Kozmolojik Sabit Karanlık Enerji mi?

Kozmolojik sabit nedir? Karanlık enerji ile kozmolojik sabit aynı şey mi? Neden Einstein kozmolojik sabiti icat etti ve bunu yerçekimini tanımlayan görelilik teorisine 1917’de ekledi? Peki on yıl sonra kozmolojik sabit için neden hayatımın en büyük hatası dedi ve buna rağmen fizikçiler neden kozmolojik sabit ile karanlık enerjinin aynı şey olduğunu düşünüyor?

Kozmolojik sabit ve karanlık enerji ilişkisi

Evren büyük patlamadan beri genişliyor. Karanlık enerji ise son 6 milyar yıldır evrenin hızlanarak genişlemesinden sorumlu ki bu yüzden uzaydaki miktarı gittikçe artıyor. Bu da bir çelişki oluşturuyor: Kozmolojik sabit karanlık enerji ise evreni tanımlayan bu sabitin de zamanla değişiyor olması gerekmez mi? Yoksa kozmolojik sabit evrensel sabit değil mi? Karanlık enerji ve evrensel sabitleri önceden gördük. Evrenin nasıl oluştuğunu anlamak içinse kozmolojik sabitle karanlık enerji ilişkisini görelim:

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

 

Kozmolojik sabit ve Einstein

Önce Einstein’ın neden kozmolojik sabiti icat ettiğine bakalım. Başka çaresi yoktu aslında. 1917’de genel görelilik teorisinin temelini attığında uzay ve zamanın bir bütün olduğunu gösterdi. Kütle uzayı büküyor, bükülen uzay da kütlenin yolunu değiştiriyordu. Bu yüzden yerçekimi Newton’ın evrensel yerçekimi yasasındaki gibi bildiğimiz anlamda bir kuvvet değildi. Bükülen uzayda ışığın aldığı yol uzuyor ve bu da zamanın yavaşlamasına yol açıyordu.

Kısacası hızlanan, yön değiştiren ve Dünya gibi büyük kütleli gökcisimlerinin çevresinde yörüngeye giren cisimlerde zaman belirgin şekilde yavaşlıyordu. Genel görelilik teorisini ayrıca anlattım ama Einstein’ın yerçekimini diferansiyel denklemlerle tanımladığını ve kozmolojik sabitin de bundan çıktığını belirtmek isterim ama hoca diferansiyel denklemlere girecek diye kaygılanmayın:

Diferansiyeller sandığınız gibi karmaşık şeyler değildir. Sadece bir sistemde zamanla meydana gelen değişiklikleri hesaplamanızı sağlar. Gözünüzde karmakarışık uzun denklemler canlanıyorsa buna da gerek yok. Newton’ın ünlü F = ma denklemi bir diferansiyeldir. Bu denklemler bir şeyin davranışlarının zaman geçtikçe nasıl değiştiğini gösterir o kadar.

Bir uzay gemisi Dünya kütlesinin uzayı bükerek oluşturduğu yerçekimi kuyusuna düşerken, örneğin yörüngeye girerken nasıl davranır? Uzay gemisi kütlenin aynı zamanda “zamanı” büktüğü alana girerken geminin zamanı Dünya’ya göre nasıl yavaşlar? Bunları diferansiyel denklemlerle hesaplarız. Bu denklemler dinamiktir, hep hareket halindedir ve şişede durduğu gibi durmaz. Kozmolojik sabiti anlamak istiyorsanız diferansiyel sistemlerin sabit duramayacağını, hep değişeceğini akılda tutun:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kozmolojik sabit ve yerçekimi

Diferansiyel denklemler bir tepeden aşağı nasıl yuvarlanacağınızı ve tepeye nasıl tırmanacağınızı gösterir ama tepenin yüksekliğini göstermez! Bir volkanın zirvesinde mi, yoksa platoda mı olduğunuzu bilemezsiniz. Yere yuvarlanırken nasıl yuvarlanacağınızı bilirsiniz ama yamacın ne kadar dik olduğunu bilemezsiniz. Dahası yerin yüksekliğini de bilemezsiniz. Yamaçtan yuvarlanacaksanız bir vadiye mi, deniz seviyesine mi, yoksa yeraltına açılan bir çukura mı düşeceksiniz? Denklemler bunu söylemez.

Newton’ın kalkülüs hesabını yapanlar da tepenin yüksekliğini denkleme elle koymak gerektiğini bilirler (kötü şöhretli +C’yi ekleyenleri buraya alalım 😊). Aksi takdirde ne yamacın dikliğini ne de yere nasıl yuvarlanacağınızı bilebilirsiniz. Diferansiyel görelilik denklemleri de kütlenin uzayı nasıl bükeceğini gösterir. Üstelik genel görelilik tek denklemden oluşmaz. 16 ayrı diferansiyel denklemi bir arada çözmeniz gerekir ve içlerinden 10 denklem birbirinden bağımsızdır (bunlara elle sabit eklersiniz).

