Evrenin sınırındaki aksaklık
Fizik yasaları söz konusu olduğunda, zamanda veya uzayda olduğunuza bakılmaksızın geçerli olan kuralların var olduğunu düşünmek yanlış olmaz. En azından biz böyle olduğunu düşünüyoruz. Ancak görülen bir aksaklık bize evren hakkında düşündüğümüz her şeyin yanlış olabileceğini hatırlatıyor!
Fizik yasaları hem zaman hem de uzayda, evrenin farklı yerlerinde farklı şekilde çalışıyor olabilir. Son 21 yıldır test edilen bir teori bunu iddia ediyor ve eğer doğru çıkarsa, fizik yasalarını en baştan tekrar yazmak gerekebilir. Fizikte parçacıkların birbiri ile nasıl etkileşime geçtiğini anlamamız için anahtar rolü oynayan, temel sabitler adı verilen sayılar bulunuyor.
Kuantum elektrodinamiği (Quantum electrodynamics- QED) elektromanyetik güçlerin kuantum seviyesinde nasıl çalıştığını tanımlıyor. QED’in alfa adı verilen çok önemli bir sabiti var. Bu sabit, ışık parçacıklarının elektron, muon ve tau gibi elektrik yüklü parçacıklarla nasıl etkileşime geçtiğini gösteriyor. Aynı zamanda ince yapı sabiti olarak da adlandırılan alfayı hesaplamak için ışık hızı, Planck sabiti ve bir elektronun yükü kullanılıyor. Deneysel olarak ölçülebiliyor ve Dünya’da yüksek hassasiyetle ölçüldü. 1 bölü alfa, 137,035999074 olarak hesaplandı. Deneysel hata payı ise 0,000000044 olarak belirlendi. Ancak, alfanın neden bu rakam olduğunu kimse bilmiyor ve bu sabitin evrenin farklı yerlerinde aynı sabitlikte olmayacağı da düşünülüyor.
Alfa, uzak galaksilerden gelen ışık incelenerek ölçülebiliyor. Işık bir atoma çarptığında, eğer enerjisi elektronları bir üst enerji seviyesine çıkaracak kadar güçlüyse emilebiliyor. Bu elektronlar bu yeni enerji seviyesine çıktıklarında kararsız oluyorlar, bu yüzden alt seviyeye düşüyor ve emilen ışığın dalga boyuna eşit dalga boyunda bir foton salınmasına neden oluyorlar.
Alfa, çekim gücünün şiddetini değiştirdiği için, elektronların atomun çekirdeği ile nasıl etkileşime gireceklerini belirliyor.
Alfa değişirse, atomlar tarafından emilen ışığın dalga boyu da değişiyor. Böylelikle, kuasar gibi uzak nesnelerin yakınlarındaki gazlardan salınan ışığı inceleyen bilim insanları, alfa üzerinde de çalışmalar yürütebiliyorlar.
1998’de Sydney’deki New South Wales Üniversitesinden Profesör John Webb liderliğinde bir ekip, farklı galaksilerdeki alfayı araştırmaya çalıştı. Melbourne’deki Swinburne Üniversitesinden astronomi profesörü Michael Murphy, “1998’de UNSW’de fizik lisansımı bitirirken Webb ile beraber çalışmaya başladım” diyor.
“John o sırada, fizik departmanından
Victor Flambaum ve Vladimir Dzuba ile, kuasar spektrası kullanarak alfadaki değişimleri ölçümlemeye çalışacak bir proje başlatmıştı.”
Flambaum ve Dzuba atom fiziğinde uzmandı, Webb’in uzmanlık alanı ise kuasar emilim çizgileri çalışmaları üzerineydi. Murphy, “deneyimler açısından mükemmel bir eşleşme olmuştu, kısa süre içinde ilk sonuçları elde ettiler” diyor.
Sonuçlar oldukça ilgi çekiciydi. 12 ila 6 milyar yıl kadar önce alfanın milyonda altı parça kadar artmış olduğunu ortaya koydular. Bu buluş o dönemde fizik dünyasını etkileyecek kadar önemli değildi, ancak yine de araştırmacıların ilgisinin devam etmesini sağladı. Murphy, “bu sonuçların neresinde hata olduğunu anlamak benim görevimdi. Etkileyici değil ancak çok önemli bir görev olan, sistematik hataları araştırma avına çıktım” diyor.
