Evrensel Sabitler Zamanla Değişiyor mu?

Fizik kurallarının işleyişini belirleyen ışık hızı ve kütleçekim sabiti gibi evrensel sabitler zamanla değişiyor mu? Işık hızı 10 milyar yıl önce farklı mıydı ve yakın gelecekte tekrar değişecek mi? Peki evrensel sabitler değişiyorsa bu durum evreni nasıl etkileyecek? Bizim için tehlikeli olacak mı? Evreni bir arada tutan ince yapı sabitini kuasarlarla test ederek görelim.

Fizik yasaları ve evrensel sabitler

Fizik yasaları evrende her yerde aynen geçerli olup simetriktir. En azından astrofizikçiler öyle umuyor; çünkü uzak galaksileri ancak Dünya’da geçerli olan fizik yasalarıyla görebiliriz. Neyse ki gözlemler fiziğin evrenin her yerinde geçerli olduğunu gösteriyor; fakat fizik yasalarını doğru bildiğimizden emin olmak için en temel fizik kurallarını koyan evrensel sabitleri de bilmemiz lazım. Ne de olsa fizik yasaları zamanla fark edemeyeceğiz kadar az değişiyor olabilir.

Oysa bu sabitleri kuantum fiziği denklemlerinden türetemiyoruz. Elektronun kütlesi gibi değerleri doğada ölçüp bunu parçacık fiziğini tanımlayan standart modelin denklemlerine elle ekliyoruz. Peki neden öyle? Yoksa evrensel sabitler zamanla değişiyor mu?

Örneğin evrenin karanlık enerji nedeniyle genişlemesini aslında zamanın akışının yavaşlıyor olmasıyla açıklayabilir miyiz? Son gözlemlere göre evrenin 12,5 milyar yıl önce sandığımızdan daha hızlı genişlemiş olmasını yine evrensel sabitlerin, bu kez karanlık enerjinin şiddetinin değişmesiyle gösterebilir miyiz? Bunların cevabını evrensel ince yapı sabiti ve kuasarlarla görelim.

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

 

Evrensel sabitlerin kökeni

Elimizdeki son verilere göre evrenimizi yöneten temel sabitler, evrensel sabitler zamanla değişiyor olabilir. Hatta evrenin farklı yerlerde değiştiğini gösteren kanıtlar var. Evrensel sabitlerin değişmesinin bilim için önemini önce fizik yasalarıyla göreceğiz. Evredeki fiziksel etkileşimlerin kuralları olan fizik yasaları uzay-zamanı ve bunların içinde yer alan kuantum alanlarıyla parçacıkların arasındaki ilişkileri gösterir.

Fizikte bu ilişkileri denklemlerle gösteririz ama denklemlerimizin çalışması için matematiksel sabitler gerekir. Yoksa fizik bulunduğumuz evrenin davranışını açıklayamaz. Kısacası fizik yasalarının yaşadığımız evrende nasıl işlediğini göstermek için evrenimize özgü sabitleri kullanırız. Örneğin parçacık fiziğinin Standart Modelinde evrenin yapıtaşı olan parçacıkların varlığını ve davranışını öngören denklemler vardır. Standart model elektronun kütlesi ve doğa kuvvetlerinin birbirine göre ne kadar güçlü olduğu gibi sabitler de içerir ama bunları öngörüp denklemlerden türetemez.

Evrensel sabitlerin neden öyle olduğu yanıtsız ve çok derin bir sorudur ki bu konuyu fizikte tanrı var mı, evren bir simülasyon mu ve evrenin bilgi işlem kapasitesi nedir yazılarında ele aldım ama fizikte bizi ilgilendiren kısmı büyük birleşme teorileridir. Sonuçta kütleçekim kuvveti, elektromanyetik, zayıf ve güçlü nükleer kuvvet 10³² dereceden (mutlak sıcak) yüksek sıcaklıklarda birleşiyor (Bkz. Dört Temel Fizik Kuvveti Nedir ve Nasıl Çalışır?).

Oysa bu teorilerin 4 fizik kuvvetini birleştirmek için evrensel sabitlerin de yüksek sıcaklıklarda değişmesini öngördüğünü görüyoruz. Dolayısıyla evreni tek bir denklemle açıklayan her şeyin teorisini geliştirmek istiyorsak sabitlerin uzun vadede değişken olabileceğini dikkate almak zorundayız ki buna da şaşırmamak lazım:

Evrensel sabitler ve evrenin oluşumu

Evreni oluşturan fizik yasaları evrenle oluştu ve onun öncesinde bu yasaları doğuran kuantum alanlarını anlamak için de yasaları belirleyen sabitlerin nasıl ortaya çıktığını bilmemiz gerekiyor. Bu da evrensel sabitlerin en az bir kez değiştiğini, büyük patlama sırasında değiştiğini kabul etmeyi gerektiriyor. Ancak, büyük birleşme teorilerini önceden ele aldığım için bu yazıda yalnızca deneysel kanıtları anlatacağım. Evrensel sabitlerin değiştiğini gösteren kanıtlar nedir? Ama öncelikle:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Evrensel sabitler nedir?

Bunların matematiksel sabitler olduğunu söyledim ve doğada 26 sabit olduğuna göre bu açıklama da sizi sabitlerin basit birer sayı olduğunu düşünmeye itebilir. Oysa şuna dikkat edin: 26 sabiti daha temel 4 sabite indirgeyebiliyoruz, yani 22’sini birbiriyle açıklayabiliyor ve 4 sabitten türetebiliyoruz. Peki o en temel 4 sabiti neden teke indiremiyoruz? Bunun için ışık hızından başlayalım; çünkü evrensel sabitlerin değişip değişmediğini ölçmek için doğru sabiti seçmemiz gerekiyor.

Boşlukta ışık hızı saniyede 299 bin 792,458 km’dir. Peki ışık hızı eskiden yavaş mıydı? Sonuçta evrenin karanlık enerjiyle genişlemediğini, bunun yerine zamanın akışının yavaşladığını öne süren teoriler var. Kütle uzayı büktüğüne ve bükülen uzayda ışığın yolunun uzaması da zamanı yavaşlattığına göre zamanın akışının evrensel olarak yavaşlaması ancak boşluktaki ışık hızının yavaşlamasıyla mümkündür.

Ancak, sabitler ve daha temel sabitler arasındaki farkı görmek için günlük hayattan bir örnek de verebiliriz. 1 metre nedir, yani 1 metrenin uzunluğunu nasıl ölçeriz? Bunu Fransa’da artık kullanımdan kalkan orijinal metal çubuklarla yapamayız. Metaller aşınır ve sıcağa göre büzülerek genleşir. Aslında 1 metre ışığın saniyenin 299 milyon 792 bin 458’inde aldığı uzaklıktır. Peki saniye nedir? O da sezyum 133 atomunun aldığı enerjiyi boşaltmak için yaydığı ışığın frekansıdır. Bu ne demek derseniz:

Işık hızı değişirse ışık hızını ölçmekte kullanacağımız kurallar da değişir demektir (Bkz. Kozmolojide ölçek değişmezliği). Oysa ışık hızı uzay ve zaman arasındaki ilişkinin, yani fizik kuvvetlerinin yayılma hızının, kısacası neden-sonuç ilişkisinin hızıdır. Öyleyse ışık hızı gibi altta yatan uzay ve zaman boyutlarından bağımsız olarak değişen bir sabitle evrensel sabitlerin değişimini ölçmek anlamlı mıdır?

Işık hızını kullanamayız

Kesinlikle anlamlı olmaz. Işık hızı, metre ve saniye örneğinde gördüğünüz gibi fiziksel sabitlerdeki değişiklikleri göstermek için kullanılamaz. Öyle ki Newton’ın evrensel yerçekimi sabiti veya elektronun kütlesi hep keyfi tanımlamalara bağlıdır. Bu yüzden bizim boyutsuz sabitleri araştırmamız lazım. Bunların ölçü birimi yoktur ve dolayısıyla ölçü birimlerin tanımlarından bağımsızdır. Peki evrendeki temel sabitlerin değişip değişmediğini göstermekte kullanabileceğimiz bir evrensel sabit var mı? Evet, ince yapı sabiti:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

İnce yapı sabiti ve atomlar

İnce yapı sabiti elektromanyetik kuvvetin gücünü gösteren boyutsuz bir tanımdır. Kuantum alan kuramıyla anlatırsak elektromanyetik alanla elektron alanı gibi elektrik yüklü alanlar arasındaki bağlanma kuvvetidir. İnce yapı sabitini Grek alfabesindeki Alfa harfiyle gösteririz (α) ve bu sabit fizikte en kesin ölçülen değerlerden biridir (4 milyarda bir kesinlik oranıyla) ki ~1/137’ye eşittir. Bu da boyutsuz bir sayıdır. α neden öyle kimse bilmiyor ama değiştirseniz evrenimiz çok farklı bir yer olurdu. Peki bu sabit neyi gösteriyor? Bunun için α’yı nasıl ölçtüğümüze bakalım:

α sabitini ilk olarak atomik enerji düzeylerinin ince tanecikli yapısı üzerindeki etkisine bakarak ölçtük (Bkz. Kuantum mekaniğinde atomlar neye benziyor?). Bu ölçümü de elektronlarla yaptık: Elektronlar atom çekirdeklerinin çevresinde enerji düzeylerine göre belirli yörüngemsilerde (olası yörünge aralıklarında, Resim 1) döner ama bunların arasında kalan yörüngelerde bulunamaz. Dolayısıyla elektron enerji kazandıkça veya kaybettikçe alt ya da üst yörüngelere sıçrar. Üst yörüngeye geçerken foton emerek enerji kazanır ve alt yörüngeye geçerken foton yayarak enerji kaybederler.

Bizler elektronların yörünge değişikliklerini hidrojen gibi bir gazın tayfına baktığımız zaman belirli dalga boylarındaki ani yükseliş ve düşüşlerle görürüz (çünkü elektronlar ışık yayar, Resim 2). Bunlara da tayf çizgileri deriz ki hidrojen dahil her elementin belirli tayf çizgileri vardır. Bunları çizgilerin dalga grafiğinde görebilirsiniz (Resim 2). Oysa bazı dalga çizgileri ve çukurlarının çatallı olduğunu da fark edersiniz (Resim 3). Bunlar tayf çizgilerinde çok küçük enerji düzeyi değişiklikleri olduğunu gösterir.

Peki neden?

Bunun nedeni her atomik enerji düzeyinde yörüngelerin en fazla iki elektron barındırabilmesi ve bu elektronların spinlerinin de ters yönde olmasıdır (Bkz. Kuantum biyoloji). Sonuçta elektronlar yarım spinlidir ve Pauli dışarlama ilkesine göre aynı yörüngedeki elektronlar ancak ters spinli olabilir. Bu da elektronlara manyetik momentum kazandırır, yani elektronların küçük birer mıknatıs olmasını sağlar. Şimdi bununla ince yapı sabitini nasıl ölçtüğümüzü göreceğiz:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Evrensel sabitler ve elektronlar

Elektronlar kuantum nesneleri olarak kendi çevresinde kesikli olarak dönse de küçük birer çubuk mıknatısa veya iletken bir halka üzerinde ileri geri dönen elektrik akımına benzer (Resim 2); yani her elektronun manyetik kuzey ve güney kutbu vardır (Resim 3). Böylece elektronlar kendi elektrik ve manyetik alanını üretir. Ayrıca pozitif yüklü atom çekirdeğinin çevresinde dönerken de elektrik alanı ve manyetik alan üretir. Öyle ki bu ikisi birbiriyle etkileşime girer ve buna spin-yörünge eşlenmesi deriz (Resim 5). Bu etkileşimde iki yapılandırma vardır:

A) Ya elektronların kutupları yörünge alanının kutuplarına hizalanmıştır B) ya da ters yönde hizalanmıştır (Resim 4). Termodinamik yasaları gereği kutupların yörünge alanı kutuplarına hizalanması daha kararlı bir durumdur ve bu hizalanma ters hizalanmadan biraz daha düşük enerji bir enerji düzeyinde gerçekleşir. Dolayısıyla atomların tayf çizgilerine karşılık gelen dalga tepe ve çukurları çatallanır. Çatallardan biri ters hizalanmayı ve diğeri düz hizalanmayı gösterir (2 yukarıdaki resim 3).

