Patlayan şey
evrenin kendisi
Evren, atomdan küçük ve sıcak bir noktadan başladı; 13,8 milyar yıldır genişliyor. Bu ünite iki kanıtla başlıyor — kırmızıya kayma ve kozmik mikrodalga art alan ışıması — sonra maddenin en küçük yapı taşlarına, kuarklara ve leptonlara iniyor.
Büyük patlama teorisi; evrenin aşırı yoğun, sıkıştırılmış enerji şeklinde, atomdan küçük ve sıcak bir noktadan meydana geldiğini savunan ve yaygın şekilde kabul gören bir modeldir. Büyük patlama teorisine göre patlayan şey evrenin kendisidir. Yoğun parçacık ve fotonların soğuması sonucunda yıldızlar ve gök adalar oluşmuş ve evrenin şekli ortaya çıkmaya başlamıştır.
Sonsuz büyüklükteki evrenin büyük patlama ile başladığı fikri 1920 yılında ortaya atılmıştır. Büyük patlamadan sonra evrenin sürekli genişlediği fikri, bütün bilim çevrelerince kabul görmektedir. Son bulgular, evrenin sürekli genişlemekte hatta bu genişlemenin hızlanarak gerçekleşmekte olduğunu göstermektedir. Evrenin genişlemesinin sonsuza kadar devam edip etmeyeceği konusu henüz kesinlik kazanmamıştır.
Üzerinde yaşadığımız Dünya da dâhil olmak üzere her türlü astronomik cismi (gökadalar, gezegenler, yıldızlar, tozlar vb.) içine alan madde ve enerjinin tamamı evreni oluşturur. Günümüz teknolojisi ile evrenin görülebilen kısmı yani görünür evrenin çapı, şu an için ışığın yaklaşık 93 milyar yılda katedebileceği mesafe olarak tahmin edilmektedir. Evrenin boyutları muhtemelen görünür evrenden çok daha büyüktür.
Büyük patlama teorisinin dayandığı ilk bilimsel bilgiyi 1929 yılında Edwin Hubble keşfetmiştir. Hubble, uzak galaksilerden gelen ışığın renk tayfının kırmızıya kaydığını ölçmüştür. Hubble Yasası: “galaksilerle aramızdaki mesafe ne kadar fazlaysa galaksilerin bizden uzaklaşma hızları da o kadar fazladır.” Galaksilerin birbirinden uzaklaşması evrenin genişlediğini kanıtlayan bir olaydır. Ancak galaksilerde bir genişleme olmaz.
Genişledikçe evrenin sıcaklığı ve yoğunluğu azaldı. Böylece fotonların enerji seviyesinde düşüş oldu ve kararlı atomlar oluşmaya başladı. Atomların oluşmasıyla birlikte büyük patlamadan arda kalan fotonlar serbestçe yayılma imkânı buldu. 2,7 Kelvin değerinde yayılan bu ışınların mikrodalga boyutunda olduğu keşfedildi. Mikrodalga art alan ışıması, 1964 yılında gözlemlerle tespit edildi. COBE uydusunun ölçüm sonuçlarıyla bilim insanlarının öngördüğü sonuçlar tam uyumlu çıkmıştır.
Balon benzetmesinde şişen şey balonun yüzeyi, üzerindeki noktalar değil. Galaksilerin birbirinden uzaklaşması evrenin genişlediğini gösterir; ama galaksilerin kendisinde bir genişleme olmaz. Yani galaksilerin arası açılır, kendileri büyümez.
Kozmik mikrodalga ışınımın 1960’lı yıllarda keşfedilmesi ile büyük patlama teorisi genel kabul görmüştür. Büyük patlama teorisi dışında evrenin oluşumu ve geleceğini açıklamaya çalışan teoriler de mevcuttur.
| Teori | Dönem | Ne söyler? |
|---|---|---|
| Sabit evren | 1930’lu yıllar | Evren hep aynı kalır |
| Salınan evren | 1930’lu yıllar | Patlamalar sonucunda evren çöker, her çöküş sonrası tekrar patlama olur |
| Açılıp kapanan evren | 1960’lı yıllar | Evren önce genişler, sonra büzülür; döngü sürer |
| Enflasyonist evren | 1980’li yıllar | Evrenin de bir şekli olmalı ve bu şekil düzdür |
| Çoklu evren | — | Sonlu veya sonsuz birçok evren vardır; aradaki uzaklıklardan dolayı başka evrenlerin ışıkları diğerlerine ulaşmayabilir |
Karanlık madde, elektromanyetik dalgalarla (radyo dalgaları, gözle görülebilen ışık, x-ışınları vb.) etkileşime girmeyen, varlığı yalnız diğer maddeler üzerindeki kütle çekimsel etkisi ile belirlenebilen maddelere denir. Karanlık enerji, herhangi bir fiziksel parçacıkla ilişkili olmayan, evrenimizin genişlemesine neden olduğu düşünülen bir enerji türüdür.