Murphy mezun olduktan sonra aynı konuda Webb ile çalışmaya ve doktoraya devam etti. Bu defa odaklandığı nokta hem ölçüm yapmak hem de sistematiğin bu sonuçları nasıl etkilediğini belirlemekti. Yıllar sonra, 2010’da Webb, Flambaum ve Cambridge Üniversitesinden Profesör Bob Carswell ile bir çalışma yayımladı. Çalışmada, 300 farklı galaksideki kuasarlardan alınan emilim spektraları inceleniyordu. Bu sefer elde edilen sonuçlar daha ikna ediciydi. Alfanın 100.000'de bir
parça değişiklik gösterdiğini belirlediler. Buna ek olarak, bu rakamın evrenin farklı yerlerinde farklı şekilde ortaya çıktığını da tespit ettiler.
Eğer alfanın evrenin farklı bölgelerinde farklı değer gösterdiğini kanıtlarlarsa, bu buluşun fizik kuralları üzerinde büyük etkisi olacaktı. Murphy “bu buluş, Merkür’ün günberisinin Newton’un kütle çekimi yasalarına uymadığını keşfetmek gibi bir şey olacaktı” diyor. “Bu durumu açıklamak için, kütle çekiminin nasıl çalıştığını tamamen farklı bir konsept ile açıklayan yepyeni bir teori geliştirilmesi gerekecekti.”
Alfada veya başka bir temel sabitte değişimler gözlemlemek, kütle çekimi dışında her şeyin teorisini sunan parçacık fiziğinin 'Standart Modeli'nin temelde hatalı olduğunu gösterir bize. Murphy, “bu durumda büyük ihtimalle, evrenin temel seviyede nasıl çalıştığını tamamen farklı konseptlerle açıklayan yeni bir teori geliştirmemiz gerekli” diyor.
Günümüzde gerçekleştirilen teorik fizik araştırmalarının büyük bölümü evrenin bir sonraki temel teorisinin ne olacağını anlamayı hedefliyor. Çoğu fizikçi, Standart Model’de bir şeylerin eksik olduğu konusunda birleşiyor. Örneğin, Standart Model kuantum kütle çekimini açıklayamıyor ve Einstein’ın görelilik kuramları ile de tam uyum içinde değil.
Murphy, “alfada bir değişim gözlemlemek, yeni teorinin neyi açıklaması gerektiğine dair bir kılavuza sahip olmamızı sağlayacak” diyor. “Merkür’ün günberisindeki anomalinin Einstein’a genel görelilik kuramını oluştururken rehberlik etmesi gibi.” Eğer, ince yapı sabitinin evrende farklı noktalarda farklı değerlere sahip olduğunu keşfedersek, onun yaşam için neden mükemmel seviyede olduğunun gizemini de açıklayabiliriz. Alfa, yaşam için garip bir şekilde tam da doğru değerde. Bir başka deyişle, eğer farklı olsaydı, evren bugünkünden çok daha farklı görünecekti. Webb’in 1998’deki deneylerinden beri alfa üzerinde çalışmalar yürüten Flambaum, “eğer temel sabitler farklı olsaydı, bildiğimiz anlamda yaşamın ortaya çıkması mümkün olmazdı” diyor. Eğer alfa daha küçük olsaydı, yüklü parçacıklar arasındaki çekim gücü daha zayıf olacaktı ve kovalent bağlar olarak adlandırılan, atomların elektron paylaşmasını temel alan moleküler bağlar düşük sıcaklıklarda kopacaktı. Bu da yaşamın var olması için gerekli olan birçok sürecin kötü etkilenmesi anlamına geliyor. Örneğin Moleküler
bağlar suyun, karbondioksidin ve metanın oluşması için hayati önem taşıyor. Diğer taraftan, eğer alfa yüksek olsaydı, protonlar birbirini çok güçlü bir şekilde iteceğinden, atom çekirdeğinin içindeki parçacıklar birbirine yapışamayacaktı. Yüksek alfa değeri nedeniyle, yıldızlardaki nükleer füzyon gerçekleşemeyecek, yani yaşamın temelini teşkil eden element olan karbon üretilemeyecekti. Şansımız var ki, alfa tam olması gereken değerde. Ancak bunun neden böyle olduğunu kimse bilmiyor. Eğer alfa evrenin farklı yerlerinde farklı değerler alıyorsa, bu durumda bizler yaşamın ortaya çıkması için en ideal koşullara sahip bölgede yaşıyoruz demektir.
