Planck Kalıntısı Mikroskobik Kara Delikler Nerede?

Evrenden önce gelen ilkin kara delikler nedir? Dünya’daki her büyükşehirde büyük patlamadan ve yaşadığımız evrenden önce oluşan Planck kalıntısı mikroskobik kara delikler var mı? Yoksa karanlık madde dediğimiz şey Planck çapındaki atomaltı kara deliklerden mi oluşuyor? Peki Planck kalıntısı kara delikler büyük patlamadan önce nasıl oluşmuş olabilir? Dahası mikroskobik kara delikler yoluyla kara delik enformasyon paradoksunu çözmek mümkün mü ve varsa bu kara delikleri nasıl saptarız?

Planck kalıntısı kara delik nedir?

Kara deliklerin içine düşen maddeyle enerji bir daha dışarı çıkamaz ve bu da ürkütücü bir durum. Neyse ki bilinen kara delikler bizden en az birkaç yüz ışık yılı uzakta yer alıyor. Yaşadığımız bölge nötron yıldızları ve kara deliklere karşı son derece güvenli. Tabii evren doğmadan önce oluşan Planck Kalıntısı ilkin mikroskobik kara delikleri saymazsak… Nitekim bu tür kara delikler karanlık maddenin kökeni olabilir ki bu doğruysa her şehirde (yani 30 km³ hacimde) bir mikroskobik kara delik olması gerekiyor ama sırayla gidelim: Planck kalıntısı ilkin kara delikler nedir ve mikroskobik kara delikler mümkün mü?

Kara delikler olay ufkuyla çevrilidir. Bu fiziksel bir yüzey olmadığı için üzerine Dünya gibi iniş yapamazsınız. Öte yandan kara deliğin içine girdikten sonra ışıktan hızlı gitmeden, muhtemelen sonsuz hızda gitmeden dışarı çıkamazsınız (Bkz. Kara deliklerden neden dışarı çıkamayız?). Nitekim kara delikler Einstein’ın genel görelilik teorisinden çıkar ve bu teoriye göre:

1) Kara deliklere düşen madde ve enerji dışarı çıkamıyorsa bunlar ışık saçmaz. 2) Kara delikler ebedidir ve ancak büyüyebilir ama asla küçülemezler. Oysa genel görelilik resmin tamamı değil. Bir de kuantum mekaniği var. 1974’te Stephen Hawking kara deliklerin ne kara ne de ebedi olabileceğini gösterdi. Bunun sebebi kara deliklerin 10⁶⁶ ila 10¹⁰⁰ yıl sonra buharlaşarak yok olmasına yol açacak olan Hawking radyasyonudur. Planck kalıntısı mikroskobik kara delikleri anlamak için önce buna bakalım:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Planck kalıntısı ve Hawking radyasyonu

Kara delikler ışımak ve bu yolla yavaş yavaş kütle sızdırarak küçülmek zorundadır. Kara delikler kütlesi arttıkça büyür ve kütlesi azaldıkça küçülür ki kütlenin radyasyon yoluyla uzaya sızma mekanizmasına Hawking radyasyonu deriz. Hawking radyasyonu kuantum mekaniğinden kaynaklanır ve bu da görünüşte bizi ebedi kara deliklerden kurtarır: Tüm kara delikler buharlaşarak yok olacaktır. Hatta kara delikler ne kadar küçükse o kadar hızlı buharlaşır ki küçüldükçe buharlaşma hızı da artacaktır.

Gerçi kara delikler 10⁶⁶ yıl gibi müthiş bir süreden sonra buharlaşmaya başlayacaktır. Sonuçta bugün evrende madde enerji yoğunluğu hâlâ yüksek… Evrenin yüzde 68’i karanlık enerjiden oluşuyor ama boş uzayda kara delikleri az da olsa besleyecek kadar parçacık var. Bu yüzden yılda sadece bir atom yutabilen evrenin en yalnız kara deliği bile Hawking radyasyonuna dayalı kütle kaybından hızlı büyüyor.

