Evren Genişledikçe, Uzay Aslında Gerilir mi?
Kozmik zaman boyunca gösterildiği gibi genişleyen uzayın dokusu. Genişlemenin sonuçlarından biri, bir galaksi ne kadar uzaksa, bizden o kadar hızlı uzaklaşıyormuş gibi görünmesi ve bir ışık kaynağı ne kadar uzaksa, ışığın dalga boyunun, onu aldığımız zamana kadar kırmızıya kayması o kadar büyük olur. (NASA, GODDARD UZAY UÇUŞ MERKEZİ)
Yoksa “eski” mekânın boşlukları arasında “yeni mekân” mı yaratılıyor?
İnsanlığın Evrenimiz hakkında ilk kez devrimci bir sonuca varmasının üzerinden neredeyse 100 yıl geçti: uzayın kendisi durağan kalmaz, aksine zamanla gelişir. Einstein'ın Genel Göreliliği'nin en sarsıcı tahminlerinden biri, herhangi bir Evrenin - bir veya daha fazla enerji türüyle eşit olarak doldurulduğu sürece - zaman içinde değişmeden kalamayacağıdır. Bunun yerine, ya genişlemeli ya da büzülmelidir, başlangıçta üç ayrı kişi tarafından bağımsız olarak türetilen bir şey: Alexander Friedmann (1922), Georges Lemaitre (1927), Howard Robertson (1929) ve daha sonra Arthur Walker (1936) tarafından genelleştirildi.
Aynı zamanda, gözlemler, gökyüzümüzdeki spirallerin ve eliptiklerin galaksiler olduğunu göstermeye başladı. Bu yeni, daha güçlü ölçümlerle, bir galaksi bizden ne kadar uzaktaysa, ışığının yayıldığı zamana kıyasla kırmızıya kaymış veya daha uzun dalga boylarında gözlerimize ulaştığı ışık miktarı o kadar fazla olduğunu belirleyebilirdik.
Ama bu süreç gerçekleşirken uzayın dokusuna tam olarak ne oluyor? Alanın kendisi, sanki giderek inceliyormuş gibi uzuyor mu? Sanki genişlemenin yarattığı boşlukları dolduruyormuş gibi sürekli daha fazla alan mı yaratılıyor? Bu, modern astrofizikte anlaşılması en zor şeylerden biridir, ancak bunun hakkında çok düşünürsek, kafamızı çevirebiliriz. Neler olduğunu keşfedelim.
Bir kütle hareket ederken uzay-zamanın nasıl tepki verdiğine dair hareketli bir bakış, niteliksel olarak sadece bir kumaş tabakası olmadığını tam olarak göstermeye yardımcı olur. Bunun yerine, 3B uzayın tamamı, Evren içindeki madde ve enerjinin varlığı ve özellikleri tarafından bükülür. Birbiri etrafında dönen çoklu kütleler, yerçekimi dalgalarının yayılmasına neden olur. (LUCASVB)
Anlamanız gereken ilk şey, Genel Görelilik'in bize Evren hakkında ne söyleyip ne söylemediğidir. Genel Görelilik, özünde, açıkça ilişkili olmayabilecek iki şeyi ilişkilendiren bir çerçevedir:
- Evrenin her yerinde bulunan madde, antimadde, karanlık madde, radyasyon, nötrinolar ve hayal edebileceğiniz diğer her şey dahil olmak üzere enerjinin miktarı, dağılımı ve türleri,
- ve eğri olup olmadığı ve nasıl evrimleşeceği ve nasıl evrimleşeceği de dahil olmak üzere, temeldeki uzay-zamanın geometrisi.
Evreninizin içinde hiçbir şey yoksa, herhangi bir madde veya herhangi bir biçimde enerji yoksa, sezgisel olarak alıştığınız düz, değişmez, Newton uzayını elde edersiniz: statik, eğri olmayan ve değişmez.
Bunun yerine Evrene bir nokta kütle bırakırsanız, eğri bir uzay elde edersiniz: Schwarzschild uzayı. Evreninize koyduğunuz herhangi bir test parçacığı, belirli bir yörünge boyunca o kütleye doğru akmaya zorlanacaktır.