Gözlemlenen toplam enerjinin yalnızca %4’ü görülebilir maddelerden oluşur; %22’si karanlık madde, geriye kalan %74’lük kısım ise karanlık enerjidir.
Kritik yoğunluk, yer çekiminin genişlemeyi durdurabileceği yoğunluk değeridir. Kritik yoğunluk, evrenin genişlemenin sonunda büzülmeye başlayıp başlamayacağını belirler. Evrenin geleceğiyle ilgili senaryolar tam olarak bu karşılaştırmaya dayanır: yoğunluk kritik değerden büyük mü, küçük mü, eşit mi?
İsviçre-Fransa sınırında bulunan yerin 100 m altında en büyüğü 27 km uzunluğunda halka şeklindeki tünellerden oluşan CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi) de Büyük Hadron Çarpıştırıcısında çok büyük mıknatıslar kullanılarak zıt yönlerde hızlandırılan proton demetleri, ışık hızına yaklaştıkları anda çarpıştırılmaktadır. Bu çarpışmalarda ulaşılan yüksek enerjiyle beraber ortaya çıkan atom altı parçacıklar dedektörler sayesinde tespit edilerek evrenin oluşum anı ile ilgili teoriler geliştirilmeye çalışılmaktadır. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda Atlas, Alice, CMS ve LHCB isimli dört adet algıç bulunmaktadır.
19. yüzyılın başlarına kadar maddenin en küçük yapı taşının atom olduğu düşünülmüştür. Üç keşif bu düşünceyi bitirdi.
Ardından üç keşif daha geldi: 1930’da Pauli, çekirdeğin beta bozunumuyla ortaya çıkan nötrinonun var olduğu varsayımını ortaya attı; 1934’te beta bozunmasının teorisini üreten Fermi kütlesi küçük olan bu parçacığa nötrino adını verdi. 1932’de Carl Anderson maddenin yapısında bulunmayan ve reaksiyonlar sonucu ortaya çıkan pozitron parçacığını buldu; elektronla aynı kütleye sahip ve +e kadar yük taşıması nedeniyle karşıt elektron adı verildi. 1930’da elektromanyetik etkileşimi taşıyan ve enerji taşıyan kütlesiz ışık taneciği bulunmuş, adına foton denilmiştir.
1960’lara kadar yapılan araştırmalar sonucunda proton, elektron ve nötronun temel parçacık olduğu düşüncesi değişmiş, bunların kuark adı verilen daha az sayıda ve temel düzeydeki atom altı parçacıklardan oluştuğu fikri bilim çevrelerince kabul görmüştür. Standart model, şu ana kadar bulunan parçacıkların yer aldığı ve yeni bulunabilecek parçacıkların eklenebileceği bir modeldir. Standart model, ayrıca bu parçacıkların etkileşimde olduğu kuvvetleri de açıklar. Standart modele göre temel parçacıklar, kuarklar ve leptonlardır. Bir parçacık, başka parçacıklardan oluşmuyorsa temel parçacık olarak kabul edilir ve bu parçacıklara madde parçacığı da denir.
Proton ve nötronların çarpıştırılarak nötronun protona dönüşümü anında oluşan W⁻ bozonunun, proton ve nötrondan daha fazla kütleye sahip olduğu bulunmuştur. Bu nedenle kütlede oluşan bu farktan dolayı bugüne kadar gözlenemeyen başka bir parçacık olduğu fikri öne sürülmüştür. Bu fikir 1964’te Peter Higgs tarafından ileri sürülmüş ve bu parçacığa Higgs Parçacığı veya Higgs Alanı adı verilmiştir. 2012 yılında CERN’de yapılan deneylerde Higgs bozonunun varlığı tespit edilmiştir.
