arasında evrenin genişleme hızına ilişkin bir tutarsızlık mevcuttur. Aksine, her 2 ölçüm sonuçlarını bulan bilim insanları, kendi sonuçlarının son derece hassas ve doğru olduğunu iddia etmektedir. Bu konuya ilişkin daha detaylı bir yazımıza ise buradan ulaşabilirsiniz.

Evrenin Sonuna İlişkin Senaryolar

Karanlık Enerji’nin keşfinden önce astoronomlar, evrenin geleceği için 2 türlü senaryo öngörüyorlardı. Bunlardan birincisi eğer evrenin kütle yoğunluğu kritik yoğunluktan fazla ise, evren son haddine kadar genişler ve sonradan kendi içinde çökmeye başlardı. Böylece gittikçe daha yoğun ve daha sıcak olurdu. Sonunda Büyük Patlama ile başladığı benzer bir duruma, yani tekillik noktasına geri gelirdi. Bu senaryoya “Büyük Çöküş” deniyor.

Eğer evrendeki kütle yoğunluğu kritik yoğunluğa eşit veya kritik yoğunluktan az ise, evren genişlemeye devam edecektir fakat genişleme hızı azalacaktır. Öte yandan kendi içine asla çökmeyecektir. Böylece zamanla, galaksilerdeki yıldız oluşum materyalleri tükenecek ve yıldızlar artık oluşmayacaktır. Var olan yıldızlar da sönecektir. Arkalarında ise beyaz cüceler, nötron yıldızları ve kara delikler bırakacaktır. Sonunda ise bu cisimler birbirleriyle birleşerek daha büyük kara delikler oluşturacaktır. Evrenin sıcaklığı ise mutlak sıfır(-273 derece)’a düşerek “Büyük Donma” gerçekleşecektir. Nihayet, büyük kara delikler de Hawking Radyasyonu nedeniyle ısı yayarak buharlaşacaktır.

3.bir senaryoya göre ise karanlık enerjinin evrenin genişlemesinin hızlanmasına sebep olması nedeniyle evren gün geçtikçe daha hızlı genişleyecektir ve sonunda bu genişleme, evrende var olan galaksileri,yıldızları,gezegenleri,kara delikleri ve nihayet tüm atomları birbirinden ayıracaktır. Bu senaryoya ise “Büyük Ölüm” deniyor. Evrenin sonunun ne olabileceği ile ilgili daha detaylı yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.


Kaynaklar:

http://www.wikizero.biz/index.php?q=aHR0cHM6Ly9lbi53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvQmlnX0Jhbmc <Wikipedia>

https://www.universetoday.com/54756/what-is-the-big-bang-theory/ <Universe Today>

https://theconversation.com/the-universes-rate-of-expansion-is-in-dispute-and-we-may-need-new-physics-to-solve-it-100154 <The Conversation>

https://phys.org/news/2018-08-universe-expansion-dispute-physics.html <Phys>

Ana Görsel: Astronomy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir