1960’larda kozmik mikrodalga arkaplan ışınımının keşfi, büyük patlama teorisini pekiştirdi ve kozmolojiyi ampirik (deneysel) bir bilim haline getirdi.
Evrenin bir başlangıcı var mıydı, yoksa (zaten) her zaman mevcut muydu? Bilim adamları uzun zaman boyunca bu sorunun kendi ilgi alanlarının dışında yer aldığını, filozofların ve teologların ilgilendiği metafizik alana dâhil olduğunu düşündüler. Fizikçiler ve astronomlar, (ancak) bu yüzyılın ortalarına doğru, bu konuyu ele almak için kendilerini yeterince güçlü teori ve hassas deneysel tekniklerle donatmaya başladılar.
Sonrasında ise birbirine rakip iki farklı kozmoloji ortaya çıktı. Halk arasında büyük patlama olarak bilinen teori, evrenin yalnızca radyasyon ve temel parçacıkların var olabileceği kadar sıcak ve yoğun başlangıç koşullarından evrimleştiğini ve evrenin daha sonra genişleyip soğuduğunu, böylece yıldızların ve galaksilerin oluşumuna zemin hazırladığını varsaymaktadır. Karşıt model ise, maddenin dağılmasından kaynaklanan ve (deneysel olarak da) gözlemlenmiş olan evrenin genişlemesinin; maddenin sürekli yaratılmasıyla dengelendiği, her zaman mevcut olan bir evren (modeli) önermektedir.
Büyük patlama teorisi büyük ölçüde, kozmik arkaplan radyasyonu olarak bilinen fenomenin öngörülmesi, gözlemlenmesi ve yorumlanması sayesinde çok kabul gördü. Büyük patlamadan arda kalan ışıma olarak kabul edilen bu radyasyon, mikrodalga frekansları şeklinde gökyüzünün her yönünü kaplamaktadır. 1964-1965 yıllarında, Bell Laboratuvarlarından Arno A. Penzias ve Robert W. Wilson, kendi radyo antenlerini mikrodalga gürültüsünden kurtarmaya çalıştıkları esnada (kazara) bu kozmik arka plan ışımasını keşfettiler. Durağan evren modeli[1], böyle bir radyasyon öngörmüyordu ve nitekim bu gözlemin makul bir açıklamasını da yapamadı. Böylece, kozmosun kökeni hakkındaki hipotezler ilk defa, geride bir kazanan bir de kaybeden bırakacak şekilde, deneysel bir testle yüzleşmiş oldu.
Teorilerin tek bir testin sonucuna göre ayakta kalması veya düşmesi nadirdir. Her nasılsa, bu kez görüşler neredeyse bir gecede değişti. Birkaç yıl içinde, çoğu kozmolog ya büyük patlama teorisini benimsedi ya da bu alanda yayın yapmaktan vazgeçti. Penzias ve Wilson, bu başarılarından dolayı 1978’de Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar. Daha geçen Nisan ayında[2], arka plan radyasyonundaki cüz’i sapmaların ölçümleri, büyük patlama teorisinin başka bir öngörüsünü daha doğruladı.
Fakat diğer birçok bilim insanının yüzyıl boyunca inşa ettiği bilgi mirası olmasaydı, kozmik mikrodalga arka plan ışımasının önemi anlaşılamazdı. Keşfin tarihi, başka bir kavrayışa yol açmaktadır. Keşfin birbirine rakip olan kozmolojik teorilerin duruşunu nasıl etkilediğini görebilmek için, 1965 yılından öncesine göz atarak, bilimsel ilerlemenin doğası hakkında birbiriyle yarışan görüşleri tahlil edebiliriz.
Büyük patlama kozmolojisi, 1930’larda ünlü Amerikan astronom Edwin P. Hubble’ın galaksilerin birbirinden uzaklaşıyormuş gibi göründüğünü ve en uzak olanların da en yüksek hızda uzaklaştığını[3] göstermesinden sonra odak noktası olmaya başladı. Hubble’ın bulgusu evrenin genişlediğini ima etmektedir. Ayrıca bu bulgular, bir zamanlar kozmosun (evrenin) belirli bir anda çok küçük bir uzayda yoğunlaştığına işaret olarak yorumlandı. Rus fizikçi Alexander A. Friedman ve Belçikalı bir rahip olan Georges Lemaitre, böyle genişleyen bir evrenin nasıl değişim geçirebileceğini açıklamak üzere Albert Einstein’ın genel görelilik teorisini kullandı.
Nükleer fizik, elementlerin temel parçacıklardan sentezini modelleyecek araçlar sağlamasıyla (bu konuda) rol oynamıştır. Bu araçlar sadece büyük patlama kuramının destekçisi George Gamow ile meslektaşları Ralph A. Alpher ve Robert Herman’a değil; aynı zamanda (büyük patlama kuramına) rakip olan durağan evren modelinin destekçisi Cambridge Üniversitesi’nden Fred Hoyle’a da hizmet etti.
Bell Laboratories’den Arno A. Penzias (solda) ve Robert W. Wilson (sağda), büyük patlamaya ilk kulak veren mikrodalga huni anteni üzerinde poz verirken
Yüzyılın başında, Einstein ve Max Planck’ın kara cisim ışımasının fiziğini formüle ederken yaptıkları katkı, teorik çalışmalar için hayati önem taşıyordu. Kara cisim bu adını; gelen tüm radyasyonu emdikten sonra yeniden yaymasıyla bilinen idealize özelliğinden almaktadır. Kara cismin tekrar ışıdığı bu enerji, Planck tarafından tahmin edilen oldukça karakteristik bir modelde spektrum boyunca dağılmaktadır. İlk/başlangıç ateştopu (Primordial fireball[4]), ilk aşamalarında, enerji ve maddeyi mükemmel bir termal dengeye sokacağından, soğutma patlamasından serbest kalan ilk ışımanın kara cisim biçimini göstermesi gerekirdi.
Ateş topunun genişlemeye ve soğumaya başlamasından milyarlarca yıl sonra, bu spektral desenin bugün ne kadar enerjik görüneceğinin kesin bir hesaplaması hâlâ yapılamamıştı. Uzaydaki radyasyonun sıcaklığı neydi? Bu soruya, ancak bilim adamlarının büyük patlamadan sonra ateş topunun evrimine ilişkin nicel bir teori geliştirmesi sonucunda cevap verilebilirdi.
Bu nicel teorinin gelişimi, radyoaktif bozunmayı açıklamasıyla ünlenen Rus fizikçi Gamow ile başladı. Gamow, 1930’larda ABD’ye geldi, önce George Washington Üniversitesi’nde ve ardından Colorado Üniversitesi’nde dersler verdi. George Washington Üniversitesi’nde, ilk olarak nükleer reaksiyonların astrofiziksel ve kozmolojik yönlerine ve ilk elementlerin sentezlendiği mekanizmalara odaklandı.
Gamow, cevabını kozmik ölçeğin her iki ucunda da aradı. 1930’ların başlarında gökbilimciler, çoğu yıldızın ağırlıklı olarak hidrojen ve helyumdan oluştuğunu göstermişti. Hidrojenin çekirdeği sadece bir proton içerdiğinden dolayı, hidrojenin oluşan ilk element olduğunu; çekirdeği iki protonla iki nötron içermesiyle hidrojenden sonraki en ağır element olan helyumun da, hidrojenin füzyonu sonucu oluşan “bir üst” element olduğunu varsaymak mantıklıydı. Fakat protonlar, ancak bir kuvvet aralarındaki o muazzam elektrostatik itmeyi yenerse kaynaşabilir (füzyona uğrayabilir). Bu süreç o kadar çok ısı ve basınç gerektiriyordu ki, doğru koşulları sağlayan ancak ilk (primordial) bir olay veya bir yıldızın içi olabilirdi.
Bugün büyük ölçüde geçerliliğini koruyan, yıldızların nükleer fiziğine ilişkin egemen teori, 1938’de Cornell Üniversitesi’nden Alman fizikçi Hans Bethe tarafından geliştirildi. Bethe, Güneşin nasıl ışıdığını açıklamak istemişti. Bunu yaparken, yıldızların içinde gerçekleşen nükleer füzyonun kütleyi enerjiye dönüştürdüğünü varsaydı. Bethe, Güneş benzeri yıldızlarda iki füzyon reaksiyonunun gerçekleşebileceğini öne sürdü: biri protonları helyum çekirdeği oluşturacak şekilde kaynaştırır, diğeri ise daha ağır elementler oluşturmak üzere protonları karbon çekirdeğine kaynaştırır.
Fakat karbon nereden geliyordu? Bu soru, Hoyle’un yıldızların merkezindeki özel koşullar altında üç helyum çekirdeğinden karbon üretilmesini mümkün kılan bir reaksiyon önerdiği 1950’lere kadar yanıtlanamadı. Bu ve daha ağır elementler oluşturmak için ihtiyaç duyulan diğer reaksiyonlar; yüksek enerjili bir parçacık hızlandırıcıda, William A. Fowler ve Fowler’in California Institute of Technology’deki grubu tarafından deneysel olarak kanıtlandı. (Söz konusu deneylere) Hoyle ve E. E. Salpeter ise teorik olarak önemli katkılarda bulunmuştur. 1957’ye gelindiğindeyse; Fowler, Hoyle ve Geoffrey Burbidge’le beraber Margaret Burbidge, çoğu yıldızın hidrojen ve helyumdan oluşan elementler tarafından nasıl sentezlenmiş olabileceğini açıklayan bir şema üzerinde (önce) Caltech’te; daha sonrasında ise Mount Wilson ve Palomar gözlemevlerinde çalışmışlardır. (Aynı) çalışma bağımsız olarak A.G.W. Cameron, tarafından da gerçekleştirilmiş ve daha sonrasında Kanada Atom Enerjisi’nde yapılmıştır. Fakat helyumun kozmik bolluğu bir sır olarak kalmaya devam etmiştir.
Gamow, çoktan helyum bulmacasının çözümüne yönelik cüretkar bir hipotez formüle etmişti. Gamow’un önerdiği büyük patlama versiyonuna göre; elementler, yıldızlardan bile daha önce, muazzam derecede sıcak ve yoğun bir nötron gazında oluşmuş olabilirdi. Nötronların bazıları daha sonra hidrojenin yapı taşı olan proton ve elektronlara bozunacaktı. 1948’de, dehasıyla olduğu kadar ayrıntılara karşı sabırsızlığıyla da bilinen Gamow, teoriyi geliştirme görevini George Washington’da yüksek lisans öğrencisi olan Ralph Alpher’a verdi. Sonrasında Alpher, Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan Robert Herman’la güçlerini birleştirdi. Alpher, Gamow’un başlangıç maddesine, Yunancada “ilk madde/heyula)” (primordial matter) anlamına gelen “ylem”[5] adını verdi.
Arkadaşlarını eğlendirmek için yaptığı bir montajda George Gamow, büyük patlama sonucu yaratılmış ilkel maddeyi (temsil eden) şişeden (Alaaddin’in) cini misali çıkmaktadır. Gamow’u çağıranlarsa; (arkadaşları) Robert Herman (solda) ve Ralph A. Alpher (sağda)’dır. Herman ve Alpher, “ylem” dedikleri bu maddenin hafif elementleri oluşturmak için birleşmiş olabileceğini göstermişlerdi.