Ve bunu biraz daha karmaşık hale getirirseniz, aynı zamanda dönen bir nokta kütlesi koyarak, daha karmaşık bir şekilde kavisli bir uzay elde edersiniz: Kerr metriğinin kurallarına göre. Bir olay ufkuna sahip olacak, ancak nokta benzeri bir tekillik yerine, tekillik dairesel, tek boyutlu bir halkaya uzanacak. Yine, koyduğunuz herhangi bir test parçacığı, uzayın temel eğriliği tarafından belirlenen yörüngeyi izleyecektir.
Bir kara deliğin çevresinde, nasıl görselleştirmek istediğinize bağlı olarak uzay, hareketli bir yürüyüş yolu veya bir şelale gibi akar. Olay ufkunda ışık hızında koşsanız (veya yüzseniz) bile sizi merkezdeki tekilliğe sürükleyen uzay-zamanın akışının üstesinden gelemezsiniz. Ancak olay ufkunun dışında, diğer kuvvetler (elektromanyetizma gibi) sıklıkla yerçekiminin üstesinden gelebilir ve düşen maddenin bile kaçmasına neden olabilir. (ANDREW HAMILTON / JILA / COLORADO ÜNİVERSİTESİ)
Bununla birlikte, bu uzay-zamanlar, ekleyebileceğiniz herhangi bir mesafe ölçeğinin - olay ufkunun boyutu gibi - zaman içinde değişmemesi anlamında statiktir. Bu uzay-zaman ile bir Evrenden çıkıp daha sonra, bir saniye, bir saat veya bir milyar yıl sonra geri gelseydiniz, yapısı zamandan bağımsız olarak aynı olurdu. Ancak bunun gibi uzay-zamanlarda genişleme yoktur. Bu uzay-zaman içindeki herhangi bir nokta arasındaki mesafede veya ışık yolculuk süresinde herhangi bir değişiklik yoktur. İçinde yalnızca bir (veya daha az) kaynak bulunan ve başka hiçbir enerji formu bulunmayan bu model Evrenler gerçekten statiktir.
Ancak, izole edilmiş kütle veya enerji kaynaklarını elinizden bırakmadığınız zaman, bunun yerine Evreniniz her yerdeki şeylerle dolu olduğunda, bu çok farklı bir oyundur. Aslında, normalde varsaydığımız ve büyük ölçekli gözlemlerle güçlü bir şekilde doğrulanan iki kritere izotropi ve homojenlik denir. İzotropi bize Evrenin her yönden aynı olduğunu söyler: kozmik ölçeklerde baktığımız her yerde, hiçbir yön diğerinden özellikle farklı görünmez veya tercih edilmez. Homojenlik ise bize Evrenin her yerde aynı olduğunu söyler: aynı yoğunluk, sıcaklık ve genişleme oranı en büyük ölçeklerde %99,99'dan daha iyi bir hassasiyette mevcuttur.
Evrenin kuzey galaktik başlığına yakın küçük bir bölgesine bakışımız, görüntüdeki her pikselin haritalanmış bir galaksiyi temsil ettiği. En büyük ölçeklerde, Evren tüm yönlerde ve tüm ölçülebilir yerlerde aynıdır, en büyük fark, uzaktaki galaksilerin yakınlarda bulduklarımızdan daha küçük, daha genç, daha yoğun ve daha az evrimleşmiş görünmesidir: zamanla kozmik evrimin kanıtı , ancak izotropi veya homojenlikte değişiklik yok. (SDSS III, VERİ YAYINLAMASI 8)
Bu durumda, Evreninizin bir tür enerjiyle (ya da birden çok farklı enerji türüyle) tek tip olarak doldurulduğu durumda, Genel Görelilik kuralları bize o Evrenin nasıl gelişeceğini söyler. Aslında, onu yöneten denklemler olarak bilinir Friedmann denklemleri : Alexander Friedmann tarafından 1922'de, gökyüzündeki bu spirallerin aslında Samanyolu'nun dışında ve ötesinde galaksiler olduğunu keşfetmemizden bir yıl önce elde edildi!
Evreniniz bu denklemlere göre genişlemeli veya büzülmeli ve matematiğin bize gerçekleşmesi gerektiğini söylediği şey bu.
Ama bu tam olarak ne anlama geliyor?
Görüyorsunuz, uzayın kendisi doğrudan ölçülebilir bir şey değil. Dışarı çıkıp biraz yer ayırıp sadece üzerinde bir deney yapabileceğiniz gibi değil. Bunun yerine, uzayın gözlemlenebilir şeyler (madde, antimadde ve ışık gibi) üzerindeki etkilerini gözlemleyebilir ve ardından bu bilgiyi alttaki uzayın kendisinin ne yaptığını anlamak için kullanabiliriz.
