Konu: olbers paradoksu

Bir 18. yüzyıl astronomu olan Heinrich Olbers gece gökyüzünün niçin karanlık olduğunu merak etti. Bu çok aptalca bir soru gibi görünebilir. Geceleyin gökyüzü karanlıktır çünkü güneş batmıştır. Fakat Olbers paradoksu aptal bir soru değildi; tersine çok derin ve nazik bir soruydu.


Orada güneşten başka bir sürü yıldız var. Yıldızların evrende düzgün olarak dağılmış olduklarını farz edelim. Evreni, merkezi biz olacak şekilde küresel kabuklar halinde dilimleyelim. Bu kabukların her birinde belli sayıda yıldız olacak ve her yıldız yeryüzünü belli miktarda yıldız ışığıyla aydınlatacaktır. Dünyadan uzaklaştıkça ortalama bir yıldızdan gelen yıldız ışığı uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalacaktır. (Yani, 10 ışık yılı uzaktaki bir yıldız dünyayı 1 birim aydınlatıyorsa, 20 ışık yılı uzaktaki aynı şiddette ışıma yapan bir yıldız dünyayı 1/4 birim, 30 ışık yılı uzaktaki 1/9 birim ... aydınlatacaktır.) Ancak her kabuk üzerindeki yıldız sayısı kabuk alanıyla, kabuk alanı da uzaklığın karesiyle doğru orantılı olduğundan (4.p.r2) küresel kabuklardaki yıldız sayısı da uzaklığın karesiyle doğru orantılı olarak artacaktır. Böylece azalan yıldız ışığı miktarı artan yıldız sayısıyla telafi edilecek ve bu nedenle de gecelerin gündüz kadar aydınlık olması gerekecektir. Dahası, evren sonsuz büyüklükteyse, sonsuz sayıda yıldızdan gelen ışık miktarı da sonsuz olacak ve aslında gece gündüz ayrımı olmadan her zaman sonsuz aydınlık olacaktır.


Başka bir ifadeyle, evren gerçekten sonsuzsa, gözümüzü gökyüzünde her hangi bir yöne çevirdiğimizde görüş çizgimiz üzerinde en az bir yıldız mutlaka bulunmalıdır. Böylece gece gökyüzü bir yıldızın yüzey rengi ve sıcaklığında, ya da binlerce derece santigrat olmalıdır. Kozmik bir barbekü kuyusunda çıtır çıtır kızarıyor olmalıydık. Yeryüzündeki hayat imkansız olmalıydı. Yeryüzünde hayat olduğuna ve gece gökyüzü karanlık olduğuna göre bu argümanda bir şey(ler) açıkça yanlıştır. Fakat ne?


Cevap evrenin genişlemekte ve sadece bir kaç milyar yaşında olduğudur. Uzak galaksiler dünyayı yakın yıldızlardan gelen yıldız ışığı şiddetinde aydınlatmazlar, çünkü enerjileri Doppler kaymasıyla veya uzaklaşma hızlarıyla seyreltilmiştir. Ayrıca, bir kaç milyar ışık yılı uzaktaki kabuklardan hiç ışık gelmez, çünkü orada yıldız bulunmaz. Bunu 1929'da uzak galaksilerin Doppler kaymalarını inceleyen Edmund Hubble'ın evrenin genişlediğini keşfetmesiyle biliyoruz. Fakat astronomlar Olbers paradoksuna yeterli ilgiyi göstermiş ve onun gereklerini fark etmiş olsalardı aynı sonuca neredeyse iki yüzyıl önce bile ulaşılmış olacaktı.

Bundan yaklaşık 100 yıl kadar önce bilim adamları gökyüzünün gündüz neden mavi olduğunu buldular. Ancak, bundan çok daha basitmiş gibi görünen “ Gökyüzü gece neden karanlık ? ” sorusunun yanıtı, 20. yüzyılın ortalarına kadar gizemli kaldı. Artık bildiğimiz bu yanıtın ortaya çıkarılmasının uzunca bir öyküsü var.

Daha çok bir çocuğun aklına gelebilecek böyle bir soruyla karşılaştığınızda hemen “ Güneş gökyüzünde olmadığı için” gibi bir yanıt aklınıza gelebilir. Ancak, biraz daha ayrıntıya indiğinizde bu sorunun yanıtı vermenin hiç de o kadar kolay olmadığı ortaya çıkıyor.
Eğer evren sonsuz genişlikte olsaydı ve sonsuz sayıda yıldız içeriyor olsaydı, gece gökyüzü göz alıcı derecede parlak olurdu. Gökyüzününü neden karanlık olduğu sorusunun ilk ortaya çıkışı eskiye, 1500’ lü yıllara dayansa da unun üzerinde ciddi anlamda ilk düşünen kişi Heinrich Wilhelm Olbers oldu. İşte kuramla gözlemsel verilerin bu denli farklı oluşu nedeniyle bu içinden bir türlü çıkılamayan duruma Olbers Paradoksu dendi.
Olbers’ in asıl mesleği doktorluktu. O, birçok kuyrukluyıldız ve asteroidin keşfine de imza attı. 1823 yılında evrenle ilgili bir makale yazdı. Bu makalesinde, yıldızların evrenin her yerine dağılmış olduğunu varsayıyordu. Dünya’ ya yakın olanların daha parlak görünmelerine karşılık bunların sayısı azdı. Çok daha uzakta bulunan yıldızlarsa daha sönük görünüyorlar fakat, aynı alana çok daha fazla yıldız düşüyordu. Bu çok mantıklı bir yaklaşım. Yıldızlara belirli bir görüş açısıyla baktığınızda, aynı görüş alanına uzakta çok daha fazla yıldız düşer. Eğer evren sonsuzsa, gökyüzündeki her noktada bir yıldız olması ve gökyüzünün her yerinin Güneş’ in yüzeyi kadar parlak olması gerekirdi. Olbers, makalesinde şunları yazmış:

“ Dünya ne kadar şanslı ki gökyüzünün her yanından yıldız ışığı gelmiyor. Eğer öyle olsaydı, gökbilim pek az gelişecekti. Yıldızları tek tek gözlemleyemeyecek, Güneş’ i sadece üzerindeki lekeler sayesinde tanıyabilecektik. Gezegenler ve Ay ise, Güneş kadar parlak bir fondaki karanlık diskler olarak görülecekti.”

O zamanlar, Olbers’ in makalesi pek ilgi görmedi. Zaten, gökyüzünün geceleri karanlık oluşunu irdeleyen tek kişi o değildi. Bu konuda ilk olma onuru, bilindiği kadarıyla İngiliz Tomas Digges’ e ait. Digges, uzaktaki yıldızların çok sönük oldukları için görülemediklerini öne sürdü. Açıklaması anlamlı görünmekle birlikte yalnıştı. Her bir atomu, göremeyeceğimiz kadar küçük olduğu halde bu yazıyı nasıl görebiliyorsak, yıldızların toplam ışığı da ne kadar uzak olurlarsa olsunlar görünür olacaktır. Benzer biçimde, hiçbir yıldızını çıplak gözle ayırt edemediğimiz halde, 2 milyon ışık yılı uzaklıktaki Andromeda galaksisini rahatlıkla görebiliyoruz.
Digges’ in sonsuz bir evreni benimsemiş olmasına karşın, aynı zamanda yaşamış olan ünlü Alman gökbilimci Kepler, onun düşüncesine karşı çıktı. Kepler, sonsuz bir evrende, Güneş’ in öteki yıldızların ışığında kaybolacağını düşündü ve bu yıldızlarla aramızda onların ışığını engelleyen duvar gibi bir şey bulunabileceğini öne sürdü.
Yaklaşık 100 yıl kadar sonra, Edmond Halley de bu konuyu ele aldı. 1721’ de İngiltere Kraliyet Topluluğunun önünde konuşan Halley, bu konudaki iki ayrı olasılığı dile getirdi. İlk olarak, bir hesap hatası yaptı ve uzaktaki çok sayıda yıldızın toplam ışığının, daha az sayıda ancak yakında bulunan yıldızların ışığından çok daha az olduğunu öne sürdü. İkinci bir olasılık ise, Digges’ in düşündüğünün aynısı.
Karalık gökyüzü nü aydınlığa kavuşturma yolunda çaba gösteren bir başka isim de İsviçreli gökbilimci Jean Philippe Loys de Cheseaux oldu. Digges ve Halley’ den farklı olarak, görülemeyecek kadar uzaktaki yıldızların da evrene ışık saçtığı gerçeğini atlamadı. Gökyüzünün karanlık oluşunu, uzayın saydam olmayışına bağladı.
Cheseaux ve Olbers yanılmışlardı. Uzayın tam anlamıyla saydam olmadığı doğru, ancak ışığı soğuran maddenin varlığı gecemizin karanlık olması için yeterli değil. Işığı soğuran madde de ısınarak aldığı enerji kadar ışıma yapar. Bu durumda ışığı soğuran madde de yıldızlar kadar parlak olacaktır.