Tüm uzayın Higgs alanıyla dolu olduğu varsayılır. Fermiyonlar, W ve Z bozonları uzayda hareket ederken bu alanla etkileşerek kütle kazanır. Fotonun ve gluonların kütlesiz olmasının sebebi ise Higgs alanıyla etkileşmemeleridir.
Bu dört kuvvetten üçünü (elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvet) tek başlık altında toplayan kurama standart model denir. 1961’de Sheldon Glashow elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvetleri birleştirmeyi başarmıştır. 1967’de Abdus Salam ve Steven Weinberg parçacıklara kütle kazandıran Higgs mekanizmasını Glashow’un kuramı ile birleştirerek elektrozayıf kuramını bugünkü hâline getirmişlerdir. Güçlü etkileşim 1970’lerde kuarkların varlığının doğrulanmasından sonra son hâlini almıştır. Standart modelin yaptığı pek çok tahmin doğrulanmıştır. Örneğin 1995’te bulunan üst kuark ve 2000’de bulunan tau nötrinosunun varlıkları standart model tarafından ileri sürülmüştü.
Kütle çekim kuvveti bu üçlünün dışındadır — standart model dört kuvveti değil, üçünü birleştirir.
Her kuvvetin bir taşıyıcı (alan) parçacığı, bir şiddeti ve bir menzili var. Bu üçlüyü birlikte hatırlamak, soruların çoğunu çözer.
| Temel kuvvetin adı | Aracılık eden alan parçacığı | Kuvvet şiddeti | Kuvvetin menzili |
|---|---|---|---|
| Çekirdek kuvveti (yeğin kuvvet) | Gluon | 1 | Kısa (1 fm) |
| Elektromanyetik kuvvet | Foton | 10⁻² | Sonsuz |
| Zayıf kuvvet | W⁺, W⁻, Z⁰ bozonları | 10⁻⁵ | Kısa (10⁻⁵ fm) |
| Kütle çekim kuvveti | Graviton | 10⁻³⁹ | Sonsuz |
1 femtometre (fm) = 10⁻¹⁵ m. Menzil sütunu, her kuvvetin etki edebildiği en büyük uzaklığı gösterir.
Güçlü nükleer kuvvet temel kuvvetler içinde en büyük şiddete sahiptir, ama menzili yalnız 1 fm — atom çekirdeğinin dışına çıkamaz. Kütle çekim ise en küçük şiddete sahiptir (10⁻³⁹) ama menzili sonsuzdur; gezegenleri yörüngede tutan odur. Yani şiddet ve menzil iki ayrı ölçüttür ve bu listede ters yönde gider: şiddeti en büyük ikisi kısa menzilli, en küçük ikisi sonsuz menzillidir.
Parçacıklar spinine göre de sınıflandırılmaktadır. Bunlar spini tam sayılı olan Bozonlar (Fotonlar) ve spini tam sayı olmayan Fermiyonlar (Baryonlar ve Leptonlar)dır.
| Kuark | Sembol | Yükü | Baryon sayısı | Spini |
|---|---|---|---|---|
| Yukarı | u | +2/3 | +1/3 | 1/2 |
| Aşağı | d | −1/3 | −1/3 | 1/2 |
| Acayip | s | −1/3 | −1/3 | 1/2 |
| Tılsımlı (sihirli) | c | +2/3 | +2/3 | 1/2 |
| Taban | b | −1/3 | −1/3 | 1/2 |
| Tepe | t | +2/3 | +2/3 | 1/2 |
Not: Kuark adları Türkçede iki farklı biçimde kullanılır — bir yanda üst (u), alt (d), tılsımlı (c), acayip (s), tepe (t), taban (b), öte yanda yukarı (u), aşağı (d), sihirli (c), alt (b), üst (t). Bu sayfada karışıklığı önlemek için u ve d için “yukarı/aşağı”, c için “tılsımlı (sihirli)”, b için “taban”, t için “tepe” kullanıldı; sembollerde hiçbir değişiklik yok.
Büyük patlama teorisine göre evrenin başlangıç anı, büyük patlamanın gerçekleştiği andır. Atomdan küçük sıkışmış enerjinin patlamasıyla madde oluşum süreci başlamıştır. Patlamadan sonra her yer atom altı parçacıklarla yani kuark, antikuark, elektron ve diğer parçacıklar ile dolmuştur.
