Zaman okunun kozmik orijini

Zaman kavramının en temel gerçeklerinden biri, geleceğin geçmişten farklı gözükmesidir. Fakat, kozmoloji ölçeğinden bakıldığından geçmiş ve gelecek aynı gözükebilir. Bu durumda “evren doğru gözlemlenememektedir” cümlesini söylemek tuhaf gelse de kozmolojistler bir karşılaştırma yapmak için çok az standartlara sahiptirler.

Evrenin nasıl gözüktüğü hakkında bir tahmin yapabilir miyiz? Bu soruya doğru cevap vermek için kozmolojistler evrenin neden yapıldığının ve nasıl evrim geçirdiğinin oldukça başarılı bir resmini bir araya getirdiler. Yaklaşık 14 milyar yıl önce, evren bir yıldızın merkezinden daha sıcak ve daha yoğundu. Daha sonra soğumaya ve evren genişlerken seyrelmeye başladı.  Bu resim hemen hemen yapılan her gözlemi içine almaktadır. Ama beklenmedik özelliklerin bir kısmı, özellikle ilk evrendeki, anlaşılandan daha fazlası olduğunu öngörmektedir.

Evrenin doğal olmayan görüşleri arasından biri öne çıkmaktadır: zaman asimetrisi. Fiziğin mikroskopik kanunları, evrenin davranışının geçmiş ve gelecek arasında bir farklılığın olmaması temelinde yatmaktadır.  Erken evren (sıcak, yoğun, homojen), bugünün evreninden (soğuk, seyreltik, homojen olmayan) tamamen farklıdır. Zamanla evren artan bir şekilde düzensizleşmeye başladı. Günlük yaşamımızda belli bir role sahip olan zaman asimetrisi oku, geçmişten geleceği işaret etmektedir: niçin omletin yumurtaya dönmediğini, buz kalıplarının bir bardak suda asla kendiliğinden erimeden duramadığı ve niçin geleceği değil de geçmişi hatırladığımız gibi olayları hesaba katmaktadır.

Deneyimlediğimiz asimetrinin orijini, evrenin düzenliliğine geri dönüş yoluyla bulunabilir. Yumurtayı kırdığımız her zaman gözlemlenen bir kozmoloji oluşturulmaktadır. Zaman oku, evrenin tartışmalı bir şekilde en göze çarpan özelliğidir. Bu nedenle gözlemlediğimiz evren hakkındaki bu bilmece, gözlemleyemediğimiz çok daha büyük uzay-zamanın varlığının ipuçları olabilir. Bizler çoklu evrenin birer parçalarıyız ve bu evrenin dinamikleri etrafımızda meydana gelen doğal olmayan olayları açıklamaya yardım etmektedir.

Termodinamiğin 2.kanunu zaman asimetresi kavramını içermektedir: “Kapalı bir sistemde entropi* asla azalmaz”. Kısaca, bir sistemdeki entropi düzensizliğin bir ölçüsüdür.  19 yy’da, Avusturyalı fizikçi Ludwing Boltzman, bir cismin mikrodurumları ve makrodurumları arasındaki farkı entropiyle açıklamıştır.  Bir fincan kahveyi tanımlamak istersek, makrodurumlarına yani sıcaklığına, basıncına ve diğer kapsayıcı özelliklerine bakmamız gerekir.  Diğer taraftan mikrodurumlar, sıvı içindeki her bir atomun hızını ve kesin pozisyonunu tayin etmektedir. Çok farklı mikrodurumlar, herhangi bir parçacığın makrodurumuna karşılık gelmektedir. Başka bir deyişle, atomu bir yerden bir yere hareket ettirebiliriz, ama makroskobik ölçekte bakan biri herhangi bir fark göremez. Entropi, aynı makroduruma karşılık gelen farklı mikrodurumların sayısıdır. Böylece, belli bir sayıda verilen atomların yüksek entropili duruma düzenlenişi, düşük entropiden daha fazladır. Kahvenize süt koyduğunuzu düşünün. Molekülleri bölüştürmenin oldukça çok yolu vardır, öyle ki süt kahvede tamamen karışır. Böylece, karışım daha yüksek bir entropiye sahip olur.

