Yaşadığımız gözlemlenebilir evreni yok edecek olan vakum köpükleri var mı? Fizikçiler evreni yöneten fizik yasalarını tanımlayan sahte vakumda aniden ortaya çıkan vakum köpüklerini arıyor. Bunlar tıpkı eski bir fotoğraf filmini çakmakla yakar gibi uzayı delebilir ve hızlı genişleyerek bütün evreni yutup yok edebilir. Peki vakum köpükleri ve sahte vakum nedir? Sahte vakum büyük patlamayla nasıl ortaya çıktı ve evreni nasıl oluşturdu? Kozmolojinin en derin sorularını basit haliyle görelim.
Vakum köpükleri ve uzay çürümesi
Fizikçiler evrenin nasıl oluştuğunu tanımlayan kozmoloji teorilerinde bir ihtimal ortaya çıkabilecek vakum köpüklerini araştırıyor. Bunlar teorilerdeki denklemleri çözerken ortaya çıkan sonuçlardan biridir. Ancak, vakum köpüklerine geçmeden önce uzay boşluğu da dediğimiz vakumun ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Ardından sahte vakumu anlatıp kısaca evrenin nasıl oluştuğuna bakacağız.
Sonra uzay-zamanı kumaş düşmanı güve gibi içten içe yiyip tüketebilecek vakum köpüklerinin gerçekten ne kadar tehlikeli olduğunu anlamamız kolay olacak. Her şey evreni oluşturan büyük patlamadan bile önce gelen inflaton enerji alanıyla başladı:
Uzay ve zaman büyük patlamadan eskidir ve biz de evrenin geçmişini yaklaşık 10-43 saniye olan Planck anına kadar teorik olarak izleyebiliyoruz. Daha fazla geri gidemiyoruz; çünkü kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi bize engel oluyor. Nitekim o sırada evren aşırı sıcak ve yoğun bir ortamdı:
Uzay o kadar sıcaktı ki denizde yüzen bir ceviz kabuğunun veya radyo sinyallerinin yol aldığı elektromanyetik alanın tersine, uzaydaki bir noktayı matematiksel olarak tanımladığınız zaman (enerji değerini bildiğiniz zaman) uzayın tamamı hakkında bilgi sahibi oluyordunuz (teknik adıyla uzay-zaman, Planck anında bir skalar kuantum enerji alanıydı).
Oysa günlük hayatta öyle değildir. Mesela sokakta hava soğukken kaloriferli odanız sıcaktır. Gözlemlenebilir evren bir skalar alan değildir. Ancak, skalar alanların çok garip bir özelliği var. Bunlar tıpkı denizler gibi geç ısınır ve geç soğurlar. Biz de buradan zamanın akmaya başlamasına geçelim; çünkü daha büyük patlama ile evreni oluşturacağız. 😉
Planck anından sonra evren bir şekilde genişleyerek soğumaya başladı. Ancak skalar alan sıcak ve enerjik kaldı. Bu da skalar kuantum alanında enerji fazlasına yol açtı. Bu enerjinin bir yere gitmesi gerekiyordu ve gitti de! Skalar alan inflaton enerji alanına dönüştü (şişme alanı denilen başka bir alan). Bunun verdiği güçle de bizzat evreni ışıktan hızlı şişirmeye başladı (buna kozmik enflasyon diyoruz).
Evren 10-35 ila 10-33 saniye arasında ışıktan hızlı şişti. Öyle ki her 10-28 saniyede evrenin boyutu ikiye katlandı (Bu üstel bir artıştı: 2 metreküp, 4, 8, 16 metreküp gibi). Şişme evresinin tam olarak ne zaman gerçekleştiği ve ne kadar sürdüğü fizikçiler arasında hâlâ tartışılıyor. Bu yüzden sayıları kafaya takmayın ve fikir edinmekle yetinin.
Evren ışıktan hızlı şişiyordu ama kuantum belirsizlik ilkesine tabiydi. Bu nedenle inflaton enerji alanı yer yer çökmeye başladı. Işıktan hızlı şişen evrenin içinde ışıktan yavaş genişleyen ve kendi fizik yasalarına sahip olan bizimki gibi gözlemlenebilir evren oluşmaya başladı. Öyle ki evren talihsiz bir ceket kolu olsaydı, boşlukta köpük köpük oluşan bu evrenleri, sigaranın yaktığı ceket koluna benzetebilirdiniz. Sonuçta inflaton alanı tıpkı radyoaktif atom gibi rastgele bozunuyordu.
Peki sonra ne oldu?
İnflaton alanı çöktü ve evrenin büyüklüğü bir misket veya futbol topu büyüklüğünde iken bizim evrenimizi oluşturacak bir uzay köpüğü ortaya çıktı. İnflaton alanının çökmesiyle serbest kalan enerjinin de bir yere gitmesi gerekiyordu. Bu enerji büyük patlamaya yol açtı ve büyük patlamanın enerjisiyle de temel parçacıklar oluştu. İşte biz böyle meydana geldik. Peki bunun vakum köpükleri ve sahte vakumla ne ilgisi var? Çok ilgisi var:
İnflaton alanı çöktü derken, bu alanın sahip olduğu enerjinin, tıpkı uçurumdan aşağı yuvarlanan bir topun aşağıya inmesi gibi aniden azaldığını kastediyoruz. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi de burada devreye giriyor:
Bir parçacığın konumu ve hızını aynı anda bilemeyeceğimiz için boş uzayda bile sanal parçacıklar oluşabilir. Dahası uzaydaki bütün madde ve enerjiyi dışarı çıkarsak bile, uzay boşluğunu dolduran kuantum alanlarının enerjisi var olmaya devam edecektir. Bu alanlar da belirsizlik ilkesi yüzünden dalgalı bir deniz gibi rastgele dalgalanacaktır.
Özetle uzay boşluğu yüzde 100 boş değildir (vakum). Kısmen boştur (sahte vakum). Boş uzayda rastgele enerji salınımları vardır ki bunlara kuantum köpük deriz. Gelelim vakum köpüklerine: İnflaton enerji alanı çöküp de evrenimizi yarattığı zaman minimum enerji değerine düştüğünü nereden biliyoruz?
Belki de şu anda evrenin çerçevesini oluşturan uzay boşluğunun enerjisi 0,0001 Joule değil de 0,001 Joule’dır ve belki de yarın, 3 milyar ışık yılı uzaktaki bir galaksinin içinde, uzay boşluğunun enerjisi birdenbire 0,0001 Joule’a düşecek. Belirsizlik ilkesi kaypaktır ve ne yapacağı belli olmaz. Bu durumda bizzat uzay boşluğu inflaton enerji alanı gibi çökecektir. İşte buna ölümcül vakum köpüğü deriz.
Vakum köpükleri kara deliklerden daha tehlikelidir; çünkü kara delikler gerçek evrenin içinde oluşur ve kendi içinde olan bitenler hariç evrene zarar vermez. Zaten kara deliğe giren de dışarı çıkamaz. Dolayısıyla orada şirinler köy kursa ve in-cin top oynasa bile bizi ilgilendirmez.
Öte yandan evrendeki fizik yasaları (yerçekimi, elektromanyetizma, nükleer kuvvetler vb.) uzay boşluğunun bugünkü minimum enerji değerine bağlıdır. Bu değer aniden azalırsa uzayda fizik yasalarının farklı olduğu yeni bir vakum köpüğü oluşur. Bu da yaşadığımız evrenin içinde yeni bir evrenin oluşması demektir. Peki bu evren ne yapacak? Genişleyecek tabii!