Alpher ve Herman tarafından geliştirilen Gamow’un teorisine göre; evrenin ilk zamanları olan ilk cehennemde (primeval inferno), hidrojenle başlayan daha küçük çekirdekler, art arda yakalanan nötronların birleşmesiyle daha büyük çekirdekler oluşturmuştu. Bu işlem, serbest nötron miktarı biterek, sıcaklık düşünceye ve parçacıklar dağılıncaya kadar devam etmişti.
Hoyle, kendi durağan durum senaryosuna rakip olan bu yeni (modeli) büyük patlama teorisi diyerek küçümsemeye çalıştı. Fakat alay etme girişimi geri tepti: İfade o kadar canlıydı ki, teorinin savunucuları bu ifadeyi, kendilerininmiş gibi benimsediler.
Alpher ve Herman kısa süre sonra, kendi modellerinde evren soğudukça evreni kaplayan radyasyonun, bir kara cisim kaynağı spektrumu sağlayacağını fark ettiler. Dahası, evrenin genişlemesinin bu radyasyonu nasıl azaltıp sıcaklığını düşüreceğini de hesaplayabilirlerdi. Bu iki bilim adamı, kozmik arka plan radyasyonunun sıcaklığını tahmin etmek için evrendeki mevcut maddenin bugünkü yoğunluğuna dair yapılan hesapları kullandı ve yaklaşık beş Kelvin civarında (mutlak sıfırın biraz üzerinde Santigrat derecelik) bir değer elde ettiler.
Gökbilimciler, belki de kozmik arka plan ışımasını diğer ışınımsal kaynaklardan nasıl ayırt edeceklerini bilmedikleri için ya da belki de tahminlere dayanan kozmolojiyi ciddiye almadıkları için, bu öngörüyü doğrulamak için acele etmediler. Büyük patlama teorisinin orijinal versiyonunun iki büyük dezavantajı vardı. Birincisi, kütle numarası dört olan helyumun ötesindeki elementlerin oluşumunu açıklayamıyordu. Çünkü kütle numarası beş ve sekiz olan kararlı izotoplar bulunmadığı için, birer birer nötron ekleyerek helyumdan daha ağır elementler elde edilememektedir. Bu problem ancak, Hoyle, Fowler ve çalışma arkadaşlarının sabit durum teorisi ile bağlantılı kavramı olan yıldız nükleosentezine başvurularak çözülebilirdi. Gerçekten de, büyük patlama teorisinin modern versiyonu, helyumun ötesindeki elementlerin ancak ilk nesil yıldızların oluşumundan sonra ortaya çıktığını varsaymaktadır.
Büyük patlamalı evren teorisine ikinci bir itiraz, yaş problemiyle ilgiliydi. Hubble’ın genişleme yasasıyla bağlantılı olarak galaksilerin uzaklık ve durgunluk hızlarının astronomik ölçümleri, evrenin iki milyar yaşında olduğunu işaret etmişti. Fakat dünya yüzeyindeki kayalar, gezegenin bundan çok daha yaşlı olduğunu kanıtlamaktadır.
Durağan evren kuramı, bu bariz çelişkiyi çözmek için tasarlandı. 1946’da bir gece, Cambridge İngiltere’de, üç genç bilim adamı -Hoyle, Hermann Bondi ve Thomas Gold- bir hayalet hikayesi filmi olan Dead of Night’ı izlemeye gittiler. Hoyle’un sonrasında hatırladığı üzere; “film, dairesel hale gelecek şekilde ustaca birbirine bağlanmış dört ayrı parçaya sahipti, sonu başlangıcıyla aynıydı.” Gold arkadaşlarına evrenin benzer şekilde inşa edilip edilemeyeceğini sordu. Takip eden tartışmalarda bu kafadarlar, sürekli değişse bile her zaman aynı görünecek dinamik ama döngüsel olmayan bir evren modeli çizdiler.
Hoyle, Bondi ve Gold’a göre evrenin bir başlangıcı yoktu. Galaksilerin bizden uzaklaşmasının, maddenin süregelen bir zayıflaması anlamına gelmediğini savunuyorlardı. “Kendi galaksimiz asla bir başına kalmayacak” diyorlardı, “çünkü madde sürekli olarak sadece görünür evrenden kaybolan maddeyi telafi etmeye yetecek miktarda yaratılıyordu. Bu (yaratılan) yeni madde sonunda yıldızları ve galaksileri oluşturacaktı, böylece evren herhangi bir zamanda herhangi bir gözlemciye her zaman aynı görünecekti.
(Durağan durum kuramına) Maddenin yoktan var edilmesinin kütle ve enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği şeklinde itiraz yöneltilebilir. Karşı cevapsa açıktır: Büyük patlama da bu yasayı ihlal etmektedir. Bunu, edim bilimsel çalışmaların erişiminin ötesinde olduğu bir anda, zamanın başlangıcında, maddenin tamamını bir anda yaratarak yapmaktadır. (Durağan evren teorisinin sonraki bir versiyonunda, Hoyle kütleçekim enerjisinin maddeyi yarattığını, kütle enerjisinin genel korunumunu geri getiren ancak başka problemler ortaya çıkaran bir iyileştirme olduğunu öne sürdü.)
Durağan durum modeli taraftarları, teorilerinin büyük patlamadan daha bilimsel olduğunu iddia ettiler, çünkü prensipte gözlemlenebilecek bir süreç -sürekli yaratılış-varsayıyordu. Dahası, teorilerinin, gökbilimcilerin yakın gelecekte test edebilecekleri türden kesin tahminler yaptığını savundular.
Bondi, Gold ve durağan durum modelinin diğer savunucuları, modellerini az sayıda gözlem sonuçları üzerine kurarken, şu anda İngiltere’de yaşayan Avusturyalı filozof Karl Popper’ın doktrinine belirgin şekilde başvurdular. Popper, bilimi; test edilebilecek şekilde (tercihen yeni) olguları öngören hipotezler oluşturmaya dayanan bir disiplin olarak tanımlamaktadır. Bir öngörü başarısız olursa, bilim adamı hipotezden vazgeçer; eğer hipotez sağlam kalırsa, bilim adamı bunu kanıtladığını iddia etmez, yalnızca hipotezi daha ileri araştırmalar için bir temel olarak kabul eder.
Popper’ın ilkesi, bilimsel teoriler göz önüne alındığında; realiteden çok test edilebilirliğin ölçüt olması gerektiğini savunmaktadır. Örneğin Popper, Marksizm ve psikanalizi “sahte bilim” sayarak reddeder, çünkü bu teorilerin tüm unsurları açıklayabilecek kadar esnek olduğuna ve dolayısıyla bütün testlerden sıyrılabileceklerine inanır.
Bondi, evrenin şu anki haliyle geçmişteki halini karşılaştırmak suretiyle durağan durum teorisine meydan okumayı önerdi. Durağan evren teorisi, evrenin her zaman aynı göründüğünü söylediği için, kısa süre önce oluşan galaksilerin uzun zaman önce oluşanlara benzeyeceğini iddia eder. Bondi; uzaya bakarsanız –ışığın hızı sonlu olduğu için zamanda da geriye bakmış olacaksınız- ve uzaktaki galaksilerin yakındakilerden farklı olduğunu görürseniz, “o zaman durağan evren teorisinin tamamen çökeceği” fikrindedir. Fakat 1965’ten önce yazan diğerleri gibi Bondi de, durağan evren modelinin kozmik mikrodalga arka planı ışımasını öngörmediği başka bir testten bahsetmemiştir.
Teori, Bondi’nin kurduğu testte başarısız oldu. 1950 ve 1960’ların başında yapılan çeşitli astronomik gözlemler, evrenin zaman içinde önemli ölçüde değiştiğini gösterdi. Cambridge’den Martin Ryle, uzaktaki sinyallerin dünyaya ulaşmasının daha uzun sürdüğünü ve dolayısıyla kozmik tarihin daha erken bir aşamasını yansıttığının farkında olarak, hem uzak hem de yakın radyo kaynaklarını hesapladı. Ryle, eskiden daha az kaynak bulunduğu sonucuna vardı. Bazı gökbilimciler onun iddiasını kanıtlamadığını söyleseler de, astronomlar en eski radyasyon kaynağı gibi görünen yıldızsı nesneler ya da kuasarları keşfettiklerinde, ek destekleyici kanıtlar ortaya çıkmış oldu. Bu nesnelerin yaşıtı olan herhangi bir benzerleri yoktu.
Bu arada, evrenin yaşı ile dünyanın yaşı arasındaki garip farklılık sorunu, büyük patlamayı destekleyen bir şekilde yeniden çözüme kavuşturuldu. 1952’de, Mount Wilson Gözlemevi’nden Walter Baade’in liderliğinde, gökbilimciler galaktik mesafelerin ölçeğini iki kat yüksek olacak şekilde revize etti. Evrenin tahmini yaşı bu nedenle iki katına çıktı. Daha sonraki çalışmalar evrenin yaşını en az 10 milyar yıla çıkarırken, dünyanın yaşı 4,5 milyar yıl olarak sabit kaldı.
Fakat özellikle Britanya’daki birçok bilim insanı, durağan durum teorisinin basitliğini sevmişti ve bu yüzden bu kavrama tutunmaya devam ettiler. Büyük patlama hakkında keyfi varsayımlarda bulunmanın veya büyük patlamadan önce ne olduğu konusunda endişelenmenin gereksiz olduğunu ifade ettiler. Durağan durum modelinin savunucuları, (karşıt görüştekilerin) sicillerini şüpheli hale getiren daha önceki çürütme girişimlerinin başarısızlığından da cesaret aldılar.
Durağan evren kuramcıları, teorilerine karşı çoğalan kanıtları açıklamak için daha fazla zaman harcadıkça, Popper’ın metodolojisine olan bağlılıkları da giderek daha az inanılır hale geldi. Bunun yerine, Planck’ın daha alaycı bilim görüşünü resmediyor gibiydiler. Büyük fizikçi (Planck), BilimselOtobiyografi ve Diğer Makaleler (1949) isimli eserinde şu iddiada bulunmuştur: “Yeni bir bilimsel gerçek, karşıtlarını ikna edip onların aydınlanmalarını sağlayarak değil, daha ziyade karşıtları sonunda öldüğü ve bu bilimsel gerçeğe aşina olan yeni bir nesil büyüdüğü için zafere ulaşır.”
Planck’ın ilkesi, şimdiki bilim tarihçilerinin dediği gibi, soyut mantığın aleyhine bilimde insan unsurunu vurguladığı için Popper’ın ilkesiyle çelişmektedir. Gökbilimciler nasıl ki büyük patlamayı durağan evren modelinin aleyhine, evrenin tanımlanmasında bir ölçüt olarak alabiliyorsa, bilim tarihçileri de Planck ve Popper’ın bilim tanımları arasında bir seçim yapmak isteyebilirler. Bilimin her zaman böyle çalışıp çalışmadığını yargılamaya girişmeksizin, bahsi geçen bu özel durumda hangisinin daha doğru göründüğüne bir bakalım.