Oysa uzak gelecek madde ve enerji yoğunluğu o kadar azalacak ki Hawking radyasyonu etkili olacak ve nihayet kara delikler buharlaşmaya başlayacak. ~2,3 Güneş kütleli en küçük kara delikler 10⁶⁶ yıl ve 100 milyar Güneş kütleli en büyük kara delikler de 10¹⁰⁰ yılda buharlaşacak. Peki Hawking radyasyonu nasıl işliyor? Planck kalıntıları için bunu da görelim:

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

 

Planck kalıntısı ve kuantum mekaniği

Kuantum mekaniği uyarınca kara delikler uzayda içine girenin çıkamadığı bir cep evren oluşturur. Bu da boş uzaydaki rastgele kuantum salınımlarını sınırlar. Kuantum alanlarının (dış uzaya göre) kara deliğin içinde sadece belirli frekanslarda dalgalanmasına izin verir ama enerjiyi yok edemezsiniz. Evren buna izin vermez ve bu yüzden kara deliklerin kısıtladığı kuantum alanlarını, yani kısıtlanmış alanlara bağlı enerji kaybını telafi etmek için ekstra radyasyon oluşur. Bu da bizim görebildiğimiz evrendeki toplam enerji miktarının azalmasını önler (Bkz. Unruh etkisiyle kendi olay ufkunuzu yaratın).

İşte Hawking radyasyonu budur. Gerçi Hawking bu süreci hep sanal parçacıklarla anlattı fakat Hawking radyasyonunun sanal parçacıklarla ilgisi yoktur. Öncelikle Hawking radyasyonu tam olay ufkunun üzerinde ortaya çıkmaz. Bu radyasyonla uzaya yayılan parçacıkların dalga boyu (bir dalganın tepe ve çukuru arasındaki uzaklık) kara deliğin ve dolayısıyla olay ufkunun çapına eşittir. Kısacası Hawking radyasyonu kara deliği saran uzayın tamamından yayılır. Sanal parçacıklar açıklamasında ima edildiği gibi olay ufkunun üzerindeki belirli noktalardan değil…

Dahası bütün yıldız kütleli, orta boy, süper kütleli ve hiper kütleli kara delikler büyük kütleli yıldızların doğrudan çökmesi veya patlamasıyla oluşur. Bu nedenle olay ufkunun çapı en az birkaç kilometredir. Haliyle Hawking radyasyonunun dalga boyu da çok zayıf radyo dalgaları bandındadır. Ayrıca Hawking radyasyonu bir tür kara cisim ışıması ve termal radyasyondur. Öyle ki kara delikler kütle–enerji denkliği gereği ısı kaybına uğrayarak kütle kaybeder ve küçülür. Isı dalgaları ise aslında kızılaltı ışınlardır. Biz ısıyı termal kameralar gibi göremez ama derimizde hissederiz. Peki bunun ilkin kara deliklerle ne ilgisi var?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Planck kalıntısı ve Planck uzunluğu

Isı ve ışık özünde elektromanyetik dalgadır ki her ikisi de elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan fotonlardan oluşur. Buna rağmen Hawking radyasyonunu 1000 yıl sonra geliştireceğimiz en güçlü termal kamerayla bile göremeyeceğiz. Yıldız ışığı ve gezegenlerin ısısı, sıcak gaz ve toz bulutlarıyla türlü kozmik olayın saçtığı radyasyon Hawking ışımasını baskılar.

Hawking radyasyonu ancak uzak gelecekte kara delikler çok küçülüp de buharlaşması hızlandığında göze batacaktır. Klasik kuantum mekaniğine göre yaşlı kara delikler son kez ışık çakarak yok olacaktır. Öte yandan uzak gelecekteki boş uzayın zifiri karanlığında ateş böcekleri gibi küçük ama yoğun gama ışını parıltılarıyla yok olan kara delik senaryosu yalnızca makul bir varsayımdır.

Sonuçta kara delikler küçülürken mikroskobik boyuta inecek ve mikroskobik yerçekimi etkileri devreye girecek. Bu etkileri ise ancak kuantum kütleçekim kuramıyla açıklayabiliriz. Oysa elimizde mikroskobik kara deliklerin nasıl buharlaşacağını gösteren bir kuantum kütleçekim kuramı yok.

Öyle ki kara delikler Hawking radyasyonuyla çok küçülse de tümüyle buharlaşmaz. Planck kalıntısı ilkin kara delikler işte bu ikinci varsayımda geçer. Bunlar büyük patlamadan önce oluşan ve başından beri küçük olduğu için en az 13 milyar yıl önce buharlaşması gereken kara deliklerdir. Oysa kuantum kütleçekimi yüzünden buharlaşma süreci son anda durur. Açıkçası kara delik çapı evrende mümkün en kısa uzunluk olan Planck uzunluğuna, yani 10³⁵ metreye indiğinde durur. Peki kara deliklerin buharlaşması neden kara delik Planck boyuna inince durur?

İlgili yazı: Çin ve Hindistan’ın Gelecek Kuşak Uzay İstasyonları

 

İlkin kara delik nedir?

