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?
Büyütmek için tıklayın.
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 insana saçını başını yoldurur.
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
Büyütmek için tıklayın.
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
Megaevrenler (köpük evrenler).
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
Megaevren, gözlemlenebilir evren yumruları ve meagaevrenden türeyip kopan yeni megaevrenler (kozmik enflasyonun sonuçları).
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
Bunu beğen:
Beğen Yükleniyor...
İlgili Yazılar
One Comment
Hilmi	 01/01/2021 Cevapla	
Bu güzel yazı için teşekkürler. İyi seneler hocam.
Yorum ekle
Cevabı iptal et
E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir
Yorum*
İsim:*
Email Adresi:*
Website:
Save my name, email, and website in this browser for the next time I comment.
Beni sonraki yorumlar için e-posta ile bilgilendir.
Beni yeni yazılarda e-posta ile bilgilendir.
Δ
Arşivler
Arşivler Ay seçin Kasım 2021 (9) Ekim 2021 (13) Eylül 2021 (15) Ağustos 2021 (21) Temmuz 2021 (22) Haziran 2021 (17) Mayıs 2021 (21) Nisan 2021 (20) Mart 2021 (14) Şubat 2021 (16) Ocak 2021 (17) Aralık 2020 (16) Kasım 2020 (12) Ekim 2020 (14) Eylül 2020 (10) Ağustos 2020 (21) Temmuz 2020 (25) Haziran 2020 (16) Mayıs 2020 (9) Nisan 2020 (10) Mart 2020 (16) Şubat 2020 (7) Ocak 2020 (7) Aralık 2019 (10) Kasım 2019 (16) Ekim 2019 (15) Eylül 2019 (10) Ağustos 2019 (14) Temmuz 2019 (17) Haziran 2019 (20) Mayıs 2019 (12) Nisan 2019 (14) Mart 2019 (10) Şubat 2019 (5) Ocak 2019 (6) Aralık 2018 (4) Kasım 2018 (7) Ekim 2018 (13) Eylül 2018 (10) Ağustos 2018 (10) Temmuz 2018 (12) Haziran 2018 (20) Mayıs 2018 (18) Nisan 2018 (6) Mart 2018 (9) Şubat 2018 (7) Ocak 2018 (9) Aralık 2017 (5) Kasım 2017 (11) Ekim 2017 (8) Eylül 2017 (13) Ağustos 2017 (20) Temmuz 2017 (20) Haziran 2017 (16) Mayıs 2017 (19) Nisan 2017 (13) Mart 2017 (14) Şubat 2017 (17) Ocak 2017 (25) Aralık 2016 (17) Kasım 2016 (13) Ekim 2016 (19) Eylül 2016 (16) Ağustos 2016 (14) Temmuz 2016 (21) Haziran 2016 (21) Mayıs 2016 (17) Nisan 2016 (14) Mart 2016 (11) Şubat 2016 (17) Ocak 2016 (13) Aralık 2015 (21) Kasım 2015 (22) Ekim 2015 (22) Eylül 2015 (21) Ağustos 2015 (14) Temmuz 2015 (11) Haziran 2015 (15) Mayıs 2015 (8) Nisan 2015 (7) Mart 2015 (6) Şubat 2015 (4) Ocak 2015 (12) Aralık 2014 (8) Kasım 2014 (5) Ekim 2014 (11) Eylül 2014 (11) Ağustos 2014 (8) Temmuz 2014 (10) Haziran 2014 (14) Mayıs 2014 (8) Nisan 2014 (12) Mart 2014 (3) Şubat 2014 (12) Ocak 2014 (10) Aralık 2013 (7) Kasım 2013 (8) Ekim 2013 (11) Eylül 2013 (8) Ağustos 2013 (9) Temmuz 2013 (7) Haziran 2013 (7) Mayıs 2013 (13) Nisan 2013 (6) Mart 2013 (10) Şubat 2013 (12) Ocak 2013 (11) Aralık 2012 (17) Kasım 2012 (44) Ekim 2012 (55)