Bu bakış açısından entropinin zamanla artma eğilimi şaşırtıcı değildir. Yüksek entropi durumları düşük entropi durumlarından sayıca çok daha fazladır. Hemen hemen sisteme yapılan herhangi bir değişim, daha yüksek entropi durumlarına neden olacaktır. Bu durum sütün niçin kahveyle karıştığını ama asla karışmamak gibi bir durumun olmayacağını açıklamaktadır. Bunun yanı sıra, süt moleküllerinin yan yana gelecek şekilde düzenlenerek bir araya gelmesi fiziksel olarak mümkünken, istatistiksel olarak olasılık dışıdır. Eğer bu durumun meydana gelmesini beklersek, bu durumu gözlemlenen evrenin şimdiki yaşından çok daha uzun süre beklemek zorundayız. Zaman oku basit bir şekilde çok sayıda, doğal, yüksek entropili durumlardan birine doğru evrimleşmek eğilimindedir.

“Düşük entropi durumları yüksek entropi durumlarına gelişir” açıklaması entropinin evrenimizde niçin arttığı sorusunun karşılığı değildir. O zaman şu soru akla gelmektedir: Entropi niçin düşükle başlar? Çok da doğal olmayan bir durum olarak gözükse de, düşük entropi durumları çok nadirdir. Evrenimizin şu an orta entropide olduğunu garanti edilse de, niçin eskiden entropini daha düşük olduğunu açıklayamaz. Evrenin şimdiki duruma gelmesini sağlayan tüm olası başlangıç koşullarından çoğunluğu da çok daha yüksek entropiye sahiptir. Başka bir deyişle, gerçek çözülmesi gereken sorun, evrenin entropisinin niçin bugününkinden daha yüksek oluşu değil, niçin entropinin dün veya daha önceki gün daha düşük olduğunu açıklamaktır. Bu mantığı, gözlemlenen evrenimizdeki zamanın başlangıcına dönerek takip edebiliriz. Sonuçta, zaman asimetrisi cevaplanmayı bekleyen bir sorudur.  

Erken evren olağanüstü bir yerdi. Evreni oluşturan tüm parçacıklar, olağanüstü sıcak ve yoğun bir hacme sıkıştırılmıştı. Daha da önemlisi, küçücük bir hacim içerisinde neredeyse düzgün bir şekilde dağılmışlardı. Evren genişler ve soğurken, kütleçekimi (gravitasyon) yoğunluk farkını çoğalttı. Biraz daha yoğun parçacığa sahip olan bölümler yıldız ve galaksileri oluştururken, az parçacıklı yerler boşlukları oluşturmak üzere boşaldı. Başka bir deyişle, kütleçekimi evrenin evrimi için önemli bir role sahiptir. Ama maalesef ki, gravite işin içine girince entropiyi tam olarak anlayamıyoruz. Bilindiği gibi, uzay-zamanın şekli graviteyi oluşturur. Fakat şu an uzay-zamanın kapsamlı bir teorisine sahip değiliz ve bu durum kuantum kütleçekim (quantum gravitation) teorisinin amaçlarından biridir. Bir akışkanın entropisi, akışkanı oluşturan moleküllerin davranışıyla ilgilidir, fakat uzayı neyin oluşturduğunu henüz bilmemekteyiz. Bu durumda, hangi kütleçekim mikrodurumlarının, hangi özel makrodurumlara karşı geldiği hakkında bir bilgimiz yoktur.

Bununla birlikte, entropinin nasıl geliştiğiyle ilgili basit bir fikre sahibiz. Kütleçekimin ihmal edildiği durumlarda, örneğin bir fincan kahvede, parçacıkların homojen dağılımı yüksek bir entropiye sahiptir. Bu durum denge durumudur. Hatta parçacıklar kendi aralarından yeniden karıştırıldığında (düzenlendiğinde) makroskobik olarak bir şey değişmez. Ama eğer kütleçekimi önemliyse ve hacim sabitse bu düzgün dağılım nispeten düşük entropili olur. Bu durumda sistem denge halinden çok uzaktır. Kütleçekimi, parçacıkların yıldızlarda ve galaksilerde kümelenmesine neden olur ve entropi ikinci kanunla tutarlı olacak şekilde dikkate değer bir şekilde artar.

Gerçekten de, kütleçekiminin aktif olduğu zaman entropiyi artırırsak, bir karadelik elde etmiş oluruz. Cambridge Üniversitesi’nden Stephen Hawking, 1970’lerde Jacob Behenstein’in “karadelikler termodinamiğin ikinci kanununa uyar” önerisini onayladı. Sıcak objelere benzer olarak, termodinamiğin ikinci kanunu karadeliklerin radyasyon yaydığını ve entropiye sahip olduklarını tanımlamak için formüle edilmiştir.