1959’da yapılan bir anket, astronomların çoğunun sürekli yaratılışı reddettiğini gösterdi, oysa ankete katılanların aslında sadece üçte biri büyük patlama teorisi taraftarıydı. Hoyle bile orijinal modelini terk etti ve onun yerine daha karmaşık bir hipotez kurdu. Hoyle 1964’te, evrende bulunan yüksek miktardaki helyumun; evrenin 1010 Kelvin’i aşan sıcaklıklarda “piştiğine” delalet ettiği sonucuna vardı. Fakat Hoyle, maddenin sürekli yaratıldığı fikrinden vazgeçmedi. (Böyle bir şey için) yeni bir şok gerekliydi.
Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının keşfi, bu şoku sağladı. Penzias ve Wilson, uzayın sıcaklığını ölçerek veya bir fizikçinin tabiriyle, belirli bir sıcaklığa karşılık gelen Planck kara cisim spektral dağılımını tespit ederek, bu keşfi yaptılar. Elektromanyetik radyasyon, gezegenler ve yıldızlar arasındaki bölgelere yayılır ve dünyadaki aletlerle tespit edilebilir. Bu radyasyonun büyük miktarı, astronomik kaynakların fiziksel ve kimyasal özellikleri tarafından belirlenen spesifik frekanslarda gelir. Bu nedenle, tek bir sıcaklıkla kesin olarak karakterize edilemez. Bunun yerine araştırmacılar, belirli bir sıcaklıkta termal dengede olan radyasyonu araştırırlar. Yani, 1900 yılında Planck tarafından keşfedilen yasaya göre radyasyon, sürekli olarak farklı frekanslara yayılmaktadır.
Büyük patlama teorisinin öngördüğü KARACİSİM SPEKTRUMU, evrendeki en erken radyasyonun şimdi mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki bir kaynaktan geliyormuş gibi görüneceğine işaret eder. Penzias ve Wilson, tayfı tek bir noktada doğruladılar; diğerleri o zamandan beri bunu geniş bir frekans aralığı için onayladı.
Planck dağılımı her bir sıcaklık için ayrı bir karakteristik şekle sahiptir [resme bakınız]. İçinde yaşadığımız evren için, kozmik arka plan radyasyonu üç Kelvin’den biraz daha düşük bir sıcaklığa karşılık gelmektedir. Dağılım, spektrumun mikrodalga bölgesinde yer alan yaklaşık 0.18 santimetrelik bir dalga boyunda pik yapar.
Uzayın sıcaklığı dolaylı olarak hesaplanabilir. Arthur Stanley Eddington’ın 1926’da belirttiği gibi, yıldızların hepsinden gelen ışık miktarı, yani toplam enerji yoğunluğu, termal dengeye dönüştürüldüğünde 3.2 Kelvin’e eşit olacaktır. Ancak Eddington, bu tahminini test etmek için spesifik bir yöntem önermemişti.
O zamanlar, Eddington’ın kalibresindeki bir bilim adamının bile bu görevden gözü korkardı. Açıkçası, sıradan termometreler güneş, diğer gök cisimleri ve dünya atmosferinden gelen enerjiyle aşırı yüklenecektir. Yalnızca, dalga boyu bir milimetre ile bir santimetre arasına ayarlanmış ve yerel kaynaklardan yalıtılmış aşırı hassas aletlerle, kozmik mikrodalgaları tespit etme beklentisine girilebilir.
Eddington’ın ileri görüşlü tahmininden yaklaşık 15 yıl sonra, Kanada’daki Dominion Astrofizik Gözlemevi’nden Andrew McKellar, uzayın etkin sıcaklığını ölçmek için pratik bir yol önerdi. Yıldızlararası uzayda atomların yanı sıra moleküllerin de var olabileceğini öne süren ilk gökbilimcilerden biri olan McKellar, siyanür (CN) molekülünün termometre olarak kullanılmasını önerdi. Siyanürün; göreli yoğunluğu, yüksek enerji durumlarının kendisindeki elektronların sayısına karşılık geldiği spektral çizgiler yaydığını belirtti. McKellar, bu sıcaklığı 2.3 Kelvin olarak hesapladı.
Bu dolaylı yaklaşımlar, yerel kaynaklardan gelen müdahaleyi dışlayamazdı. Bunu yapmak için, radyasyonun kendisini tespit etmeli ve gökyüzünde haritasını çıkarmak gerekmektedir. İkinci Dünya Savaşı sırasında Massachusetts Institute of Technology’de geliştirilen radar ekipmanı, kozmik arka plan ışımasını araştırmak isteyenler için, bu radyasyonu doğrudan algılama potansiyeline sahip değildi.
1946’da MIT’de Robert H. Dicke tarafından yönetilen bir grup, bir mikrodalga radyometresi tarafından ölçülen atmosferik radyasyon ölçümlerini raporladı. Ekip, “radyometrenin dalga boylarında kozmik maddeden gelen radyasyonun” oldukça seyrek (20 Kelvin eşdeğerinden daha az olduğunu) kaydetti, fakat bu gözlemin peşine düşmedi. Sonrasında Princeton Üniversitesi’ne taşınan Dicke, daha sonra hatırladı ki “bu ölçüm sırasında büyük patlama radyasyonunu değil, yalnızca evrendeki en uzak galaksilerin yaydığı olası bir parıltıyı” düşünmüştü.
İlk Üç Dakika adlı kitabında Steven Weinberg, 1965’ten önce kimsenin arka plan radyasyonu hakkında sistematik bir araştırma yapmamasının iki nedeni olduğunu öne sürmektedir. Birincisi, büyük patlama helyumdan daha ağır elementlerin oluşumunu açıklamakta başarısız olunca inanılırlığını yitirdiği için, teorinin diğer tahminlerini test etmek önemli gelmedi. Buna karşılık, yıldızlardaki (kararlı hal kozmolojisiyle bağlantılı bir teori olan) nükleosentez, helyumun ilk etapta nasıl oluştuğunu açıklamasa da, ağır elementlerin hidrojen ve helyumdan nasıl oluşacağını açıklıyor gibiydi.
İkinci olarak, Weinberg, teorisyenler ve deneyciler arasındaki iletişimin bozukluğuna işaret etmektedir. Teorisyenler, mevcut ekipmanlarla bu radyasyonun gözlemlenebileceğinin farkında değillerdi. Deneyciler de gözlemlerinin önemini fark edemediler. Bu açıdan bakıldığında, hem teorisyen hem de deneyci olan Dicke’in bu konuda önemli bir rol oynaması dikkat çekicidir: P. James E. Peebles ile birlikte, özel bir mikrodalga gürültüsünün kozmolojik teoriyle ilişkilendirilmesine katkı sunmuştu.
Kaçırılan en dikkat çekici fırsat, Gamow ve Hoyle arasındaki bir yanlış anlaşılma sebebiyle oldu. Her biri diğerinin teorisini eleştirmesine rağmen, yine de dostane tartışmalara girebilirlerdi. 1956 yazında Gamow, Hoyle’a evrenin yaklaşık 50 Kelvinlik bir sıcaklıkta mikrodalga radyasyonla dolu olması gerektiğini söyledi. (Alpher ve Herman tahminlerini yayınladıktan sonra Gamow bu görüşe kendi başına ulaşmıştı.)
Aslına bakılırsa Hoyle, McKellar’ın uzayın sıcaklığının üç Kelvin civarında olduğu iddiasına aşinaydı. Dolayısıyla Hoyle, sıcaklığın Gamow’un iddia ettiği kadar yüksek olamayacağını savundu. Ancak her ikisi de, doğrudan bir ölçümün üç Kelvin değerini teyit edip Planck spektrumu oluşturması durumunda, (bu sonucun) uzay için sıfır sıcaklık öngören Hoyle’un kabul ettiği durağan evren teorisini çürüteceğini fark etmediler.
Değişik bir iletişim sorunu -uydu röleleri- kozmik mikrodalga arka plan ışımasının keşfine yol açtı. Bell Labs, uydularının mikrodalga frekanslarda mümkün olduğunca çok bilgi iletmesini istiyordu; bunun için de laboratuvar çalışanlarının olası tüm kaynaklardan gelen gürültüleri bulup ortadan kaldırması gerekiyordu. Radar üzerinde savaşla ilgili firmanın çalışmalarından üretilen röle donanımı, Bell Labs mühendisleri Harald T. Friis ve A. C. Beck’in 1942’de inşa ettiği boynuz şeklindeki bir alıcıdan oluşuyordu. Başka bir Bell Labs mühendisi olan Arthur B. Crawford, fikri çok daha ileriye taşıdı. 1960 yılında Holmdel, N.J. yakınlarındaki Crawford Hill tesisinde 6.1 metrelik boynuzlu bir alıcı yaptı. Başlangıçta atmosferin yükseklerinde bulunan plastik bir balondan yansıyan sinyalleri almak maksadıyla kullanılan bu reflektör, Penzias ve Wilson için tam da zamanında başka amaçlar için kullanılabilir bir hale gelmişti.
İki araştırmacı, radyo astronomisinde bir araştırma programı başlatmak istediler. Penzias ve Wilson, son derece hassas olan bu aleti çalışmalarına hazırlayabilmek için önce mikrodalga gürültüsünden kurtulmak zorunda kaldılar. İlk denemelerinde başarısız oldular. Fakat Ocak 1965’te nihayet Penzias, inatçı bir şekilde kalıcı olan bu sinyalin kökenini açıklayabilecek Peebles’ın bir teorisi olduğunu duydu.
Peebles, Holmdel laboratuvarından yaklaşık 40 km uzaklıktaki Princeton’da Dicke ile birlikte çalışıyordu. Dicke, evrenin zorunlu olarak büyük patlama ile başladığı varsayımını reddetmekteydi. Evrenin genişleme ve daralma aşamalarından geçmesinin daha olası olduğunu düşünüyordu. Her daralmanın sonunda bütün maddenin, daha ağır çekirdekleri protonlarına ve nötronlarına ayırmaya yetecek kadar şiddetli sıcaklıklardan ve yoğunluklardan geçeceğini tahmin etmekteydi.
Bu nedenle, Dicke’in evreni büyük patlama ile başlamamış olsa da, evrenin döngülerinden her biri benzer bir afetle başlamalıdır. Dahası, Dicke’in kozmolojisi, soğudukça Planck kara cisim karakterini koruyan, yüksek sıcaklık radyasyonlu bir başlangıç ateştopuna işaret etmekte ve mevcut radyasyon sıcaklığının 45 Kelvin olacağını tahmin etmekteydi. Belli ki Dicke, 20 Kelvin’den daha düşük sıcaklıklarda arka plan radyasyonunun varlığını öne süren kendisinin 1946’daki ölçümünü unutmuştu. Peebles, Dicke’in teorisindeki hesaplamaları ilerletti ve yaklaşık 10 Kelvinlik bir oran elde etti.