Yaşadığımız gözlemlenebilir evreni içten içe yiyip bitirecek. Evreni içten yok edecek ve hepimizi yok ederken yerimize yeni bir uzay-zaman, yeni bir sahte vakum; yani yepyeni bir evren doğuracak! İşte en büyük kıyamet senaryosu budur.
Sicim teorisi henüz kanıtlanmadı. Ancak, vakum köpükleri sicim teorisine özgü değil. Alan Guth’un kozmik enflasyon teorisinden türeyen bütün kuramlarda vakum köpükleri ortaya çıkıyor. Witten’in anlatımıyla, “Uzayda aniden ve rastgele bir delik oluşarak sonsuzluğa genişliyor ve karşılaşabileceği her şeyi de sonsuzluğa itiyor.” Korku romanlarını Stephen King değil, fizikçiler yazsın. 😮
Şener Şen, Yol Ayrımı filminde oğlunun iş yerinde içki içtiğini görünce kan donduran bir ifadeyle “Endişelenmeli miyim?” diye sorar. Biz de vakum köpükleri için endişelenmeli miyiz o zaman? Aslında korkmamak lazım. Evren 13,78 milyar yıl yaşında ve yok olmadı. Witten’ın makalesi üzerinden geçen son 32 yılda da yok olmadı.
Gözlemlenebilir evren 92 milyar ışık yılı çapında, yani çok büyük VE yaşlı olduğuna göre; vakum köpüklerinin oluşmasını engelleyen veya aşırı nadir olmasını sağlayan bir şey olmalı. Sicim teorisyenleri Giuseppe Dibitetto, Nicolò Petri ve Marjorie Schillo da yeni yayınladıkları makalede bunun sebebini araştırıyor.4 Peki vakum köpükleri aşırı nadirse veya hiç oluşmuyorsa biz neyi tartışıyoruz?
Merak etmeyin, bilim insanlarının geçerli bir sebebi var ki bunların hepsi Rusların yüzünden! 1970’lerin başında Rus fizikçiler, kararlı sahte vakum ile ışıktan hızlı şişen uzay arasında (vakum yokluğu) bir ara aşama olabileceğini buldular. Bunu da belirsizlik ilkesinden yola çıkarak ortaya koydular. Söz konusu ara aşamaya yarı-kararlı vakum diyoruz.
Düşük bir olasılık, ama evrenimiz oluşturan inflaton alanı, 13,78 milyar yıl önceki büyük patlama anında lokal olarak tümüyle çökmemiş olabilir. Belki de vakum fark edemeyeceğimiz kadar yavaş bir hızla çökmeye devam ediyor. Boş uzayın enerjisi azar azar azalıyor veya boş uzay, dik duran bir kurşunkalemin devrilmenin eşiğinde olması gibi bir dönüm noktasında. Ha çöktü ha çökecek.
Bu durumda yaşadığımız uzayı belirleyen sahte vakum aslında yarı-kararlı vakumdur. Sadece çökme süresi evrenin yaşından uzun sürdüğü için (20 milyar yıl veya sonsuzluk kadar uzun?) evrenimiz bize stabil görünüyordur. Biz de uzaya bir şey olmaz diye kendimizi boşuna güvende hissediyor olabiliriz.
Tabii fizikçiler evreni yok etmek isteyen birer psikopat değil ve vakumla ilgilenmelerinin bir sebebi var: Yarı-kararlı vakumun gerçek sahte vakuma dönüşmesi bir evren ömrü kadar sürüyorsa, kozmik enflasyondan türeyen bütün evrenler (bizim evrenimiz de dahil) aslında birer yarı-kararlı vakumdur. Kısacası bizim için hiç fark etmez. Vakum 1 trilyon yıl sonra çökecekse bize ne?
Hocam peki siz bunu neden yazdınız derseniz pratik bir amacım var: Size bilimsel düşüncenin temelini anlatmak istiyorum. Eğer ışıktan hızlı yolculuk etmek mümkün olsaydı doğa solucandeliklerine ve zaman makinesine izin verirdi.