Bir milyon solar bir kütleli karadelik, galaksimizin merkezinde olduğu gibi, gözlemlenebilir evrendeki tüm sıradan parçacıklardan 100 kat daha fazla entropiye sahiptir.  Böyle bir durumda, karadelikler bile Hawking radyasyonu yayarak buharlaşırlar. Sonuç olarak, bir karadelik mümkün en yüksek entropiye sahip değildir, fakat en yüksek entropi belli bir hacimde oluşturulabilir. Buna rağmen uzayın hacminin sınırsızca büyüdüğü görülmektedir. Bu bağlamda, 1998’de astronomlar kozmik genişlemenin arttığını keşfetmişlerdir. En doğrudan açıklama, karanlık enerjinin varlığıdır. Bu enerji boş uzayda bile mevcuttur ve evrenin genişlerken bile entropiyi azaltır bir etkiye sahip olmadığını göstermektedir. Eğer karanlık enerji etkisini kaybederse, evren sonsuza kadar genişleyecektir ve böylece uzak galaksiler görünürden çıkacaktır.                

Boş evrenin böyle bir entropiye sahip olması tuhaf gözükmektedir. Bilindiği gibi entropi mikrodurumlara gereksinim duymaktadır ve aslında boş uzay birçok mikrodurumlara sahiptir. Kuantum gravitasyonel mikrodurumlar ise uzay dokusunu oluştururlar. Bu durumların ne olduğu hakkında henüz bir bilgimiz yoktur. Ama hızla genişleyen bir evrende gözlemlenebilir bir hacimle birlikte entropinin alan sınırlarıyla orantılı olarak sabit bir değere ulaştığını biliyoruz. Bu da, bir maddenin hacmindekinden çok daha büyük bir entropi miktarıdır.

Entropi çok düşük entropi durumunda başlar ve düzenli bir şekilde paketlenmiş parçacıklar orta düzeyde entropi durumuna gelir. Sonuç olarak, günümüzdeki evren yüksek entropi durumuna ulaşır yani evren neredeyse boştur ve yolundan çıkmış düşük enerjili parçacıklardan ibarettir.

Geçmiş ve gelecek niçin böyle farklıdır? Evren niçin düşük entropili başlamıştır? Sidney Üniversitesi’nden filozof Huw Price’ın işaret ettiği gibi başlangıç koşullarına uygulanan fikirler (nedenler) ayrıca sonuç koşullarına uygulanmalıdır.  Bazı kozmolojistler zaman asimetrisinin, kozmolojik şişme (genişleme) süreci sonucunda meydana geldiği şeklinde yorumlamaktadır. Şişme, evrenin birçok temel özellikleri için çekici bir açıklamadır. Bu fikre göre çok erken evren dönemi  (en azından bir kısmı) parçacıklarla dolu değildi, fakat karanlık enerjinin geçici başka bir formu ile doluydu. O zamanki karanlık enerji yoğunluğu şimdiki zamanda gözlemlenen yoğunluğundan muazzam derecede fazlaydı. Bu enerji, inanılmaz bir oranda evrenin genişlemesini arttırdı. Daha sonra arkasında karanlık enerjinin ufak bir izini bırakacak şekilde (bugünün enerjisiyle ilgili olarak) madde ve radyasyona bozundu.

Geçici karanlık enerjiyle ivmelendirme, evreni nerdeyse mükemmel olarak düzleştirmektedir. Madde ve enerjinin önceki dağılımının birbirleriyle ilgisi yokken, genişleme (şişme) başlar ve önceki şartlar yok olur; sıcak, yoğun ve düzgün bir erken evren kalır.

Karanlık enerji varlığında, boş uzay tamamen boş değildir. Kuantum alanlarının dalgalanmaları çok düşük sıcaklıklarda (bugünün evrenindeki sıcaklıklardan daha düşük sıcaklıklarda) yükselir.  Tüm kuantum alanları, böyle bir evrende ara sıra meydana gelen termal dalgalanmalara maruz kalır. Bu da mükemmel bir dinginliğin olmadığını göstermektedir. Eğer yeteri kadar beklenirse, her bir parçacık hatta parçacıkların büyük bir yığını bir kere dalgalanacaktır. Yeni bir senaryoya göre önceden var olan evren boş uzayda bile rastgele bir şekilde dalgalanmıyordu. Pekâlâ, bu teori dalgalanmadan ziyade ön evren halinden şu anda var olan ve genişleyen evrenimizdeki duruma gelen neyi ileri sürmektedir ve ispatlamaktadır. Bu senaryo, Chicago Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından 2004 yılında ileri sürülmüş ve gözlemlenebilir evrenimizdeki zaman asimetrisi orijinine etkileyici bir çözüm önermektedir. Biz evrenin büyük resminin sadece çok küçük bir kısmını görmekteyiz. Geri kalan daha büyük alan ise zaman simetrisine sahiptir. Entropi ise yeni bebek evrenlerin yaratılışı boyunca limitsiz olarak artar. Bu senaryodaki en iyi durum zamanda ileri veya geri gidişlerin anlatılabilmesidir.  Özel bir momente sahip boş bir uzayı göz önüne alalım ve uzayın geleceğe ve geçmişe evrim geçirdiğini seyredelim. Bebek evren her iki yönde de varoluşuna göre dalgalanır ve sonuç olarak kendi bebek evrenlerini doğurur. Çok büyük ölçeklerde çoklu evren istatistiksel olarak zamana göre simetrik görülebilir. Geçmiş ve gelecek yaşama dalgalanarak yeni evrenler oluşturur ve çoğalırlar. Bunlardan her biri, zaman okunu hissedebilirler.

