Büyük Patlama teorisi

Büyük Patlama, evrenin bugün gördüğümüz biçimine nasıl geldiğini anlatan bilimsel modelin adıdır. Modele göre evren, bundan yaklaşık 13,787 ± 0,020 milyar yıl önce son derece sıcak ve yoğun bir hâldeydi; o andan beri genişliyor, genişledikçe soğuyor ve bu soğuma sırasında önce atom çekirdekleri, sonra atomlar, en sonunda yıldızlar ve galaksiler oluştu. Bugün kozmolojinin (evrenin bütününü inceleyen bilim dalı) "standart modeli" bu anlatının üzerine kuruludur.

Adındaki "patlama" sözcüğü yanıltıcıdır. Model, boş bir uzayın ortasında bir noktadan saçılan bir patlamayı değil, uzayın kendisinin her yerde aynı anda genişlemesini anlatır. Genişlemenin bir merkezi yoktur: hangi galaksiden bakarsanız bakın, uzak galaksilerin sizden uzaklaştığını görürsünüz. Bu yüzden bazı bilim insanları daha doğru bir ad bile önermiştir.

Bu sayfa konunun yol haritasıdır. Her başlığın ayrıntısı kendi alt sayfasında anlatılıyor: tarihçe, ilk anların zaman çizelgesi, kozmik mikrodalga arka plan ışıması, hafif elementlerin oluşumu, genişleme ve Hubble-Lemaître yasası, kanıtların toplu dökümü, karşı görüşler, Hubble gerilimi ve hâlâ yanıtı aranan sorular.

Model neyi söylüyor, neyi söylemiyor?

Büyük Patlama modelleri üç temel varsayıma dayanır: fizik yasaları her yerde aynıdır; evren büyük ölçeklerde her yönde ve her yerde aşağı yukarı aynı görünür (buna kozmolojik ilke denir); evrenin madde içeriği hesaplarda "mükemmel akışkan" gibi ele alınabilir. Bu varsayımlarla Einstein'ın genel görelilik denklemleri çözüldüğünde, evrenin zaman içinde genişleyen ya da büzülen bir yapı olması gerektiği ortaya çıkar.

Model evrenin sıcak ve yoğun bir hâlden itibaren nasıl evrildiğini anlatır; evrenin "nereden geldiğini" tam olarak açıklamaz. Bugünkü görüşte, sıcak ve yoğun evreden hemen önce kozmik şişme adı verilen kısa ve aşırı hızlı bir genişleme dönemi olduğu düşünülür; şişme sona erdiğinde enerjisi sıcak bir parçacık çorbasına dönüşmüş ve "sıcak Büyük Patlama" başlamıştır. Şişmenin ayrıntısı ayrı bir teori sayfasında, "Kozmik şişme kuramı" başlığında ele alınıyor.

Kısa tarihçe

Hikâye 1910'larda başlar. Vesto Slipher 1912'de sarmal bir bulutsunun ışığındaki Doppler kaymasını ilk kez ölçtü ve zamanla bu cisimlerin çoğunun bizden uzaklaştığını buldu. Alexander Friedmann 1922'de Einstein'ın denklemlerinden genişleyebilen evren çözümleri türetti. Belçikalı fizikçi ve rahip Georges Lemaître 1927'de aynı çözümlere bağımsız olarak ulaştı ve galaksilerin uzaklaşma hızının uzaklıklarıyla orantılı olduğunu, bunun da evrenin genişlemesinden kaynaklandığını öne sürdü. 1931'de evrenin bir "ilksel atom"dan başladığı fikrini ortaya attı; bu, modern Büyük Patlama düşüncesinin ilk biçimidir.

