Evrenin tarifesi: Tanıdık madde, karanlık madde ve karanlık enerji

Yazan
Cihan Saçlıoğlu
Yazının Okunma Süresi
22 dakika

Atomlar ve atomaltı parçacıklar

Evren nelerden oluşuyor? Önce Einstein’ın 1905 Brown hareketi makalesi, sonra J. Perrin’in 1920’lerde bunu takip eden deneyleri bildiğimiz maddenin atom denilen yapıtaşlarından inşa edildiğini kesinleştirdi. Atomlar akıl almayacak kadar küçük: tipik çapları bir saç telinin kalınlılığının milyonda biri kadar, fakat sayıca çoklar. Bir litre hava içinde milyar kere milyar kere yüz bin civarında oksijen ve nitrojen molekülü var. Peki, atomlar nelerden yapılmış? Bunu da 1911’de E. Rutherford’un deneyleri cevapladı. Atomun hacmini dış bölgesindeki elektronlar belirliyor, ancak bu elektronlar atomun kütlesinin sadece birkaç binde birini veriyor. Esas kütle dıştaki elektron ”yörüngelerinden” yüz bin kere daha ufak bir çekirdekte toplanmış; yani atom aslında madde yoğunluğu bakımından Güneş sisteminden çok daha boş. Bu çekirdeğin içinde proton ve nötronlar var. Tekrar on bin defa daha küçük ölçeklere inip proton ve nötronların içine bakarsak, onların da kuark dediğimiz, elektronlar kadar hafif ve noktasal parçacıklar içerdiğini görüyoruz. Şu anda bildiğimiz kadarıyla, tanıdık madde şu temel parçacıklardan ibaret: elektronlar, onların yakın akrabası kendi nötrinoları, iki tane daha “elektronumsu” ve “nötrinomsu” parçacık (böyle parçacıklara Yunanca “hafif” anlamında lepton deniliyor), üç “renk” ve 6 “çeşni” ile ayırt edilebilen toplam 18 farklı kuark. Böylece bütün tanıdığımız madde 6+18=24 temel parçacığın kombinezonlarından elde ediliyor.

Temel etkileşmeler

Bu parçacıklar birbirleri ile nasıl etkileşiyor? Doğada bildiğimiz dört temel etkileşme var: Kütleçekimi (gravitasyon), elektromanyetizm, zayıf ve kuvvetli etkileşmeler. Bunları sırayla inceleyelim.

Kütleçekiminden kaçış yok; her şey bu kuvvete tabi. Descartes “Düşünüyorum, öyleyse varım” demişti; bunu “Varsan, kütleçekimini hissedersin” diye devam ettirebiliriz. Evrenin en büyük ölçekteki yapısını belirleyen, gezegenleri yörüngede tutan o. Gravitasyonel olayların dışında gördüğümüz neredeyse her şey ise elektron ve proton gibi elektrik yüklü parçacıkların birbirleri ile fotonlar, yani ışık parçacıkları ile etkileşmelerine dayanıyor. Kimya ve biyoloji temelde atom ve moleküller arasında gerçekleşen doğal elektromanyetik olaylar; buna karşılık insanların Faraday ve Maxwell’den beri geliştirdiği elektromanyetik ve elektronik teknolojiyi ise yapay elektromanyetik olaylar veya elektron ve fotonların ehlileştirilerek hizmetimize sokulması olarak düşünebiliriz.

Kuvvetli etkileşmeler çekirdekteki proton ve nötronları bir arada tutuyor. Esas mekanizmaları kuarkların kendi aralarında 8 adet fotona benzer gluon denilen parçacığı değiş tokuş etmelerine dayanıyor. Kuark ve gluonların kuvvetli etkileşmelerinin teknolojik neticeleri nükleer bombalar ve enerji santralleri. Leptonların ise kuvvetli etkileşmelerden haberi yok. Zayıf etkileşmelere gelince, bir cins yüksüz elektron olan nötrino baş aktörlerden. Yüksüz olduğu için fotonlarla ve elektromanyetik kuvvetlerle alış verişi yok. Diğer leptonlar gibi o da kuvvetli etkileşmeyi bilmiyor. Her türlü maddeyle etkileşimi o kadar zayıf ki, su gibi yoğun bir ortam içinde hiçbir şeye çarpmadan güneş-dünya uzaklığının on katı kadar yol kat edebiliyor. Bu yüzden bütün dünya ve tabii ki bizim vücudumuz onlar için neredeyse tamamen şeffaf: Bu yazıyı okuduğunuz her saniyede bir milyar kadar nötrino haberiniz olmadan içinizden geçip gidiyor. Nötrinolar bu bakımlardan teknolojik uygulamalar için pek kullanışlı olmasa da, güneşin ışıması zayıf etkileşmeler gerektiren termonükleer tepkimeler sayesinde mümkün oluyor, yani nötrinolar olmasaydı dünyada hayat olmazdı.