Demek istiyorum ki kütlenin uzayı nasıl büktüğünü hesaplamak için evrenin şeklini bilmeniz gerekir. Oysa bunu bilemezsiniz. Evren küre şekilli mi ve yerçekimi yüzünden küçülüyor mu, eyer şeklinde mi ve gittikçe hızlanarak genişliyor mu, yoksa düz mü? Kısacası evren sabit mi, yoksa değişiyor mu? Bununla ilgili bir varsayımda bulunmanız gerekir. Einstein da bunu gördü. Genel göreliliğe göre evren ya genişliyor/büzülüyor ya da sabit duruyordu.

Kozmolojik sabitin kökeni

Einstein evrenin ezeli ve sabit olduğunu düşündü. Uzay düzdü, genişlemiyor veya küçülmüyordu. Bunu varsayarak Dünya’nın kütlesinin uzayı nasıl büktüğünü hesapladı. Bugün de bir uydunun yörüngeye nasıl gireceğini hesaplamak için Newton denklemlerini görelilik teorisiyle rafine ederek kullanıyoruz ama bir sorun var: Görelilik teorisine göre evren sabit değildi. Einstein sabit evreni tahsis etmek için diferansiyel denklemlere kozmolojik sabiti elle ekledi. Yerçekimi hesaplarını da buna göre yaptı. Kozmolojik sabitin kökeni budur. Şimdi Einstein’ın hayatındaki en büyük hatayı görelim:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Büyük patlamanın keşfi

1927’de Hubble uzay teleskopuna adı verilen Amerikalı astronom Edwin Hubble uzak galaksilerin bizden ne kadar uzaksa her yönde o kadar hızlı uzaklaştığını gördü. Böylece evrenin büyük patlamayla oluştuğu ve sürekli genişlediği anlaşıldı. Einstein büyüklüğü sabit kalan bir evren öngörmüş ve bunun için kozmolojik sabiti eklemişti. Evrenin genişlediği anlaşılınca buna hayatımın en büyük hatası dedi.

Bunu anlamak için kozmolojik sabitin diğer evrensel sabitlerden farklı olduğuna dikkat edelim: Diğer sabitler madde ve enerjinin uzaydaki yapısı veya dağılımına ilişkindir. Yapısı derken ince yapı sabiti yüklü temel parçacıkların elektromanyetik alanla etkileşim şiddeti baz değerini gösteren boyutsuz bir sabittir ama madde ve enerji uzay-zamanda tanımlanır. Keza evren genişledikçe içindeki madde ve enerji seyrelir (kahveye çok su katarsanız kahvenin seyrelmesi gibi). Bu da uzay-zamanda gösterilir. Dolayısıyla diğer bütün sabitlerin kozmolojik sabit içinde tanımlanması gerekir.

Nitekim kozmolojik sabit bizzat uzay-zamanın baz değerini, yani içinde hiç madde ve enerji olmayan boş uzayın şeklini gösterir. Peki boş uzayın şeklini nereden bileceğiz? Elimizde ince yapı sabitinin eklendiği kuantum fiziğini uzay-zamanını bükülüşünü gösteren görelilik teorisine bağlayan bir kuantum kütleçekim kuramı yok. O yüzden evrenin neden öyle olduğunu bilmiyoruz.

Einstein hata yaptı mı?

Evrenin nasıl oluştuğunu görelilik teorisindeki diferansiyellerle bilemeyiz. Kozmolojik sabit negatif veya pozitif bir sayı ya da sıfır olabilir. Einstein sabit evren için sıfır olduğunu varsaymış ve uzayın genişlediği anlaşılınca da buna hayatımın en büyük hatası demiştir. Oysa Einstein’ın tek hatası hatalı olduğunu düşünmüş olmasıdır. Kozmolojik sabit var ve karanlık enerji ile kozmolojik sabit aynı şey olabilir. Bunu anlamak için karanlık enerjiyi kozmolojik sabit açısından kısaca görelim:

İlgili yazı: Her Antiparçacık Antimadde Değildir

 

Burası çok önemli

Einstein evrenin sabit olduğunu evrenin bugünkü haline bakarak düşündü. Evrenin bugünkü halinin ezelden beri değişmediğini varsaydı. Oysa evrenin büyük patlamadan beri genişlemekte olduğunu öğrendik. Evren eskiden küçüktü ve bu durumda bugün 0 değeriyle göze batmayacak kadar küçük olan kozmolojik sabit de evrenin bezelye tanesi büyüklüğünde olduğu büyük patlamada 0’dan farklı olabilir (+1, -1 gibi).

