5 Eylül 2012 Çarşamba

Evrenimiz Nasıl Son Bulacak ?

İçinde yaşadığımız, muazzam büyüklükte, biricik evrenimiz... Bildiğimiz tüm fizik yasalarını, sayısız galaksi ve yıldızıları, biz ve tüm olası yaşam formlarını içinde barındıran, evimiz. Evren denilince aklımıza kafamızı kaldırıp yıldızlara bakmak gelse de, içtiğimiz sudan tutun karnımızı doyurduğumuz yiyecekler, aldığımız soluğa ve çektiğimiz karaciğere kadar her şey aslında evrenle iç içedir. Bizim biricik, tek varlık alanımız; evren. Ancak ne yazık ki bir gün tıpkı bizler gibi ölecek. Bu bir kâhinin kehaneti de değil, çok ciddi bilimsel öngörülerin sonucu. Evrenimizin nasıl son bulacağı üzerine ihtimallere değinmeden önce bu gerçeği nasıl keşfettiğimizi izâh etmem gerekiyor.

1920'lerden önce bilim dünyasının genel görüşü evrenimizin stabil olduğu yönündeydi. Yani evrenimizin sonsuzdan gelip sonsuza giden ve durağan bir yapıda olduğunu sanıyorduk. 1929'da Hubble teleskoptu ile yapılan gözlemlerle diğer galaksilerin bizden uzaklaştığını keşfettik. Peki galaksiler bizden uzaklaşıyorsa bundan milyarca yıl önce evrende, bu galaksilerin bizim galaksimize daha yakın olmaları gerekmiyor muydu? O halde stabil bir evren nasıl olabilirdi ? İşte bu sorgular neticesinde stabil evren fikri yıkılmış oldu. Evrenimiz tam anlamıyla dinamik bir yapıdaydı ve bundan milyarca yıl önce bu göktaşlarının birbirinin üstüne yığılmış olabileceği de ihtimal dışıydı. Böylece bu 1920 lerde ortaya atılan "başlangıcı olan evren" teorileri yeniden gündeme getirmiş oldu. Fizikçiler, uzaklaşan galaksiler bulgusundan yola çıkarak galaksilerin hızlarını incelediler böylece zamanı geriye sardılar, karışık matematiksel formüller yarattılar ve bigbang'in(büyük patlama) yaşını hesapladılar. İnsanlığımızın bu keşfi şüphesiz tüm insanlık tarihinin en büyük buluşlarından biridir.

Büyük patlama(bigbang) ve sonrasında büyük bir hızla genişleyen evrenimiz, ortaya çıkan ilk nesil toz bulutları ve bunların kütle çekim(gravity) ile içe çökerek yarattığı gök taşları, galaksiler.... Evrenimizin tarihini yazmak bilim insanları için hayli zevkliydi. Ancak neşeleri kaçıran bir gerçek vardı; eğer evrenimizin bir bebek gibi doğup, serilip serpiliyorsa peki neden birgün ölmesin ?

Evrenimizin Kaderinde Yanmak mı var Yoksa Donmak mı?

Bilim insanları evrenin bir miktar genişledikten sonra yeniden içe doğru çöküp en sonunda yanarak kül olacağını düşünüyorlardı. Bunu basitçe şöyle izah edebiliriz. Elinize bir elma alıp yukarı doğru atarsanız, bir süre yükseldikten sonra elma, kütle çekim etkisiyle yere doğru düşecektir. Evrenimizde tıpkı elma gibi bir süre sonra içe doğru çökmeliydi. İşte bu teori, "evrenin sonu" teorileri içinde en öncül olanlarındandır.  Bilim insanları galaksileri ve onlardan bize gelen ışıklar titizlikle inceledi ve bilim dünyasını hayrete düşüren bir gerçekle karşılaştılar. Evrenimiz gitgide daha da genişliyordu. Yani az önce havaya attığımız elma yere doğru düşmüyordu, aksine atmosferi aşmıştı ve istifini hiç bozmadan gidişine devam ediyordu. Ancak galaksiler birbirlerinden büyük bir hızda uzaklaşırken galaksilerin içindeki göktaşları uzayın sonsuzluğuna öylece saçılmıyor, sanki bir tutkalla yapıştırılmış gibi galaksinin içinde yörüngelerinde yüzüyorlardı. Böylece bilim insanlarının aklı daha da karışmaya başladı. Çünkü evrende bildiğimiz hiçbir madde galaksileri birarada tutacak kadar yoğunluk-kütle sahibi değildir. Evren neden bu kadar hızlı genişliyordu? Buna karşın galaksiler nasıl olurda dağılmadan durabiliyordu ?