Elimizde kuantum kütleçekim kuramı olmadığı için Stephen Hawking kara deliklerin buharlaşmasıyla ilgili bir takım varsayımlarda bulundu. Bunlardan biri de kara delikler küçülürken bunların son ana dek uzayı güçlü yerçekimiyle şiddetle bükecek olmasaydı. Oysa küçülen kara delikler mikroskobik boyutta kuantum mekaniğine tabii olur ve uzayı son ana dek bükecekleri garanti edilemez. Kısacası Hawking radyasyonunun mikroskobik kara deliklerde nasıl işleyeceğini bilmiyoruz.

Şöyle düşünün: Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzünden uzayda rastgele kuantum salınımları vardır. Hawking radyasyonu da bir tür kuantum salınımıdır. Kara deliklerin kuantum salınımlarını çapına göre sınırladığını söylemiştim. Sanki bir plastik Lego parçasını kerpetenle ezer gibi… Nitekim kara delik Planck boyuna inince o kadar küçülür ki tümüyle buharlaşması için gereken o son fotonu uzaya salamaz.

Ne de olsa fotonun minimum boyu vardır ve bu da Planck uzunluğundan büyüktür! O zaman kara delik küçülebileceği kadar küçülür ama asla yok olmadan Planck kalıntısına dönüşür. Fotonun elektromanyetik alan ve kendi foton alanındaki bir titreşim olduğunu düşünürsek kara deliğin kuantum alanlarını sınırlamasının foton yayınına neden engel olduğunu anlıyoruz.

Peki bu kara deliklere neden ilkin kara delikler diyoruz? Bunlar neden büyük patlamadan önce oluştular? Öncelikle Planck boyundaki kara delikler 10^-35 metre çapta 20 mikrogram kütle içerir. Dahası bunlar büyük patlamadan sonra oluşan yıldızların yok olmasıyla ortaya çıkamaz. Neden derseniz yıldız kütleli kara delikler en erken 10⁶⁶ yılda buharlaşacak. Evrenin yaşı ise 13,77 milyar yıl, yani yaklaşık olarak sadece 10⁹ milyar yıl. Demek ki Planck kalıntısı kara delikler daha başlangıçta çok küçüktü.

Büyük patlamaya doğru

En küçük yıldız kütleli kara delik 1,9891 × 2,3 x 10²⁷ tondur. Planck kalıntısı kara deliklerin ise son 13,77 milyar yılda buharlaşmak için sadece (!) 1 milyar ton ağırlığında olması gerekir. Bugün evrende buna yetecek kadar az miktardaki madde ve enerjiyi yeterince sıkıştırıp kara delik haline getirecek bir mekanizma yoktur. Öte yandan kozmik enflasyon teorisine göre evren iki adımda oluşmuştur. Evrenin ışıktan hızlı genişlediği soğuk büyük patlama ve bildiğimiz evreni oluşturan sıcak büyük patlama. Bunu yakından görelim ve Planck kalıntısı kara deliklerle karanlık madde arasındaki ilişkiyi inceleyelim:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Büyük patlama ve Planck kalıntısı

Soğuk büyük patlama sırasında evren ışıktan hızlı genişledi ve böylece megaevren oluştu. Sıcak büyük patlamada ise megaevrenin küçük bir parçası olan yaşadığımız evren meydana geldi. Her iki büyük patlama anında da çok enerjik kuantum salınımları yaşandığını tahmin ediyoruz. Bu sırada uzayda çok sayıda mini kara delik oluşmuş olabilir. Öyle ki bu kara deliklerin sayısı evrendeki madde parçacıklarından 5 kat fazla olacaktır. Bu durumda karanlık madde ilkin kara deliklerdir.

Bu söylediğimin karanlık madde kara delik değildir yazısıyla çeliştiğini düşünebilirsiniz. Oysa burada başka bir teoriyi anlatıyorum. 1) Bugün evrende 1 milyar tonluk mini kara delikler yok. Zaten bugünkü varlıkları teoriye aykırı. Oysa bunlar olsaydı yıldız ışığını yerçekimiyle bükerek kendini gösterirdi. 2) Hawking’in yarı klasik teorisine göre bu kara delikler sıcak büyük patlamada oluşsa bile bugüne dek çoktan buharlaşmış olacaktır.