Dicke ve Peebles, iki yüksek lisans öğrencisi P. G. Roll ve D. T. Wilkinson ile birlikte Princeton’da kozmik arka plan radyasyonunu ölçmek için bir anten inşa etmeye başladılar. Herhangi bir sonuç elde etme şansı bulamadan Dicke, Penzias’tan Crawford antenindeki 3.5 Kelvin civarında bir sıcaklığa karşılık gelen gürültüyü tartışmak için bir araya gelmelerini teklif eden bir telefon aldı. Çok geçmeden Penzias ve Wilson’ın; Dicke ve Peebles ve daha öncesinde de Alpher ve Herman’ın zaten tahmin ettiği bir radyasyonu tespit ettikleri anlaşıldı. Ancak bu iki gökbilimci, Dicke ve Peebles ile konuşana kadar ne bulduklarını bilmiyorlardı. Teorik açıklama, saf bulguları gerçek buluşa dönüştürmek için elzemdi. Bu buluş ise, on yıldan fazla zaman aldı, çünkü bilim dünyası Gamow, Alpher ve Herman’ın daha önceki çalışmalarını düpedüz gözden kaçırmıştı.
Bell Labs ve Princeton’dan gelen grupların raporları, Mayıs 1965’te Astrophysical Journal‘a gönderildi ve 1 Temmuz sayısında hep beraber yayınlandı. Yayın, hem kitle iletişim araçlarında hem de bilimsel dergilerde bir dizi makalenin önünü açtı. Hoyle bile, daha sonra mikrodalga radyasyonunu açıklayabilen değiştirilmiş bir versiyonuna tutunmaya çalışsa da, en azından orijinal haliyle, kararlı durum teorisinin “şimdilik atılması gerektiğini” kabul etti. Ancak Bondi’nin durağan durum teorisinin test edilebilirliğinin üzerinde çok durması, sonradan taraftarlarının karşısına bir sorun olarak çıkmıştı. Yeni keşifleri açıklamak için teoriyi çarpıtmaya yönelik herhangi bir girişimde bulunulması, sahte bilim (pseudoscience) damgası yeme riski taşıyordu.
Basın hızlıca, Penzias ve Wilson’ın büyük patlamayı kesin olarak doğruladıkları kanısına varmasına rağmen, bilim adamları Penzias ve Wilson’ın sonuçlarının Planck eğrisinin bir ucunda kümelenmiş sadece birkaç dalga boyu ile sınırlı kaldığını fark ettiler. Radyo kaynaklarının başka açıklamaları (mesela radyo kaynaklarının bir kombinasyonu) arka plan radyasyonunun bu veri noktalarını açıklayabilirdi. 1970’lerin ortalarına kadar, arka plan radyasyonunun aslında Planck yasasını izlediğine dair kuşku duyanları ikna etmek üzere farklı frekanslarda yeterli ölçüm yapılmamıştı. CN molekülünün spektrumu burada önemli bir rol oynadı, çünkü gökbilimciler yeniden canlandı ve McKellar’ın daha önceki çalışmaları temel alındı.
1970’lerin sonlarına gelindiğinde, durağan durum modelinin hemen hemen tüm orijinal destekçileri, teoriyi açıkça terk ettiler ya da sadece konuyla ilgili yayın yapmayı bıraktılar. O sırada Fullerton’daki California Eyalet Üniversitesi’nden Carol M. Copp tarafından Amerikalı gökbilimciler üzerinde yürütülen bir araştırma, büyük bir çoğunluğun durağan durum yerine büyük patlamayı desteklediğini tespit etti
1965’ten sonra durağan durum teorisinin hızla çöküşü, bu durumda Planck’tan çok Popper’ın ilkesinin geçerli olduğunu göstermektedir. Helyum bolluğu ve uzak radyo kaynakları ile kuasar gözlemleri hakkındaki argümanlarla birleşen kozmik mikrodalga arka planının keşfi, çoğu kararlı durum taraftarını, teorilerinin artık takip edilmeye değer olmadığına ikna etti. (Çünkü) Test edilmiş ve eksik bulunmuştur.
Ancak 1990’da, durağan durum teorisi neredeyse unutulduğu bir sırada, Hoyle ve birkaç meslektaşı, kanıtların tek bir patlamanın her şeyi yarattığı hipotezini desteklemediğini öne sürerek onu bir “mini-big bang” teorisi şeklinde tazelemeye çalıştılar. Geoffrey Burbidge yakın zamanda bu görüşü bu sayfalardaki bir denemede özetledi [bkz. “Neden Sadece (Tek) Bir Büyük Patlama?”; Şubat].
Büyük patlamanın savunucuları bu tür eleştirilerin çoğunu reddedebilse de, bazı bulmacalar hala çözülmedi. Örneğin, mikrodalga arka planı çok pürüzsüz duruyordu. Sıcaklıkta ve dolaylı olarak yoğunlukta daha sonraki kütleçekimsel kümelenmeyi oluşturmak için gerekli görünen küçük varyasyonlardan yoksundu. (Fakat) Böyle bir tohumlama olmasaydı, şu anda gözlemlenen galaksileri ve süpergalaktik yapıları üretmek için yeterli zaman bulunmayacaktı.
Ardından, bu yılın Nisan ayında, George P. Smoot ile Berkeley’de bulunan California Üniversitesi’ndeki ve Lawrence Berkeley Laboratuvarı’ndaki meslektaşları, büyük patlama teorisindeki bu boşluğu doldurabilecek kanıtlar yayınladılar. Kozmik Arka Plan Gezgini (COBE) adı verilen yörüngeli gözlemevi tarafından toplanan kozmik arka plan radyasyonu ölçümlerinin bir analizini ilan ettiler. Veriler, tıpkı büyük patlama teorisyenlerinin beklediği gibi, kozmik arka planda hafif sıcaklık değişimleri gösterdi. Araştırmacılar, bu “dalgalanmaları”, kozmik tarihin çok erken bir aşamasında madde ve enerji yoğunluğundaki dalgalanmalar şeklinde yorumlamaktadır. Bu tür dalgalanmalar, maddenin kendi yerçekimi kuvveti altında, zamanla nasıl yıldızları, galaksileri ve çağdaş evrenin daha büyük yapılarını oluşturduğunu izah etmeye yardımcı olabilir.
Evren gerçekten büyük patlamayla mı başladı, yoksa daha önce yüksek sıcaklık ve yoğunluğa yol açan bir daralma evresi -bir “büyük kırılma”- var mıydı? Evren sonsuza kadar genişlemeye devam edecek mi yoksa sonunda bir kara deliğe mi dönüşecek? Evrenin yaratılması temel düzlemde kuantum teorisini içeriyor mu? Bu fikirler artık fizikteki düşünceye egemendir [bkz. Jonathan J. Halliwell tarafından yazılan “Quantum Cosmology and the Creation of the Universe”; Scientific American, Aralık 1991]. Bilim adamlarının bu tür soruları ciddi şekilde araştırmaya değer bulmaları büyük ölçüde, kozmolojiyi ampirik bir bilim haline getiren kozmik mikrodalga arka plan ışıması keşfinin bir sonucudur.
İLERİ OKUMALAR
In Search Of The Bıg Bang: Quantum Physıcs And Cosmology. John Gribbin. Bantam Books, 1986.
The Cosmıc Mıcrowave Background: 25 Years Later. Edited by N. Mandolesi and N. Vittorio. Kluwer Academic Publishers, 1990.
Modern Cosmology In Retrospect. Edited by B. Bertotti et al. Cambridge University Press, 1990.
The Case For The Relatıvıstıc Hot Bıg Bang Cosmology. P.E. Peebles, D. N. Schramm, E. L. Turner and R. G. Kron in Nature, Vol. 352, No. 6338, pages 769-776; August 29, 1991.
KAYNAK: Stephen G. Brush, “How Cosmology Became a Science”, Scientific American, 267/2 (AUGUST 1992): 62-71. NOT: Bu yazı eğitim ve bilginin yaygınlaşması amacıyla mehmetbulgen.com için Nursena Çetingül tarafından çevrilmiştir.
* 1968’den beri College Park’taki Maryland Üniversitesi’nde bilim tarihi dersleri vermektedir. Bundan önce, Lawrence Livemore Laboratuvarı’nda teorik fizik araştırmaları yürütmüş ve Harvard Üniversitesi’nde geliştirilen lise fizik dersleriyle ilgili metin yazımına yardımcı olmuştur. Gazların kinetik teorisinin gelişimi, güneş sisteminin kökeni ve modern fizik bilim tarihiyle ilgili konular üzerine yazıları vardır. 1992-1993 akademik yılını Princeton’daki Institute for Advanced Study’de geçirmekte ve ampirik testlerin bilim adamlarının teori seçimlerini nasıl etkilediğini analiz etmektedir. 2007 yılında University of Maryland’dan emekli olmuştur. 2013’ten beri Ulusal Bilim Eğitimi Merkezi Danışma Konseyi üyesidir.
[1] Çevirmenin Notu: Steady state model; Durağan Evren Modeli, Durağan Durum Modeli, Süredurum Kuramı/Modeli gibi farklı şekillerde çevrilebilmektedir.
[2] Çevirmenin Notu: Bu makale, Scientific American’da 1992 yılında yayınlanmıştır.
[3] Çevirmenin Notu: Hubble Diyagramı olarak bilinen galaksilerin uzaklığına göre uzaklaşma hızının resmedildiği grafik ve daha fazlası için bkz: Neta A. Bahcall, “Hubble’s Law and the expanding universe”, Proceedings of the National Academy of Sciences 112, sy 11 (17 Mart 2015): 3173-75, https://doi.org/10.1073/pnas.1424299112.
[4] Çevirmenin Notu: Primordial fireball. Evrenin sıcak ve yoğun olduğu ve radyasyonun etkilerinin hakim olduğu Big Bang teorisindeki radyasyon çağı için alternatif bir terim. Böyle bir fazın varlığı, kozmik mikrodalga arka planının gözlemle doğrulanmış özellikleri tarafından kuvvetle önerilmektedir. ( “primordial fireball”, içinde Oxford Reference, t.y., https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803100345785. ) Profesör Joseph Silk’e göre Primordial Fireball, Big Bang’in fosili niteliğindedir. Dr. Silk tarafından bu konuda verilmiş özel bir ders için bkz: The Primordial Fireball – Professor Joseph Silk (YouTube, 2015), https://www.youtube.com/watch?v=2Oo1NhUofow.
[5] Çevirmenin Notu: Ylem, Gamow ve meslektaşlarının Büyük Patlama’dan hemen sonra var olduğunu varsaydıkları şeydir. Alpher, bu kelimeyi Webster’in sözlüğünde bulduğunu söylemiştir(Jeremy Bernstein, “Out of My Mind: The Birth of Modern Cosmology”, The American Scholar 55, sy 1 (1986): 7-18.). Birçok mitolojide “kozmik yumurta” anlamına gelmektedir. Ayrıca “ylem” kelimesi, Yunanca hūlē, hȳlē kelimelerinden türemiştir. (bkz: “ylem”, Oxford English Dictionary, https://www.oed.com/view/Entry//231917; “hyle” Oxford English Dictionary, https://www.oed.com/view/Entry/90173) Yunanca hȳlē kelimesi ise sonrasında Arapçaya “heyûlâ” şeklinde girmiştir (Osman Karadeniz ve Yusuf Şevki Yavuz, “Heyula”, içinde TDV İslâm Ansiklopedisi, t.y., https://islamansiklopedisi.org.tr/heyula).
KOZMOLOJİ NASIL BİLİM OLDU?
Stephen G. Brush*
Çeviri : Nursena Çetingül**
1960’larda kozmik mikrodalga arkaplan ışınımının keşfi, büyük patlama teorisini pekiştirdi ve kozmolojiyi ampirik (deneysel) bir bilim haline getirdi.