Kuarklar birbirine gluonlar ile bağlanarak proton ve nötronları (çekirdeği) oluşturmuştur. Elektronların çekirdeğe bağlanmasıyla atom oluşmuştur. Farklı veya benzer atomlar birleşerek molekülleri, moleküller de maddeyi oluşturmuştur. Standart modele göre maddenin en küçük yapı taşı kuarklar ve leptonlar olup kararlı hâldeki 1. nesil maddeyi aşağı ve yukarı kuarklar oluşturur.
Her maddenin veya parçacığın karşıtı vardır. Bu karşıt maddelere antimadde, karşıt parçacıklara antiparçacık denir. Antimadde kavramı ilk kez 1928 yılında Paul Dirac tarafından ortaya atıldı. Dirac, elektronun karşıtı olan bir parçacık tespit etti. Elektronla karşıtını kıyasladığında bunların kütle, spin ve yük büyüklüklerinin aynı fakat yüklerinin zıt işaretli olduğunu belirledi. 1932 yılında Carl Anderson tarafından elektronun karşıt parçacığı deneysel olarak bulundu ve pozitron dendi.
Parçacık ile antiparçacık çarpıştırıldığında Einstein’ın E = m · c² yasasına uygun olarak 2mc² büyüklüğünde enerjili bir foton yayımlayarak yok olmaktadır. Elektron ve onun karşıt parçacığı pozitron çarpıştığında birbirlerini yok eder ve gama ışını olarak enerjiye dönüşür.
Tıp alanında PET cihazı, pozitron elektron çarpıştırılmasıyla ortaya çıkan ışının doku üzerine gönderilmesi prensibiyle çalışır. Bu cihaz kullanılarak kanser hücreleri tespit edilir.
| Parçacık | Yük | Antiparçacık | Yük |
|---|---|---|---|
| Elektron | −1 | Pozitron | +1 |
| Proton | +1 | Anti proton | −1 |
| Nötron | 0 | Anti nötron | 0 |
| Nötrino | 0 | Anti nötrino | 0 |
Temel parçacıklar antiparçacıklar ile bir araya geldiğinde foton oluşur yani enerjiye dönüşürler: elektron + pozitron → foton, proton + karşıt proton → foton, nötron + karşıt nötron → foton.
13,8 milyar yıllık hikâye, elindeki telefonda ve hastanedeki cihazda karşına çıkıyor.
Analog televizyonun boş kanalındaki karlanmanın küçük bir bölümü büyük patlamadan arda kalan fotonlardır. Bilim insanları da bu ışımayı bir mikrodalga alıcısını test ederken fark ettiler.
Az şişirilmiş balon üzerine aralıklarla noktalar işaretlenip balon şişirildiğinde bu noktalar arasındaki uzaklıkların arttığı gözlenir. Evrendeki galaksiler arası uzaklıklar da böyle artıyor. Sınıfta beş dakikada yapılabilecek bir deney.
PET cihazı, pozitron elektron çarpıştırılmasıyla ortaya çıkan ışının doku üzerine gönderilmesi prensibiyle çalışır ve kanser hücreleri tespit edilir. Antimadde soyut bir kavram değil, kullanılan bir teknoloji.
Gördüğün ışık geçmişten geliyor. Görünür evrenin çapı, ışığın yaklaşık 93 milyar yılda katedebileceği mesafedir; evrenin gerçek boyutu muhtemelen çok daha büyük.
Sosyal medyada gördüğün 27 km lik halka, yerin 100 m altında proton demetlerini ışık hızına yakın hızlarda çarpıştırıyor. Amaç evrenin oluşum anını anlamak.
Kimyada proton ve nötronu “temel parçacık” gibi kullanırsın; fizikte ikisi de kuarklardan oluşur — proton uud, nötron udd. Kuarklar tek başlarına bulunamaz.
Buzdolabı mıknatısı, koca Dünya’nın kütle çekimini yenip ataşı kaldırır. Sebebi tablo: elektromanyetik kuvvet 10⁻², kütle çekim 10⁻³⁹ şiddetinde.
Pasta grafiği verilip “görülebilir madde yüzde kaç?” diye sorulursa cevap %4; karanlık madde %22, karanlık enerji %74.
“Galaksiler bizden uzaklaşıyor” cümlesini duyduğunda arkasındaki ölçüm kırmızıya kaymadır ve 1929’da Hubble tarafından yapılmıştır.
