Evreni Genişleten Vakum Enerjisi Nedir?

Einstein’ın genel görelilik teorisinde evreni genişleten vakum enerjisi nedir? Bunun karanlık enerji ve kozmolojik sabitle ne ilgisi var? Karanlık enerjiyi kuantum salınımları mı üretiyor? Neden fizikçiler bile birçok bağlamda vakum enerjisini yanlış anlatıyor? Vakum enerjisi evreni sarar ve uzayın kuantum salınımlarıyla genişlemesine neden olur. Peki vakum enerjisi bize anlatıldığı gibi midir? Merak etmeyin. Bu yazının sonunda fizikçilerin vakum enerjisi derken ne kastettiğini öğreneceksiniz.

Vakum enerjisi ve evrenin genişlemesi

Scientific American’ın 21 Temmuz 2021 sayısında¹ evrenin gittikçe hızlanarak genişlediğini ve buna vakum enerjisinin yol açtığını okudum (doğru). Oysa yazıya göre vakum enerjisi kuantum salınımlarından oluşuyor ve bunu da kuantum alanları, Unruh etkisi ile Hawking radyasyonu yazılarında anlattığım sanal parçacıklar üretiyordu. Sanal parçacık ve antiparçacık çiftleri boşlukta bir an için oluşup birbirini yok ediyor ve bu da Casimir etkisiyle gözlemlediğimiz negatif basınca neden oluyordu (doğru). Oysa yazıda, “vakum enerjisi neden evrenin genişlemesini sağlıyor” sorusunun yanıtını bulamadım.

Dahası vakum enerjisi de yanlış anlatılmıştı. Kuantum parçacıklar yazımdan sonra Twitter sohbetlerinde bu konuda çok soru aldığımdan işin aslını anlatmaya karar verdim. Elbette elimizde bir kuantum kütleçekim kuramı olmadığı için yerçekiminin mikroskobik ölçekte nasıl etkidiğini bilmiyoruz. Bu sebeple kimse tam olarak evrenin neden genişlediğini bilmiyor. Dolayısıyla bu yazı da evrenin bildiğimiz kadarıyla nasıl genişlediği ve vakum enerjisinin bununla ilişkisiyle sınırlı olacak. Hazırsanız başlayalım:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Vakum enerjisi ve karanlık enerji

Vakum enerjisi pozitif olup birim uzaydaki yoğunluğu sabittir. Bu nedenle uzayın hacmi artarsa toplam vakum enerjisi artar ki bu da iş yapmayı gerektirir. Vakum enerjisi uzayı genişleterek iş yapar. Kısacası gazların tam tersi şekilde davranır. Gazlar ısınınca genleşir ve uzaya yayıldıkça seyrelir. Elbette gaz bulutları genleşirken çevredeki molekülleri iterek pozitif basınç yaratır ama uzayda seyrelirken enerji yitirerek soğur. Gazlar için anlatılanlar doğrudur.

Oysa yazıda diyor ki vakum enerjisi pozitif olduğu için negatif basınç uygular. Bu da uzayın genişlemesine ve uzayda yer alan galaksilerin birbirinden uzaklaşmasına neden olur. Sonuç olarak bizden yeterince uzak olan galaksiler bizden ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşır (bu cümle de doğru). Buna karşın vakum enerjisinin pozitif olduğu halde neden negatif basınç uyguladığı ve bunun uzayın genişlemesine nasıl sebep olduğunu anlamadınız değil mi? Sorun da burada.

Nitekim negatif basınç ve karanlık enerjiyi birçok yazıda anlattım. Bu yazılarda fizikçilerin yukarıdaki geleneksel açıklamasını (daha doğrusu son 20 yılda karanlık enerji kavramının ortaya atılmasıyla moda olan açıklamalarını) detaylandırdım. Bu kez de vakum enerjisi, karanlık enerji, yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisi ve evrenin genişlemesi arasındaki ilişkiye bakalım:

İlgili yazı: Natron Gölü Kuşları Nasıl Taşa Çeviriyor?

 

Vakum enerjisi için doğru terminoloji

Vakum enerjisi nedir ve neden önemlidir? Yerçekimini bir kenara bırakırsanız enerjiyi mutlak olarak ölçemeyiz. Örneğin uzayın enerjisini ölçemezsiniz. Sadece uzayda yüksek enerjili bir bölge veya cisimle, ona göre düşük enerjili başka bir bölge ya da cisim arasındaki enerji farkını ölçersiniz. Elektrik ve elektronik mühendisleri anımsayacaktır… Potansiyel elektrik enerjisini ölçemez ama elektrik alanındaki farkları ölçersiniz ki elektrik akımlarına da bu farklar yol açar. Elektrik akımı yüksek potansiyel enerjiden düşük enerjili yere akar. Tıpkı suyun boş kaba akması gibi…

Bu da insanların karşılıklı boyunu ölçmek gibidir. Aleyna, Bengisu’dan 3 cm uzun ama Kaner’den 10 cm kısadır. Bunu kimsenin boyunu ölçmeden bilebilirsiniz. Tek yapmanız gereken omuz yükseklikleri arasındaki farkı ölçmektir. İşte yerçekimi alanı dışında evren sadece bunu yapmanıza izin verir. Yine de kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek zorunda kalırsınız; çünkü E=mc² gereği kütle (m) enerjiden türeyen bir özelliktir. Demek ki tüm enerji türleri kütle üretir ve kütle uzayı bükerek yerçekimini oluşturur. Yerçekimi alanını ise mutlak değeriyle ölçeriz.

Neden derseniz yerçekimi klasik fizik olup kesin ölçümlere izin verir. Oysa kuantum mekaniğinde belirsizlik vardır. Kuantum mekaniğinde iki ayrı özelliği aynı anda eş kesinlikte ölçemez ve hiçbir özelliği de kesin olarak ölçemezsiniz. Yerçekimi alanının mutlak değerini ise Einstein genel görelilik teorisinde göstermiştir. Evet, yine o beyefendi…

Vakum enerjisi farkı

İşin ilginci elimizde kuantum kütleçekim kuramı olsa tüm diğer enerji türlerinin de mutlak değerini bulabilir; çünkü hepsini yerçekimine yorabilirdik. Enerji kütleyi türettiği için… Kısacası kızların boy farkını bildiğimizden, sadece Kaner’in boyunu ölçerek onların boyunu da öğrenmiş olurduk. Diğer yandan genel görelilikte Kaner gibi belirli bir kişiyi, belirli bir noktayı ölçmezsiniz. Bunun yerine bizzat vakumu ölçersiniz:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Yerçekimi alan denklemleri

Sonuçta kütlenin yol açtığı yerçekimi vektörel bir alandır ama potansiyel yerçekimi alanı skaler bir alandır. Yine neden derseniz: Görelilikte uzay ve zaman birbirine göre değişir. Adı üstünde, görelilik teorisi! Öte yandan uzayzaman bölünmez bir bütün olup mutlaktır (çünkü görelilik klasik fizik teorisidir). Öyleyse vakumu nasıl ölçtüğümüzü Einstein’ın alan denklemleriyle görelim:

Bu denklemde iki sabit var. Bunlar uzay ve zamandaki her noktada aynı değerdedir. G, Newton’ın evrensel yerçekimi sabiti olup yerçekimi şiddetini belirler. Diğeri ise Lamba (Λ) olup kozmolojik sabiti gösterir. Denklemdeki R simgesi uzayzamanın eğriliğini imler. T’li terim tüm diğer enerjiler, parçacıklar ve radyasyonu içerir. Öyle ki bu terim sıfırsa uzayzaman boş demektir. Kısacası denklemdeki Lambda vakumun enerji yoğunluğunu belirlemektedir; yani toplam enerjiyi değil de birim hacimdeki enerjiyi…

Vakumun enerji yoğunluğu evren genişlerken seyrelmez; çünkü bu mutlak uzayzamanın bir özelliğidir. Bu da vakum enerjisini diğer enerji türlerinden (kuantum fiziğindeki enerji türleri) farklı kılar. Örneğin madde ve enerji uzay genişlerken seyrelir. Birim uzaydaki gaz moleküllerinin sayısı azalır. Vakum enerjisi ise azalmaz. Peki vakum enerji yoğunluğunun evrenin hızlanarak genişlemesiyle ne ilgisi var?

Bunun için önce evrenin geçmiş ve şimdiki büyüklüğünü bilmemiz gerekiyor. Bunu da ölçek etkeniyle biliriz ki ölçek etkeni uzaklıkların zamanla ne kadar değiştiğini gösterir. Öyleyse evrenin ivmelenmesi (genişlemesinin hızlanması) zamanın bir işlevi olup bunu a(t) olarak yazarız. Evren genişliyorsa a artar ve küçülüyorsa azalır. Şimdi bunu Einstein’ın denklemlerine ekleyelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

 

Vakum enerjisi ve kuantum salınımları

O zaman denklem, ölçek etkeninin ikinci zaman türevi, yani evrenin genişlemesinin hızlanması kozmolojik sabitle orantılı olarak gösterir. İşte bu yüzden Lambda 0’dan büyükse (pozitifse) evrenin genişlemesi hızlanır. Peki bütün bunların Scientific American’da söylenen kuantum salınımlarıyla ne ilgisi var? Vakum enerjisinin, kuantum salınımlarını üreten veya onun bir görüngüsü olan sanal parçacıklarla ne alakası var? Hiçbir ilgisi yok! Zaten fizikçilerin kafası da burada karışıyor.