Evrenin genişleme hızının karanlık enerjiyle artış hızına bakarak bugün kozmolojik sabiti yaklaşık -1 olarak ölçüyoruz. Oysa 1990’larda karanlık enerji keşfedilene dek bilim insanları sabitin 0 olduğunu düşünüyordu ama konumuz açısından bu önemli değil. Önemli olan kozmolojik sabitin değeri büyük patlama anında farklıysa zamanla tekrar değişebileceği ki bu açıdan üç olasılık var:

• Kozmolojik sabitin birim uzaydaki miktarı zamanla artıyor veya azalıyor olabilir
• Kozmolojik sabitin şiddeti zamanla artıyor veya azalıyor olabilir
• Veya kozmolojik sabit karanlık enerji değildir ve hiç bilmediğimiz şekilde değişiyor olabilir

Hangisinin doğru olabileceğini anlamak için kozmolojik sabit ile karanlık enerjinin neden aynı şey olduğunu düşündüğümüzü görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kozmolojik sabit etkisi

Bildiğimiz kadarıyla karanlık enerji şiddeti sabit olup bu da kozmolojik sabit olma özelliğine uygundur. İkincisi karanlık enerji evrenin gittikçe hızlanarak genişlemesine yol açıyor; çünkü uzay genişledikçe evrendeki toplam karanlık enerji miktarı artırıyor. Bu da evrenin genişliyor olmasıyla uygun. Dahası karanlık enerji miktarı ancak 3,26 milyon ışık yılı mesafeden itibaren yerçekimini yeniyor.

Öyle ki birbirine 3,26 milyon ışık yılından uzak bütün galaksilerin birbirinden uzaklaşıyor olması gerekir. Yine de bu daha çok 32-50 milyon ışık yılından itibaren geçerlidir; çünkü karanlık enerji yerçekimine 6 milyar yıl önce baskın geldi. 6 milyar yıl öncesine dek birbirine yerçekimiyle bağlı olan galaksiler gelecekte de aynı grupta kalacaktır. Bunun dışındaki galaksiler sürekli uzaklaşacaktır.

Yine de galaksilerin ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşması karanlık enerji şiddetinin arttığını göstermez. Evren her 10 milyar yılda iki kat büyüyor. Bu da galaksilerin her 10 milyar yılda iki kat uzaklaşması demek. Örneğin bugün 100 milyon ışık yılı uzaktaki iki galaksi 10 milyar yıl sonra 200 ve 20 milyar yıl sonra 400 milyon ışık yılı uzakta olacak. Kısacası son zamanlara dek evrenin genişleme hızının sabit hızla arttığını düşünüyorduk ama son gözlemler tersini gösteriyor olabilir:

Teleskoplarla yapılan yeni gözlemler evrenin genişleme hızının da gittikçe hızlanarak arttığını gösteriyor. Bu gözlemler doğruysa karanlık enerjinin şiddeti zamanla artıyor demektir. O zaman karanlık enerji 20 milyar yıl sonra gittikçe kısa mesafelerde etkili olacak, galaksilerin içindeki uzayı bile genişleterek evreni parçalayacaktır. Buna hayalet enerji teorisi ve büyük yırtılma senaryosu denir.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Kozmolojik sabit için sonsöz

Sonuç olarak karanlık enerjinin kozmolojik sabit olup olmadığını bilmiyoruz ama karanlık enerji şiddeti sabitse kozmolojik sabit olabilir. Yok, yeni gözlemlerin gösterdiği gibi şiddeti değişiyorsa karanlık enerjiyle kozmolojik sabit farklı olabilir. Örneğin gözlemlenebilir evreni düz olarak ölçüyoruz ama parçası olduğu megaevren küre olabilir. Mega evren simit şeklinde veya şekilsiz de olabilir. 😮

Belki de bunun sebebi karanlık enerji şiddetinin yalnızca gözlemlenebilir evrenin dışında değişiyor olmasıdır. Şimdilik söyleyebileceğimiz tek şey ikisinin aynı şey olup olmadığını anlamak için kuantum kütleçekim kuramı geliştirmemiz gerektiğidir. Yerçekiminin atom ölçeğinde nasıl işlediğini bilmek zorundayız. Bu bize megaevrenin şekli ve karanlık enerji şiddetinin değişip değişmeyeceğini gösterecektir.

Nasıl öğreniriz?

Ekim 2022’de çalışmaya başlayacak Vera C. Rubin gözlemevi, aynı yıl uzaya fırlatılacak ESA yapımı Öklit uzay teleskopu ve 2025’te fırlatılacak olan NASA’nın Nancy Roman uzay teleskopu (görüş alanı Hubble’dan 50 kat büyük) kozmolojik sabit ile karanlık enerjinin aynı şey olup olmadığını nihayet gösterecek. İkisi aynı şeyse karanlık enerji evrenimize özgü bir enerjidir. Değilse diğer olası evrenlerde farklı değerler alabilen evrensel bir enerji türüdür. Peki evren hiçlikten nasıl oluştu ve evrenin genişleme hızında uyuşmazlık var mı? Yoksa karanlık enerji beşinci kuvvet mi? Hepinize iyi seneler! 2021’de yeni yazılarda görüşmek üzere sağlıcakla ve bilimle kalın. 🙂

Hata olmayan hata

¹On the cosmological constant problem
²One Hundred Years of the Cosmological Constant: from ‘Superfluous Stunt’ to Dark Energy
³Revisiting the Cosmological Constant Problem within Quantum Cosmology