Peki bütün bunların fizik yasaları ve evrensel sabitlerin değişiyor olmasıyla, ince yapı sabitinin (Resim 1) değişmesiyle ne ilgisi var? Bunun nedeni çatallanma büyüklüğünün doğrudan ince yapı sabitiyle ilgili olmasıdır. Nitekim bunu atom tayf çizgilerindeki çatallanmanın büyüklüğüne, dalganın genliğine bakarak ölçtük. İyi de bu bize sadece laboratuvardaki güncel parçacıkların α değerini gösterir. İnce yapı sabitinin eskiden değişip değişmediğini nasıl ölçeceğiz? Kuasarlarla:

İlgili yazı: Tip III Uygarlıklar Antiyerçekimi ile Neler Yapabilir?

 

Evrensel sabitler ve kuasarlar

Kuasarlar galaksiden bol miktarda gaz yutan hiperaktif süper kütleli kara deliklerdir ve milyarlarca ışık yılı uzakta bulunur. Bu yüzden de evrenin eski zamanlarını göstererek ince yapı sabiti üzerinden evrensel sabitlerin değişip değişmediğini ölçmemize izin verirler. Kuasarların ışığı galaksilerin içindeki ve arasındaki gaz ve toz bulutlarından geçerek Dünya’ya ulaşır. Gaz ve toz bulutları da kuasar ışığını emer ve eş frekansta yayınlar. Biz de bulutsulara bakarak çok sayıda kuasarın ışığını analiz eder ve ince yapı sabitini eski zamanlarda ölçmüş oluruz.

Avustralyalı astrofizikçiler Hawaii’deki Keck teleskoplarıyla işte bunu yaptılar¹ ve 143 kuasarı tül gibi perdeleyen bulutsulardaki demirle magnezyum atomlarının tayf çizgilerini incelediler. Böylece α sabitinin eskiden 100 binde bir oranında küçük olduğunu 5 sigma gibi istatistiksel olarak çok dar bir standart sapma aralığında duyurdular. 5 sigma bu analizdeki hata payının 3,5 milyonda bir olması demektir ki bu da çok kesindir! 😮 Evrensel sabitlerin değiştiğine dair çok ilginç bir sonuç ama dikkat:

Araştırmacılar Şili’deki Çok Büyük Teleskopu da gökte farklı bir yere çevirip α’nın ters yönde değiştiğini de gösterdiler. Öyle ki gökyüzünün o kesiminde α daha büyüktü. Bu da evrensel sabitlerin hem zamanla hem de yere göre değiştiğini gösteriyordu. Başka galaksilerde evrensel sabitler farklı mıydı? Bu fizik yasalarının da milyarlarca ışık yılından itibaren uzaklığa bağlı olarak değiştiğini gösterirdi. Fizik yasalarının evrensel olmadığına dair büyük iddianın doğruluk derecesi de sigma 4’tü. Oldukça kesin.

Sakin ol kovboy

Yine de bu sonuçlar genel kabul görmedi; çünkü sıra dışı iddialar sıra dışı kanıtlar gerektirir. Bilim insanları makaledeki istatistiksel yöntemleri düzelterek olası hata payını elediler. Böylece evrensel sabitlerin değiştiği iddiasının doğruluk payı 2,5-3 sigmaya düştü. Bu da iddianın yanlış olması ve ince yapı sabitinin uzay-zamanda değişmiyor olması demektir. Buna karşın fizikçiler yeni ölçümler yapmaya devam ediyorlar. Sonuçta ince yapıyı kozmik kaynaklara ve kuasarlara bakarak ölçmek çok zordur.

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

İnce yapı sabiti ve fotonlar

Uzak kuasarlardan gelen fotonlar bize milyarlarca yılda ulaşır. O sırada evren misliyle genişlemiş olduğu için fotonların dalga boyu uzar ve kırmızıya kayar. Kırmızıya kaymayı bulutsulardan geçerken filtre olan kuasar ışığından çıkarmazsak bu kaymayı ince yapı sabitindeki bir değişiklik olarak ölçebiliriz. Bu da bize bilimde peer review sürecinin, yani bilimsel makaleleri yüzlerce meslektaşın defalarca bakıp incelemesinin neden önemli olduğunu gösteriyor. İnsan kendi yazısındaki hataları gözden kaçırabilir.