Evrenin bir başlangıcı var mıydı, yoksa (zaten) her zaman mevcut muydu? Bilim adamları uzun zaman boyunca bu sorunun kendi ilgi alanlarının dışında yer aldığını, filozofların ve teologların ilgilendiği metafizik alana dâhil olduğunu düşündüler. Fizikçiler ve astronomlar, (ancak) bu yüzyılın ortalarına doğru, bu konuyu ele almak için kendilerini yeterince güçlü teori ve hassas deneysel tekniklerle donatmaya başladılar.
Sonrasında ise birbirine rakip iki farklı kozmoloji ortaya çıktı. Halk arasında büyük patlama olarak bilinen teori, evrenin yalnızca radyasyon ve temel parçacıkların var olabileceği kadar sıcak ve yoğun başlangıç koşullarından evrimleştiğini ve evrenin daha sonra genişleyip soğuduğunu, böylece yıldızların ve galaksilerin oluşumuna zemin hazırladığını varsaymaktadır. Karşıt model ise, maddenin dağılmasından kaynaklanan ve (deneysel olarak da) gözlemlenmiş olan evrenin genişlemesinin; maddenin sürekli yaratılmasıyla dengelendiği, her zaman mevcut olan bir evren (modeli) önermektedir.
Büyük patlama teorisi büyük ölçüde, kozmik arkaplan radyasyonu olarak bilinen fenomenin öngörülmesi, gözlemlenmesi ve yorumlanması sayesinde çok kabul gördü. Büyük patlamadan arda kalan ışıma olarak kabul edilen bu radyasyon, mikrodalga frekansları şeklinde gökyüzünün her yönünü kaplamaktadır. 1964-1965 yıllarında, Bell Laboratuvarlarından Arno A. Penzias ve Robert W. Wilson, kendi radyo antenlerini mikrodalga gürültüsünden kurtarmaya çalıştıkları esnada (kazara) bu kozmik arka plan ışımasını keşfettiler. Durağan evren modeli[1], böyle bir radyasyon öngörmüyordu ve nitekim bu gözlemin makul bir açıklamasını da yapamadı. Böylece, kozmosun kökeni hakkındaki hipotezler ilk defa, geride bir kazanan bir de kaybeden bırakacak şekilde, deneysel bir testle yüzleşmiş oldu.
Teorilerin tek bir testin sonucuna göre ayakta kalması veya düşmesi nadirdir. Her nasılsa, bu kez görüşler neredeyse bir gecede değişti. Birkaç yıl içinde, çoğu kozmolog ya büyük patlama teorisini benimsedi ya da bu alanda yayın yapmaktan vazgeçti. Penzias ve Wilson, bu başarılarından dolayı 1978’de Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar. Daha geçen Nisan ayında[2], arka plan radyasyonundaki cüz’i sapmaların ölçümleri, büyük patlama teorisinin başka bir öngörüsünü daha doğruladı.
Fakat diğer birçok bilim insanının yüzyıl boyunca inşa ettiği bilgi mirası olmasaydı, kozmik mikrodalga arka plan ışımasının önemi anlaşılamazdı. Keşfin tarihi, başka bir kavrayışa yol açmaktadır. Keşfin birbirine rakip olan kozmolojik teorilerin duruşunu nasıl etkilediğini görebilmek için, 1965 yılından öncesine göz atarak, bilimsel ilerlemenin doğası hakkında birbiriyle yarışan görüşleri tahlil edebiliriz.
Büyük patlama kozmolojisi, 1930’larda ünlü Amerikan astronom Edwin P. Hubble’ın galaksilerin birbirinden uzaklaşıyormuş gibi göründüğünü ve en uzak olanların da en yüksek hızda uzaklaştığını[3] göstermesinden sonra odak noktası olmaya başladı. Hubble’ın bulgusu evrenin genişlediğini ima etmektedir. Ayrıca bu bulgular, bir zamanlar kozmosun (evrenin) belirli bir anda çok küçük bir uzayda yoğunlaştığına işaret olarak yorumlandı. Rus fizikçi Alexander A. Friedman ve Belçikalı bir rahip olan Georges Lemaitre, böyle genişleyen bir evrenin nasıl değişim geçirebileceğini açıklamak üzere Albert Einstein’ın genel görelilik teorisini kullandı.
Nükleer fizik, elementlerin temel parçacıklardan sentezini modelleyecek araçlar sağlamasıyla (bu konuda) rol oynamıştır. Bu araçlar sadece büyük patlama kuramının destekçisi George Gamow ile meslektaşları Ralph A. Alpher ve Robert Herman’a değil; aynı zamanda (büyük patlama kuramına) rakip olan durağan evren modelinin destekçisi Cambridge Üniversitesi’nden Fred Hoyle’a da hizmet etti.
Bell Laboratories’den Arno A. Penzias (solda) ve Robert W. Wilson (sağda), büyük patlamaya ilk kulak veren mikrodalga huni anteni üzerinde poz verirken
Yüzyılın başında, Einstein ve Max Planck’ın kara cisim ışımasının fiziğini formüle ederken yaptıkları katkı, teorik çalışmalar için hayati önem taşıyordu. Kara cisim bu adını; gelen tüm radyasyonu emdikten sonra yeniden yaymasıyla bilinen idealize özelliğinden almaktadır. Kara cismin tekrar ışıdığı bu enerji, Planck tarafından tahmin edilen oldukça karakteristik bir modelde spektrum boyunca dağılmaktadır. İlk/başlangıç ateştopu (Primordial fireball[4]), ilk aşamalarında, enerji ve maddeyi mükemmel bir termal dengeye sokacağından, soğutma patlamasından serbest kalan ilk ışımanın kara cisim biçimini göstermesi gerekirdi.
Ateş topunun genişlemeye ve soğumaya başlamasından milyarlarca yıl sonra, bu spektral desenin bugün ne kadar enerjik görüneceğinin kesin bir hesaplaması hâlâ yapılamamıştı. Uzaydaki radyasyonun sıcaklığı neydi? Bu soruya, ancak bilim adamlarının büyük patlamadan sonra ateş topunun evrimine ilişkin nicel bir teori geliştirmesi sonucunda cevap verilebilirdi.
Bu nicel teorinin gelişimi, radyoaktif bozunmayı açıklamasıyla ünlenen Rus fizikçi Gamow ile başladı. Gamow, 1930’larda ABD’ye geldi, önce George Washington Üniversitesi’nde ve ardından Colorado Üniversitesi’nde dersler verdi. George Washington Üniversitesi’nde, ilk olarak nükleer reaksiyonların astrofiziksel ve kozmolojik yönlerine ve ilk elementlerin sentezlendiği mekanizmalara odaklandı.
Gamow, cevabını kozmik ölçeğin her iki ucunda da aradı. 1930’ların başlarında gökbilimciler, çoğu yıldızın ağırlıklı olarak hidrojen ve helyumdan oluştuğunu göstermişti. Hidrojenin çekirdeği sadece bir proton içerdiğinden dolayı, hidrojenin oluşan ilk element olduğunu; çekirdeği iki protonla iki nötron içermesiyle hidrojenden sonraki en ağır element olan helyumun da, hidrojenin füzyonu sonucu oluşan “bir üst” element olduğunu varsaymak mantıklıydı. Fakat protonlar, ancak bir kuvvet aralarındaki o muazzam elektrostatik itmeyi yenerse kaynaşabilir (füzyona uğrayabilir). Bu süreç o kadar çok ısı ve basınç gerektiriyordu ki, doğru koşulları sağlayan ancak ilk (primordial) bir olay veya bir yıldızın içi olabilirdi.
Bugün büyük ölçüde geçerliliğini koruyan, yıldızların nükleer fiziğine ilişkin egemen teori, 1938’de Cornell Üniversitesi’nden Alman fizikçi Hans Bethe tarafından geliştirildi. Bethe, Güneşin nasıl ışıdığını açıklamak istemişti. Bunu yaparken, yıldızların içinde gerçekleşen nükleer füzyonun kütleyi enerjiye dönüştürdüğünü varsaydı. Bethe, Güneş benzeri yıldızlarda iki füzyon reaksiyonunun gerçekleşebileceğini öne sürdü: biri protonları helyum çekirdeği oluşturacak şekilde kaynaştırır, diğeri ise daha ağır elementler oluşturmak üzere protonları karbon çekirdeğine kaynaştırır.
Fakat karbon nereden geliyordu? Bu soru, Hoyle’un yıldızların merkezindeki özel koşullar altında üç helyum çekirdeğinden karbon üretilmesini mümkün kılan bir reaksiyon önerdiği 1950’lere kadar yanıtlanamadı. Bu ve daha ağır elementler oluşturmak için ihtiyaç duyulan diğer reaksiyonlar; yüksek enerjili bir parçacık hızlandırıcıda, William A. Fowler ve Fowler’in California Institute of Technology’deki grubu tarafından deneysel olarak kanıtlandı. (Söz konusu deneylere) Hoyle ve E. E. Salpeter ise teorik olarak önemli katkılarda bulunmuştur. 1957’ye gelindiğindeyse; Fowler, Hoyle ve Geoffrey Burbidge’le beraber Margaret Burbidge, çoğu yıldızın hidrojen ve helyumdan oluşan elementler tarafından nasıl sentezlenmiş olabileceğini açıklayan bir şema üzerinde (önce) Caltech’te; daha sonrasında ise Mount Wilson ve Palomar gözlemevlerinde çalışmışlardır. (Aynı) çalışma bağımsız olarak A.G.W. Cameron, tarafından da gerçekleştirilmiş ve daha sonrasında Kanada Atom Enerjisi’nde yapılmıştır. Fakat helyumun kozmik bolluğu bir sır olarak kalmaya devam etmiştir.
Gamow, çoktan helyum bulmacasının çözümüne yönelik cüretkar bir hipotez formüle etmişti. Gamow’un önerdiği büyük patlama versiyonuna göre; elementler, yıldızlardan bile daha önce, muazzam derecede sıcak ve yoğun bir nötron gazında oluşmuş olabilirdi. Nötronların bazıları daha sonra hidrojenin yapı taşı olan proton ve elektronlara bozunacaktı. 1948’de, dehasıyla olduğu kadar ayrıntılara karşı sabırsızlığıyla da bilinen Gamow, teoriyi geliştirme görevini George Washington’da yüksek lisans öğrencisi olan Ralph Alpher’a verdi. Sonrasında Alpher, Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan Robert Herman’la güçlerini birleştirdi. Alpher, Gamow’un başlangıç maddesine, Yunancada “ilk madde/heyula)” (primordial matter) anlamına gelen “ylem”[5] adını verdi.
Arkadaşlarını eğlendirmek için yaptığı bir montajda George Gamow, büyük patlama sonucu yaratılmış ilkel maddeyi (temsil eden) şişeden (Alaaddin’in) cini misali çıkmaktadır. Gamow’u çağıranlarsa; (arkadaşları) Robert Herman (solda) ve Ralph A. Alpher (sağda)’dır. Herman ve Alpher, “ylem” dedikleri bu maddenin hafif elementleri oluşturmak için birleşmiş olabileceğini göstermişlerdi.
