Bilim 1 / Genişleyen Evren ve Karanlık Enerji
Bilim ve Sanat Vakfı Medeniyet Araştırmaları Merkezi’nin düzenlediği Tezgâhtakilertoplantı dizisinin Ocak ayı konuğu, İstanbul Üniversitesi Fizik Anabilim Dalı’nda “Genel Rölativite Teorisine Karanlık Madde ve Karanlık Enerjiye Alternatif Olacak Şekilde Kızıl Ötesi Düzeltmeler” başlıklı doktora çalışmasını sürdüren Diyadin Can idi.
Can, sunumun başlarında Einstein-öncesi statik evren algısından Einstein’ın “genel rölativite teorisi” ile birlikte “acaba evren genişliyor mu” sorusuna geçiş sürecinden bahsettikten sonra genel rölativite teorisinin getirdiği farklılığa ve geçirdiği değişimlere ana hatlarıyla değindi.
Doğada “güçlü”, “elektromanyetik”, “zayıf” ve “gravitasyon” olmak üzere dört kuvvetten söz edilmektedir. Bu kuvvetleri açıklayan tamamlanmamış modellerden biri de, gravistasyon kuvvetlerini açıklayan genel rölativite teorisidir. Evrenin yaratıldığı ilk anda birbirinden farklı kuvvetlerin olmadığı, bu kuvvetlerin zamanla birbirinden ayrışarak ortaya çıktığı düşünülüyor. Kuvvetlerin her değişim durumuna göre bir model ortaya konulmuştur. Bu yüzden, makro ve mikro âlemi kendi içinde birbirinden tamamen farklı yasalarla incelediğimizi belirten Can, bugün temel amaçlardan birinin bu modellerin tamamını bir “büyük teori” (grand theory) altında birleştirmek olduğunu sözlerine ekledi.
Kütle çekiminden söz eden ilk kişi olan Newton, tek yönlü olduğunu belirttiği bu etkileşimin, maddenin negatif veya pozitif yüklerinden dolayı “itici” veya “çekici” olmak üzere iki türde gerçekleşebileceğini söylemiştir. Einstein ise, aynı etkileşimi farklı yorumlar ve kütlenin uzay-zamanın geometrisini bozduğundan bahsederek, bozulan geometrinin uzaydaki parçacıkları ve ışığı Newton’un düşündüğünden farklı bir şekilde etkilediğini ileri sürer. Uzay-zaman geometrisinin bu modelini açıklamak için evreni üzerinde top bulunan gerilmiş bir kumaş parçasına benzeten Can, topun kumaşı bir noktada aşağıya doğru esnetmesinde olduğu gibi güneşin gezegenleri etkilediğini ifade etti.
Genel rölativite teorisi, dört boyut (uzunluk, genişlik, derinlik ve zaman) üzerine inşa edilmiştir. Dolayısıyla, uzayın boyutlarında olduğu gibi zaman da bazı özel durumlarda göreceli olarak değişim gösterebilir. Örneğin, teoride, kuvvetli kütle çekim alanına bağlı olarak zamanın daha yavaş ilerleyeceği söylenebilir. Dört boyutlu uzay-zaman dışında, genel rölativite teorisinin diğer bir özelliği ise, eşdeğerlik ilkesidir. Bu ilkeye göre, eylemsizlik alanları ile gravitasyon alanları arasında bir eşdeğerlik bulunur. Bütün cisimlerin gravitasyon alanındaki serbest düşme hareketi aynı olup, cisimlerin türüne bağlı değildir. Dolayısıyla, cisimlerin serbest düşmesi, yani gravitasyon alanının özellikleri, uzay-zaman yasasına bağlanmıştır.