İŞTE ÇÖZÜM
Şaşırtıcı ama Olbers paradoksuna ilk doğru yaklaşım bir gökbilimciden değil, Amerikalı bir şair ve yazardan geldi. Bu kişi, eserlerinde korku ve doğaüstü konuları işlemesiyle tanınmış Edgar Allan Poe’ ydu. Karanlık, Poe’nun çalışmalarının ana konusuydu. Evrenbilimci Edward Harrison, Poe’ nun Olbers paradoksunu ölümünden bir yıl önce, 1848 yılında yazdığı ” Eureka “ adlı bir denemesinde çözdüğünü fark eden ilk kişi oldu. Olbers paradoksu denemede şöyle anlatılıyor:

“ Yıldızların sayısı sonsuz olsaydı, gökyüzünün her yanı eşit derecede parlak, yani gökyüzünün her noktasında bir yıldız olurdu. Oysa, gökyüzüne teleskoplarla baktığımızda, hiçbir ışığın gelmediği boş bölgeler görebiliyoruz. Bu bölgeler, henüz ışığın bize ulaşamadığı yerlerdir. ”

Kısacası, Poe’ nun söylemek istediği, uzaktaki yıldızların gecemizi aydınlatamayışının nedeninin, ışıklarının henüz bize ulaşacak kadar zaman geçmemiş olmasıydı. Evrenin yaşından daha uzak mesafeleri göremeyiz. Yani, evrenin yaşının yaklaşık 13 milyar yıl olduğunu varsayarsak, 13 miyar ışık yılından daha uzaktaki yıldızları göremeyiz. Karanlık gökyüzü, bir bakıma evrenin belli bir süre önce doğduğuna kanıt oluşturuyor. Eureka’ da bir Alman gökbilimci olan Johann Madler adı sıkça geçer. 1858’ de Eureka’ dan 10 yıl sonra basılan kitapta, Madler’ in açıklaması Poe’ nunkini temel alıyordu. Madler’ in açıklaması şöyle:

“ Işığın hızı sınırlıdır. Yaradılıştan bu yana geçen süre de sınırlıdır ve biz ancak bu sınırlı süre içinde ışığın ulaşabileceği kadar uzağı görebiliriz. Uzaktaki yıldızların ışıklarının bize ‘ ulaşamadığı ‘ değil, ‘ henüz ulaşmadığı ‘ şeklinde bir açıklama daha doğru olur. “

İskoç matematikçi ve fizikçi Lord Kelvin, 1901’ de bu tezin biraz daha ayrıntılı bir uyarlamasını yaptı. Kelvin’ e göre, gecenin aydınlık olabilmesi için, yüzlerce trilyon ışık yılı öteyi görebiliyor olmamız gerekir. Ancak evren bundan çok daha genç olduğundan gece karanlıktır.


PARADOKSUN YENİDEN KEŞFİ
Olbers paradoksu, yüzyıllar süren uzun bir öykü olsa da 1950’ li yıllara değin ünlü olamadı. Olbers’ in dönemindeki gökbilimcilere bu konudan söz etseydiniz muhtemelen neden bahsettiğinizi anlamayacaklardı bile.
Uzuca bir aradan sonra Olbers paradoksu1952’ de Hermann Bondi’ nin “ Evrenbilim “ adlı kitabında yer aldı. Bondi, durağan evren savunucularından biriydi. Bu model, büyük patlamayı reddediyor, evrenin her zaman var olduğunu kabul ediyordu. Evrenin yapısı gerçekten böyle olsaydı, Poe’ nun uzaktaki yıldızların ışığının bize ulaşacak zamanının olmadığı düşüncesi yalnış olurdu. Evren sonsuz yaşında olsaydı, gökbilimciler sonsuz sayıda yıldız görürlerdi.
Durağan modeli benimseyenlere göre genişleme bu sorunu çözüyor. Evrenin genişlemesi, ışık dalgalarının genişlemesine, yani kırmızıya kaymasına yol açar. Evrende ne kadar uzağa bakarsanız, ışığın o kadar kırmızıya kaydığını görürsünüz. Işık kırmızıya kaydığında enerjisi azalır. Uzaklık çok arttığında, örneğin sonsuz bir evrende sonsuz denebilecek uzaklıkta ışığın enerjisi o kadar azalır ki gökyüzü karanlık olur. Durağan evren modelini benimsemiş olan gökbilimci Fred Hoyle, “ Gökbilimin öncüleri ” adlı kitabında, gökyüzünün karanlık oluşunu basitçe şuna bağlıyor:

“ Gökyüzü gece karanlıktır çünkü evren genişliyor. “

Sadece durağan evren için geçerli olan bu açıklama , bu modelin geçerliliğini yitirmesiyle anlamsız kalmıştır.


EVRENİN ENERJİ SORUNU
Gökyüzünün, evrenin henüz çok genç oluşu sebebiyle karanlık olduğu konusunda gökbilimciler aynı düşünceyi paylaşıyorlar. Harrison, 1964 yılında, görülebilen evrenin gökyüzünü aydınlatması için ne kadar enerji gerekeceğini hesaplamaya çalıştı. Ortaya çıkan sonuç şaşırtıcıydı. Görülebilen evrendeki yıldızların yaydığı enerji çok azdı. Gökyüzünün Güneş’ in yüzeyi kadar parlak olabilmesi için, Harrison’ un hesaplarına göre, evrenin 10 trilyon kat daha fazla enerjiye sahip olması gerekirdi. Yani her bir yıldız, olduğundan 10 trilyon kat daha fazla ışık yaymalıydı.
Evren genişledikçe yıldız sayısının artacağını söyleyemeyiz. Buna bağlı olarak, evrendeki enerji miktarının da artması beklenmez. Ayrıca yıldızların sonsuza kadar parlamadığını da unutmamak gerekir. Evrendeki yıldız oluşumu büyük patlamadan yaklaşık 3- 4 milyar yıl sonra en yüksek hızına ulaştı. O zamandan bu yana yıldız oluşum hızı giderek düştü, ilk oluşan yıldızların önemli bir bölümü artık parlamıyor bile. Evrenin yaşı arttıkça, nükleer yakıtını tüketerek sönen yıldızların sayısı da artacaktır. Bununla birlikte yeni oluşacak yıldızların ham maddesi de giderek azalıyor. Eğer evren çok yaşlı olsaydı yıldızlar yakıtlarını tüketmiş, çoktan sönmüş olacaklardı.
Evrenin genişlemekte olduğu artık kesin. Yakın zamana değin bu genişlenmenin yavaşlayarak sürdüğü sanılıyordu. Çünkü, kütleçekiminin genişletmeyi yavaşlatması beklenirdi. Ancak, evrenin görebildiğimiz en uzak bölgelerinde gözlenen süpernovaların, gözlenenden daha parlak olmaları gerekiyordu. Ama, bir şekilde, evrenin bu süpernovaların ışığını “ kırmızıya kaydırmak “ için daha çok zamana sahip olduğu anlaşıldı. Bunun için, artan bir hızda genişlemesi gerekiyordu. Bu şaşırtıcı gerçek, yani evrenin genişlemesinin hızlanması, görece yakınımızdaki gökadaların da hızlanarak bizden uzaklaştığı anlamına geliyordu. Buna bağlı olarak, milyarlarca yıl sonra gece gökyüzünün giderek daha karanlık olacağını, teleskopların daha boş alanlara bakacağını söyleyebiliriz.
Gökyüzü, karanlık kalabilmesi için iki kez korunuyor: evren henüz çok genç ve yıldızların yaydığı enerji, gökyüzünü aydınlatacak kadar yeterli değil. Gökbilimciler, gökyüzünün gece neden karanlık olduğunu artık bu şekilde açıklıyorlar. Olbers paradoksunu çözen kişinin bir yazar olması da amatör bilim adamlarının, bazen profesyonel bilim adamlarının gözünden kaçan gerçekleri bulabileceklerini gösteriyor.

Bilim ve Teknik Dergisi, şubat 2002 (sayı 411 )’ deki
Alp Akoğlu’ nun makalesinden aktarılmıştır.

Kendimizi şaşırtıcı bir dünyada bulmaktayız. Çevremizde gördüğümüz her şeyden bir anlam çıkartmak istiyor ve şu soruları soruyoruz:
Evrenin doğası nedir?
Onun içindeki yerimiz ne, o ve biz nereden geldik?
Evren niye böyle?

Bu sorular yüzyıllar boyu batı ve doğu filozoflarının ve bilim adamlarının en büyük uğraşı olmuştur.
Ömer Hayyam “Nereye Gidiyoruz” isimli rubaisinde:

Hep bu çember, dolanıp durduğumuz
Ne önümüz belli, ne sonumuz
Kim varsa bilen, çıksın söylesin:
Nereden geldik? Nereye gidiyoruz.

diye sormaktadır..

Yüzyılımızın başlarına kadar eski Yunan’da ortaya çıkıp batıda gelişen materyalist, deterministik ve mekanistik klasik fiziğe dayalı dünya görüşü daha sonra Newton’un geliştirmiş olduğu evrensel mekanik modele dayanmaktaydı.
Gerçekten de bu temel, bütün bilimleri destekleyerek kendi felsefesini ve doğa anlayışını yaklaşık üç yüzyıl ayakta tutabilmişti.

Cevabı basit. ışık boşlukta tutunamaz. ancak bir kütleye çarpınca parıldar. Bizde ışığın çarptığı parıldayan kütleyi görürüz. Atmosferin aydınlık olma sebebi havadaki moleküllere güneşin enerjisinin çarpıyor olmasıdır. Isı da aynı şekilde yayılır. Güneşe yakın olan Uzayda eksi 150 200 derece soğuk iken dünyamız 20 30 derece sıcak oluyor. Oysaki sıcak olması gerekir. Güneş enerjisi etkisini göstermesi için ancak bir yüzeye çarpmalıdır. Boşlukta hiçbir işe yaramaz. Ortalığı aydınlatmamasının sebebi budur.
Örnek Lazer ışığı. Filmlerde görürüz. Hırsızlar lazerle korunan kasaya ulaşmak için lazer ışığının önüne duman püskürtür. Lazer dumanda görünmeye başlar. Sebebi lazer ışığının dumandaki moleküllere çarparak parıldamasıdır. Ama sadece geçtiği güzergahtaki dumanı parıldatır. Geri kalan duman parlamaz.