Alpher ve Herman tarafından geliştirilen Gamow’un teorisine göre; evrenin ilk zamanları olan ilk cehennemde (primeval inferno), hidrojenle başlayan daha küçük çekirdekler, art arda yakalanan nötronların birleşmesiyle daha büyük çekirdekler oluşturmuştu. Bu işlem, serbest nötron miktarı biterek, sıcaklık düşünceye ve parçacıklar dağılıncaya kadar devam etmişti.
Hoyle, kendi durağan durum senaryosuna rakip olan bu yeni (modeli) büyük patlama teorisi diyerek küçümsemeye çalıştı. Fakat alay etme girişimi geri tepti: İfade o kadar canlıydı ki, teorinin savunucuları bu ifadeyi, kendilerininmiş gibi benimsediler.
Alpher ve Herman kısa süre sonra, kendi modellerinde evren soğudukça evreni kaplayan radyasyonun, bir kara cisim kaynağı spektrumu sağlayacağını fark ettiler. Dahası, evrenin genişlemesinin bu radyasyonu nasıl azaltıp sıcaklığını düşüreceğini de hesaplayabilirlerdi. Bu iki bilim adamı, kozmik arka plan radyasyonunun sıcaklığını tahmin etmek için evrendeki mevcut maddenin bugünkü yoğunluğuna dair yapılan hesapları kullandı ve yaklaşık beş Kelvin civarında (mutlak sıfırın biraz üzerinde Santigrat derecelik) bir değer elde ettiler.
Gökbilimciler, belki de kozmik arka plan ışımasını diğer ışınımsal kaynaklardan nasıl ayırt edeceklerini bilmedikleri için ya da belki de tahminlere dayanan kozmolojiyi ciddiye almadıkları için, bu öngörüyü doğrulamak için acele etmediler. Büyük patlama teorisinin orijinal versiyonunun iki büyük dezavantajı vardı. Birincisi, kütle numarası dört olan helyumun ötesindeki elementlerin oluşumunu açıklayamıyordu. Çünkü kütle numarası beş ve sekiz olan kararlı izotoplar bulunmadığı için, birer birer nötron ekleyerek helyumdan daha ağır elementler elde edilememektedir. Bu problem ancak, Hoyle, Fowler ve çalışma arkadaşlarının sabit durum teorisi ile bağlantılı kavramı olan yıldız nükleosentezine başvurularak çözülebilirdi. Gerçekten de, büyük patlama teorisinin modern versiyonu, helyumun ötesindeki elementlerin ancak ilk nesil yıldızların oluşumundan sonra ortaya çıktığını varsaymaktadır.
Büyük patlamalı evren teorisine ikinci bir itiraz, yaş problemiyle ilgiliydi. Hubble’ın genişleme yasasıyla bağlantılı olarak galaksilerin uzaklık ve durgunluk hızlarının astronomik ölçümleri, evrenin iki milyar yaşında olduğunu işaret etmişti. Fakat dünya yüzeyindeki kayalar, gezegenin bundan çok daha yaşlı olduğunu kanıtlamaktadır.
Durağan evren kuramı, bu bariz çelişkiyi çözmek için tasarlandı. 1946’da bir gece, Cambridge İngiltere’de, üç genç bilim adamı -Hoyle, Hermann Bondi ve Thomas Gold- bir hayalet hikayesi filmi olan Dead of Night’ı izlemeye gittiler. Hoyle’un sonrasında hatırladığı üzere; “film, dairesel hale gelecek şekilde ustaca birbirine bağlanmış dört ayrı parçaya sahipti, sonu başlangıcıyla aynıydı.” Gold arkadaşlarına evrenin benzer şekilde inşa edilip edilemeyeceğini sordu. Takip eden tartışmalarda bu kafadarlar, sürekli değişse bile her zaman aynı görünecek dinamik ama döngüsel olmayan bir evren modeli çizdiler.
Hoyle, Bondi ve Gold’a göre evrenin bir başlangıcı yoktu. Galaksilerin bizden uzaklaşmasının, maddenin süregelen bir zayıflaması anlamına gelmediğini savunuyorlardı. “Kendi galaksimiz asla bir başına kalmayacak” diyorlardı, “çünkü madde sürekli olarak sadece görünür evrenden kaybolan maddeyi telafi etmeye yetecek miktarda yaratılıyordu. Bu (yaratılan) yeni madde sonunda yıldızları ve galaksileri oluşturacaktı, böylece evren herhangi bir zamanda herhangi bir gözlemciye her zaman aynı görünecekti.
(Durağan durum kuramına) Maddenin yoktan var edilmesinin kütle ve enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği şeklinde itiraz yöneltilebilir. Karşı cevapsa açıktır: Büyük patlama da bu yasayı ihlal etmektedir. Bunu, edim bilimsel çalışmaların erişiminin ötesinde olduğu bir anda, zamanın başlangıcında, maddenin tamamını bir anda yaratarak yapmaktadır. (Durağan evren teorisinin sonraki bir versiyonunda, Hoyle kütleçekim enerjisinin maddeyi yarattığını, kütle enerjisinin genel korunumunu geri getiren ancak başka problemler ortaya çıkaran bir iyileştirme olduğunu öne sürdü.)
Durağan durum modeli taraftarları, teorilerinin büyük patlamadan daha bilimsel olduğunu iddia ettiler, çünkü prensipte gözlemlenebilecek bir süreç -sürekli yaratılış-varsayıyordu. Dahası, teorilerinin, gökbilimcilerin yakın gelecekte test edebilecekleri türden kesin tahminler yaptığını savundular.
Bondi, Gold ve durağan durum modelinin diğer savunucuları, modellerini az sayıda gözlem sonuçları üzerine kurarken, şu anda İngiltere’de yaşayan Avusturyalı filozof Karl Popper’ın doktrinine belirgin şekilde başvurdular. Popper, bilimi; test edilebilecek şekilde (tercihen yeni) olguları öngören hipotezler oluşturmaya dayanan bir disiplin olarak tanımlamaktadır. Bir öngörü başarısız olursa, bilim adamı hipotezden vazgeçer; eğer hipotez sağlam kalırsa, bilim adamı bunu kanıtladığını iddia etmez, yalnızca hipotezi daha ileri araştırmalar için bir temel olarak kabul eder.
Popper’ın ilkesi, bilimsel teoriler göz önüne alındığında; realiteden çok test edilebilirliğin ölçüt olması gerektiğini savunmaktadır. Örneğin Popper, Marksizm ve psikanalizi “sahte bilim” sayarak reddeder, çünkü bu teorilerin tüm unsurları açıklayabilecek kadar esnek olduğuna ve dolayısıyla bütün testlerden sıyrılabileceklerine inanır.
Bondi, evrenin şu anki haliyle geçmişteki halini karşılaştırmak suretiyle durağan durum teorisine meydan okumayı önerdi. Durağan evren teorisi, evrenin her zaman aynı göründüğünü söylediği için, kısa süre önce oluşan galaksilerin uzun zaman önce oluşanlara benzeyeceğini iddia eder. Bondi; uzaya bakarsanız –ışığın hızı sonlu olduğu için zamanda da geriye bakmış olacaksınız- ve uzaktaki galaksilerin yakındakilerden farklı olduğunu görürseniz, “o zaman durağan evren teorisinin tamamen çökeceği” fikrindedir. Fakat 1965’ten önce yazan diğerleri gibi Bondi de, durağan evren modelinin kozmik mikrodalga arka planı ışımasını öngörmediği başka bir testten bahsetmemiştir.
Teori, Bondi’nin kurduğu testte başarısız oldu. 1950 ve 1960’ların başında yapılan çeşitli astronomik gözlemler, evrenin zaman içinde önemli ölçüde değiştiğini gösterdi. Cambridge’den Martin Ryle, uzaktaki sinyallerin dünyaya ulaşmasının daha uzun sürdüğünü ve dolayısıyla kozmik tarihin daha erken bir aşamasını yansıttığının farkında olarak, hem uzak hem de yakın radyo kaynaklarını hesapladı. Ryle, eskiden daha az kaynak bulunduğu sonucuna vardı. Bazı gökbilimciler onun iddiasını kanıtlamadığını söyleseler de, astronomlar en eski radyasyon kaynağı gibi görünen yıldızsı nesneler ya da kuasarları keşfettiklerinde, ek destekleyici kanıtlar ortaya çıkmış oldu. Bu nesnelerin yaşıtı olan herhangi bir benzerleri yoktu.
Bu arada, evrenin yaşı ile dünyanın yaşı arasındaki garip farklılık sorunu, büyük patlamayı destekleyen bir şekilde yeniden çözüme kavuşturuldu. 1952’de, Mount Wilson Gözlemevi’nden Walter Baade’in liderliğinde, gökbilimciler galaktik mesafelerin ölçeğini iki kat yüksek olacak şekilde revize etti. Evrenin tahmini yaşı bu nedenle iki katına çıktı. Daha sonraki çalışmalar evrenin yaşını en az 10 milyar yıla çıkarırken, dünyanın yaşı 4,5 milyar yıl olarak sabit kaldı.
Fakat özellikle Britanya’daki birçok bilim insanı, durağan durum teorisinin basitliğini sevmişti ve bu yüzden bu kavrama tutunmaya devam ettiler. Büyük patlama hakkında keyfi varsayımlarda bulunmanın veya büyük patlamadan önce ne olduğu konusunda endişelenmenin gereksiz olduğunu ifade ettiler. Durağan durum modelinin savunucuları, (karşıt görüştekilerin) sicillerini şüpheli hale getiren daha önceki çürütme girişimlerinin başarısızlığından da cesaret aldılar.
Durağan evren kuramcıları, teorilerine karşı çoğalan kanıtları açıklamak için daha fazla zaman harcadıkça, Popper’ın metodolojisine olan bağlılıkları da giderek daha az inanılır hale geldi. Bunun yerine, Planck’ın daha alaycı bilim görüşünü resmediyor gibiydiler. Büyük fizikçi (Planck), Bilimsel Otobiyografi ve Diğer Makaleler (1949) isimli eserinde şu iddiada bulunmuştur: “Yeni bir bilimsel gerçek, karşıtlarını ikna edip onların aydınlanmalarını sağlayarak değil, daha ziyade karşıtları sonunda öldüğü ve bu bilimsel gerçeğe aşina olan yeni bir nesil büyüdüğü için zafere ulaşır.”
Planck’ın ilkesi, şimdiki bilim tarihçilerinin dediği gibi, soyut mantığın aleyhine bilimde insan unsurunu vurguladığı için Popper’ın ilkesiyle çelişmektedir. Gökbilimciler nasıl ki büyük patlamayı durağan evren modelinin aleyhine, evrenin tanımlanmasında bir ölçüt olarak alabiliyorsa, bilim tarihçileri de Planck ve Popper’ın bilim tanımları arasında bir seçim yapmak isteyebilirler. Bilimin her zaman böyle çalışıp çalışmadığını yargılamaya girişmeksizin, bahsi geçen bu özel durumda hangisinin daha doğru göründüğüne bir bakalım.