Yapılan bazı gözlemler, uzaydaki dağılımın homojen olduğunu gösterse de bazı bölgelerde uzay-zaman geometrisinin negatif bir eğrilik taşıdığı düşünülmektedir. Can, uzay-zaman geometrisindeki bu değişimi açıklamak için farklı uzaylarda çizilen bir üçgenin durumunu örnek gösterdi. İki boyutlu Öklid uzayında bir yüzey üzerinde çizilecek bir üçgenin iç açıları toplamı yüz seksen derecece olduğunu belirten Can, üç boyutlu Reimann uzayında küre gibi bir yüzey üzerine çizilen aynı üçgenin iç açıları toplamının yüz seksen dereceden daima büyük, Lobaçevski uzayında ise daima küçük olacağını ifade etti. Bu durum, bizi önemli bir sorunla karşı karşıya bırakmaktadır: Acaba evrenin geometrisi Öklid, Riemann ve Lobaçevski geometrilerinden hangisine uygundur ya da evren için bunların dışında bir olasılık var mıdır?
Yukarıda sözü edilenlerin dışında bilinen dördüncü bir geometrinin bulunmadığının kriteri ise omega parametresidir. Uzay-zamanın geometrisini belirleyen bu parametrenin değeri sıfırdan küçük ise Lobaçevski, eşitse Öklidyen ve büyükse Riemann evreni olacaktır. Omega parametresi aynı zamanda evrenin evrimleşmesinin de bir göstergesidir. Evrenin genişlemesine karşı geri çağırıcı bir kuvvet, yani bir gravitasyon kuvveti olmalı. Bu iki kuvvetten (dışarıya doğru iten ve içeriye doğru çeken kuvvetler) hangisinin daha büyük olduğuna bağlı olarak evrimleşmenin şekli üzerinde (genişleme veya büzülme) tahminde bulunulabilir.
Uzay-zamanın geometrisi sadece kütleden değil, kütlenin kapladığı hacimden de etkilenmektedir. Eğer kütle değiştirilmeden daha küçük bir hacme sıkıştırılırsa, bu durum evrenin geometrisini değiştirecektir.
Daha önceki modellere göre evrenin yapısının sabit kabul edildiğini belirten Can’a göre, 1917’de Einstein’ın ortaya koyduğu genel rölativite teorisi evrenin genişlediğini göstermekteydi. Einstein, teorisini mevcut gözlemlerle uyumlu hale getirmek için lambda sabitini (kozmolojik sabit) denklemine eklemiş ve böylece kendi sonuçlarının statik bir evrene yorumlanabilmesini sağlamıştı. 1927’de ise, Edwin Hubble evrenin genişlediğini yaptığı gözlemle kanıtladıktan sonra, Einstein “hayatımın hatası” dediği bu sabiti denklemden çıkarır. Fakat 1998’de evrenin ivmelenerek büyüdüğü tespit edilince, bu sefer lambda sabiti farklı bir şekilde denkleme yeniden eklenmiştir.
Evrenin ivmelenerek genişlediğinin kanıtlanmasının ardından sorulan ilk soru bu ivmelenerek genişlemeden sorumlu şeyin ne olduğudur? Evrenin içerisinde homojen şeklinde dağılmış bir enerji türü olan karanlık enerjinin evrenin ivmelenerek genişlemesinden sorumlu tutulan unsur olduğunu söyleyen Can, bu enerjinin hangi sebeplerden dolayı ortaya çıktığınınsa henüz bilinmediğini sözlerine ekledi.
Son olarak, 1932’de Zwiky yaptığı galaktik gözlemlerde, galaksinin uzağındaki yıldızların hızının merkezdeki nesnelerinkinden daha az olması beklendiği halde hemen hemen eşit olduğunu kanıtladı. O halde hızı arttıran, “galaksinin civarında ve galaksiyi tamamen içine alacak şekilde bir madde olmalı denildi” ve hiçbir şekilde görülemediği için de ona “karanlık madde” adı verildi. Einstein’in modelinin bunu da açıklayamadığını ifade eden Can, tüm bu bilgilerle birlikte söz konusu modelin iki kez modifiye edilip “lambda cpm modeli” oluşturulduğunu belirterek sözlerini tamamladı. Oturum soru cevap bölümünün ardından sona erdi.