Kuantum Teorisi
Modern fiziğin en önemli unsurlarından birisi kuantum fiziğidir. Alman Fizikçi Max Karl Ernst Ludwig Planck’ın (1858-1947) 1900 yılında kara cisim (madde) radyasyonu üzerine çalışırken bulduğu “kuanta” adındaki küçük parçacıklardan bahsetmesi Kuantum Teorisi’nde ilk adım olmuştur. Bu formüle göre ışık, enerjisinin dalga paketleri halinde aktarıldığında ortaya çıkmakta ve ışığın bu kesintili yapısı klasik fiziğin temel bir esası olan doğanın sürekliliğine zarar vermektedir. Böylece bundan böyle Latince ‘nature non facit saltus’ yani ‘doğa asla sıçramaz’ sözü geçerliliğini yitirmekteydi. Bununla birlikte kütlenin enerjinin farklı bir biçimi olduğu ortaya çıkmış ve kütle artık adeta donmuş bir enerji olarak kabul edilmeye başlanmıştır.
Madde, bir enerji patlamasında ortadan kaybolabilmekte ve buna karşılık yeterince enerji bir merkezde toplanacak olursa, ortaya madde çıkabilecektir. Kuantum Teorisi’nde ikinci önemli adım ise 1905 yılında Einstein tarafından atılmıştır. Einstein, Planck’ın çalışmalarından yola çıkılarak fotoelektrik etki diye bilinen ışıktaki enerjinin kuanta ve foton denilen sistemler tarafından taşındığını ileri sürmüştür. Birçok bilim adamının katkılarıyla ortaya çıkan Kuantum Teorisi’ne Einstein’ın da büyük katkıları olmasına karşın, kendisi Kuantum Teorisi’ni nesnel gerçeklik kavramlarıyla çelişmesi, ani ve plansız sonuçlar ortaya çıkarması yönüyle sağduyuya aykırı bulmuş ve geçici nitelikte bir teori olduğunu savunmuştur.
Daha önce Newton da ışığın yayılma keyfiyeti hakkında söz söylemiş, İskoç teorik fizikçi ve matematikçi James Clerk Maxwell (1831- 1879) ve Alman fizikçi Gustav Ludwig Hertz (1887-1975) gibi bilim adamları, ışığın parçacıklardan oluştuğunu ve dalga şeklinde yayıldığını iddia etmişlerdi. Ancak bilimsel ilerlemeler, ışığın birbirleriyle çok zıt olan hem parçacık hem de dalga şeklinde yayılabildiğini gösteriyordu. Bu durumu ortaya koyan en önemli deneylerden biri ise "çift yarık" deneyidir. Bu deneye göre elektronlar, kah tanecik, kah dalga gibi davranmaktadır.
Modern fiziğin makro âlemle ilgili en önemli teorisi İzafiyet Teorisi iken, mikro âlemle ilgili en önemli teorisi ise Kuantum Teorisi’dir. Kuantum Teorisi sayesinde deterministik (rastgelelik bulunmayan) dünya görüşü sarsılmış, yerine elde bulunan verilerden geleceğin kestirilemediği indeterministik (belirlenimsizlik, kestirelenemeyen) bir görüş ortaya çıkmıştır. Aristo’nun ortaya koyduğu ve neredeyse bin yıldır itibar edilen Ayüstü-Ayaltı âlem ayırımı ve buna bağlı olarak her iki farklı alanda farklı yasaların geçerli olduğu düşüncesi, Newton’un geliştirdiği formüllerle geçerliliğini yitirmiş ve âlem hakkında bütüncül ve deterministik bir görüş benimsenmiştir.