1959’da yapılan bir anket, astronomların çoğunun sürekli yaratılışı reddettiğini gösterdi, oysa ankete katılanların aslında sadece üçte biri büyük patlama teorisi taraftarıydı. Hoyle bile orijinal modelini terk etti ve onun yerine daha karmaşık bir hipotez kurdu. Hoyle 1964’te, evrende bulunan yüksek miktardaki helyumun; evrenin 1010 Kelvin’i aşan sıcaklıklarda “piştiğine” delalet ettiği sonucuna vardı. Fakat Hoyle, maddenin sürekli yaratıldığı fikrinden vazgeçmedi. (Böyle bir şey için) yeni bir şok gerekliydi.
Kozmik mikrodalga arka plan ışınımının keşfi, bu şoku sağladı. Penzias ve Wilson, uzayın sıcaklığını ölçerek veya bir fizikçinin tabiriyle, belirli bir sıcaklığa karşılık gelen Planck kara cisim spektral dağılımını tespit ederek, bu keşfi yaptılar. Elektromanyetik radyasyon, gezegenler ve yıldızlar arasındaki bölgelere yayılır ve dünyadaki aletlerle tespit edilebilir. Bu radyasyonun büyük miktarı, astronomik kaynakların fiziksel ve kimyasal özellikleri tarafından belirlenen spesifik frekanslarda gelir. Bu nedenle, tek bir sıcaklıkla kesin olarak karakterize edilemez. Bunun yerine araştırmacılar, belirli bir sıcaklıkta termal dengede olan radyasyonu araştırırlar. Yani, 1900 yılında Planck tarafından keşfedilen yasaya göre radyasyon, sürekli olarak farklı frekanslara yayılmaktadır.
Büyük patlama teorisinin öngördüğü KARACİSİM SPEKTRUMU, evrendeki en erken radyasyonun şimdi mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki bir kaynaktan geliyormuş gibi görüneceğine işaret eder. Penzias ve Wilson, tayfı tek bir noktada doğruladılar; diğerleri o zamandan beri bunu geniş bir frekans aralığı için onayladı.
Planck dağılımı her bir sıcaklık için ayrı bir karakteristik şekle sahiptir [resme bakınız]. İçinde yaşadığımız evren için, kozmik arka plan radyasyonu üç Kelvin’den biraz daha düşük bir sıcaklığa karşılık gelmektedir. Dağılım, spektrumun mikrodalga bölgesinde yer alan yaklaşık 0.18 santimetrelik bir dalga boyunda pik yapar.
Uzayın sıcaklığı dolaylı olarak hesaplanabilir. Arthur Stanley Eddington’ın 1926’da belirttiği gibi, yıldızların hepsinden gelen ışık miktarı, yani toplam enerji yoğunluğu, termal dengeye dönüştürüldüğünde 3.2 Kelvin’e eşit olacaktır. Ancak Eddington, bu tahminini test etmek için spesifik bir yöntem önermemişti.
O zamanlar, Eddington’ın kalibresindeki bir bilim adamının bile bu görevden gözü korkardı. Açıkçası, sıradan termometreler güneş, diğer gök cisimleri ve dünya atmosferinden gelen enerjiyle aşırı yüklenecektir. Yalnızca, dalga boyu bir milimetre ile bir santimetre arasına ayarlanmış ve yerel kaynaklardan yalıtılmış aşırı hassas aletlerle, kozmik mikrodalgaları tespit etme beklentisine girilebilir.
Eddington’ın ileri görüşlü tahmininden yaklaşık 15 yıl sonra, Kanada’daki Dominion Astrofizik Gözlemevi’nden Andrew McKellar, uzayın etkin sıcaklığını ölçmek için pratik bir yol önerdi. Yıldızlararası uzayda atomların yanı sıra moleküllerin de var olabileceğini öne süren ilk gökbilimcilerden biri olan McKellar, siyanür (CN) molekülünün termometre olarak kullanılmasını önerdi. Siyanürün; göreli yoğunluğu, yüksek enerji durumlarının kendisindeki elektronların sayısına karşılık geldiği spektral çizgiler yaydığını belirtti. McKellar, bu sıcaklığı 2.3 Kelvin olarak hesapladı.
Bu dolaylı yaklaşımlar, yerel kaynaklardan gelen müdahaleyi dışlayamazdı. Bunu yapmak için, radyasyonun kendisini tespit etmeli ve gökyüzünde haritasını çıkarmak gerekmektedir. İkinci Dünya Savaşı sırasında Massachusetts Institute of Technology’de geliştirilen radar ekipmanı, kozmik arka plan ışımasını araştırmak isteyenler için, bu radyasyonu doğrudan algılama potansiyeline sahip değildi.
1946’da MIT’de Robert H. Dicke tarafından yönetilen bir grup, bir mikrodalga radyometresi tarafından ölçülen atmosferik radyasyon ölçümlerini raporladı. Ekip, “radyometrenin dalga boylarında kozmik maddeden gelen radyasyonun” oldukça seyrek (20 Kelvin eşdeğerinden daha az olduğunu) kaydetti, fakat bu gözlemin peşine düşmedi. Sonrasında Princeton Üniversitesi’ne taşınan Dicke, daha sonra hatırladı ki “bu ölçüm sırasında büyük patlama radyasyonunu değil, yalnızca evrendeki en uzak galaksilerin yaydığı olası bir parıltıyı” düşünmüştü.
İlk Üç Dakika adlı kitabında Steven Weinberg, 1965’ten önce kimsenin arka plan radyasyonu hakkında sistematik bir araştırma yapmamasının iki nedeni olduğunu öne sürmektedir. Birincisi, büyük patlama helyumdan daha ağır elementlerin oluşumunu açıklamakta başarısız olunca inanılırlığını yitirdiği için, teorinin diğer tahminlerini test etmek önemli gelmedi. Buna karşılık, yıldızlardaki (kararlı hal kozmolojisiyle bağlantılı bir teori olan) nükleosentez, helyumun ilk etapta nasıl oluştuğunu açıklamasa da, ağır elementlerin hidrojen ve helyumdan nasıl oluşacağını açıklıyor gibiydi.
İkinci olarak, Weinberg, teorisyenler ve deneyciler arasındaki iletişimin bozukluğuna işaret etmektedir. Teorisyenler, mevcut ekipmanlarla bu radyasyonun gözlemlenebileceğinin farkında değillerdi. Deneyciler de gözlemlerinin önemini fark edemediler. Bu açıdan bakıldığında, hem teorisyen hem de deneyci olan Dicke’in bu konuda önemli bir rol oynaması dikkat çekicidir: P. James E. Peebles ile birlikte, özel bir mikrodalga gürültüsünün kozmolojik teoriyle ilişkilendirilmesine katkı sunmuştu.
Kaçırılan en dikkat çekici fırsat, Gamow ve Hoyle arasındaki bir yanlış anlaşılma sebebiyle oldu. Her biri diğerinin teorisini eleştirmesine rağmen, yine de dostane tartışmalara girebilirlerdi. 1956 yazında Gamow, Hoyle’a evrenin yaklaşık 50 Kelvinlik bir sıcaklıkta mikrodalga radyasyonla dolu olması gerektiğini söyledi. (Alpher ve Herman tahminlerini yayınladıktan sonra Gamow bu görüşe kendi başına ulaşmıştı.)
Aslına bakılırsa Hoyle, McKellar’ın uzayın sıcaklığının üç Kelvin civarında olduğu iddiasına aşinaydı. Dolayısıyla Hoyle, sıcaklığın Gamow’un iddia ettiği kadar yüksek olamayacağını savundu. Ancak her ikisi de, doğrudan bir ölçümün üç Kelvin değerini teyit edip Planck spektrumu oluşturması durumunda, (bu sonucun) uzay için sıfır sıcaklık öngören Hoyle’un kabul ettiği durağan evren teorisini çürüteceğini fark etmediler.
Değişik bir iletişim sorunu -uydu röleleri- kozmik mikrodalga arka plan ışımasının keşfine yol açtı. Bell Labs, uydularının mikrodalga frekanslarda mümkün olduğunca çok bilgi iletmesini istiyordu; bunun için de laboratuvar çalışanlarının olası tüm kaynaklardan gelen gürültüleri bulup ortadan kaldırması gerekiyordu. Radar üzerinde savaşla ilgili firmanın çalışmalarından üretilen röle donanımı, Bell Labs mühendisleri Harald T. Friis ve A. C. Beck’in 1942’de inşa ettiği boynuz şeklindeki bir alıcıdan oluşuyordu. Başka bir Bell Labs mühendisi olan Arthur B. Crawford, fikri çok daha ileriye taşıdı. 1960 yılında Holmdel, N.J. yakınlarındaki Crawford Hill tesisinde 6.1 metrelik boynuzlu bir alıcı yaptı. Başlangıçta atmosferin yükseklerinde bulunan plastik bir balondan yansıyan sinyalleri almak maksadıyla kullanılan bu reflektör, Penzias ve Wilson için tam da zamanında başka amaçlar için kullanılabilir bir hale gelmişti.
İki araştırmacı, radyo astronomisinde bir araştırma programı başlatmak istediler. Penzias ve Wilson, son derece hassas olan bu aleti çalışmalarına hazırlayabilmek için önce mikrodalga gürültüsünden kurtulmak zorunda kaldılar. İlk denemelerinde başarısız oldular. Fakat Ocak 1965’te nihayet Penzias, inatçı bir şekilde kalıcı olan bu sinyalin kökenini açıklayabilecek Peebles’ın bir teorisi olduğunu duydu.
Peebles, Holmdel laboratuvarından yaklaşık 40 km uzaklıktaki Princeton’da Dicke ile birlikte çalışıyordu. Dicke, evrenin zorunlu olarak büyük patlama ile başladığı varsayımını reddetmekteydi. Evrenin genişleme ve daralma aşamalarından geçmesinin daha olası olduğunu düşünüyordu. Her daralmanın sonunda bütün maddenin, daha ağır çekirdekleri protonlarına ve nötronlarına ayırmaya yetecek kadar şiddetli sıcaklıklardan ve yoğunluklardan geçeceğini tahmin etmekteydi.
Bu nedenle, Dicke’in evreni büyük patlama ile başlamamış olsa da, evrenin döngülerinden her biri benzer bir afetle başlamalıdır. Dahası, Dicke’in kozmolojisi, soğudukça Planck kara cisim karakterini koruyan, yüksek sıcaklık radyasyonlu bir başlangıç ateştopuna işaret etmekte ve mevcut radyasyon sıcaklığının 45 Kelvin olacağını tahmin etmekteydi. Belli ki Dicke, 20 Kelvin’den daha düşük sıcaklıklarda arka plan radyasyonunun varlığını öne süren kendisinin 1946’daki ölçümünü unutmuştu. Peebles, Dicke’in teorisindeki hesaplamaları ilerletti ve yaklaşık 10 Kelvinlik bir oran elde etti.
Dicke ve Peebles, iki yüksek lisans öğrencisi P. G. Roll ve D. T. Wilkinson ile birlikte Princeton’da kozmik arka plan radyasyonunu ölçmek için bir anten inşa etmeye başladılar. Herhangi bir sonuç elde etme şansı bulamadan Dicke, Penzias’tan Crawford antenindeki 3.5 Kelvin civarında bir sıcaklığa karşılık gelen gürültüyü tartışmak için bir araya gelmelerini teklif eden bir telefon aldı. Çok geçmeden Penzias ve Wilson’ın; Dicke ve Peebles ve daha öncesinde de Alpher ve Herman’ın zaten tahmin ettiği bir radyasyonu tespit ettikleri anlaşıldı. Ancak bu iki gökbilimci, Dicke ve Peebles ile konuşana kadar ne bulduklarını bilmiyorlardı. Teorik açıklama, saf bulguları gerçek buluşa dönüştürmek için elzemdi. Bu buluş ise, on yıldan fazla zaman aldı, çünkü bilim dünyası Gamow, Alpher ve Herman’ın daha önceki çalışmalarını düpedüz gözden kaçırmıştı.