Standart Model

Neticede evrende bildiğimiz madde temelde 24 kuark ve 6 leptondan (üçü elektron gibi yüklü, üçü yüksüz, fakat birbirinden farklı nötrino) ibaret. Kuarklar arasında kuvvetli etkileşmeyi 8 gluon sağlıyor. Elektrik yüklü bütün parçacıklar foton alışverişi ile birbirlerine kuvvet uyguluyorlar. Fotonlar ve gluonlar kütlesiz ve elektrik yüksüz, sadece enerjileri var. Hepsi birbirleriyle kütleçekimi ile etkileşmeye mecbur, ama atom-atomaltı ölçeklerde kütleçekim kuvveti ihmal edilebilecek kadar zayıf. Kütleçekimi de graviton denilen kütlesiz ve yüksüz parçacıklarca iletiliyor. Zayıf etkileşmeyse protondan neredeyse 100 kat ağır üç cins “kütleli zayıf foton” (bunların ikisi elektrik yüklü) tarafından taşınıyor, yani “aracı parçacıkların” toplam sayısı 1+1+3+8 =13.

Zayıf fotonlar nasıl kütleli olabiliyor? Bunun için “boşluğu” anlamamız gerekiyor. Boşluk aslında bir ortam. Balıklar içinde yaşadıkları denizi bilmezler, biz de bu ortamın farkında değiliz. Nasıl deniz su moleküllerinden ibaretse, 1960’lardan beri boşluk ortamının da Higgs (aslında Nambu-Goldstone-Anderson-Englert-Brout-Guralnik-Higgs demek gerekir) parçacıklarından oluştuğu teorik olarak kabul görüyordu, fakat bu parçacığın laboratuvarda bulunması on yıllar aldı. Nihayet Temmuz 2012’de CERN’deki çevresi 27 kilometre olan LHC’de (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) tarihin en büyük, en pahalı, en kalabalık (makale 6000 kadar yazarlı) deneyinde Higgs parçacığı bulundu. Zayıf fotonlar aslında kütlesiz olmalarına rağmen, bu Higgs ortamı içinde ilerlemeye çalışırken kütleli gibi görünüyorlar. Leptonlar, kuarklar, gluonlar, kütleli ve kütlesiz fotonlar ve nihayet Higgs parçacıkları “Standart Model” denen teorik yapı içinde bildiğimiz her türlü madde-enerji ve etkileşmeyi tasvir ediyor. Bu tabloya ulaşmakta parçacık hızlandırıcıları ve çarpıştırıcılar “mikroskop” olarak kullanıldı: Hüzmeler ne kadar enerji taşıyorsa, o kadar kısa mesafelergözlenebiliyor. Kabaca LHC’de bir proton  kendi kütle enerjisinin 10,000 katı enerjilere çıkarılırsa, inceleyebildiği mesafeler de protonun büyüklüğünün on binde biri kadar.

Bu Standart Model parçacıklarının en hafifleri elektronlar, nötrinolar ve hafif kuarklardan yapılmış olan proton, nötron ve nötrinolar. Daha ağırlarına laboratuvarda veya kozmik ışınlarda rastlanıyor, fakat bunlar saniyenin milyonda birinden kısa zamanlarda daha hafif parçacıklara veya kütlesiz fotonlara bozunarak ortadan kayboluyorlar; neticede gördüğümüz gündelik madde elektronlar, protonlar ve nötronlardan ibaret.

Standart Model dışı karanlık madde?

Peki, yukarda saydığımız parçacıklardan meydana gelmemiş, elektrik yükü olmayan, bu yüzden ışıma yapamayan, kuvvetli ve zayıf etkileşmeleri de hissetmeyen başka bir tür “Karanlık madde” olabilir mi? Olabilirse, bununla nasıl etkileşime geçip varlığını belirleyebiliriz? Sadece zayıf etkileşmeyi tanıyan nötrinoların gözlenmesinin ne kadar zor olduğunu anlattık. Zayıf etkileşme de yoksa geriye ne kalıyor? Cevap: kütleçekimi. Bir şeyin kütlesi veya enerjisi varsa, gravitonlar aracılığı ile bir başka kütle ve/veya enerjisi olan şeylerle etkileşmemesi imkânsızdır demiştik. Fakat bu kuvvet temelde zayıf etkileşmeye göre bile milyar kere milyar kere milyar kere milyar kere yüzbin kere daha zayıf. O zaman nasıl oluyor da evrende astronomik ölçeklerde hâkim durumda? Bunun sebebi diğer kuvvetler hem itici, hem çekici olabilirken, kütleçekiminin sadece çekici olması. İki atomu birbirine yaklaştırırsanız, birindeki artı yükler öbüründeki eksileri çekiyor, fakat artılar artıları, eksiler de eksileri ittiğinden ve bunlar birbirlerini büyük ölçüde götürdüğünden, net kuvvet 5-10 atom mesafesinin ötesinde çok zayıflıyor. Bunun tersine, kütleler arttıkça kütleçekimi de aynı oranda artıyor. Bu sebepten gezegenler, yıldızlar ve galaksiler ölçeğinde her şeyi bir arada tutan kuvvet kütleçekimi. Karanlık maddenin varlığı hakkında ilk ipuçları da kütleçekiminin etkileri sayesinde elde edilebildi. Astronomlar J. Oort ve F. Zwicky 1932-1933 yıllarında galaksilerin ve galaksi kümelerinin hareketlerinde beklenmedik davranışlar olduğuna dikkat çektiler. Gözleyebildikleri tabii ki sadece ışıma yapabilen, yani elektromanyetik etkileşmeyi tanıyan yıldız veya yıldız topluluklarıydı. Bunları kütleleri galaksilerin ölçülebilen hızlarına ve uzaydaki dağılımlarına uymuyor, çok daha büyük miktarda ışımayan maddenin varlığına işaret ediyordu. Sonraki araştırmalar ve gözlemler, her galaksinin görünen ışıklı diskinin çok daha büyük bir küresel karanlık madde halesi ile çevrelendiğini ortaya çıkardı. Farklı galaksiler üzerine yapılan ölçümler ışıyan normal maddenin kütlesinin karanlık maddeninkinin altıda biri kadarı olduğunu gösteriyor.

Karanlık maddenin varlığını gösteren başka bağımsız gözlemler de mevcut. Bazı uzak galaksileri “çift”, hatta üçlü-dörtlü görüyoruz. Işığın bir kütle etrafından geçerken sapacağı Einstein’ın Genel Görelik teorisinin en şaşırtıcı beklentilerinden biriydi. Eddington’un 29 Mayıs 1919’daki bir Güneş tutulması sırasında bir yıldızın görüntüsündeki açısal kaymanın Einstein teorisine tam uyduğunu göstermesi bu etkinin ilk kanıtı oldu. Artık “kütleçekimsel mercek etkisi” denilen bu olayın onlarca örneği biliniyor. Bazen bir astronomik objenin (mesela bir galaksi) çok sayıda imajını görüyoruz, fakat bu görüntülerle aramızda böyle bir ışık sapmasına sebep olabilecek madde göze çarpmıyor. O zaman imajını gördüğümüz gerçek obje ile bizim aramızda karanlık madde bulunduğunu ve onun objeden gelen ışığı saptırarak çoklu imajlara sebep olduğunu anlıyoruz. Sapma açıları da bize karanlık maddenin miktarını veriyor.

En çarpıcı delil Bullet Cluster isimli bir kümede görünüyor: burada iki galaksi kümesi 150 milyon yıl önce çarpışmış. İkisinde de anlaşılan başta hem normal madde, hem de karanlık madde olmuş olmalı. Çarpışmada normal maddeli kısımların etkileşip dağıldığı, karanlık maddeli kısımlarınsa hayalet gibi her şeyin ve birbirlerinin içinden geçip gittikleri anlaşılabiliyor. Bunda normal maddeye ne olduğu optik görüntülerden, karanlık maddenin ne yaptığı ise etrafında yarattığı mercek etkisinden elde ediliyor.

Bütün gözlem ve hesaplar, Evrende atomları ve bizleri meydana getiren normal maddenin 6 katı civarında karanlık madde bulunduğunu gösteriyor, fakat bu maddenin ne olduğu hakkında bilgimiz yok. Ortaya atılan önerilerin (WIMP’ler, MACHO’lar, Axionlar, v.s. ki bunları burada açıklamaya gerek ve yer yok) hiçbirisi problemsiz değil. Kısacası, normal madde için elektronlarla fotonlar arasındaki etkileşmeleri on milyarda bir hassasiyetle betimleyebilen teorilerimiz var, fakat toplam maddenin geri kalan %83’ün ne olduğunu bile bilmiyoruz. Belli ki, bu karanlık maddeyi ehlîleştirip hizmete sokma şansımız hiçbir zaman olmayacak.

Karanlık enerji

Daha da çarpıcı olan, evrendeki toplam enerjinin neredeyse %70’inin “karanlık enerji” dediğimiz, fakat mahiyetini bilmediğimiz, her yere eşit yoğunlukta yayılmış bir ortamdan gelmesi. Teknik adıyla kozmolojik sabit denilen ve Lambda (Λ) harfiyle gösterilen bu ortam galaksilerdeki normal maddeye göre çok düşük yoğunlukta, fakat evrenin her yerinde bulunduğu için toplam kütle-enerjiye en büyük katkıyı yapıyor. Bunu nereden biliyoruz? Einsteinin Genel Görelik Teorisi kozmolojik sabitsiz şekliyle bütün evrene uygulanınca, evren bir yandan ilk patlamayla genişliyor, fakat bir yandan da bu genişleme hızı gitgide azalıyor, zira gravitasyon her şeyi bir araya toplamak isteyen çekici bir kuvvet. Kozmolojik sabitsiz Einstein teorisinde sadece bu çekim var, itme yok. Bu yüzden bu teoride ilk patlama enerjisi yeterli değilse, evrenin bir noktada maksimum büyüklüğe ulaşıp sonra tekrar büzülmesi bile mümkün. Fakat teoriye bir pozitif Lambda eklenirse, durum değişiyor ve Evrenin genişlemesi tekrar hızlanabiliyor.

Perlmutter, Schmidt ve Riess’in hassas gözlemleri gerçekten küçük ve pozitif bir Lambda olduğunu ve Evren’in yavaşlamak bir yana, hızlanarak genişlediğini gösterdi ve bunun için 2011’de Fizik Nobel Ödülü’nü aldılar. Einstein’ın Evrenin statik zannedildiği 1917 yılında ihtiyaç duyduğu, fakat genişlediği ortaya çıkınca “en büyük hatam” diye reddettiği kozmolojik sabitin toplam enerjinin çoğunu oluşturduğu bugün kabul ediliyor. Bu kozmolojik sabiti biraz Arşimetvarî bir kaldırma kuvveti sağlayan bir ortam gibi düşünebiliriz. Atmosferin kaldırma kuvveti olmasa bir taş gibi düşecek bir Helyum balonu, bu kuvvet sayesinde kütleçekimini yenip gitgide yükselebiliyor.

Artık bütün gerekli malzemeyi tanıttığımıza göre daha hassas bir “Evren tarifesi” verebiliriz: bir miktar karanlık enerji, biraz karanlık madde ve daha az da tanıdık madde alın. Önce Büyük Patlama ile ısıtın, bugünkü %68,3 karanlık enerji, %26,8 karanlık madde ve %4,9 tanıdık madde içeren evrene ulaşmak için 13.75 Milyar yıl “soğumaya ve kabarmaya” terk edin. Bizden sonra ne olacak? Öyle görünüyor ki, 20 Milyar yıl kadar sonra bu kabarma yıldızları, galaksileri ve galaksi kümelerini içinde birbirlerinden tamamen habersiz olacakları bir mutlak karanlığa ve yalnızlığa gömecek.

Noktasal parçacıklar ve yaygın enerji

Şimdi evrenin yapısı hakkındaki bu bilgilere nasıl ulaştığımızı ve bunların anlamlarını tekrar gözden geçirelim. Hep aklımızda tutmamız gereken temel formül meşhur E = mc2 , yani kütle m ile enerji E’nin eşdeğer olduğu ve birbirlerine dönüşebildiği (c=ışık hızı) gerçeğinin ifadesi. Bu, genelde alıştığımızın tersine, maddeyi yoğun ve katı parçacıklar, enerjiyi ise uzaya ve zamana yayılmış esrarengiz bir büyüklük olarak düşünmekten vazgeçmemizi gerektiriyor. Katı ve “ağır” madde diye ilk aklımıza gelen şey atom çekirdeği, fakat çekirdeğin içinde protonlar ve nötronlar, onların içinde ise çok daha hafif kuarklar var. Kuarklar Higgs alanı ile etkileşerek bir miktar kütle kazanıyorlar, fakat bu kütle bile ölçülen proton ve nötron kütlelerinden bin kat küçük. Proton ve nötronun kütleleri aslında kuarkların proton veya nötron içinde bir metrenin milyonda birinin milyarda biri boyutlarında bir “kutuda” hapisken yaptıkları gelişigüzel hareketlerinin kinetik enerjisinden geliyor. Daha da çarpıcı bir örnek karadeliklerde ortaya çıkıyor. Einstein’ın kütleçekimi alan denklemlerini herhangi bir madde kaynağı yokken çözdüğümüzde karşımıza içinden ışığın bile kaçamadığı karadelikler çıkabiliyor. Birikmiş o kadar çok veri var ki, bunların varlığı artık tartışılmıyor. Bazıları galaksilerin merkezlerinde oturan, 10 milyar güneş kütlesinin bir noktada toplandığı, bütün galaksinin etrafında döndüğü canavarlar. Yani enerji saf kütleçekimi alanıyla böyle noktasal olarak yoğunlaşmış veya kozmolojik sabitle bütün uzaya yayılmış olabiliyor. Bütün bu durumlarda temel özellik şu: kütleçekimi kuvveti her türlü enerjiyle etkileşiyor, bunu yaparken da uzay ve zamanı “eğriltiyor”.

Bu değişik madde-enerji çeşitleri hakkındaki bilgilere deneysel ve gözlemsel yollarla nasıl ulaştığımız konusunda da mecburen ortaya çıkmış çarpıcı farklılıklar var. Atomlardan meydana gelmiş normal maddenin içyapısını CERN gibi devâsâ yeryüzü lâboratuarlarındaki deneylerden öğreniyoruz. Ama bu toplam madde-enerjinin en fazla %4-5’ini veriyor. Kalan %95-96’nın özelliklerini ise ancak gökyüzü gözlemlerinden çıkartabiliyoruz. Karanlık maddeyi galaksi ve galaksi kümelerine bakarak keşfettik; karanlık enerjinin varlığı içinse, galaksi ve galaksi kümelerini gözlemek de yetmiyor ve bütün evrenin genişlemesine bakmak gerekiyor. Bu genişlemenin hassasiyetle ölçülebilmesi ve Lambda’nın varlığının kanıtlanması ve değerinin belirlenmesi, Süpernova 1a patlamalarının teorisinin iyi anlaşılması ve buradan güvenilir bir mesafe ölçme yöntemi elde edilmesiyle mümkün oldu.

Kozmik mikrodalga fonundan evren(leri) okumak

Son olarak da gene gökyüzündeki özel uydular ve balonlardan elde edilen diğer önemli verilere bakalım. Büyük Patlamadan artakalmış fotonlar bugün soğuya soğuya sıfırın altında 270 dereceye inmiş durumdalar. Televizyon yayını kesildiği zaman ekrandaki kumlu görüntünün küçük bir kısmı bu 14 milyar yıllık fosil fotonlardan geliyor. İlk bakışta bu foton fonundaki sıcaklık her yerde tam aynı görünüyor, fakat dikkatli bakılırsa bazı bölgelerin daha sıcak, bazılarının daha soğuk olduğu görülüyor. Gözlem aletleri sıcaklık dağılımında derecenin yüz binde biri kadar küçük yerel sapmaları ölçebiliyor ve sapmaların haritasını ortaya koyabiliyor. Bu sapma haritalarında daha yoğun bölgeler milyarlarca yıl sonra oluşan galaksilerin bebeklik, hatta embriyonluk resimleri. Sapmaların dağılımı ve Lambdanın varlığı bize ayrıca Evren’in düz, sınırsız ve sonsuz olduğunu da gösteriyor. Ama ışığın hızı sonlu ve evren de kabaca 14 milyar yaşında olduğu için, ışığın 14 milyar yılda ulaşamayacağı bölgeleri göremiyoruz. Ama tabiî ki evrenin oralarda da aynı şekilde devam etmediğini, sonsuz olduğu gözlemle kanıtlanmış bir evrenin içinde 14 milyar yıllık bir yapay sınır bulunacağını ve evrenin orada biteceğini iddia etmenin mantıksal ve gözlemsel bir dayanağı olamaz. Sonlu ışık hızından dolayı oraları görmeye ömrümüzün yetmemesi elbette her şey orada sonlanıyor demek değil. Böylece teori ve gözlemsel veriler bizi hayret verici bir sonuca götürüyor: bu sonsuz uzayın içinde bizimki gibi başka evrenler olması kaçınılmaz. Bazı felsefî düşüncelerle 1584’de hemen hemen aynı görüşe varan ve bunu bir tez olarak yayımlayan Giordano Bruno, altı yıl süren hapis ve işkencelere rağmen tezinden vazgeçmedi ve 1600 yılında Roma’da yakılarak öldürüldü. Son görseldeki karikatür ise bugün artık bu fikrin popüler kültüre girdiğini gösteriyor. (Kadın: “David çoklu evrenlere inanıyor-hepsi de berbat”)

İlgilenenler için başka kaynaklar:

Alexander Vilenkin, “Many worlds in one”

Max Tegmark, “Our mathematical universe”

Brian Greene, “The hidden reality”

Lawrence Krauss, “A universe from nothing”

Alan Guth, “The inflationary universe”

Değerli arkadaşım ve meslektaşım Namık Kemal Pak’ın anısına,

İkimizin de teorik parçacık fiziğinde çalışmamıza ve doktora için yurtdışına aynı zamanlarda gitmemize rağmen Namık’la uzun bir süre etkileşmemiz epey kısıtlı kaldı. O Berkeley’deydi, ben Şikago’da; o Hacettepe’deydi, ben ODTÜ’de; sonra o ODTÜ’deydi, ben Boğaziçi’nde farklı yurtdışı çalışma dönemlerimize hiç girmeyeyim. Fakat bütün bu ayrılıklar boyunca Namık’ın önemli çalışmalarından haberdar oldum, çünkü Skyrmionlar, Rubakov etkisi, non-lineer sigma modelleri hakkında yayınladıkları ve daha birçok makalesi uluslararası düzeyde ilgi çekecek seviyedeydi. Aramızdaki bilimsel toplantılarda da bunların bazılarını kendisinden dinleyerek çok şey öğrendim. Daha sık görüşmemiz ben Feza Gürsey Enstitüsünde, o TÜBİTAK başkanı iken oldu. Bu dönemde Enstitüyü ve orada çalışanları birçok belâdan korudu; yazık ki daha büyük çalkantılarda Türkiye hem bildiğimiz TÜBİTAK’ı, hem de Enstitüyü kaybetti. Bunları önlemeye bilim dünyamızda kimsenin gücü yetmezdi. Gene de o dönemdeki idareciliği sırasında başardıkları ve çoğu bugün yetkin profesörler olan öğrencileri ile Türkiye’de fiziğin gelişmesine kalıcı katkılar yaptı. Eminim yaşasa bunlar azalmadan devam edecekti. Geç gelişen, fakat benim için çok değerli hale gelen güvenilir dostluğunu çok özleyeceğim.

Bu yazı Bilim ve Ütopya’nın 261. sayısında yayımlanmıştır.

 

Fizik