Öte yandan mini kara delikler buharlaşarak Planck boyuna indiyse ama tümüyle buharlaşmadıysa ilginç bir sonuç elde ederiz. bu durumda uzayda normal maddeden 5 kat fazla mikroskobik ilkin kara delik vardır. Bu da madde/karanlık madde oranına eşittir. Peki Planck kalıntısı ilkin kara delikler kara delik enformasyon paradoksunu çözer mi?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Enformasyon paradoksu ve Planck kalıntısı

Kara delik enformasyon paradoksu çözüldü yazısında teorik fizikçilerin bazı hesaplamalar yaptığını belirttim. Bu hesaplamalar doğruysa kara delik enformasyon paradoksunun çözüleceğini söyledim. Oysa bu çok tartışmalı bir varsayım ki birçok fizikçi de paradoksun çözüldüğünü düşünmüyor. Bu konuda çok basit bir mantık yürütüyorlar:

Kara deliklerin içini göremiyoruz. Nitekim enformasyon paradoksu budur. Kara delikler içine düşen madde ve enerjisinin bilgisini gözlerden gizler. Uzak gelecekte buharlaşırken kendiyle birlikte enformasyonu da yok eder. Oysa Planck kalıntısı kara delikler tümüyle yok olmadığı için enformasyonla birlikte varlığını sürdürecektir.

Gerçi bunda da bir sorun var: 1) Evrende en küçük olan alan Planck uzunluğudur. 2) Kara deliğin içerdiği enformasyon olay ufkunun yüzey alanına eşittir. 3) Bu yüzden uzayda belirli bir alana veri sıkıştırarak sığdırabileceğiniz enformasyon miktarı bellidir. Oysa mikroskobik kara delikler yuttuğu enformasyonun tamamını saklayamayacak kadar küçük olacaktır. Peki bunu nasıl çözeriz? Eğer her kara deliğin diğer ucunda hızla genişleyen yeni bir evren oluşuyorsa bu evrenden çalınan enformasyon da yeni evrenlere aktarılacaktır. Peki bu durum entropi zehirlenmesine yol açmaz mı?

İlgili yazı: Nemesis: Dünya’ya Göktaşı Savuran Ölüm Yıldızı

 

Entropi zehirlenmesi ve Planck kalıntısı

Sonuçta yeni oluşan bir evrenin genişlemesi için eski evrenden enerji devralmaması gerekir. Bu enformasyonun da enerji karşılığı vardır (entropi). Bizim evrenimiz yeni evrenlere kara delikler üzerinden enformasyon aktarıyorsa enerji de aktarıyor demektir. Bu da yeni evrenin daha genişlemeden aşırı kütle kazanıp kendi içine çökerek kara delik olmasına yol açar. Öte yandan soğuk büyük patlama var. Kara delikler sayesinde oluşan megaevren ışıktan hızlı genişliyorsa enformasyonu sonsuza dek genişleyen uzaya yayacaktır. Enformasyon ve enerji lokal uzayda aşırı seyrelecektir.

Bu da megaevrenin entropiden zehirlenmesini önler. Üstelik o evrenin yüzeyindeki diğer gözlemlenebilir evrenler çok küçük olacaktır. Bunların kapsadığı alanda bizim evrenden gelen enformasyon tümüyle okunaksız olacak ve gözlerden gizlenmeye devam edecektir.

Aslına bakarsanız fizikçiler kara deliklerin merkezinde sonsuz küçüklükte bir tekillik olduğunu da inanmıyor. Belki de kara deliklerin merkezindeki kısmi tekillik size yazıda anlattığım Planck kalıntısıdır. İşte bu nedenle kara delik evrenler teorisini göz ardı etmemek gerekir. Planck kalıntısı ilkin mikroskobik kara delikleri yabana atamayız.

Enformasyon ve enerjinin korunumu yasaları sanki bizi bu senaryoya mecbur ediyor. Gerçekten de güzel bir çözüm… Hem enformasyon paradoksunu çözüyor hem karanlık maddeyi açıklıyoruz. Üstelik kara deliklerin soğuk büyük patlamayı nasıl tetiklediğini de gösteriyoruz. Planck kalıntısı kara delik teorisi doğru çıkarsa fizikte devrim yapacaktır. Tek sorun şimdilik bu teoriyi test edecek imkanımız olmaması. Oysa kuantum kütleçekim kuramı geliştirince bu teoriyi test edebileceğiz.

Kara delikler için sonsöz

Siz de kuantum salınımlarını üreten kuantum alanlarının nasıl oluştuğunu şimdi görebilir ve hiçliğin enerjisine bakabilirsiniz. Fotonların gölge yapıp yapmadığın merak ederek kuantum kimya ile yaşamı var eden su kimyasını inceleyebilirsiniz. Göçmen kuşların manyetovizyon duyusunu gözden geçirip yaşama imkan veren kuantum biyolojiye de yakından bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

İlkin kara delikler

¹Dark matter as Planck relics without too exotic hypotheses
²Planck Constraint on Relic Primordial Black Holes
³Direct detection of primordial black hole relics as dark matter
⁴Planck scale black hole dark matter from Higgs inflation