Yerçekimiyle kuantum alan kuramını birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmeyi çok istiyorlar. Bu yüzden de yerçekimi alanı ve vakum enerjisini kuantum salınımlarıyla açıklamaya çalışıyorlar. Oysa doğa aksini gösterdi: Vakum enerjisini kuantum salınımlarıyla hesaplayarak elde ettiğimiz değer, boş uzayın enerjisinin gerçekte ölçülen değerinden 10¹²⁰ kat büyüktür! Bu da yerçekimi alanı ve vakum enerjisini kuantum salınımlarıyla açıklamaya çalışmaktan vazgeçmemiz gerektiğini gösteriyor.

Uzayzamanı kuantumlaştırmak için mümkünse başka bir yol bulmalıyız. Zaten zaman akıyor mu, yoksa bir yanılsama mı ve kuantum holonomi yazılarında belirttiğim gibi kuantum fiziğiyle yerçekimini birleştirmek imkansız olabilir. Belki de zamansız bir fizik teorisi geliştirmeliyiz. Kuantum holonomide olduğu gibi bu bağdaşmaz iki teoriyi birleştirmeyi denemek yerine, matematiksel adaptörler (?) yoluyla bunları tıpkı İtalyancadan Türkçeye çeviri yapar gibi birbirine çevirmenin bir yolunu bulmalıyız. Her neyse… Biz bazı fizikçiler ve bilim yazarlarının kafasının nerede karıştığını gösterelim:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Vakum enerjisi ve ideal gaz

Öncelikle vakum enerjisi eşittir kuantum salınımları diyerek yaptığımız hesaplamada bulduğumuz 10¹²⁰ değeri de yanlıştır! Kuantum salınımlarını sanal parçacıklarla gösteririz ve bunlar sanal olduğu için  sonsuzdur. Dolayısıyla sonsuz bir faz uzayından sonlu değer üretmeye çalışıyorsunuz. Denklemleri elle ayarlamadan bunu yapamazsınız. Bu iş entegral kullanarak bir kupanın hacmini hesaplamaya benzemez. Açıkçası sonsuzluğu ölçemezsiniz. Dolayısıyla 10¹²⁰ değeri yanlış çıkan bir öngörü bile değildir. Bu bilimsel olmayan bir varsayımdır.

Bu arada kuantum salınımlarının vakum enerjisiyle aynı şey olduğunu söyleme eğilimi sicim gaz kozmolojisinden, yani sicim teorisyenlerinden kaynaklanır. Oysa gaza gelmemek lazım. Şimdi Scientific American’da örneklenen ısınan gazın genleşmesi olayının evrenin vakum enerjisiyle genleşmesiyle neden ilgisiz olduğunu göreceğiz. Bundan kastım, vakum enerjisini ideal gaza benzetmenin yanlış olmasıdır. İdeal gazlar birbiriyle çarpışan çok sayıda molekülden oluşur. İdeal gazın hacmi, sıcaklığı, basıncı ve içsel enerjisi vardır. Nitekim gazın genleşmek gibi bir iş yapmak için enerjik olması gerekir.

Bu denklemde U içsel enerji, p basınç ve V de hacimdir. Delta işaretleri de bunlardan sonra yazılan ifadelerin değerlerinde küçük değişiklikler olduğunu gösterir. İdeal gazın basıncı her zaman pozitiftir. Denkleme göre hacim artarsa Delta V pozitif olur ve hacim artarken enerji azalır ki bu durumda Delta U da negatif olur. Öyle ya: Gaz genleşirken enerji tüketerek iş yapar. Oysa vakumun enerji yoğunluğu olan Lambda yalnızca bir sabittir. Toplam enerji de yoğunluk x hacme eşittir. Öyle ki evren genişlerken hacim artar ama vakum enerjisi sabit kalır, dolayısıyla evren genişlerken toplam enerji artar.

İlgili yazı: Yerkabuğu Nasıl Oluştu ve Kıtalar Neden Kayıyor?