Newton yasalarından sonra evrenin mekanik bir sistemle çalıştığı görüşü üzerine sistemli bir şekilde determinizmi ilk defa dile getiren Fransız matematikçi ve gökbilimci Pierre-Simon Laplace (1749-1827) olmuştur. Onun iddiası, evrende bütün parçacıkların konum ve hızları bir anda bütün ayrıntılarıyla bilinebilirse, geçmiş ve geleceğe dair her şeyin bilinebileceği şeklindedir. Ancak bugün geldiğimiz nokta, atomun yapısını açıklamak için, atom altı parçacıkların hareketlerinin belirlenmesinin, bu parçacıklara determinizm ilkesini uygulayabilmek için ise belli bir andaki konumlarının, hızlarının ve yönlerinin bilinmesinin gerekliliğidir.
Kendi adıyla anılan Belirsizlik İlkesinin mucidi Alman Fizikçi Karl Werner Heisenberg’in (1901-1976) 1925 yılında matriks mekaniği ve 1926 yılında Avusturyalı fizikçi Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger’in (1887-1961) dalga mekaniği, Kuantum Teorisi’nin bugün bilinen şekliyle ilk defa ortaya çıkmasına yol açmıştır. Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre atom seviyesinde parçacıkların konum ve hızlarını aynı anda hesaplamamız imkânsızdır. Bu ilkeye göre atomların konumunu ne kadar doğru belirlemeye çalışırsak hızı o derece belirsizleşir, öte yandan hızını ne derece doğru belirlemeye çalışırsak da bu kez konumu o derece belirsizleşir. Heisenberg’in ortaya koyduğu belirsizliğin anlamı, aslında var olan bir potansiyelin gelecekte nasıl davranacağının tam olarak önceden kestirilememesidir. Bu da elbette mekanik evren anlayışını oldukça yaralamaktadır. Bu bilinmezliğe çözüm olarak ise ‘olasılık’ kavramı kullanılmış, parçacıkların hızları ya da konumları belli olasılıklarla belirlenmiştir. Öte yandan A. Einstein ise bu görüşe şiddetle karşı çıkarak o ünlü‘Tanrı zar atmaz!’ sözüyle, evrende kesinlikle ihtimal hesapları yapılamayacağını iddia etmiştir.
Ancak atomların konum ve hızlarına dair bu bilinmezlik farklı nedenlerden kaynaklanıyor olabilir. Bu bilinmezlik ya cehaletimizden ya deneysel ve kavramsal sınırlılıklarımızdan, ya da gerçekte ontolojik (varlıkbilimsel) bir indeterminizmden kaynaklanmış olabilir. Cehaletimizden kaynaklandığını iddia edenler, Einstein’ın ‘Tanrı zar atmaz’ sözünden de anlaşılacağı gibi, bizim bilgisizliklerimizin sonucu olduğunu ve evrende gerçekte determinist (gerekirci) bir yapı olduğunu iddia etmişlerdir. Deneysel ve kavramsal altyapımızın sınırlı oluşundan kaynaklandığını iddia edenler ise, atom altı dünyanın deneysel çalışmalarla tam olarak bilinemeyeceğini ve var ya da yok olduğunu tam olarak tespit edemeyeceğimizi savunur. Alman filozof Immanuel Kant’ın (1724-1804) insan zihninin kendi kategorilerini dış dünyaya dayattığına dair görüşü de bu düşünceyi desteklemektedir.
Atomların konum ve hızlarının tarafımızca bilinememesine dair üçüncü görüşü yani gerçek bir ontolojik indeterminizmin varlığını savunanların başında ise yukarıda bahsettiğimiz ünlü Alman Fizikçi Karl Werner Heisenberg gelmektedir. Ancak Tanrı’nın da içinde bulunduğu ontoloji (varlıkbilim) içerisinde bir belirsizlik olup olmadığı tartışma konusudur. Zira teist düşünceye göre Tanrı, evrendeki belirsizlikler içerisinde olasılıklardan bir tanesini seçecek ve hayata geçirecektir. Böylece evrende hayat devam edecektir. Ancak Tanrı’nın bizzat kendisi için herhangi bir belirsizlik ya da olasılık söz konusu değildir. İndeterminizmi Tanrı’nın da içerisinde bulunduğu ontolojinin tümü ile ilgili düşündüğümüz durumda, Tanrısal irade ya da kudret söz konusu olamayacağından, teizme zarar verecek ve ateizme kapı aralayabilecektir.
Termodinamik Yasaları
Klasik fizik anlayışımızın sarsılmasında bir başka önemli gelişme ise termodinamik yasalarının bulunmasıdır. Termodinamiğin birinci yasası, tecrit edilmiş bir ortam olarak evrende toplam enerjinin sürekli sabit olduğunu söyler. “Enerjinin Korunumu Kanunu” olarak da bilinen bu yasa aslında maddenin ve enerjinin korunumunu ayrı ayrı ele almasına rağmen Einstein’ın ünlü E=mc2 formülüyle birleştirilmiştir.
Termodinamiğin ikinci yasası ise entropi denilen, evrendeki düzensizliğin sürekli arttığı anlamına gelmektedir ve entropi yasası olarak da bilinir. Enerji, sürekli daha çok kullanılabilir bir formdan daha az kullanılabilir bir forma doğru akmaktadır. Yasaya göre evrende düzensizlik sürekli artmakta ve böylece ısı kaybı daima sıcaktan soğuğa doğru kaymaktadır. Termodinamik yasaları ortaya koymaktadır ki evrendeki toplam enerji, birinci yasaya göre sabit halde iken ikinci yasaya göre ise evrendeki düzensizlik sürekli artmaktadır.
Uzayın ezelî değil de sonradan var olduğuna inanan bazı teistler, termodinamik yasalarını kendi düşüncelerine bir delil olarak kabul etmiştir. Onlara göre yukarıdaki öncüllerden hareket edecek olursak, evren ezelî olamayacaktır. Zira ezelden başlayan bir düzensizliğe gidiş süreci imkânsızdır. O halde evrenin bir başlangıcı olmalıdır. Craig’e göre ise eğer evren sonsuzca ezelî olsaydı bugüne kadar çoktan maksimum entropiye ulaşmış olacaktı. Ona göre, termodinamik yasaları evrenin sınırlı bir zaman önce var olmaya başladığını göstermekle birlikte bu iddia, evrenin mekanik olması halinde de, göreceli olması halinde de geçerliliğini koruyacaktır.
Büyük Patlama (Big Bang)
Şimdiye kadar bahsettiğimiz bilimsel gelişmelerle, evren için bir başlangıç teorisi bulunduğunu ortaya koymaya çalıştık. Bu bilimsel gelişmelerle uyumlu Big Bang adı verilen Büyük Patlama Teorisi’ne göre yaklaşık 14 milyar yıl önce evren, büyük bir patlamayla birlikte sonsuz bir yoğunluk halinde genişlemeye başlamıştır. Büyük patlama anında patlamanın şiddeti daha zayıf olmuş olsaydı, kozmos neredeyse geriye, kendi üzerine çökmüş olacaktı. Öte yandan daha güçlü olsaydı, kozmik malzeme o kadar hızlı dağılacaktı ki gök adalar şekillenmeyecekti. Her bir durumun evrenin yapısının ve patlayan enerjinin birbirine tamamen uyumlu çekim gücüne çok hassas olarak dayandığı görülmektedir.
Büyük Patlama Teorisi’ne göre patlama anında evren, maddenin korunumunu ifade eden termodinamiğin birinci yasasını ihlal etmeyerek bugünkü toplam enerjisini ihtiva eden, hacmi küçük, ancak yoğunluğu muazzam derecede büyük bir enerji halindedir. Büyük patlama anında evrenin sıfır büyüklükte ve bu sebeple sonsuz sıcaklıkta olduğu kabul edilir. Ancak evren genişlemeye başlayınca ışımanın sıcaklığı büyük patlamadan yaklaşık 1 saniye sonra neredeyse 10 milyar °C’ye kadar düşmektedir. Büyük patlamadan yaklaşık 100 saniye sonra sıcaklık 1 milyar °C’ye yani en sıcak yıldızların iç sıcaklığına denk olacaktır. Büyük patlamadan sonraki birkaç saat içinde ise helyum ve diğer elementlerin oluşumu duracak ve bundan sonraki 1 milyon yıl kadar sürede evren büyük bir değişikliğe uğramadan yalnızca genişleyecektir.