Bilim insanları zeki kimselerdir, bunun nasıl gerçekleştiğini anlamak için hemen teoriler geliştirdiler ve kara madde(dark matter) ve kara enerjiyi(dark energy) buldular. Bunlara "kara" dendi çünkü gözlemlenemiyorlardı. Kara madde ışıkla bile etkileşime girmiyordu. Ancak bilim insanları bunun da üzerinden geldiler ve dolaylı yoldan gözlemlemeyi başardılar. Örneğin, ışığın yol üzerinde sapması ve bükülmesini gözlemleyerek karamaddeyi hatta bulunduğu yerlerdeki yoğunluğu tahmin edebildiler. Günümüzde hâlen kara maddeyi doğrudan gözlemlemek için dünyanın birçok yerinde araştırma merkezleri hergün çalışmakta. Dolayısıyla evrenimizin neden bu kadar hızlı genişlediğini ve galaksilerin neden dağılmadığını açıklayabilecek bir teori geliştirdik. Evrenin yüzde 74'nü kapsayan kara enerji galaksileri birbirinden itip uzaklaştırırken galaksilerin içine yığılmış, evrenin yüzde 22'sini kapsayan kara madde ise galaksilerin içindeki göktaşlarını bir arada tutkal gibi tutmaktadır. Böylece evrenin nihai kaderi için ikinci bir senaryo daha yazılmış oldu. Evren sürekli genişleyecektir ve bunun sonucu olarak yıldızlar kendi içlerindeki yakıtları sonuna kadar tüketecektir. Büyük yıldızlar daha fazla enerji harcadıkları için küçüklerden daha çabuk tükeneceklerdir ancak eninde sonunda küçük yıldızlarda tükenecektir. Galaksiler birbirinden gitgide uzaklaşıp yaşamlarını tükettikçe bir daha yıldızlı gökyüzü görünmeyecektir. Böylece evrenimiz sopsoğuk bir zifirikaranlığın içine gömülecektir.

Ancak hemen endişe etmenize gerek yok, bunlardan herhangi birinin bile gerçekleşmesi için bile milyar yıllar var. Dünyamızdaki canlı formunun devamının veya kalıntılarının bu kadar uzun süre var olabilme ihtimali çok ama çok küçük bir olasılıktır. Ancak gene de insan düşünmeden edemiyor. Evrenimizin bundan 40 milyar yıl sonra soğsoğuk bir zifirikaranlığın içine gömüldüğünü düşünün ve sanki sizde uzaktan izliyormuşsunuz. Evrenimiz içinde biricik dünyamızda yaşadığımız onca şey; bilimimiz, tarihimiz, teknolojimiz, sevinçlerimiz, kahramanlıklarımız... bu soğsoğuk zifiri karanlık içinde bir daha açılmamak üzere gömülüp gitti :) Bu açıdan bakınca insan ihtiraslarından soğuyor öyle değil mi?

Evrenin Kaderine Dair Alternatif Sonlar

Bahsettiğim 2 temel son senaryosunun yanısıra başka senaryolar da bulunmaktadır. Örneğin; genişleyen evrende uzay zamanda oluşabilecek bir yırtık sonucu kozmik bir felaket yaşanması gibi. Bazı son senaryoları ise bu yıkım senaryolarına nazaran daha umut vericidir.  Örneğin bir teoriye göre, evren sonuna doğru kütle çekimin etkisiyle içe doğru çökecek ve bu çöküntünün bir noktaya toplanması sonucunda evren Büyük Patlama anına geri dönecek böylece yeni bir bigbang yaşanacak ve yepyeni bir evren doğacak. Bunu bir canlının kalp atışlarına benzetebilirsiniz. Böylece evrenimiz salınarak sürekli yeniden doğacaktır.


Her ne olursa olsun, görünen o ki evrenimiz büyük ihtimalle bir zamanda bir yerde ölmek zorunda. Belki evrenimiz birgün yeniden doğabilir veya paralel evrenler ve bunların bağlı olduğu bir kozmik platform veya onun gibi bir şey varsa, her zaman bir yerde bir zamanda evrenler olacaktır.