Edwin Hubble, Milton Humason'ın yardımıyla 1929'da uzaklık ile uzaklaşma hızı arasındaki ilişkiyi yayımladı. 1940'ların sonunda George Gamow, Ralph Alpher ve Robert Herman, sıcak bir başlangıcın hafif elementleri üretebileceğini ve geride bugün de ölçülebilecek bir ışınım bırakacağını hesapladı. "Büyük Patlama" adını ise modele karşı çıkan Fred Hoyle, Mart 1949'da bir BBC radyo yayınında kullandı. 1964'te Arno Penzias ve Robert Wilson'ın kozmik mikrodalga arka plan ışımasını bulması, modelin rakibi kararlı durum kuramını büyük ölçüde saf dışı bıraktı. Ayrıntılı anlatım "Büyük Patlama'nın tarihçesi" sayfasında.

Evrenin ilk anları: kısa bir zaman çizelgesi

Modelin en çarpıcı yanı, evrenin geçmişini saniyenin çok küçük kesirlerine kadar geriye doğru anlatabilmesidir. Kabaca sıra şöyledir:

• Planck çağı (yaklaşık 10-43 saniyeye kadar): Bilinen fizik yasalarının geçerliliğini yitirdiği, kuantum kütleçekim kuramı gerektiren dönem.
• Şişme (yaklaşık 10-36 ile 10-32 saniye arası): Uzayın aşırı hızlı genişlediği kısa evre.
• Elektrozayıf ayrışma (yaklaşık 10-12 saniye): Elektromanyetik ve zayıf kuvvet birbirinden ayrıldı.
• Kuark-hadron geçişi (yaklaşık 10-6–10-5 saniye): Kuarklar birleşip proton ve nötronları oluşturdu.
• Nükleosentez (birkaç saniye ile yaklaşık 20 dakika arası): Hidrojen, helyum ve az miktarda lityum çekirdekleri oluştu.
• Yeniden birleşme (yaklaşık 380.000 yıl): Elektronlar çekirdeklere bağlandı, evren saydamlaştı; kozmik mikrodalga arka plan bu anın ışığıdır.
• Karanlık çağ ve ilk yıldızlar (yüz milyonlarca yıl): Yıldızsız dönemin ardından ilk yıldızlar ve galaksiler doğdu.

Her evrenin sıcaklığı, süresi ve fiziği "Evrenin ilk anları" sayfasında tablo hâlinde veriliyor.

Dört kanıt ayağı

Büyük Patlama'yı "güçlü kanıtlı" yapan, birbirinden bağımsız dört gözlem grubunun aynı tabloyu çizmesidir:

1. Genişleme ve Hubble-Lemaître yasası: Uzak galaksiler, uzaklıklarıyla orantılı bir hızla bizden uzaklaşıyor. Ayrıntısı "Evrenin genişlemesi ve Hubble-Lemaître yasası" sayfasında.
2. Kozmik mikrodalga arka plan (KMA): Gökyüzünün her yönünden gelen, bugün yaklaşık 2,725 kelvin sıcaklıkta, neredeyse kusursuz bir kara cisim tayfına sahip ışınım. Ayrıntısı "Kozmik mikrodalga arka plan ışıması" sayfasında.
3. Hafif elementlerin bolluğu: Modelin öngördüğü hidrojen, helyum, döteryum oranları gözlenen değerlerle uyuşuyor. Ayrıntısı "Büyük Patlama nükleosentezi" sayfasında.
4. Galaksilerin evrimi ve büyük ölçekli yapı: Uzak (yani geçmişteki) evren bugünkünden farklı görünüyor; galaksilerin dağılımı da KMA'daki küçük dalgalanmalardan büyüyerek oluşmuş bir yapıya uyuyor.

Kanıtların ayrıntılı ve eleştirel dökümü "Büyük Patlama'nın kanıtları" sayfasında bir arada.

Evren neden yapılmış?

Modelin bugünkü hâli, "ΛCDM" (Lambda soğuk karanlık madde) olarak bilinir. Güncel ölçümlere göre evrendeki toplam madde-enerjinin yaklaşık yüzde 5'i bildiğimiz sıradan maddeden (atomlardan), yaklaşık yüzde 27'si ışıkla etkileşmeyen karanlık maddeden, yaklaşık yüzde 68'i ise evrenin genişlemesini hızlandıran karanlık enerjiden oluşur. Bu iki "karanlık" bileşen, kendi teori sayfalarında ayrıca anlatılıyor.