Bell Labs ve Princeton’dan gelen grupların raporları, Mayıs 1965’te Astrophysical Journal‘a gönderildi ve 1 Temmuz sayısında hep beraber yayınlandı. Yayın, hem kitle iletişim araçlarında hem de bilimsel dergilerde bir dizi makalenin önünü açtı. Hoyle bile, daha sonra mikrodalga radyasyonunu açıklayabilen değiştirilmiş bir versiyonuna tutunmaya çalışsa da, en azından orijinal haliyle, kararlı durum teorisinin “şimdilik atılması gerektiğini” kabul etti. Ancak Bondi’nin durağan durum teorisinin test edilebilirliğinin üzerinde çok durması, sonradan taraftarlarının karşısına bir sorun olarak çıkmıştı. Yeni keşifleri açıklamak için teoriyi çarpıtmaya yönelik herhangi bir girişimde bulunulması, sahte bilim (pseudoscience) damgası yeme riski taşıyordu.
Basın hızlıca, Penzias ve Wilson’ın büyük patlamayı kesin olarak doğruladıkları kanısına varmasına rağmen, bilim adamları Penzias ve Wilson’ın sonuçlarının Planck eğrisinin bir ucunda kümelenmiş sadece birkaç dalga boyu ile sınırlı kaldığını fark ettiler. Radyo kaynaklarının başka açıklamaları (mesela radyo kaynaklarının bir kombinasyonu) arka plan radyasyonunun bu veri noktalarını açıklayabilirdi. 1970’lerin ortalarına kadar, arka plan radyasyonunun aslında Planck yasasını izlediğine dair kuşku duyanları ikna etmek üzere farklı frekanslarda yeterli ölçüm yapılmamıştı. CN molekülünün spektrumu burada önemli bir rol oynadı, çünkü gökbilimciler yeniden canlandı ve McKellar’ın daha önceki çalışmaları temel alındı.
1970’lerin sonlarına gelindiğinde, durağan durum modelinin hemen hemen tüm orijinal destekçileri, teoriyi açıkça terk ettiler ya da sadece konuyla ilgili yayın yapmayı bıraktılar. O sırada Fullerton’daki California Eyalet Üniversitesi’nden Carol M. Copp tarafından Amerikalı gökbilimciler üzerinde yürütülen bir araştırma, büyük bir çoğunluğun durağan durum yerine büyük patlamayı desteklediğini tespit etti
1965’ten sonra durağan durum teorisinin hızla çöküşü, bu durumda Planck’tan çok Popper’ın ilkesinin geçerli olduğunu göstermektedir. Helyum bolluğu ve uzak radyo kaynakları ile kuasar gözlemleri hakkındaki argümanlarla birleşen kozmik mikrodalga arka planının keşfi, çoğu kararlı durum taraftarını, teorilerinin artık takip edilmeye değer olmadığına ikna etti. (Çünkü) Test edilmiş ve eksik bulunmuştur.
Ancak 1990’da, durağan durum teorisi neredeyse unutulduğu bir sırada, Hoyle ve birkaç meslektaşı, kanıtların tek bir patlamanın her şeyi yarattığı hipotezini desteklemediğini öne sürerek onu bir “mini-big bang” teorisi şeklinde tazelemeye çalıştılar. Geoffrey Burbidge yakın zamanda bu görüşü bu sayfalardaki bir denemede özetledi [bkz. “Neden Sadece (Tek) Bir Büyük Patlama?”; Şubat].
Büyük patlamanın savunucuları bu tür eleştirilerin çoğunu reddedebilse de, bazı bulmacalar hala çözülmedi. Örneğin, mikrodalga arka planı çok pürüzsüz duruyordu. Sıcaklıkta ve dolaylı olarak yoğunlukta daha sonraki kütleçekimsel kümelenmeyi oluşturmak için gerekli görünen küçük varyasyonlardan yoksundu. (Fakat) Böyle bir tohumlama olmasaydı, şu anda gözlemlenen galaksileri ve süpergalaktik yapıları üretmek için yeterli zaman bulunmayacaktı.
Ardından, bu yılın Nisan ayında, George P. Smoot ile Berkeley’de bulunan California Üniversitesi’ndeki ve Lawrence Berkeley Laboratuvarı’ndaki meslektaşları, büyük patlama teorisindeki bu boşluğu doldurabilecek kanıtlar yayınladılar. Kozmik Arka Plan Gezgini (COBE) adı verilen yörüngeli gözlemevi tarafından toplanan kozmik arka plan radyasyonu ölçümlerinin bir analizini ilan ettiler. Veriler, tıpkı büyük patlama teorisyenlerinin beklediği gibi, kozmik arka planda hafif sıcaklık değişimleri gösterdi. Araştırmacılar, bu “dalgalanmaları”, kozmik tarihin çok erken bir aşamasında madde ve enerji yoğunluğundaki dalgalanmalar şeklinde yorumlamaktadır. Bu tür dalgalanmalar, maddenin kendi yerçekimi kuvveti altında, zamanla nasıl yıldızları, galaksileri ve çağdaş evrenin daha büyük yapılarını oluşturduğunu izah etmeye yardımcı olabilir.
Evren gerçekten büyük patlamayla mı başladı, yoksa daha önce yüksek sıcaklık ve yoğunluğa yol açan bir daralma evresi -bir “büyük kırılma”- var mıydı? Evren sonsuza kadar genişlemeye devam edecek mi yoksa sonunda bir kara deliğe mi dönüşecek? Evrenin yaratılması temel düzlemde kuantum teorisini içeriyor mu? Bu fikirler artık fizikteki düşünceye egemendir [bkz. Jonathan J. Halliwell tarafından yazılan “Quantum Cosmology and the Creation of the Universe”; Scientific American, Aralık 1991]. Bilim adamlarının bu tür soruları ciddi şekilde araştırmaya değer bulmaları büyük ölçüde, kozmolojiyi ampirik bir bilim haline getiren kozmik mikrodalga arka plan ışıması keşfinin bir sonucudur.
İLERİ OKUMALAR
In Search Of The Bıg Bang: Quantum Physıcs And Cosmology. John Gribbin. Bantam Books, 1986.
The Cosmıc Mıcrowave Background: 25 Years Later. Edited by N. Mandolesi and N. Vittorio. Kluwer Academic Publishers, 1990.
Modern Cosmology In Retrospect. Edited by B. Bertotti et al. Cambridge University Press, 1990.
The Case For The Relatıvıstıc Hot Bıg Bang Cosmology. P.E. Peebles, D. N. Schramm, E. L. Turner and R. G. Kron in Nature, Vol. 352, No. 6338, pages 769-776; August 29, 1991.
KAYNAK: Stephen G. Brush, “How Cosmology Became a Science”, Scientific American, 267/2 (AUGUST 1992): 62-71.
NOT: Bu yazı eğitim ve bilginin yaygınlaşması amacıyla mehmetbulgen.com için Nursena Çetingül tarafından çevrilmiştir.
* 1968’den beri College Park’taki Maryland Üniversitesi’nde bilim tarihi dersleri vermektedir. Bundan önce, Lawrence Livemore Laboratuvarı’nda teorik fizik araştırmaları yürütmüş ve Harvard Üniversitesi’nde geliştirilen lise fizik dersleriyle ilgili metin yazımına yardımcı olmuştur. Gazların kinetik teorisinin gelişimi, güneş sisteminin kökeni ve modern fizik bilim tarihiyle ilgili konular üzerine yazıları vardır. 1992-1993 akademik yılını Princeton’daki Institute for Advanced Study’de geçirmekte ve ampirik testlerin bilim adamlarının teori seçimlerini nasıl etkilediğini analiz etmektedir. 2007 yılında University of Maryland’dan emekli olmuştur. 2013’ten beri Ulusal Bilim Eğitimi Merkezi Danışma Konseyi üyesidir.
** Stj. Avukat, Marmara Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü, Temel İslam Bilimleri, Kelam Tezli Yüksek Lisans Öğrencisi, https://www.researchgate.net/profile/Nursena-Cetinguel , ncetingul@protonmail.com
[1] Çevirmenin Notu: Steady state model; Durağan Evren Modeli, Durağan Durum Modeli, Süredurum Kuramı/Modeli gibi farklı şekillerde çevrilebilmektedir.
[2] Çevirmenin Notu: Bu makale, Scientific American’da 1992 yılında yayınlanmıştır.
[3] Çevirmenin Notu: Hubble Diyagramı olarak bilinen galaksilerin uzaklığına göre uzaklaşma hızının resmedildiği grafik ve daha fazlası için bkz: Neta A. Bahcall, “Hubble’s Law and the expanding universe”, Proceedings of the National Academy of Sciences 112, sy 11 (17 Mart 2015): 3173-75, https://doi.org/10.1073/pnas.1424299112.
[4] Çevirmenin Notu: Primordial fireball. Evrenin sıcak ve yoğun olduğu ve radyasyonun etkilerinin hakim olduğu Big Bang teorisindeki radyasyon çağı için alternatif bir terim. Böyle bir fazın varlığı, kozmik mikrodalga arka planının gözlemle doğrulanmış özellikleri tarafından kuvvetle önerilmektedir. ( “primordial fireball”, içinde Oxford Reference, t.y., https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803100345785. ) Profesör Joseph Silk’e göre Primordial Fireball, Big Bang’in fosili niteliğindedir. Dr. Silk tarafından bu konuda verilmiş özel bir ders için bkz: The Primordial Fireball – Professor Joseph Silk (YouTube, 2015), https://www.youtube.com/watch?v=2Oo1NhUofow.
[5] Çevirmenin Notu: Ylem, Gamow ve meslektaşlarının Büyük Patlama’dan hemen sonra var olduğunu varsaydıkları şeydir. Alpher, bu kelimeyi Webster’in sözlüğünde bulduğunu söylemiştir(Jeremy Bernstein, “Out of My Mind: The Birth of Modern Cosmology”, The American Scholar 55, sy 1 (1986): 7-18.). Birçok mitolojide “kozmik yumurta” anlamına gelmektedir. Ayrıca “ylem” kelimesi, Yunanca hūlē, hȳlē kelimelerinden türemiştir. (bkz: “ylem”, Oxford English Dictionary, https://www.oed.com/view/Entry//231917; “hyle” Oxford English Dictionary, https://www.oed.com/view/Entry/90173) Yunanca hȳlē kelimesi ise sonrasında Arapçaya “heyûlâ” şeklinde girmiştir (Osman Karadeniz ve Yusuf Şevki Yavuz, “Heyula”, içinde TDV İslâm Ansiklopedisi, t.y., https://islamansiklopedisi.org.tr/heyula).
Araştırma Alanları
Araştırma Alanı Yazıları
Son Yorumlar
Haberler