Ancak, aşağıdaki kaynaklarda görebileceğiniz gibi ^{2, 3} Avusturyalı fizikçiler de kendi sonuçlarını gözden geçirip daha kesin veriler elde ettiklerini ve haklı olduklarını öne sürüyorlar. İşte bilim kendini böyle geliştiriyor. Varsayımlar ve karşı varsayımlar sürekli birbiriyle çatışarak deneme yanılma süreciyle doğayla ilgili daha doğru bilgiler edinmemizi sağlıyor.

Neyse ki evrensel sabitlerin ve özellikle de ince yapı sabitinin geçmişte değişip değişmediğini ölçmek için uzaydaki kuasarlarla sınırlı değiliz. Kırmızıya kaymanın ve gaz bulutlarının gürültü yapmayacağı dünyevi kaynaklarımız da var. Örneğin Orta Afrika ülkesi Gabon’da bulunan doğal nükleer reaktör Oklo’daki uranyum rezervlerinin son 2 milyar yılda bozunarak daha hafif atomlara dönüşme hızı da ince yapı sabitini ölçmeye izin veriyor. Köprü bağlantısında yazdığım gibi bu sabitin değiştiğini görmedik.

Tabii süper duyarlı yeni atom saatleriyle ince yapıyı (α) gerçek zamanlı olarak da ölçmeye çalışıyoruz ama henüz kesin sonuç elde edemedik. Öyle ki ince yapı sabiti zamanla değişiyorsa bile pek fazla değişmiyor olmalı. Öyleyse niye kafaya takıyoruz ki? α’nın değişmesi bunu öngören büyük birleşme teorilerinin doğru olup olmadığını gösterecek de ondan! İnce yapı her şeyin teorisini geliştirmemize yardım edebilecek.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Evrensel sabitler ile evrene ince ayar

Dahası evrensel sabitler neden öyle, evren hayata uygun olarak mı yaratıldı gibi ince ayar problemlerini ve antropik ilkeye bağlı sorunları da çözmemizi sağlayacak (Bkz. Nadir dünya ve mor dünya hipotezi). Sonuçta ince ayar olup olmadığını görmek için evrensel sabitlerin akıbetini acilen bilmeliyiz; çünkü α sabiti su kimyası bağlamında yaşamın ortaya çıkışıyla da yakından alakalıdır.

İnce yapı sabiti sadece 1/137 olduğu için zengin kimyaya ve yüzlerce elemente sahip canlı bir evrende yaşıyoruz. Yok evrensel sabitler evrenin uzak köşelerinde değişiyorsa neden uzayda yaşama dost bir köşede bulunduğumuzu da sorgulamamız gerekiyor. Ancak, bu yazıda evrensel sabitler kadar istatistiksel analizin bilimdeki önemine de dikkatinizi çekmek istiyorum. Sonuçta sigma doğruluk dereceleri enerji nedir başlığında anlattığım standart sapmaya, çan eğrisine bağlıdır.

Ben de çeşitli vesilelerle en iyi politikanın bilimle yapıldığını belirttim. Şimdi de doğru seçimler yapmak için istatistik ve bilimin önemini vurgulamak istiyorum ki standart sapmayı öğrenen ekonometri ile iktisat mezunları bu konuda daha şanslı. Peki temel istatistik bilmezsek ne olur? 2001’de asgari ücret 97,63 dolardı, şimdi 403 dolar diyebilirler. Oysa 2001’de dolar 1,251 TL idi ve şimdi 7,29 TL. Karşılaştırmalı istatistik bilmek Corona sonrası dijitalleşmede çok faydalıdır.

Siz de düşünce ve ifade özgürlüğünü korumak için nasıl doğru seçimler yapabileceğinizi insan bilinci nedir ve özgür irade var mı yazısında görebilir, kuantum fiziğinde doğru bilinen 3 yanlışı okuyabilir ve Planck uzunluğuna bakabilirsiniz. Şimdiden muhteşem bir hafta dilerim. 😊

Evreni bir arada tutan gizemli sayı

¹A Search for Time Variation of the Fine Structure Constant
²Constraining Variations in the Fine-structure Constant, Quark Masses and the Strong Interaction
³Indications of a spatial variation of the fine structure constant
⁴Stability of fundamental couplings: a global analysis