Zaman okunun geriye yönelmiş evren fikri alarm vermeye başlamıştır. Eğer böyle bir evrenden birileriyle tanışırsak, onlar geleceği hatırlayabilirler mi? Ne mutlu ki, böyle bir buluşma tehlikeli değildir. Tanımlanan bu senaryoda, zamanın geriye doğru aktığı yerler, bizim galaksimizden çok daha fazla geridedir yani bizim patlamadan çok daha öncedir. Evrenin büyük genişlemesinde, zaman hiçbir tarafa akmıyor gözükmektedir ve neredeyse madde mevcut değildir ve entropi evrimleşmemektedir. Bu zaman geri dönüşüm bölgelerinde yaşayan herhangi oluşumlar yaşlı doğmayacaklardır ve genç ölmeyeceklerdir. Yani her şey sıra dışıdır. Onlara göre zaman tamamen geleneksel bir biçimde akmaktadır. Sadece onların evreni bizimle karşılaştırıldığında her şey sıra dışı gözükecektir; onların geçmişi bizim geleceğimizdir ve tersi de doğrudur. Fakat böyle bir karşılaştırma tamamen varsayımsaldır, çünkü biz oraya gidemeyiz, onlar da buraya gelemez.

Kozmolojistler, yıllardır bebek evren fikirleri üzerinde düşünmektedir, fakat doğum işlemini anlamamaktayız. Eğer kuantum dalgalanmaları yeni evrenle yaratılacaksa, daha birçok yeni şeyleri de yaratabileceklerdir; örneğin bütün bir galaksi. Gördüğümüz evreni açıklayacak bir senaryo için büyük patlamanın yan etkisiyle birçok galaksi tahmin edilebilir.

Makalenin başlangıcında bahsedildiği gibi verilere uygun bir resme sahip olunmasına rağmen kozmolojistler doğa kanunlarını anlamak ve algıladığımız sınırlı evren hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak istemektedirler. Bunu yaparken de evrende mantık dışı gibi gözüken yabancı özellikleri de göz ardı etmek istememektedirler. Gözlemlenebilir kâinattaki etkileyici zaman asimetrisi uzay-zaman ile ilgili son çalışmalar için bir ipucu yani aydınlatıcı kanıtlar sağlayacağı görülmektedir. Fizikçilerin görevi, bunları kullanarak diğer ipuçlarını bir araya getirmek ve daha uygun ve ilgi uyandırıcı bir resim oluşturmaktır.

*Zaman simetrisinin incelendiği önemli bir sistem ise süperiletkenlik olarak tabir edilen ve elektriksel direncin sıfır olduğu sistemlerdir. Bu sistemlerde zamanda geri dönüşümler olabilmektedir. Başka bir deyişle sistem simetrik dalga fonksiyonuna sahiptir. Bu konu üzerinde daha da derinleşilebilir. Bilindiği gibi makalede incelenen yapılar Kartezyen uzayda var olan sistemlerdir ve istatistiği Fermi-Dirac istatistiğine uyar yani sistemin dalga fonksiyonu asimetriktir. Fakat süperiletkenlik sistemler Bose-Einstein istatistiğine uyar ve sistem simetrik dalga fonksiyonuna sahiptir. Bu durumda zaman simetrisi mevcut olur ve zamanda ileri-geri dönüşler olabilir.  Sonuç olarak, zaman simetrisi hakkında bilgi sahibi için evrenin tümü hakkında bilgi edinmenin yanı sıra süperiletkenler gibi uygun sistemlerden de yararlanılabilir.

Doç. Dr. Özden Aslan Çataltepe

 

Kaynaklar:
The Cosmic Origins of Time’s Arrow, Sean M.Carrol, Scientific American, June 2008, 26-33 makalesinden özet olarak verilmiştir.
*Bu paragraf makaleden alıntı değildir. Çeviriyi yapan tarafından eklenmiştir.