Evrenin Şekli Nedir ?..

Yazan:   Stephen Battersby (Scientific American Dergisi, 7 Aralık 2006) 
Çeviren: Esin Tezer

Büyük sorular oldukça, daha da büyük soruların çıkması zor bir durum. Uzay sonsuza kadar mı var? Bazı kozmolojistler bundan şüphe etmiyorlar. Sonsuzluğun içine uzanmaktansa; uzay çok daha küçük, idare edilebilir bir yer olabilir. Eğer kozmosu uzay gemisiyle geçebilirsek; sonra denizden yerküreyi dolaşan gemiciler gibi kendimizi başladığımız yerde bulabiliriz.

Dünyadan farklı olsa da, evren yuvarlak olmak zorunda değil. Onun gerçek şekli hâlâ bir muamma. O bir kağıt parçası gibi düz müdür? Yoksa eğri midir? Evren, Big Bang’in (Evrenimizin başlangıcı) en başlangıcında yerçekiminden dolayı bir düğümle mi bağlıydı? Evren kadar karmaşık olan birşeyin şekli hakkında bile konuşmak mantıklı mıdır?

Cevaba Yakın

Kozmolojistler yıllarca bir dedektif gibi çalıştıktan sonra, bazı soruların cevaplarına yanıt bulmaya yaklaştılar. Nesnelerin şekillerini keşfetmek için yaptıkları bir araştırmada, gözlemlenebilir evrenin sınırını keşfettiler bile ve daha da ileri gitmeyi umuyorlar. Sıradan objelerin şeklini hayalinizde canlandırmak kolaydır, çünkü onlara dışarıdan bakabilirsiniz. Bir fincanı elinize alabilirsiniz. Onu değişik açılardan görüntüleyebilir, yuvarlaklığını ve yüzeyini hissedebilir, tutulacak yerine parmağınızı sokabilirsiniz. Fakat bunu evrenle yapamayız, çünkü biz onun içinde sıkışmış bir haldeyiz. Aslında, bazı tanımlamalara göre bütün varolan şey de odur. Bununla birlikte; onun şeklini hissetmek için hâlâ bazı yollar var.

Evren üzerinde çalışmak için ortaya atılan en iyi iddia; evrenin 380,000 yaşındayken atlattığı mikrodalga radyasyon şeklinde olması ve bunun sonucunda da evrenin daha az yoğun bir hale gelmiş olmasıdır. Bu kozmik mikrodalga  arka planın ilk tamamlanmış haritası (CMB), 1993’te COBE uydusu tarafından yapılmıştır. Daha sonra 2001’de NASA, Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Araştırması’nı (WMAP), CMB’nin daha hassas ve detaylı haritalarını üretmek için başlatmıştır.

Hem COBE hem de WMAP; mikrodalga uzayın, genç evrenin yoğunluğunda varyasyonu yansıtan daha sıcak ve serin lekelerle beneklendiğini ortaya çıkarmıştır. Bu örnek, modern kozmolojik modellere ufak problem haricinde düzgün bir şekilde uymaktadır: En geniş derecelerde dalgalanmalar yoktur. Eğer mikrodalga haritayı yeterli derecede büyüklükteki piksellere (60 derece civarı veya daha fazlası) yayarsanız, sonrasında ürkütücü bir boşluk oluşur. Geniş derecede olan bir varyasyon yoktur bile.

İstatiksel Olarak Sağlam

Bu yetersizlik, ilk kez COBE uydusu tarafından görülmüştür. Pek çok kozmolojist, daha kesin ölçümlere sahip olduğumuzda bunun ortadan kalkacağını düşünmüştür, fakat bu olmamıştır. WMAP araştırmasının en son çıkan sonuçlarında bu çok belirgindir ve istatiksel olarak sağlam gözükmektedir. Ohio, Cleveland’daki Case Western Reserve Üniversitesi’nden Glenn Starkman, “Bu, yüzde 99.9 veya daha fazlası” demektedir. Herhangi bir geniş modelin eksikliğini açıklamanın bir yolu, eğer evren küçükse olur. Eğer evren kendini bir şekilde sarıp sarmalıyorsa, mikrodalga gökyüzünün haritasında evrenin oluşmuş erken halinin bazı parçalarının birkaç kat üssünü sanki aynalar koridorundaymışız gibi görebilirdik.  Imperial College Londra’da kozmolog olan Andrew Jaffe, “Eğer buraya bakıyorsunuz, oraya da bakıyorsunuz” demektedir. Bu da geniş ölçüde mikrodalga örneklerini bulanıklaştırmaktadır.