Bir yıldız, süper kütleli bir kara deliğin yakınından geçtiğinde, uzayın daha şiddetli bir şekilde kavislendiği bir bölgeye girer ve bu nedenle ondan yayılan ışığın, tırmanmak için daha büyük bir potansiyeli vardır. Enerji kaybı, gözlemlediğimiz herhangi bir doppler (hız) kırmızıya kaymasından bağımsız ve onun üzerine bindirilmiş yerçekimsel bir kırmızıya kayma ile sonuçlanır. (NICOLE R. FULLER / NSF)
Örneğin, kara delik örneğine geri dönersek (her ne kadar herhangi bir kütle için geçerli olsa da), bir kara deliğin yakınında uzayın ne kadar şiddetli bir şekilde büküldüğünü hesaplayabiliriz. Kara delik dönüyorsa, açısal momentumun etkileri nedeniyle karadelikle birlikte uzayın ne kadar önemli ölçüde sürüklendiğini hesaplayabiliriz. Daha sonra bu nesnelerin yakınındaki nesnelere ne olduğunu ölçersek, gördüklerimizi Genel Görelilik tahminleriyle karşılaştırabiliriz. Başka bir deyişle, uzayın Einstein'ın teorisinin bize söylemesi gerektiğini söylediği şekilde eğri olup olmadığını görebiliriz.
Ve ah, bunu inanılmaz bir hassasiyet düzeyinde yapıyor. Açık mavi, aşırı eğri bir alana girdiğinde, ayrıldığında kırmızıya kayar. Bu kütleçekimsel kırmızıya kayma, kara deliklerin yörüngesindeki yıldızlar için, Dünya'nın yerçekimi alanında dikey olarak hareket eden ışık için, Güneş'ten gelen ışık için ve hatta büyüyen galaksi kümelerinden geçen ışık için ölçülmüştür.
Benzer şekilde, kütleçekimsel zaman genişlemesi, ışığın büyük kütleler tarafından bükülmesi ve gezegen yörüngelerinden uzaya gönderilen dönen kürelere kadar her şeyin devinimi, Einstein'ın tahminleriyle muhteşem bir uyum göstermiştir.
Bir radyoaktif atom gibi bir foton kaynağı, fotonun dalga boyu kaynağından hedefine değişmiyorsa, aynı malzeme tarafından soğurulma şansına sahip olacaktır. Fotonun yerçekimi alanında yukarı veya aşağı hareket etmesine neden olursanız, telafi etmek için kaynak ve alıcının göreli hızlarını (bir hoparlör konisi ile sürmek gibi) değiştirmeniz gerekir. Bu, 1959 tarihli Pound-Rebka deneyinin kurulumuydu. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
Peki ya Evrenin genişlemesi? Genişleyen bir Evren hakkında düşündüğünüzde, sormanız gereken soru şudur: Evrendeki ölçülebilir şeylerde gözlemlenebilir olarak ne değişir? Ne de olsa, tahmin edebileceğimiz şey bu, fiziksel olarak gözlemlenebilir olan bu ve neler olup bittiği konusunda bizi bilgilendirecek olan da bu.
Bakabileceğimiz en basit şey yoğunluktur. Evrenimiz maddelerle doluysa, Evren genişledikçe hacmi artar.
Normalde maddeyi düşündüğümüz şeyler olarak düşünürüz. Madde, en basit haliyle, uzayda yaşayan sabit miktarda büyük kütleli maddedir. Evren genişledikçe, toplam madde miktarı aynı kalır, ancak maddelerin içinde yaşayabileceği toplam alan miktarı artar. Madde için, yoğunluk sadece kütlenin hacme bölünmesidir ve bu nedenle, hacminiz büyürken kütleniz aynı kalırsa (veya atomlar gibi şeyler için parçacıkların sayısı aynı kalırsa), yoğunluğunuz düşmelidir. Genel Relativite hesabını yaptığımızda, madde için bulduğumuz şey tam olarak budur.
Evren artan hacmi nedeniyle genişledikçe madde ve radyasyon daha az yoğun hale gelirken, karanlık enerji uzayın kendisine özgü bir enerji şeklidir. Genişleyen Evrende yeni alan yaratılırken, karanlık enerji yoğunluğu sabit kalır. (E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE)
Ancak Evrende birden çok madde türü olmasına rağmen - normal madde, kara delikler, karanlık madde, nötrinolar vb. - Evrendeki her şey madde değildir.
