Doğanın güçlerine hepimiz tanığız. Örneğin deprem. Bir anda yaşadığımız toprağı ayağımızın altından kaydırır. Ama deprem bir anda olmaz. Dünyamızın kabuğu yekpare bir şey değildir; büyük tabakalardan (tektonik tabaka) oluşur. Bu tabakalar, hemen alttaki magma adı verilen, sıvı hâldeki çeşitli atomlardan oluşan bir çeşit “deniz”in üzerinde yüzer.

Bu yüzen devasa “ada”lar, birbirlerine değdikleri yerlerde birbirlerini iter ve sıkıştırırlar. Bazen onlarca, bazen yüz yıldan uzun sürer bu itme-sıkıştırma etkisi ve en sonunda o itme, bir yayın yerinden kurtulması gibi depreme yol açar. Yani yüzyıl boyunca o “yay”da bir enerji birikir, birikir ve en sonunda enerji açığa çıkar. Biz ona deprem diyoruz.

Doğada böyle çok örnek var. Dalgalar her gün binlerce defa kayalara çarpar. Çarpan her bir dalganın enerjisi küçüktür ama bunların uzun dönemdeki toplamı o kayayı parçalar.

Dünya Düşüyor, Sen Ne Dersen De

Bu köşede geçen hafta kütle çekimini anlatmaya çalıştım ve yazıyı bir soruyla bitirdim: “Uzay-zamanın geometrisi, yani kütlelerin uzay-zamanda yarattığı bükülme, evrenimizdeki bütün hareketlerin temeli. Ve hareket de hep aslında düşme yönünde olduğuna göre nasıl oluyor da evrenimiz genişlemeye, hem de hızlanarak genişlemeye devam ediyor?”

Isaac Newton’un tanımıyla bütün kütleler birbirlerini çekerler. Albert Einstein’ın tanımıyla, kütlesi olan bütün nesneler etraflarındaki uzay-zamanı bükerler ve bu bükülmeden ötürü daha küçük kütleler büyük kütleye doğru “düşmeye” başlarlar.

Geçen haftaki yazıda örneğin Ay’ın Dünya’mıza doğru düşmesi gerekirken kendi yanal hareketi sayesinde her seferinde düşmekten kurtulduğunu; aynı şeyin Dünya’mızın Güneş’e düşmekten veya Uluslararası Uzay İstasyonu’nun Dünya’ya düşmekten kurtulmasını da izah ettiğini anlattım. Ancak aynı fizik yasalarından biliyoruz ki, bu yanal hareket “düşme”yi ancak geciktirebilir. Aynen dalgaların ardı ardına gelip kayayı parçalaması gibi günün birinde yanal hareket düşmeyi engelleyemez hâle gelir.

Newton ile Einstein’ın Bildikleri Evren Çok Farklıydı

Fakat bunu bugünkü bilgimizle güven içinde söylüyyoruz. Ne Isaac Newton’un ne de Albert Einstein’ın evren hakkındaki bilgisi, bizim bugün sahip olduğumuz kadar değildi. Newton için evrenin merkezinde Dünya’nın değil Güneş’in bulunduğunu söylemek bile devrimci bir adım sayılırdı.

Einstein ise evrenin merkezi diye bir yer olmadığını, Güneş’imizin Samanyolu Galaksisi adı verilen bir galaksinin parçası olduğunu biliyordu; bu galaksi dışında başka galaksiler de olduğu yönünde spekülasyonlar vardı ancak henüz kanıtlar tam olarak ortaya çıkmamıştı. Ama hızla çıkıyordu. Yani Einstein’ın evreni, Newton’un hayal ettiği evrenden çok daha büyüktü ama aslında o da bu evrenin muazzamlığını kavramaktan çok uzaktaydı.

Kütle çekimini izah eden genel görelilik teorisinin alan denklemleri ona dinamik, genişleyen bir evren veriyordu. Ama o evrenin genişlemesi fikrinden hoşlanmıyordu. Sonradan denklemlerine bir “kozmolojik sabit” ekledi; bu sayede evreni “statik” hâle getirdi. Sadece birkaç yıl sonra bu yaptığına çok pişman olacak, “Hayatımın en büyük hatası” diyecekti. Çünkü bu sırada evrenimizin statik olmadığı, uzaktaki galaksilerin bizden hızla uzaklaştığı kanıtlanmıştı.

Evrenin Bir Başlangıcı Var

Einstein’ın kütle çekimiyle ilgili alan denklemleri çok zorlu, çözülmesi kolay olmayan denklemler. Oturup onu çözmeye girişenlerden biri, Belçikalı bir fizikçi ve aynı zamanda Katolik Kilisesi’nde rütbesi olan Georges Lemaître adlı bir rahipti.