Karşı görüşler

Büyük Patlama'nın tarihi, rakip modellerle tartışmanın tarihidir. En güçlü rakip, 1948'de Hermann Bondi, Thomas Gold ve Fred Hoyle'un ortaya attığı kararlı durum kuramıydı: evren genişliyor ama sürekli yeni madde yaratılarak hep aynı kalıyor. Radyo kaynaklarının sayımları ve özellikle 1964'teki KMA keşfi bu modeli zayıflattı. Fritz Zwicky'nin 1929'da önerdiği "yorgun ışık" fikri ve Hannes Alfvén'in öncülük ettiği plazma evren yaklaşımı da gözlemlerle uyuşmadığı için ana akım bilimin dışında kaldı. Bu modellerin neyi savunduğu ve neden geri plana düştüğü "Büyük Patlama'ya karşı görüşler" sayfasında dengeli biçimde anlatılıyor.

Bugünkü tartışmalar modelin temelinden çok ayrıntılarıyla ilgili. En dikkat çekeni, evrenin genişleme hızını ölçen iki yöntem grubunun farklı sonuç vermesi: erken evrene (KMA'ya) dayanan ölçümler Hubble sabitini yaklaşık 67–68 km/s/Mpc bulurken, yakın evrendeki uzaklık merdiveni yöntemleri yaklaşık 73 km/s/Mpc buluyor. "Hubble gerilimi" adı verilen bu uyuşmazlık ayrı bir sayfada inceleniyor.

Açık sorular

Model güçlü olsa da yanıtlanmamış sorular bırakıyor:

• Başlangıç tekilliği: Genel göreliliği geriye doğru işlettiğinizde yoğunluğun sonsuza gittiği bir noktaya varırsınız. Ancak bu ölçeklerde kuantum etkileri devreye gireceği için gerçek bir yanıt kuantum kütleçekim kuramı gerektirir.
• Öncesinde ne vardı? Hartle-Hawking "sınırsız evren" önerisi, döngüsel ve ekpirotik modeller, ebedî şişme gibi fikirler var; hiçbiri doğrudan sınanmış değil.
• Madde-antimadde asimetrisi: Evren neden neredeyse tamamen maddeden oluşuyor? Erken evrende maddenin antimaddeye üstünlüğü yaklaşık 30 milyonda bir gibi çok küçük bir farka dayanıyor; bu farkın kaynağı bilinmiyor.
• Karanlık madde ve karanlık enerji: İkisinin de ne olduğu bilinmiyor.
• Lityum sorunu: Modelin öngördüğü lityum-7 miktarı gözlenenden birkaç kat fazla.

Bu soruların her biri "Büyük Patlama'nın açık soruları" sayfasında ayrıntılı ele alınıyor.

Yaygın yanlış anlamalar

• "Bir noktada patlayan bir bomba gibiydi." Hayır. Büyük Patlama, boş bir uzaya saçılan bir patlama değil, uzayın her yerde birlikte genişlemesidir. Bu yüzden genişlemenin bir merkezi yoktur; bu fikri daha iyi anlatmak için "Her Yerde Gerinme" (Everywhere Stretch) gibi alternatif adlar bile önerilmiştir.
• "Büyük Patlama evrenin nereden geldiğini açıklar." Model, evrenin sıcak ve yoğun ısıl evresinden itibaren nasıl evrildiğini anlatır; kökenini tam olarak açıklamaz. Şişmeden öncesine dair doğrudan bir gözlem aracımız yok.
• "Hiçbir şey ışıktan hızlı uzaklaşamaz." Yeterince uzaktaki galaksiler bizden ışıktan hızlı uzaklaşır. Bu, görelilik kuramını çiğnemez; çünkü galaksiler uzayın içinde ışıktan hızlı hareket etmiyor, aradaki uzay genişliyor.
• "Tekillik kesin olarak sonsuz yoğun bir noktaydı." Tekillik, klasik genel göreliliğin geçerliliğini yitirdiği yeri gösterir. Bu ölçekte kuantum etkileri önemlidir ve gerçekte ne olduğu bilinmiyor.