 

Benzetme yanlışları

Bunu ideal gaza benzetirseniz yukarıdaki denklemde hem Delta V hem Delta U’nun pozitif olması gerekir. Basınç negatif olursa bu mümkündür fakat sadece basıncı vakumla bir tutarsanız mümkündür. Kuantum salınımlarından türeyen Casimir etkisinde gerçekten de basıncı vakumla bir tutarsınız. Casimir etkisi size boş uzayın kuantum salınımlardan türeyen enerjisini gösterir. Bazı fizikçiler ve bilim yazarlarının kafasını karıştıran da budur.

Vakum enerjisiyle Casimir etkisinin aynı şey olduğunu düşünürler. Oysa denklemlere tekrar bakın! Kuantum salınımları içsel enerjidir ama vakum enerjisi içsel değil, toplam enerjidir. Yerel olarak görülen Casimir etkisini yaratan kuantum salınımlarının sanal enerjisini evrenin genişlemesine yol açan vakum enerjisiyle bir tutamayız ki… Sonuçta toplam enerji içsel enerjiye eşit değildir. İşte bu yüzden vakum enerjisini kuantum salınımlarıyla hesaplamaya kalkınca bulduğumuz değer gerçekte ölçülen enerjiden 10¹²⁰ kat fazla çıkıyor.

Gerçi Scientific American’ın mektuplar köşesindeki bu yanıtın yanlış olduğunu söylemiyorum; çünkü yanıtı verenin niyetini bilemem. Bunun yerine cevabın yanıltıcı olduğunu söylüyorum. Yanıtta vakum enerjisi ideal gaz ve kuantum salınımlarına benzeterek açıklanıyor. Oysa bunun bir analoji olduğu belirtilmiyor. Bu da insanların ikisini birbirine karıştırmasına neden oluyor. Benzetme yaparken dikkat etmezsek insanların büyük kısmı fiziğin anlaşılmaz ve bilim insanlarının çılgın olduğunu düşünerek bilimden soğur. Örneklerimizi doğru seçmek gerekir.

Vakum enerjiyle karanlık enerjinin farkı da budur. Vakum enerjisi sabit hacimde sabit olup zaman geçse de yoğunluğu değişmez. Karanlık enerji ise uzayın toplam hacminde yaklaşık olarak sabittir. Her iki önerme de şimdiye kadar ki gözlemlerimiz için geçerlidir.

İlgili yazı: Paralel Evrenler Arasında İletişim Mümkün mü?

 

Vakum enerjisi için sonsöz

Dolayısıyla biri size kuantum salınımlarıyla ilgili hangi kuantum kütleçekim kuramı önerisi gözlemlerle uyuşmadığı için yanlış çıktı diye sorarsa ona şu cevabı verin: Böyle bir teori yok ki! Sonuçta kuantum salınımları varsayımı vakum enerjisiyle ilgili bilimsel olarak test edeceğimiz ve ölçeceğimiz önerme değildir. Peki buraya dek ne öğrendik? Vakumun belirli bir enerji yoğunluğu vardır. Neden öyle olduğunu bilmiyoruz ama bu bir evrensel sabittir. Bu sabit evrenin genişlemesinin hızlanmasıyla orantılıdır. Bunun da kuantum salınımlarıyla hiçbir ilgisi yoktur.

Dikkat edecek olursanız kuantum salınımları ve kuantum alanları yoktur demedim. Evreni genişleten vakum enerjisi kuantum salınımları değildir dedim. Hatta bu açıklamada ısrar edenlerin eli değmişken şunu da açıklamasını isterdim: Heisenberg’in belirsiz ilkesi sebebiyle sürekli rastgele dalgalanan kuantum salınımları nasıl olur da Lambda dediğimiz evrenin her yerinde aynı olan kozmolojik sabiti üretir? Üretemez; çünkü vakum enerjisinde dalgalanan bir şey yoktur. Evrenin gittikçe genişlemesini sağlayan vakum enerjisiyle ilgili bildiğimiz şeyler de bununla sınırlıdır.

Peki karanlık enerji evrenin genişlemesini nasıl sağlıyor? Onu da şimdi okuyabilir ve zamansız kozmoloji kuramları arasında öne çıkan fraktal evren teorisine hemen bakabilirsiniz. Evren küçülürse zaman tersine akar mı ve kütleçekim dalgalarına göre evren 2B hologram mı diye sorabilirsiniz. Uzayzamanı merak ederek hazır bu yazıda dile getirmişken kozmolojik sabitin karanlık enerji olup olmadığını da araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayıp karanlık enerjiyle karanlık maddenin aynı şey olup olmadığını da sorgulayabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Uzaydaki kuantum salınımları

¹Scientific American June 2021