1931’de Einstein’ın denklemlerinin evrenin bir başlangıcı olduğunu fısıldadığını söyledi Georges Lemaître. Einstein bu sonucu hiç beğenmedi, Georges Lemaître’e “Matematiğiniz çok iyi ama fiziğiniz kötü” dedi. Sonradan da binbir özür dilemek zorunda kaldı bu önyargılı bakışı yüzünden.

Bugün üzerinde pek az tartışma var; Einstein’ın genel görelilik teorisine göre evrenimiz “Big Bang” (Büyük Patlama) adı verilen bir tekil olayla, bundan kabaca 13,7 milyar dünya yılı önce ortaya çıktı. Big Bang’i oluşturan, ona sebep olan şartları ve o andaki fizik yasalarını tam olarak bilmiyoruz. O yüzden bu olaya “tekillik” veya gösterişli İngilizce ismiyle “Singularity” adını veriyor fizikçiler. Ama sonrası hakkında, patlamadan sonraki ilk saniyenin milyonda birine kadar inerek kuvvetli bir fikir sahibiyiz. O fikirlerimizin temelinde de genel görelilik ve kuantum mekaniği yatıyor.

Dışa Doğru Genişleme

Big Bang’e neyin sebep olduğundan bağımsız olarak, bu olay meydana geldiği anda ortaya muazzam bir enerji çıktığına kimsenin kuşkusu yok.

Bu noktada evrenin durumunu daha iyi anlayabilmeniz için biraz geri döneceğim, 1905 yılına kadar. O yıl Einstein için “Mucizeler Yılı” olarak adlandırılan bir yıldı. Einstein, aralarında özel görelilik teorisinin de olduğu, hepsi fizikte devrimlere neden olan dört makale birden yayımladı.

İnsanlık tarihinin en meşhur denklemini hatırlayalım. Bu makalelerden biri, dünyada küçük çocukların bile görünce tanıdığı o meşhur denklemi içeriyordu: E=mc2.

Denklem bize, enerji ile kütlenin birbirine çevrilebilir olduğunu, kısacası aslında aynı madalyonun iki yüzü olduğunu söyler. Kütle ($m$) ile ışık hızının ($c$) karesini çarpacak olursanız ortaya çıkacak enerjiyi ($E$) bulursunuz.

Elinizde tuttuğunuz tek bir kum tanesi, aslında muazzam bir enerji içerir anlayacağınız. Peki tersten gidelim: O kum tanesi nasıl oluşur? Muazzam miktarda enerjinin soğuması sayesinde…

Big Bang sonrası uzay-zaman hızla genişledikçe evrenin sıcaklığı da düşmeye başladı. Bu sıcaklık düşüşü sayesinde ilk atom, yani hidrojen atomu ortaya çıktı. Yeterince hidrojenin kütle çekimi sayesinde bir araya gelmesi ise yıldızları oluşturdu.

Ağır Atomlar Nasıl Ortay Çıktı?

Yıldızların içindeki çekirdek birleşmesi (nükleer füzyon) yoluyla daha ağır atomların oluşumu, en fazla atom numarası 26 olan demire kadar devam edebiliyor. Yıldızın çekirdeğinde demir miktarı artınca, yıldız toplam kütle büyüklüğüne göre bir karar aşamasına geliyor.

Eğer yıldızın başlangıç kütlesi bizim Güneş’imizden en az 8-10 kat daha fazlaysa, çekirdekteki yakıt bitince kütle çekiminden ötürü kendi içine doğru korkunç bir hızla çökmeye başlıyor. Bu çöküş, evrenin en görkemli havai fişek gösterisi olan “süpernova patlamasıyla” sonuçlanıyor. Yıldızdan geriye kalan çekirdek ise kütlesine göre ya bir nötron yıldızına ya da bir kara deliğe dönüşüyor. İşte o süpernova patlamasının yarattığı muazzam ekstrem koşullarda, demirden de ağır atomlar (altın, platin, uranyum) sentezlenip uzaya saçılıyor. (Parmağınızda altın veya gümüş bir yüzük varsa ona iyi bakın; milyarlarca yıl önce patlayan bir süpernovanın kalıntısını taşıyorsunuz.)

Yıldızın İçinde Birbirine Rakip İki Güç

Büyüklüğünün bir önemi yok, tüm yıldızların içinde birbirine rakip iki güç arasında amansız bir mücadele var. Bu güçlerden birincisi kuşkusuz kütle çekimi; yıldızı kendi çekirdeğine doğru büzmeye, küçültmeye çalışır. Buna rakip güç ise merkezdeki nükleer tepkimelerin dışa doğru uyguladığı radyasyon basıncıdır. Yıldız, bu iki gücün dengede kalması sayesinde yaşar.