Örneğin, radyasyonumuz da var: madde gibi, ancak kütlesiz ve enerjisi dalga boyu tarafından tanımlanan bireysel parçacıklara nicemlendi. Evren genişledikçe ve ışık genişleyen Evrende yol aldıkça, parçacıkların sayısı aynı kalırken sadece hacim artmaz, aynı zamanda her bir radyasyon kuantumu, dalga boyunda spektrumun daha kırmızı ucuna doğru bir kayma yaşar: daha uzun dalga boyları .
Bu arada, Evrenimiz de, hiç parçacık biçiminde olmayan, daha çok uzayın dokusuna içkin görünen bir enerji biçimi olan karanlık enerjiye sahiptir. Karanlık enerjiyi, fotonların dalga boyunu ve/veya enerjisini ölçtüğümüz gibi doğrudan ölçemesek de, değerini ve özelliklerini çıkarmanın bir yolu var: uzaktaki nesnelerden gelen ışığın tam olarak nasıl kırmızıya kaydığına bakarak. Evrendeki farklı enerji biçimleri ile genişleme hızı arasında bir ilişki olduğunu unutmayın. Kozmik zaman boyunca çeşitli nesnelerin mesafesini ve kırmızıya kaymasını ölçtüğümüzde, bize ne kadar karanlık enerji olduğu ve özelliklerinin neler olduğu konusunda bilgi verebilirler. Bulduğumuz şey, Evrenin bugün yaklaşık ⅔ karanlık enerji olduğu ve karanlık enerjinin enerji yoğunluğunun değişmediğidir: Evren genişledikçe enerji yoğunluğu sabit kalır.
Büyük mesafelerde ölçtüğümüz tüm farklı nesneleri kırmızıya kaymalarına karşı çizdiğimizde, Evrenin yalnızca madde ve radyasyondan oluşamayacağını, ancak bir tür karanlık enerji içermesi gerektiğini görüyoruz: kozmolojik bir sabitle tutarlı, ya da uzayın dokusuna özgü bir enerji. (NED WRIGHT'IN KOZMOLOJİ EĞİTİMİ)
Elimizdeki tüm farklı veri kaynaklarından tam resmi bir araya getirdiğimizde, tek ve tutarlı bir resim ortaya çıkıyor. Bugün Evrenimiz 70 km/s/Mpc civarında bir yerde genişliyor; bu, bir nesnenin başka bir nesneden ayrıldığı her megaparsek (yaklaşık 3,26 milyon ışıkyılı) mesafe için, genişleyen Evrenin bir durgunluğa eşdeğer bir kırmızıya kaymaya katkıda bulunduğu anlamına gelir. 70 km/s'lik hareket.
Bugün yaptığı şey bu, kusura bakmayın. Ancak daha büyük mesafelere bakarak ve oradaki kırmızıya kaymaları ölçerek, geçmişte genişleme hızının nasıl değiştiğini ve dolayısıyla Evrenin neyden oluştuğunu öğrenebiliriz: sadece bugün değil, tarihin herhangi bir noktasında. Bugün, Evrenimiz aşağıdaki enerji biçimlerinden yapılmıştır:
- foton veya elektromanyetik radyasyon şeklinde yaklaşık %0,008 radyasyon,
- Şimdi madde gibi davranan ancak kütleleri sahip oldukları (kinetik) enerji miktarına kıyasla çok küçükken radyasyon gibi davranan yaklaşık %0,1 nötrinolar,
- atomlar, plazmalar, kara delikler ve bir zamanlar protonlardan, nötronlardan veya elektronlardan oluşan her şeyi içeren yaklaşık %4,9 normal madde,
- yaklaşık %27'si, doğası hala bilinmeyen ancak kütleli ve madde gibi kümeler, kümeler ve kütleçekimi olması gereken karanlık madde,
- ve yaklaşık %68'i, uzayın kendisine özgü enerjiymiş gibi davranan karanlık enerji.
Bugün hakkında çıkarımlarımıza dayanarak geriye doğru tahminde bulunursak, kozmik tarihin çeşitli dönemlerinde genişleyen Evrene ne tür enerjinin egemen olduğunu öğrenebiliriz.