Uzayın küçük olabileceğini düşünmek için teorik iyi sebepler var. Yerçekimini birleştirmeye teşebbüs eden bazı teoriler ve kuantum mekanik, bizim görebileceğimizden çok daha sıkı halde sarmalanmış olan ekstra boyutları önermektedir. Belki de deneyimlediğimiz üç boyut birbirine sarılıdır, yine de gevşek bir şekilde sarılılar ki; bizim limitli görüşümüze göre sınırsız gözükmekteler.  Columbia Üniversitesi’nden Janna Levin, “Diğerleri sınırsız değilken, neden bu üç boyut sınırsız? O, boyutların hepsinin de aynı boyutta doğmuş olabileceğini ve üç tanesinin diğerlerinden daha büyük hale geldiğini ileri sürmektedir. Süreçte birbirlerine düğümlenmiş olabilirler.

Fizikçiler evrenin en erken anlarındaki kuantum dalgalanmalarının, uzayı delik deşik eden deliklere ve sürekli değişen ” kuantum köpüğüne” çalkalayabilecek kadar kuvvetli olduğundan şüpheleniyorlar. Jaffe,”Evrenin erken şeklinin kuantum yolla değişmiş olabileceğine inanıyoruz“, demektedir.

Karmaşık Uzay

Bugünün evreni, bu karmaşık uzaydan veya sadece bir parçasından, belki de donat (yağda kızarmış şekerli, halka şeklindeki ortası delik bir çörek) şekilli parçasından, veya daha egzotik olan birşeyden gelişmiş olabilir. Jaffe, küçük evrenin gerçekten de WMAP’ın gözlemlerine uyup uymadığını bulmaya çalışan  bir grup kozmologlardan sadece bir tanesidir. Uzay-zamanı sarıp sarmalayan yollar üstündeki değişik topolojiler üzerinde çalışıyorlar.

Topoloji; geometrik detaylara dayanmayan, şeklin  baştan başa olan özellikleriyle ilgilenen bir matematik dalıdır. Topolojik terimlerde bir küre,  bir patatesle aynı şeydir; fakat yüzük şeklindeki bir donat farklı bir şeydir, çünkü bir halkayı kendi yüzeyi etrafında izlemek, temelde iki farklı yoldur: Bir tanesi halkayı geçerken, bir diğeri onun etrafını çevirir.

Donat topolojisi düşüncesini oluşturmanın bir diğer yolu da, bir kağıt parçasını bir silindir şeklinde kıvırmak ve daha sonra da uçlarını arasından bükmek ve hepsini beraber yapıştırmaktır. Bunun nesinin kurnazlık olduğu ise; aynı topolojiyi düz bir parça kağıdın üzerinde aynı kenarmışcasına zıt kenarları tanımlayıp nasıl yaratabileceğimizdir. Düz kağıt alanını işgal eden daha sonra sanki kağıt katlanmış gibi bir yana doğru  ve bir diğerinde de geriye doğru ayrılabilir; veya kağıdın en başına doğru yönünü değiştirebilir ve en dipte tekrar gözükebilir. O sıradan bir halka donat gibi kıvrılmamıştır, onun geometrisi farklıdır; fakat aynı şekilde bağlanmıştır, böylece topolojisi birbirinin benzeridir.

Kübik Evren

Ve siz bunu iki boyutta yapabilirseniz, bu neden üç boyutta da olmasın? Uzayda bir küp çizin, ve  basitçe ispatlayın ki;  kübün zıt yüzleri sanki siz onları birbirine yapıştırmışcasına aslında aynı yerdedir. Kübü işgal edene göre, bir yüzün arasından geçmek, karşıt yüzün arasından hiçbir yere sapmadan geçmek manasına da gelebilir. Ve görünüşte hiçbir kenar olmayacaktır: Eğer kübik bir evrende yaşasanız ve yeteri kadar uzağı da görebilseniz; yalnızca başınızın arka tarafını, yani devamlı tekrar olan sonsuzluğu, sınırsızlığı görürsünüz. Küple başlamaya bile ihtiyacınız kalmaz. Diğer belirli şekilleri alabilirsiniz. Oniki yüzlü bir şekil diyelim ve zıt yüzlerin birbirinin aynısı olduğu fikrini söyleyebilirsiniz. Düğümler katabilirsiniz, böylece başınızın arkasına baktığınızda o, iki taraftan  veya diğer bazı açılardan eğrilmiştir. Diğerleri sonluyken, bazı boyutlar sonsuz olabilir.