Peki evrenin geneline bakarsak ne görüyoruz? Büyük Patlama’nın ardından uzay-zaman muazzam bir hızla genişlemeye başladı. Ancak ilk milyarlarca yıl boyunca, evrendeki yoğun madde ve radyasyonun yarattığı kütle çekimi bu genişlemeyi bir fren gibi yavaşlatıyordu.

Teoride, kütle çekiminin evrenin genişlemesini iyice yavaşlatması, hatta bir noktada durdurup evreni yeniden tek bir noktaya toplanmaya (Büyük Çöküş) zorlaması beklenirdi. Ama öyle olmadı. Son yapılan ölçümlerimize göre evren genişlemeye, üstelik hızlanarak genişlemeye devam ediyor.

Peki ne oldu da kütle çekimi evreni durduramadı?

Gözlemlenebilir Evren Kaç Kilo?

Astrofizikçiler, yüz yıla yakın zamandan beri gözlemlenebilir evrenimizin kaç kilo olduğunu bulmaya, yani ağırlığını hesaplamaya çalışıyor. Koca evreni tartmaya çalışmak size saçma geliyor olabilir ama evrenin ağırlığını bilmek, evrendeki bütün hareketleri izah eden kütle çekim gücünü ve dolayısıyla uzay-zamanın bütün o büklümlü geometrisini anlamamız için çok gerekli. (Son hesaplara göre gözlemlenebilir evrenimiz yaklaşık 1.5×10 üzeri 53 kg ağırlığında. Yani 1,5’un yanına 53 tane sıfır ekleyeceksiniz.)

Başlangıçta kara deliklerin varlığını sadece teoride biliyorduk; bugün ise neredeyse her hafta yeni bir tanesini saptıyoruz. Kara delikler, uzaktan bakıldığında isminin de çağrıştırdığı gibi doğrudan görülemez olan devasa nesnelerdir. Bugün onları daha çok kütle çekim dalgaları astronomisi sayesinde, yani birbirleriyle çarpıştıkları anlarda tespit edebiliyoruz. Kendi halinde uzayın bir yerlerinde sakince duran kara delikleri ise hâlâ tam olarak göremiyoruz.

Bunlar kuşkusuz evrenin ölçülen kütlesini artıran şeyler ama buna rağmen bizim bugüne kadar ölçebildiğimiz kütle miktarı, evrenin o gizemli ve hızlanan genişlemesini izah etmeye yetmiyor.

Evrenin Yüzde 95’i Neden Oluşuyor, Bilmiyoruz

Ölçtüğümüz sıradan kütle (yani yıldızlar, gezegenler, bizler), bütün evrende olması gereken toplam enerji ve kütle bütçesinin sadece yüzde 4,9’u seviyesinde.

Peki geri kalan yüzde 95,1 ne ki evren hâlâ hızlanarak genişliyor?

Hiçbir elektromanyetik radyasyon yaymadığı için göremediğimiz ve adına “karanlık madde” dediğimiz bir gizem var; onun evrenin yüzde 26,8’ini oluşturduğunu varsayıyoruz. Geri kalan yüzde 68,3’lük devasa pasta dilimini ise “karanlık enerji” adı verilen kozmik bir güç oluşturuyor.

Ve işte bu enerji, Einstein’ın E=mc2 denklemine uygun biçimde bir kütle eşdeğerine sahip ve kütle çekimi yaratıyor. Ama bildiğimiz anlamda değil; tersi yönde, deyim yerindeyse bir “kütle itimi” şeklinde!

Gerçekten de kütle çekimi, Einstein’ın genel görelilik kuramına göre eğer düzgün dağılmış gizemli bir enerjiden kaynaklanıyorsa, çekici değil itici bir kuvvet olarak işlev görebilir. Karanlık enerji tarafından yönlendirilen bu itici kütle çekimi, evrenin genişlemesini durdurmak şöyle dursun, onu her geçen saniye daha da hızlandırarak birbirinden uzaklaştırıyor.

Tabii bu durum, başta evreni statik kılmak için denklemlerine Yunanca $\lambda$ (lambda) harfiyle gösterilen bir kozmolojik sabit ekleyen Einstein’ı (farklı bir nedenden ötürü de olsa) yine haklı çıkardı. Evet, evren Einstein’ın arzu ettiği gibi durağan değildi ama ne kadar hızla genişlediğini ölçmenin yolu, yine Einstein’ın o “en büyük hatam” dediği kozmolojik sabitine bugün vereceğimiz değerle belirleniyor.

Şöyle diyebiliriz: Bugün o lambda harfinin karşılığına hangi değeri yazacağımız, modern kozmolojinin en mega sorusudur. O soru da şu: Peki evren nereye kadar genişleyecek?

Bu yazı çok uzadı; gelin bu sorunun cevabını da haftaya konuşalım.