Pekâlâ, Büyük Patlama nerede ve ne zaman gerçekleşmiştir? Genişleyen Evren anlayışına dayalı olarak başlangıçta nokta seviyesinde bir uzayın büyük bir patlama sonrasında ortaya çıkması mantığına dayandığı için, ‘Büyük patlama nerede oldu?’ sorusu mantıksız kalmaktadır. Başka bir ifadeyle, genişleyen uzayın bir nokta halinde olduğunu düşünürsek ‘Büyük Patlama her yerde oldu’ ya da ‘yokluk denizinde oldu’ demek daha mı anlamlı olacaktır?
Büyük Patlama Teorisi’nin doğruluğuna bizi götüren yapı taşlarından en önemlileri Friedman’ın genişleyen evren modelinin kabulü ile birlikte Einstein’ın Genel İzafiyet Teorisi’dir. Buna göre evren genişlemekte ve bu genişleme kütle çekim kuvveti ile izah edilmektedir. Termodinamiğin yasaları içerisinde ele alınan entropideki artış yani evrenin düzenli durumdan sürekli bir şekilde daha düzensiz duruma doğru ilerlemesi, Büyük Patlama Teorisi’ni desteklemektedir.
1940’larda Genişleyen Evren Modeli’ni kabulle birlikte bazı bilimsel sorunları aşmak ve evrenin ezelî olduğunu iddia etmek için üç bilim adamı, İngiliz Astronom Fred Hoyle (1915-2001), İngiliz-Avusturyalı bir matematikçi ve kozmolog Hermann Bondi (1919-2005) ve Avusturyalı astrofizikçi Thomas Gold (1920-2004) Kararlı Durum Modeli (Steady State Model) adını verdikleri yeni bir model geliştirdiler. Buna göre evren genişlemekte, yıldızlar arasında oluşan boşluklarda sürekli yeni yıldızlar oluşmakta ve böylece evren durağan görüntüsünü korumaktadır. Bu teoriye göre evrende sürekli yeni galaksilerin oluşması ve yoktan yaratma ile aradaki boşlukların doldurulduğu varsayılmıştır.
Ancak 1965’te kozmik mikrodalga arka fon ışınımının keşfi ile birlikte bu model de geçerliliğini yitirmiştir. Bu kozmik mikrodalga arka fon ışıması ne demek? Birkaç kelimeyle onu da açıklayalım.
Diyelim ki başlangıçta büyük bir patlama oldu, bu durumda o patlama sırasında evrene yayılan ışınımın izlerini günümüzde uzayın her tarafında gözlemlememiz gerekir. Bu şu demek: bilim adamları detektörlerini, inceleme aygıtlarını uzayın hangi yönüne çevirirlerse çevirsinler ışımanın şiddeti aynı olmalıydı. Ve de o aygıtlar, detektörler dimdik gökyüzüne çevrildiğindeyse bu belirtilerin en aza inmesi gerekiyordu. Neden? Çünkü “ışık ışınları” atmosfer içinde ufuk çizgisinden doğru gelirken tam tepeden geldiklerinden daha uzun yol kat edeceklerdi. İşte 1965’deki kozmik mikrodalga arka fon ışınımının keşfi Kararlı Durum Modeli’nin geçerliliğini ortadan kaldırmış ve büyük patlama ile başlayan bir evren modelinin geçerliliğini teyid etmiştir.
Bir başka evren modeli ise İngiliz bilim yazarı, astrofizikçi John R. Gribbin’e (D.1946) ait olan Salınan Evren Modeli’dir (Oscillating Universe Theory). Bu model ‘Big Bang’den önce ne vardı?’ sorusuna cevap olarak ortaya çıkmıştır. Buna göre evren, bir tekillikten başlayarak genişlemekte, sonra geri kapanmakta, sonra tekrar genişlemekte ve bu dairesel döngü böylece devam etmektedir. Ancak Gribbin’in ortaya attığı bu modelde pek uzun ömürlü olmayacaktı. 1974 yılında dört önemli gökbilimcinin evrenin açık olduğuna dair birçok farklı delil türlerini birleştirerek, genişlemenin daima devam edeceğini ortaya koymasıyla, bu Salınan Evren Modeli de geçerliliğini yitirmiştir.