Flambaum, “temel sabitlerin uzayda farklı değerler alıyor olmasının doğal bir açıklaması var: Bizler evrenin, temel sabitlerin bizim için iyi olduğu bir bölgesinde ortaya çıktık” diyor. “Evren çok büyük. Dolayısıyla, görülebilir evrendeki sapmalar çok küçük olduğundan tespit edilmesi çok zor.”
2011 ve 2012’de elde edilen sonuçlara göre, alfa farklı değerler alabiliyor gibi görünüyor. Araştırmacılar, Hawaii’deki Keck teleskobu ve Şili’deki Very Large Telescope ile gözlemler yaptılar. Aldıkları sonuçlar, alfanın 10 milyar yıl içinde 100.000'de bir parça sapabileceğini gösteriyor. Flambaum, son ölçümlerin, alfanın uzayda farklı değerler alabileceğini gösterdiğini söylüyor, ancak Murphy bundan o kadar emin değil.
2013 - 2015 yılları arasında Murphy ile Avrupa ve Hindistan’daki meslektaşları kuasarları incelemek için kullanılan Dünya’daki en büyük teleskopların aldığı spektra ölçümlerinde bazı problemler tespit ettiler. Murphy, “bu teleskoplardaki spektrograflar spektrayı hafifçe bozuyorlar. Bu yüzden alfa ölçümlerinde farklılıklar çıkıyor olabilir” diyor. Ancak ekip bu tespitin, bundan önce alınan sonuçlardaki farkları da kesin olarak açıklayabildiğini söyleyemiyor, çünkü bu etkiyi ölçmek için asteroitlerin ve bizim Güneş’imiz gibi yıldızların geçmişteki gözlem verilerini kullanmak zorunda kaldılar.
Murphy, “Elimizde çok fazla işe yarar veri bulunmuyor. Bu yüzden sadece, kuasar gözlemlerinin yapıldığı on ila yirmi yıllık bir dilim içinde bu bozulmaların kabaca bir tarihçesini çıkarabiliyoruz” diyor. “Diğer taraftan, bence bu veriler erken dönem kuasar sonuçlarına olan güveni sarsacak nitelikte.”
Webb, 2017’de California Üniversitesinden Vincent Dumont ile birlikte bu sonuçları çürüttü. Veri analizinde sorunlar olduğunu öne sürdüler ve bu analizin orijinal sonuçlar üzerinde değil, Very Large Telescope’tan alınmış verilerin dolaylı sonuçları üzerinde yapıldığını iddia ettiler. Bu arada, Murphy’nin tamamladığı ve hassasiyeti milyonda birkaç parçaya kadar artırılmış son güncel çalışmalarda ise alfa sapması görülmedi. Ancak Murphy yine de bir sapma ihtimalini kesin olarak elemenin mümkün olmadığını söyledi.
Bu tartışmanın son bulması için, European Southern Gözlemevinin ürettiği ve Very Large Telescope’a takılacak olan yeni, ultra-kararlı ve hassas ESPRESSO (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) spektrografından gelecek sonuçları bekleyeceğiz gibi görünüyor.
ESPRESSO bilim ekibinin bir üyesi olan Murphy, “bu, kuasar spektrasını kaydedip alfayı ölçmek için kullanılacak mükemmel bir aygıt” diyor. “Daha önce kullandığımız genel amaçlı spektrograflarda olan bozulmalar bu cihazda olmayacak.”
ESPRESSO veri toplamaya başladı bile. Sonuçlar önümüzdeki birkaç yıl içinde açıklanacak. Murphy, “kuasarlardan topladığımız birtakım veriler var ve şunu açıkça söyleyebilirim ki, bunlar şimdiye kadar topladığımız en iyi veriler” diyor.
Ekip net bir karara varmadan önce binlerce ölçümü analiz etmek zorunda. Sonuç ne olursa olsun, evreni daha iyi anlamamıza yardımcı olacağı kesin…