3 Eylül 2012 Pazartesi

Evrenin Dört Temel Kuvveti

Evrenin gözlemlediğimiz dört temel kuvveti bulunmaktadır. Bunlar;

  • Strong nuclear force (Güçlü nükleer kuvvet) ya da strong interaction(güçlü etkileşim.
  • Weak nuclear force (Zayıf nükleer kuvvet) ya da weak interaction(zayıf etkileşim)
  • Electromagnetic Force (Elektromanyetik Kuvvet)
  • Gravitation (Kütle çekim)

 Bu kuvvetlere "temel" denilmesinin nedeni; evrenimizin bu dört temel kuvvet etrafında şekillenmesidir. Yani bu kuvvetler bir şekilde bir anda kapatılırsa var olduğunu bildiğimiz her şey bir anda birbirinden kopmaya ve parçalanmaya başlar. Tanım olarak ise; evrenin en temel yapı taşları olan temel parçacıkların (elementary particle) birbiriyle etkileşimi olarak ifade edebiliriz.





Kütle Çekim (Gravitation)

Kütle çekim, en bilindik temel kuvvettir. En basit ifade şekliyle, ayağımızı yerde tutan kuvvettir. Kütle Çekim'in ne olduğu ilk kez ciddi bir biçimde bir taslağa oturtan büyük Fizikçi Sir Isaac Newton'dur. Kendisi, cisimlerin kütlesine ve yoğunluğuna bağlı olarak yarattığı yörünge ve çekim kuvvetini ifade etmiştir ancak bunun nedenini açıklayamamıştır. Çünkü Newton'un uzay yapısında, uzay içindeki tüm cisimler üzerindeki etkiliyken, cisimlerin uzay örgüsü içinde bir etkisi bulunmamaktadır. Bu sır perdesini aralayan ise başka bir dahi, Einstein'dır. Genel Görelilik(General relavity) teorisi ile Einstein, büyük kütleli-yoğunluklu cisimlerin uzay-zamanı tıpkı bir çarşafı eğer gibi eğip-büktüğünü iddia etmiştir.(bkz soldaki resim) Böylece Newton'un uzay anlayışını değiştirmiş ve zaman kavramının uzayla kaynaşık olduğunu yani uzay-zaman'ı keşfetmiştir. Bu teoriye göre; cisimlerin yoğunlukları-kütlelerine göre cisimler uzay-zamanı bükerler, bu bükme ile etraflarında bir yörünge yaratırlar. Gene teoriye göre bükülme sonucu oluşan yörüngeler dalgalar hâlinde uzay zamanda sürekli dalgalanmaktadır. Kütle çekim en bilindik kuvvet olarak görünse de aslında tüm kuvvetler içinde en ilginç olanıdır çünkü kütleçekim diğer tüm kuvvetlerden katbekat daha güçsüzdür ve küçük ölçekte yani kuantum dünyasında ise pire gibi kalır. Şöyle düşünün; elinizi atıp masadan bir bardak kaldırmak hiçte zor bir şey değildir. Burada yaptığınız şey yerçekimine kendi kuvvetinizle karşı koymaktan başka bir şey değildir. Yanısıra ayağımızı basıp yeryüzü üzerinde durabilmemizin de nedeni yerçekiminin bu kuvvet seviyesidir. Durduruğunuz yerde zıpladığınızı düşünün, siz tam düşecekken bir anda dünyanın kütleçekimini oldukça artırırsak yeri parçalayıp merkeze doğru düşmeye başlarsınız. Ancak gerçekte bu böyle değildir ve yalnızca yere çarpıp durursunuz çünkü ayağınızda ve yerde bulunan elektronlar birbirini iter ve siz yere çarpıp durursunuz. Bu itme kuvvetinin, kütleçekimden daha güçlü olduğunu anlatan basit bir örnektir. Güncel fizikteki en büyük sırlardan birisi de kütle çekimin neden bu kadar zayıf olduğudur. Tüm kuvvetlerin bir taşıyıcı/iletici parçaçığı vardır. Kütle çekim'in taşıyıcı parçacığı ise teoriye göre "graviton" dur. Ancak graviton bu güne kadar hiç gözlemlenememiştir. Böylece konu daha da ilginçleşmekte. Kütle çekimin neden bu kadar zayıf olduğunu anlatan bir teori geliştirilmiştir. Bu teori, çoklu evren ve string teorisini de kapsamaktadır. Teoriye göre; gravitonun paralel evrenler arasında geçiş yapabileceği hesaba katılır. Bunun nedeni, hâlen keşfedilmemiş ve yalnızca teoride var olan "düğüm stringler" dir. Teoriye göre ucu açık stringler gibi bir paralel evrene yapışmayan düğüm stringler, diğer paralel evrenlere yolculuk yapabilir. Gravitonun esrarının bu olduğuna inanılmaktadır. Şayet birgün hadron çarpıştırıcılarında bir graviton gözlemler ve onun diğer evrene gidişinde yokoluşunu gözlemlersek bu konu üzerindeki sır perdesi en azından aralanmış olacaktır. Kütleçekimde önemli bir diğer nokta ise kütleçekiminin bizim için hayli kritik bir seviyede olduğudur. Eğer yerçekimi bundan daha kuvvetli olsaydı yani gerçekten kuvvetli, o halde bildiğimiz birçok nesne un ufak olacaktı. Veya dünyamızdaki yerçekimi biraz daha farklı olsaydı evrim sürecimiz daha da farklı işleyecekti ve boyutlarımız-beyinlerimiz belki de bu şekilde olmayacaktı. Kütle çekim bu kadar güçsüz olsa da büyük ölçekli dünyamızda yani gözle görebildiğimiz seviyeleri bu kuvvet yönetmektedir. Büyük ölçeklerde diğer kuvvetler, kütçe çekim gibi evreni domine edemezler. Yanısıra kütle çekimin "erişim alanı" sonsuz olarak ifade edilebilir.

Kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı kuvvet, kütlesi ve spini gibi detaylar için soldaki resmi inceleyebilirsiniz.

Güçlü Nükleer Kuvvet (Strong Nuclear Force)

Atomun çekirdeği, proton ve nötronların birbirine sımsıkı tutunması ile meydana gelir.(bkz sağdaki resim) Proton + yüklüyken nötronlar yüksüzdür. Peki aynı yüke sahip protonlar nasıl olurda birbirini itmiyor, yüksüz nötronlarla nasıl bir arada sanki kancayla bağlamışlar gibi sımsıkı duruyor ? Bizi ve gördüğümüz her şeyi var eden atomlar nasıl olurda oluşmuş olabilir ? Bilim dünyası bu sorunun yanıtını "güçlü nükleer kuvvet" ile verebilmiştir. Güçlü nükleer kuvvetin ne olduğunu izah eden teori; Quantum chromodynamics'i yani kuantum renk dinamiğidir. Atomun çekirdeğini oluşturan proton ve nötronları da oluşturan parçacıklar vardır ve bunlara kuarklar denir. Kuarklar birbirine color charge(renk şarjı) ile tutunmaktadır. Kuarklar, birbirinin zıttı renklere sahip olan kuarklarla birbirlerini çekerler. (bkz; aşağı-sağ resim) Kuarklar arasındaki güç taşıyıcı/iletici parçacık ise gluon'dur. Gluon, adından da anlayacağınız üzere kuantum dünyasındaki bu güçlü etkileşimde "yapıştırıcı" görevindedir. Güçlü nükleer kuvvetin etki alanı, kütle çekimin aksine, mikroskopik çaplardadır. Bu çaplarda ise Eistein'in kütleçekimi açıkladığı genel görelilik teorisi işlememektedir. Mikroskopik boyurtların ilginç dünyasında işleyen mekanizma kuantum mekaniğidir.

Soldaki resimde, güçlü nükleer kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.



Zayıf Nükleer Kuvvet (Weak Nuclear Force)