Craig, bu evren modellerini yorumlarken bilimsel delillerin evrenin 14 milyar yıl kadar önce mutlak bir başlangıç ile genişlemeye başladığını söylemesine işaret ederek, Kararlı Evren Modeli’nin gözlemlenen bu evren için hiç de uygun olmadığını belirtmektedir. Salınan Evren Modeli ise ona göre evrenin açık olduğuna işaret eden birçok sabiti ihlal etmektedir.
Eğer Büyük Patlama Teorisi doğruysa, evren sonsuz yoğunlukta bir başlangıç tekilliğinden meydana gelmiş ve kuantum yasalarına göre yokluktan ortaya çıktıysa, akıllara şöyle bir soru gelmektedir: Big Bang’e neden olan şey neydi?
Big Bang’e Ne Neden Oldu?
Amerikalı teorik fizikçi ve kozmolog Alan Harvey Guth (D.1947)1981’de yaptığı araştırmalar sonucunda Şişme Teorisi ile bu soruya bir cevap bulmaya çalışmıştır. Ulaştığı sonuçlara göre büyük patlamaya süper soğuma ve faz değişimleri sırasında boşlukta ortaya çıkan negatif kuvvet yol açmıştır. Ancak bu tezi kabul etmemiz durumunda şu sorunun da cevabının verilmesi gerekiyor. Bu süper soğumaya ve faz değişimlerine ne veya neler yol açmıştır?
Bilinen doğal birimler sisteminde zaman birimine biz fizikte “Planck Zamanı" adını veriyoruz. Bu zaman birimi, ışığın bir vakumda bir Planck uzunluğu mesafesini kat ettiği süredir. Birim, onu ilk kullanan 1918 Nobel Fizik Ödüllü Alman Fizikçi Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) kısaca Max Planck'ten sonra adlandırılmıştır. Şöyle gösterilir; 10 üzeri -43 saniye. Aklınız karıştı biliyorum ama mademki konuya girdik meraklısı için tüm bildiğimizi aktarmak durumundayız.
Planck Zamanı; hem kuantum mekaniği, hem de kütleçekiminin etkin olduğu zaman ölçeğidir. Yukarıda da belirttiğimiz üzere tam olarak, 10^-43 saniyeye karşılık gelir. Şimdilik kanıtlı, ispatlı, geçerli bir kuantum kütleçekim teorimiz olmadığı için, o zaman dilimi içerisinde yani Big Bang’de tam olarak neler olduğunu bilemiyoruz maalesef. Ancak bildiğimiz bir şey var, o da tüm doğal kuvvetlerin, bu zaman aralığında tek bir kuvvetmiş gibi davrandığıdır. Özetle bu koca evren, o zaman diliminden "fırlama"dır.
Çok, çok, çok kısa anları ölçmede kullanılan, günümüzde ölçülebilen en kısa zaman birimidir Planck Zamanı. Mesela evrenin 1 saniyeden kısa sürede oluştuğunu düşünürsek, ilk oluşum sürecini anlayabilmek için bu birimden yararlanılarak olaylar kronolojik olarak sıralanır. Sanırım bu konuda az da olsa bir fikir sahibi olduk.