Erken evrenin hâline farklı adlar da verildi: Lemaître ona "ilksel atom" dedi, Gamow ise ilk maddeyi "ylem" diye adlandırdı.

Evrenin geleceği

Büyük Patlama modeli evrenin geçmişini anlatırken geleceğine dair de senaryolar sunar. Evrenin ortalama yoğunluğu kritik değerin üzerinde olsaydı genişleme bir gün durur ve evren geri çökerdi (Büyük Çöküş). Yoğunluk kritik değerde ya da altındaysa genişleme hiç durmaz; yıldızlar söner, kara delikler bile Hawking ışınımıyla buharlaşır ve evren mutlak sıfıra yaklaşarak "ısıl ölüm"e (Büyük Donma) gider. 1998'de keşfedilen hızlanan genişleme tabloya karanlık enerjiyi ekledi: genişleme hızlandıkça görünür evrenin giderek daha büyük kısmı bir olay ufkunun ötesine geçecek. Karanlık enerjinin gücü zamanla artıyorsa, madde sonunda bir "Büyük Yırtılma" ile parçalanabilir. Hangi senaryonun gerçekleşeceği, karanlık enerjinin doğasına bağlı; ayrıntısı "Karanlık enerji" sayfasında.

Bilim ve inanç

Bir başlangıç anı içerdiği için Büyük Patlama, bilim ile din ve felsefe arasındaki tartışmaların en canlı konularından biri oldu. Kimileri modelin bir yaratıcıya işaret ettiğini düşündü, kimileri tam tersine bu fikri gereksiz kıldığını savundu. Papa XII. Pius 1951'de Büyük Patlama kozmolojisini yaratılışla ilişkilendirdiğinde, kendisi de rahip olan Lemaître'nin bundan büyük rahatsızlık duyduğu ve Papa'yı bu tür kamuya açık açıklamalardan vazgeçirmeye katkıda bulunduğu aktarılır.

Bugün nerede duruyor?

Büyük Patlama, evrenin geçmişini anlatan modeller arasında gözlemlerle en iyi uyuşan modeldir ve bilim insanlarının büyük çoğunluğu tarafından kabul görür. COBE (1989), WMAP (2001) ve Planck (2009) uydularının KMA ölçümleri, modelin öngörüleriyle yakından uyuşan sonuçlar verdi ve evrenin yaşını ve bileşimini hassas biçimde belirlemeyi mümkün kıldı. Tartışma artık "evren sıcak ve yoğun bir başlangıçtan mı genişledi?" sorusunda değil; karanlık maddenin ve karanlık enerjinin doğasında, şişmenin gerçekten yaşanıp yaşanmadığında ve Hubble geriliminin yeni bir fiziğe mi yoksa ölçüm hatasına mı işaret ettiğinde yoğunlaşıyor.

Kısaca

• Evren yaklaşık 13,8 milyar yıl önce sıcak ve yoğun bir hâldeydi; o zamandan beri genişliyor ve soğuyor.
• "Patlama" bir noktadan saçılma değil, uzayın her yerde genişlemesidir; merkezi yoktur.
• Modelin ilk biçimini 1927-1931'de Georges Lemaître önerdi; sıcak başlangıç fikrini Gamow, Alpher ve Herman geliştirdi.
• Dört kanıt ayağı: genişleme, kozmik mikrodalga arka plan, hafif element bollukları ve büyük ölçekli yapı.
• Evrenin yaklaşık yüzde 5'i sıradan madde, yüzde 27'si karanlık madde, yüzde 68'i karanlık enerjidir.
• Tekillik, Büyük Patlama öncesi, madde-antimadde asimetrisi ve Hubble gerilimi açık sorulardır.

Kaynaklar: Wikipedia — Big Bang, Wikipedia — Chronology of the universe, Wikipedia — Hubble's law, Wikipedia — Georges Lemaître, NASA — Universe overview, NASA — Dark matter