Teorize edilmesinin asıl sebebi 1973 de gözlemlenen ve temel parçacıklar diziminde bulunan W ve Z bozonları arasında oluşan birbirleri ile değişim durumudur. Dolayısıyla W ve Z bozonları aynı zamanda, zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcı/iletici parçacığıdır. Zayıf Nükleer Kuvvet kuark türlerinin birbirleri arasında değişimi ile görevlidir. (flavor of quark; üst - alt- garip - sevimli - en alt - en üst olarak katogorize edilmiş kuarklar bulunmaktadır) Bu ise evrenimiz için oldukça önemlidir. Bu önemi izah etmek gerekirse; eğer zayıf nükleer kuvvet olmasaydı p -> n geçişi olamazdı yani döteryum biçimlenemez ve döteryum füzyonu oluşamazdı. Bu da şu anlama geliyor ki güneşimiz şimdi ki gibi yanamazdı. Yanısıra Zayıf Nükleer Kuvvet sayesinde oluşan kuarklar arası dönüşümler nükleer partikül bozulması ile paralel olarak işlemektedir. Nükleer partiküllerin bozulması kuarklar arasında tür geçişleri ile mümkündür ve bu da Zayıf Nükleer Kuvvetin işlevidir. Radyoaktif bozulma, beta bozulmasında olduğu gibi zayıf nükleer kuvvetin işleviyle ortaya çıkmaktadır. Burada Zayıf Nükleer Kuvvet bir kuarkın bir diğer kuar türü/rengine ya da leptonun başka bir leptona dönüşümünden sorumludur ve bu sürece tür/renk değişimi (flavor changes) denir.

Zayıf Nükleer Kuvvetin sorumlu olduğu geçiş alanları yani lepton ve kuark değişimlerinde Güçlü Nükleer Kuvvet etkili olamaz çünkü  "Leptonların renkleri yoktur dolayısıyla Güçlü Nükleer Kuvvet ile idare edilmezler, nötrinoların ise şarjı yoktur yani elektromanyetik gücü tecrübe edemezler ama bunların tümü zayıf nükleer kuvvet/zayıf etkileşim e katılır(Griffiths) [1]

 Soldaki resimde, zayıf nükleer kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.


Elektromanyetik Kuvvet (Electromagnetik Force)

Elektromanyetizmayı; elektrik şarjı bulunanan parçacıklar arasında oluşan kuvvet olarak nitelendirebiliriz. Yükler arasındaki etkileşim pek bilindiktir, aynı yükler birbirini iter, farklı yükler birbirini çeker. Peki elektromanyetizma nedir ? Elektrik ile manyetik alan arasındaki ilişki ne anlama gelir ? Bu ikili arasındaki ilişki ilk kez Hans Christian Ørsted tarafından 1820 yılında, bir ders için hazırlık yaparken keşfedildi. Ørsted, mıknatısın yanından geçen elektriğin mıknatısın yönünü değiştirdiği gözlemledi. Böylece bu mesele üzerine çalışmalara başladı ve ilk temellerini attı. Elektrik ve manyetizma arasındaki gizemli ilişki Faraday'ın oldukça dikkatini çekmişti ve Faraday hayatının önemli bir kısmını bu ilişkiyi çözmek üzerine harcadı ancak önerilerini formülize edecek matematiksel birikime sahip değildi. Burada devreye Maxwell girdi ve Faraday'ın önerilerini büyük ölçüde formülize edip genişletti. [2] Bu temel kuvvet üzerinde çalışma yapan diğer bilim insanlarının da gayretleriyle 19. yy en büyük fiziksel ve matematiksel keşiflerinden biri yapılmış oldu. Elektrik ve manyetizma arasındaki bu ilişkinin keşfedilmesi aynı zamanda "ışığın" doğasını anlamamızı sağladı böylece ışığın bir elektromanyetik bir dalga olduğunu keşfedildi. Elektrik manyetizmayı, manyetizma ise elektriği üretmektedir bu ise saniyede ortalama 300.000 km ile olmaktadır ve bu sayı ışık hızının ta kendisidir. Böylece ışık hızı gözlemlendi ve ışığın elektromanyetizmanın görünen hâli olduğunu anlaşıldı. Bu büyük buluş Einstein'in Özel Görelilik'i keşfinin ilk yapıtaşlarını oluşturdu.

Manyetizmanın ve elektriğin iletici/taşıyıcı parçacığı fotondur(photon). Elektromanyetik kuvvet, atomları ve molekülleri bir arada tutmaktadır. Elektromanyetik kuvveti bu çekim ve itim gücü hakkında, elektromanyetik kuvvetin diğer 3 kuvvetten daha dominant/egemen olduğunu söyleyebiliriz. [3]

Soldaki resimde, elektromanyetik kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.




-----------------------

[1]: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html
[2]: http://www.youtube.com/watch?v=hbD7zC_NUHw
[3]: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html