Bu Planck Zamanı öncesinde neler olduğuna dair şimdilik sadece teoriler ileri sürülmekte. İsviçre’deki Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’nde - The European Organization for Nuclear Research (CERN) LHC yüksek enerjili parçacık hızlandırıcı tünelleri (Large Hadron Collider) ile bazı testler yapılmaktadır. Ancak bu sorunun bugün için bilimsel bir cevabı henüz bulunmamıştır. Ancak Şişme Teorisi ile büyük patlama öncesi bir olay tespit edildiğine göre, evrenin başlangıç anının büyük patlama olmadığı söylenebilir. Neden? Çünkü, öncesinde patlamayı hazırlayan olaylar yani boşlukta ortaya çıkan negatif kuvvet söz konusudur. Şişme Teorisi ortaya çıkmadan önce, büyük patlama tek ve biricik bir başlangıç anı olarak kabul edilirken, Şişme Teorisiyle birlikte büyük patlama daha önce gerçekleşmiş fiziksel bir sebebe bağlanmış, yaratılışın ilk anı olmaktan çıkmıştır. İşte burası çok önemli. Yani? Hemen herkesin, her şeyin, tüm evrenin, sonsuz bucaksız ancak “canlı” uzay boşluğunun bir patlamayla (Big Bang) başladığından az ya da çok haberi vardır. Kulak dolgunluğu vardır, bir yerden duymuştur, az biraz merakı da varsa okuyup öğrenmiştir. Ancak sıkılmayıp ta bu yazımızı buralara dek okuduysanız yepyeni bir şey daha bilgi hanenize eklemiş oluyorsunuz şu anda. O da ister kâinatın doğuşu, ister zekânın başlangıcı vb. deyin, BIG BANG YARATILIŞIN İLK ANI DEĞİLDİR.
Bilimin biricik kaynağının merak, öğrenme arzusu olduğu gerçeğinden hareketle, artık Büyük Patlama’dan öncesi için de sorular soruyoruz. Neden, nasıl, hangi sebeple oldu, oluştu, gerçekleşti bu BIG BANG? Öyle ya mikro ve makro dünyalarda en önemli gerçek sebep, sonuç ilişkisidir. O halde bu patlamaya neden olan, ona sebebiyet veren bir takım gelişmeler de olmuştur mutlaka. İşte bilim adamları da, özellikle bu Şişme Teorisi sayesinde yaratılışın ilk anını, Big Bang’in o patlamaya neden olan sebeplerine çektiler. Bir başka deyişle BIG Bang’e, Büyük Patlamaya ne veya neler sebep olmuştu? CERN’de de son yıllarda aranan ve de tüm dünyada ilgi gören ve çıkacak sonucun merakla takip edildiği de bu kısaca.
Dedik ya bilimle uğraşanlar kolayca tatmin olmazlar, 1946 Londra doğumlu İngiliz fizikçi, yazar ve yayıncı Paul Charles William Davies ‘e göre de ‘Big Bang’e ne sebep oldu?’ sorusu neden ve sonuç kavramlarının zamansal kavramlar olmasından ve zamanın var olmadığı bir durumda uygulanamayacağından dolayı anlamsızdır.
Bir diğer konu da boşlukta ortaya çıkan kuantum dalgalanmaları, kuantum yasalarına göre ortaya çıktıkları için kuantum yasalarının önceden varlığının gerektiği durumudur. Zira belirsizlik ilkesi, “parçacıkların boşluk dalgalanmaları ile kısa süreliğine ortaya çıkmalarına izin verir.” Pekâlâ, işte size bomba gibi bir soru. Kuantum yasalarını büyük patlamadan önce kim koymuştur? Kuantum yasaları sebepsiz midir? Bilim dünyasında geldiğimiz noktada deterministik bir âlem anlayışının modern fizikteki gelişmeler ile geçerliliğini yitirmiş ve yerini Kuantum Teorisi’nin hâkim olduğu indeterminizme bırakmış iken, âlemin varoluşunun başlangıç keyfiyetine dair birçok nokta kapalı kalmaya devam etmektedir ve de daha uzun yıllar da bu gizemini sürdürecektir. Ta ki bilim adamları, yeni teorileriyle bu sorulara yepyeni cevaplarla karşımıza çıkana kadar. Ancak emin olduğumuz tek şey, dünyanın herhangi bir yerindeki bir laboratuarda bazı bilim adamlarının bu konuda çalışmalarını sürdürdükleridir.
Sağlıcakla kalın….