85 soruluk test · büyük patlama zaman çizelgesi, kırmızıya kayma ve kozmik mikrodalga art alan ışıması, evrenin geleceği senaryoları, standart model, dört temel kuvvet, kuarklar, hadronlar ve antimadde
Evren aşırı yoğun, sıkıştırılmış enerji şeklinde, atomdan küçük ve sıcak bir noktadan meydana geldi. Patlayan şey evrenin kendisidir. Evrenin yaşı yaklaşık 13,8 milyar yıl.
İlk saniye: çok sıcak ve yoğun, atom yok. İlk ayrılan kuvvet kütle çekim. Sonra kuarklar ve leptonlar; 1 dakikada proton ve nötron; ilk 3 dakikada çekirdekler; 300 bin yıl sonra ilk atomlar; 200 milyon yıl sonra ilk yıldızlar.
1929’da Edwin Hubble uzak galaksilerin tayfının kırmızıya kaydığını ölçtü. Hubble Yasası: mesafe arttıkça uzaklaşma hızı da artar. Galaksilerin arası açılır, galaksiler genişlemez.
Atomlar oluşunca fotonlar serbest kaldı; bugün 2,7 Kelvin değerinde mikrodalga olarak evrenin her yerinden geliyor. 1964’te gözlemlerle tespit edildi; COBE ölçümleri öngörülerle tam uyumlu çıktı, WMAP (2001) dokuz yılda haritasını çıkardı.
Sabit evren (hep aynı), salınan evren (çöküş-patlama döngüsü), açılıp kapanan evren (genişleme- büzülme), enflasyonist evren (evrenin şekli düzdür), çoklu evren (sonlu ya da sonsuz birçok evren).
Karanlık madde elektromanyetik dalgalarla etkileşmez, yalnız kütle çekimsel etkisiyle belirlenir. Karanlık enerji evrenin genişlemesine neden olduğu düşünülen enerji türüdür. Oranlar: %4 görülebilir madde, %22 karanlık madde, %74 karanlık enerji.
Kapalı: yoğunluk kritikten büyük → genişleme yavaşlar, büzülür, döngü sürer. Açık: kritikten küçük → sonsuza kadar genişler, büyük donma. Düz: kritiğe eşit → genişleme asla durmaz, ısı ölümü. Hızlanarak genişleyen: asla büzülmez, düşük enerji yoğunluğuyla sona erer.
1897 elektron (Thomson), 1910 çekirdek ve 1918 proton (Rutherford), 1932 nötron (Chadwick). 1930 nötrino varsayımı (Pauli) ve adı (Fermi, 1934), 1932 pozitron (Anderson), 1930 foton.
Dört kuvvetten üçünü (elektromanyetik, güçlü, zayıf) tek başlıkta toplar. Temel parçacıklar kuarklar ve leptonlardır. 1964 Higgs’in öngörüsü, 2012 CERN’de tespit.
Güçlü (gluon, 1, 1 fm) > elektromanyetik (foton, 10⁻², sonsuz) > zayıf (W⁺, W⁻, Z⁰; 10⁻⁵, kısa) > kütle çekim (graviton, 10⁻³⁹, sonsuz). Graviton henüz deneysel olarak gözlemlenmemiştir.
Bozon: spini tam sayı, kuvvet taşıyıcı, birden fazlası aynı durumda bulunabilir. Fermiyon: spini tam sayı değil, aynı durumda birden fazlası bulunamaz — baryonlar ve leptonlar.
Altı kuark, yükleri kesirli, tek başına bulunamaz. Baryon = 3 kuark (proton uud, nötron udd; altı çeşit: proton, nötron, lambda, sigma, ksi, omega). Mezon = 1 kuark + 1 karşıt kuark (pion, kaon, eta), kararsızdır.
Leptonlar çekirdek kuvvetleriyle etkileşmez, noktasaldır, spini 1/2 dir: elektron, müon, tau ve nötrinoları. Fotonlar yüksüz, kararlı, ışık hızında hareket eder ve karşıt parçacığı kendisidir.
1928 Dirac kavramı ortaya attı, 1932 Anderson pozitronu buldu. Kütle ve spin aynı, yük zıt işaretli. Karşılaşınca 2mc² enerjili foton yayımlayarak yok olurlar; PET cihazı bu prensiple çalışır.