Olasılıklar sonsuzdur. Bu hayret verici seçimi bulmanın bir yolu var: Uzayın nasıl eğimli olduğunu bulmak.  Uzay çok büyük bir olasılıkla yalnızca, yerçekimini uzay-zaman eğrilmesi olarak anlatan Einstein’ın izafiyet genel teorisiyle meydana çıkmış bir şekilde bükülmektedir. Kesinlikle Dünya uzaya bir çukur koymaktadır, bu böyle olmasaydı biz düşebilirdik ve diğer gezegenler, yıldızlar ve galaksiler de  düşebilirdi. Yeteri kadar geniş olan derecelerde, bu küçük çukurlar önemsiz olurlar ve uzayın muazzam geniş alanı bu üç yoldan birinde eğrilebilir.

Pringles patates cipsi şekilli

Bu, sıfır eğrilikle  düz olabilir. Fakat genişleyen evrenimizde, uzay yalnızca madde ve enerjinin bütün kritik yoğunluğunu taşırsa düzdür. Daha fazla madde ve ekstra yerçekimi, uzaya pozitif bir eğrilik vererek onu kubbe şekline döndürür. Kritik yoğunluktan ve boşluktan daha azı; bir eğerin kıvrımı veya Pringles patates cipsine benzer bir şekilde aşağı ve yukarı yöne doğru evrenin daha karmaşık yoldan eğrilip çarpılmasına sebep olacaktır. Bu, negatif eğriliktir. Astronomlar CMB kullanarak evrenimizin eğriliğini ölçmüşlerdir. Mikrodalga sıcak ve soğuk beneklerin en alışagelmiş büyüklüğü; teoride bilinene göre 500,000 ışık yılının biraz üzerindedir. Bu demektir ki; onlar, uzayın nasıl büküldüğünü ortaya çıkarmak için kozmik bir yardalık ölçü çubukları (yardsticks) olarak kullanılabilirler. Eğrilmiş uzay, bir lens gibi davranır. Pozitif olarak eğrilmiş evren, bu standard benekleri mikrodalga gökyüzünde büyütebilir; oysa negatif olarak eğrilmiş olan uzay büzülebilir. Aslında, benekler bir derece kadar karşıda belirirler, bu da biraz büyültme veya büzülme olduğu fikrini ileri sürmektedir; düz uzayda ise bu, beklenen büyüklüğe yakındır.

Dokunuşa Vurma

Her nasılsa, bir yönde hafif şekilde bir eğim olabilir. Bu yıl Mart ayında çıkan en son haritaya göre, benekler düz uzayda görünebileceğinden küçük bir miktar daha büyük gözükebilir; bu da evrenin, kürenin yüzeyindeki gibi pozitif bir eğriliğe sahip olduğunu göstermektedir. Eğer bu doğruysa, çok eski zamandan kalma bir soru bütünüyle cevaplanacaktır. Evren sonsuza kadar uzanmamaktadır. O bunun yerine, fani olan evreni biçimlendirmek için çevresine eğrilmektedir. Tabii ki, hâlâ epeyce büyük olabilir, fakat evrenin yüzeyi gibi sınırlıdır; kapalı fakat sınırları olmayan bir kozmostur.

Fransa’daki Paris Meudon Rasathanesi’nden Jean-Pierre Luminet tarafından yönetilen kozmolojistler grubu, 2003’de uzayın böyle bir kozmosun içine sarınıp sarmalanmasının bir yolu olduğunu iddia etmiştir. Kendine özgü topolojiye uyan ilk WMAP haritasıyla bana kalırsa doğru olmayan bir şekilde, evrenin bir futbol topu olduğunu keşfettiler. Sanı, evrenimizin bir parça eğrilmiş on iki yüzlü bir şekil olabileceğiydi. Bir uzay gemisinde bir tarafda uçarken, bir diğer tarafın içinde de kendinizi uçarken bulabilirsiniz. Eğer ne kadar uzağı görebildiğimizin bir limiti yoksa, sıcak ve soğuk beneklerin örneklerinin geniş açılardan  tam olarak 120 defa tekrar edildiğini görebiliriz. Her nasılsa, futbol topu evren dokunuşu sıkıca tekmelemektedir.

Imperial Üniversitesi’nden, Jaffe ve Anastasia Niarchou eğrilmiş evrende bazı farklı topolojileri test etmekteler.Şimdiye kadar diğerlerine nazaran daha basit dört şekle baktılar: On iki yüzlü şekil, sekiz yüzlü artı prizma, on iki yüzlü şekil ve tepesi kesik küp.

Niarchou’nun PhD projesi, mikrodalga arka planın bu her bir topolojide nasıl görüneceğinin taklidini yapmaktı. Bazıları umut verici gözüktü. Niarchou, on iki yüze sahip olan uzayın doğru yönde geniş ölçüde modelleri yok ettiğini buldu, ve tepesi kesik olan küp bile gözlemler için uygundu. Acayip bir şekle sahip, 18 köşeli bir kozmosda yaşıyor olabilir miyiz? “Ben onun bu şekilde çıkacağını umuyordum“, dedi Niarchou.

18-köşeli kozmos?

Fakat, umutları daha detaylı baktığında suya düştü. Dört taklit edilmiş topolojinin veriye uymak için fazla beneklenme ürettiği meydana çıktı. Jaffe, “Ne yazık ki, hepsi silindiler” demektedir.

Bu bir başlangıç, fakat kesinlikle araştırmayı sonlandırmıyor. Ölçülere daha çok uyabilen, pozitif olarak eğrilmiş evrendeki sonsuz sayıdaki garip topolojilerin de olasılığı var. Evrenin, yerkürenin bir dilimini benzettiği “lens” topololojilerini de içine alıyorlar ve hatta çift-hareket adlandırılan daha egzotik olanları ve bağlantılı-hareket olanları; eğri yüzeyli, kötü şekilde büyümüş kristallere benzer olanları çoğaltmaktadır. Onların mikrodalga işaretlerini hesaplamak çok zor. Kozmolojistler onları şimdiye kadar  örtbas etmişlerdir.

Başka bir problem daha var. WMAP’nın eğrilik ölçümü hâlâ çok belirsiz. İstatiksel belirsizlik ayrıca düz veya negatif olarak eğrilen uzayla da tutarlıdır. Starkman, “Bunu tavsiye etmeyi bile düşünmüyorum“, demektedir. Bu da açıkça bazı garip olasılıklara kapıyı açık bırakmaktadır.

2004’de Almanya’daki Ulm Üniversitesi’nden Frank Steiner,  negatif şekilde eğer-tipi eğrilmiş uzayda varolabilen garip topolojilere baktı. (New Scientist, 17 Nisan 2004, sayfa 12). Bazıları uzun dar, sivri uçlarladır. En basit olanı tek yayılan sivri uçlu veya boynuz şeklidir.  Eğer boynuzun dar ucunda yaşamış olsaydık, birşey yukarıda olabilirdi, çünkü iki boyut çok küçük olarak yuvarlanabilir. Kendi başınızın arkasını görmek, diğerlerine nazaran kolay olacaktır veya daha gerçekçi olursak, kendi galaksimizin görüntülerini ve ona eşlik edenleri yalnızca birkaç milyon ışık yılı uzakta görebiliriz. Bu acımasız bir açığa çıkış olabilir.

Hassas Uzay

Her nasılsa, davulun daha geniş yayılan ucundan görüntü daha sıradan olacaktır, öyleyse bizim gerçekten de böylesine hassas bir uzayda yaşadığımız olasılığı doğrudur ve biz bunu belki de henüz farkedememişizdir. Ve bu da tek olasılık değildir. Matematikçiler bütün olası olan eğer topolojilerini sınflandırmamışlardır, öyleyse hangi işaretlere sahip olabilecekleri belli değildir. Levin, “Hepsi hakkında bir karara varmak zorlaşıyor’’, demektedir.

Fakat herhangi bir tür sarılıp sarmalama topolojisini yakalayacak kuvvetli bir yaklaşım var: Mikrodalga arka planda kolaylıkla ayırt edilebilen, sürekli tekrar eden halkaları araştırmak. Bu, “kozmik ufuğumuzun” ötesinde o kadar büyük olmayıp, tekrar etmediği müddetçe; herhangi bir evrensel şekli gözler önüne serecektir. Müdahale eden uzayın genişlemesinden dolayı, bu sınırların ötesindeki hiçbir ışık veya sinyal bize ulaşamaz. Onlar şu anda 40 milyar ışık yılı uzaklığında durmaktadırlar.

Princeton Üniversitesi’nden David Spergel ve Eiichiro Komatsu ve Montana Eyaleti Üniversitesi’nden Neil Cornish’le beraber Starkman; bu halkalar için yoğun şekilde araştırma yapan takımın bir parçasıdır. Ne yazık ki, hiçbirini bulamamışlardır. Neredeyse bir diğer gökyüzünde eşleşen halkaları arayıp, şimdiye kadar sadece limitli bir araştırmayı yayımlamışlardır. (Physical Review Letters, cilt 92, sayfa 201302).
Pek çok topoloji o ağdan geçse de, hiçbiri yakında bitecek olan tam analizden kaçamamaktadır. Erken göstergeler, eşleşen halkaların olmadığıdır. Takımın kozmik ufuğa yüzde 94 kadar uzaklıkta, evrenin büyüklüğünde daha düşük ve  kesin bir limit koyması beklenmektedir.

Uzun Atış

Belki de evrenin büyüklüğü, Starkman’ın daha düşük olan limiti ve ufuk arasındaki alandadır. Bu da bir kozmik raslantı olabilir. ” Bu gerçekten de bir uzun atış’’ demektedir Toronto Üniversitesi’nden Richard Bond.  Eğer evren ufuktan daha büyükse, görünüşe göre biz hiçbir zaman onun etrafı sarıp sarmalamadığını bilemeyeceğiz. Uzay sonlu olabilir, fakat  o kadar büyüktür ki; herhangi bir işaret gözle görülmemektedir. Belki de hiçbir zaman onun şeklini bilemeyebiliriz. Şeklini bilebilmek, eğer astronomi bir şekilde ufuğun ötesine ulaşabilirse olabilir.

Bu imkansız değil,” demektedir Starkman. “Biz onun beş veya altı kat daha ilerisini görmek istiyoruz.” O, evreni big bang’in (evrenimizin ilk oluşumu) ilk anlarında dövülmüş olan dev bir davula benzetmektedir. Onun titreşimleri mikrodalga arka planda sıcak ve soğuk beneklerin modelinin tohumlarını ekmiştir, öyleyse kozmolojistler onları eşleştirerek davulu etkin bir şekilde dinleyebilirler. Eğer davul sonluysa, şekli bazı dalgaboylarına benzemiş olabilir, ve  sesi beyaz bir sese yakın bir ses olarak gözükse de, orada hâlâ bazı ince belirtiler saklıdır. Mikrodalga veriden bir sinyalin çıkmasının zor olabildiği  imkansız olsa da, biz şaka yollu takılıyoruz. Starkman, “Davulu dinleyerek şeklini söyleyebilir misiniz?” diye sormaktadır. ” Buna hiçkimsenin henüz bir cevabı yok.”  Eğer cevap evetse, öyleyse evren; ufuğun kendini gösterdiği şekilden birkaç kat daha büyüktür.

Diğer bir ümit parçası da uzayın eğrilmesinden daha iyi bir sanıyı bulmaktan ve, gerçekten de pozitif eğimli olup olmadığını bulmaktan geçiyor. Eğer öyleyse; topoloji ne söylerse söylesin, uzay sonlu olmalıdır. Planck adlı bir Avrupa Uzay Acentası gelecek yılın başında roketi uzaya fırlattığında WMAP’nin ölçümünü geliştirmelidir. Fakat bu bile kesinlikle olma olasılığı olmayandır, öyleyse kesin emin olmadan önce uzun zaman alabilir. Şimdi bekleyip de görmeliyiz. “Uzayı takip edin” sözleri hiç bu kadar yerinde olmamıştı.

 

New Scientist dergisi 2581 nolu sayısı 7 Aralık 2006, sayfalar 34-37

Check Also

Zekâ, İnsan Beynindeki Temel Bir Algoritmadan Kaynaklanıyor

ÖZET Bir teori, düşüncelerimizin tamamının temel bir algoritma olan N = 2i-1’in bir fonksiyonu olduğunu ...