Karanlık maddenin, karanlık enerjinin, normal maddenin ve nötrinoların ve genişleyen Evrendeki radyasyonun göreceli önemi burada gösterilmektedir. Karanlık enerji bugün hakim olsa da, erken dönemlerde ihmal edilebilir düzeydeydi. Karanlık madde, son derece uzun kozmik zamanlar için büyük ölçüde önemli olmuştur ve imzalarını Evrenin en eski sinyallerinde bile görebiliriz. Bu arada, Büyük Patlama'dan sonra Evrenin ilk 10.000 yılında radyasyon baskındı. (E. SIEGEL)
Çok önemli olarak, Evrenin bu farklı enerji biçimlerine temelde farklı bir şekilde yanıt verdiğine dikkat edin. Uzay genişlerken ne yapıyor diye sorduğumuzda? Aslında, düşündüğümüz fenomen için hangi uzay tanımının anlamlı olduğunu soruyoruz. Radyasyonla dolu bir Evreni düşünürseniz, Evren genişledikçe dalga boyu uzadığından, uzay esner benzetmesi çok iyi çalışır. Bunun yerine Evren büzülecek olsaydı, uzay sıkıştırmaları dalga boyunun nasıl kısaldığını (ve enerjinin arttığını) eşit derecede iyi açıklar.
Öte yandan, bir şey esnediğinde incelir, tıpkı bir şey sıkıştığında kalınlaşması gibi. Bu, radyasyon için makul bir düşüncedir, ancak karanlık enerji veya uzayın dokusuna içkin herhangi bir enerji formu için değil. Karanlık enerjiyi düşündüğümüzde, enerji yoğunluğu her zaman sabit kalır. Evren genişledikçe hacmi artarken enerji yoğunluğu değişmez ve dolayısıyla toplam enerji artar. Sanki Evrenin genişlemesi nedeniyle yeni bir alan yaratılıyor.
Her iki açıklama da evrensel olarak iyi çalışmıyor: Biri radyasyona (ve diğer enerjik parçacıklara) ne olduğunu açıklamaya çalışıyor ve diğeri karanlık enerjiye (ve uzayın içsel bir özelliği olan başka herhangi bir şeye veya doğrudan bir kuantum alanına bağlı olan herhangi bir şeye) ne olduğunu açıklamaya çalışıyor. uzay).
Madde, Radyasyon veya karanlık enerji gibi uzayın kendisine özgü enerjinin egemenliğinde olduğunda uzay-zamanın nasıl genişlediğini gösteren bir örnek. Bu çözümlerin üçü de Friedmann denklemlerinden türetilebilir. Genişletmeyi 'uzatma' veya 'yeni alan oluşturma' olarak görselleştirmenin her durumda yeterli olmayacağını unutmayın. (E. SIEGEL)
Uzay, düşündüğünüzün aksine, parçacıklara veya başka bir enerji biçimine davrandığınız gibi davranabileceğiniz bir fiziksel madde değildir. Bunun yerine, uzay basitçe zemindir - eğer isterseniz - Evrenin kendisinin üzerinde veya karşısında açıldığı bir sahne. Uzayın özelliklerinin neler olduğunu ölçebiliriz ve Genel Görelilik kurallarına göre o uzayda ne olduğunu bilirsek uzayın nasıl eğrilip gelişeceğini tahmin edebiliriz. Bu eğrilik ve bu evrim, var olan her enerji kuantumunun gelecekteki yörüngesini belirleyecektir.
Evrenimizdeki radyasyon, uzayın kendisi hiç incelmese de uzay esniyormuş gibi davranır. Evrenimizdeki karanlık enerji, yeni bir uzay yaratılıyormuş gibi davranır, ancak bu yaratılışı tespit etmek için ölçebileceğimiz hiçbir şey yoktur. Gerçekte, Genel Görelilik bize yalnızca uzayın nasıl davrandığını, geliştiğini ve içindeki enerjiyi nasıl etkilediğini söyleyebilir; bize uzayın gerçekte ne olduğunu temelde söyleyemez. Evreni anlamlandırma girişimlerimizde, ölçülebilir olanın üstüne yabancı yapılar eklemeyi haklı çıkaramayız. Uzay ne uzar ne de yaratılır, sadece vardır. En azından Genel Görelilik ile tam olarak ne olduğunu bilemesek bile nasıl olduğunu doğru bir şekilde öğrenebiliriz.
Bir Patlamayla Başlar tarafından yazılmıştır Ethan Siegel , Ph.D., yazarı Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .
Paylaş: