Doğa kanunlarının temelinde geçmiş ile geleceği birbirinden ayıran hiçbir şey yoktur ve pratik dünyamızda algıladığımız kadarıyla zamanın bir yönü vardır. Ortada buluştukları nokta ise, çok karmaşık bir sistemde yaşadığımız ve bu sistemin dengede olmaktan çok uzak olduğu ve zamanının yönünü algıladığımız her şeyi entropinin artışı ile açıklayabiliyorken, evrenin neden bu kadar az bir entropi ile başladığı sorusu ise hâlâ açık bir soru. Bu soru 21. yüzyılın en büyük gizemlerinden biri.
Zaman, her an hayatımızın içinde ve her yerde kullanılmasına, en küçük detaya kadar işlemiş olmasına rağmen (saatler, takvimler, kullandığımız dildeki fiil çekimleri, her kişinin tecrübe ettiği yaşlanma…) bir o kadar da gizemli aslında. Bu durumu, belki de en güzel ifade eden kişi, 1. yüzyılda, Kuzey Afrika civarında yaşamış olan filozof Augustinus’tur. “Zaman nedir? Eğer kimse sormazsa, ne olduğunu biliyorum. Ancak, eğer birine açıklamak istersem, hiçbir fikrim yok.” Bu gizem, fizik, felsefe, biyoloji, nörobilim ve kozmolojide zamanı algılamaya çalıştığımızda daha fazla ortaya çıkıyor.
Bu durumda, zamanı anlamak için sorulacak en temel sorular şunlar: Zaman nedir ve nasıl ölçülür? Zamanın akışını ölçmek için saat kullanıyoruz ama akışını hissedebildiğimiz, vücudumuzdaki saatler de var: Nefes alıp verişimiz ve kalp atışlarımız gibi. Ya da tekrarlı olmayan ama yine de zamanın akışını hissettiğimiz, yaşlanmamız veya evrim gibi. Ancak bu kadar içselleştirdiğimiz zamanın akışı, yakından bakıldığında o kadar da açık bir şekilde anlaşılmıyor. Ya da, yine sorularla devam etmek istersek, zamanın akışı ne demek ve neden belirli bir yönde akıyor?
Zamanın akışını anlamaya çalışırken, iki farklı bakış açısı geliştirilebilir. İlki, sadece şu anın değil, an olarak tanımlanan her şeyin, şu an ile birlikte akması gerektiği. Yani, bundan bir saat öncesi ve beş saat öncesi de aynı şekilde akmalı. Bu durumu, 20. yüzyıl başında tanımlayan kişi Cambridge’li filozof John McTaggart. Bu, ilk yaklaşıma A serisi adını veriyor. Diğer bakış açısında ise zamanların kronolojik değil “mekânsal” pozisyonları var. Mesela, eğer şu an tarih 21 Mart 2015, 20:00 ise, 20 Mart 2015 de, bir saat öncesi de, 1000 yıl öncesi de geçmiştir ve hareket halinde değil, durağandırlar.
Bir trenin hareketini düşünelim, tren hareket ettikçe, aynı rayı 100 metre gerideki ray, 1 km gerideki ray… diye de tanımlayabiliriz, ya da o raya 110. ray deriz ve o hep 110. ray olarak kalır. McTaggart, bu düşünceden yola çıkarak tartıştığı makalesi “The Unreality of Time”da, zamanın gerçek olmadığı sonucuna varıyor. (1) Ancak, fizik için zamanın ne demek olduğunu anlamak istersek, direkt zamanın doğasını anlamadan önce nesnel özellikler tanımlayıp, doğa üzerinde bu özelliklerin etkisini incelemek daha yararlı olacaktır.
Zamanın akışının iki ana özelliğini süreklilik ve gelişim olarak tanımlayabiliriz. Aynı bir film rulosu gibi. Her anı, başka bir an takip ediyor ve bu farklı anlar aynı “şey”lere (sürekli hareketin parçaları, evrendeki bilgi…) sahipler. Her şey, her başka anda birbirinden tamamen farklı değil. Aynı şekilde her an, tamamen diğerinden bağımsız da değil, çünkü belirli bir düzende ilerliyor, bütünüyle rasgele saçılmış anlar bütünü gibi değil. Ancak, film rulosundan en büyük farkı, parçalı değil sürekli olması. Bu sayede geçmiş, şu an ve geleceği ayırt edebiliyoruz. Zamanın bu geçmişten geleceğe gelişimi bize zamanın belirli bir yönde aktığını gösteriyor ve buna zamanın yönü, oku, ibresi deniyor.
Einstein’ın ortaya koyduğu üzere, uzay ve zaman birbirinden farklı değil ve uzayzaman olarak tamamen bağlantılı şeyler. Ancak, uzay ve zaman arasındaki farkı bariz bir şekilde anlayabildiğimizi hissedebiliriz. Uzayda istediğimiz yönde hareket edebiliyorken, zaman boyutu için aynı şey geçerli değil. Ancak, biraz daha detaylı düşünülürse uzay için de belirli bir yön, belirli durumlarda tanımlanabilir. Örneğin, dünyanın etkisi. Eğer ki, bir cisim serbest ise, her zaman, dünyanın etkisinde aşağı düşecektir. Ancak, uzayın tamamı düşünüldüğünde, farklı yarım kürelerdeki düşme eylemi, ters yönlere doğru olduğundan uzay için kesin bir ok tanımlayamayız. Yine de bütün evrenin böyle bir etki altında olduğunu varsayarsak, uzayın yönünü, okunu da tanımlayabilirdik.
Zamanın oku da aynı şekilde düşünülebilir. Bütün evrenin etkisi altında kaldığı bir madde düşünebileceğimiz gibi, bütün evrenin etkisi altında olduğu bir olay düşünerek zaman için belirli bir yön tanımlayabiliriz. Bunu anlamaya çalışırken de evrenin başlangıcı olarak bilinen Büyük Patlama’ya kadar gidilebilir.
Ancak daha derin bir gerçeklikte, fiziğin temel yasalarında, geçmiş ve geleceği birbirinden ayıran hiçbir şey yok. Yani bu yasaların hepsi zaman için tersinir. (2) Eğer bir gezegenin güneş etrafındaki hareketinin görüntüsünü ya da bir sarkacın hareketini tersine izlersek bize mantıksız gelen hiçbir şey olmayacaktır. Aynı nedenle, kuantum alan teorisinin kullanıldığı teorilerde de zaman simetrisi olduğunu görüyoruz. Ancak, çok daha karmaşık ve çok miktarda, birbirinden bağımsız cismin hareket ettiği sistemleri incelediğimizde zamanın bir yönü olduğunu çok açık bir şekilde gözlemleyebiliriz: Sütün kahve ile karışımı, camın kırılması gibi…
Belirttiğimiz gibi, temel yasalar zamanın yönüne kör olduğu için de bu sorun Newton fiziği, kuantum mekaniğinde açığa çıkmıyor. Bu sorunu görebilmek için entropinin zaman içinde artışına bakmamız gerekiyor. Entropiyi kabaca bir sistemin ne kadar düzensiz, dağınık olduğunu anlatan ölçü birimi diye tanımlayabiliriz.
Bu durumda, zamanın yönünü algılamaya dair sorulması gereken soru “entropi neden artar?” olmalı. 19. yüzyılın en büyük isimlerinden Ludwig Boltzmann’ın modern fiziğe yaptığı katkılardan olan, termodinamiğin ikinci yasası bize bunu söyler. Bu yasaya göre, kendi haline bırakılan bir sistemin entropisi zaman geçtikçe artar. Çünkü bir sistem için daha fazla entropiye sahip olabilme yolları ya da olasılığı, daha az olma yollarından çok daha fazladır. Ancak, fizikçilerin uzun zaman göz ardı ettiği bu sorunun diğer bir yönü daha var. “Entropi geçmişte neden daha azdı?”. Bu, çözülmesi çok daha zor bir problem ve bu soru biliminsanlarını evrenin başlangıcına götürüyor ve yanıtın Büyük Patlama anında olduğu görülüyor. Entropinin geçmişte şu andan az olmasının nedeni, evrenin, büyük patlamayla, düşük entropi ile başlamış olması.
Ancak, ilk olarak Roger Penrose’un (3) belirttiği gibi asıl soru neden entropinin geçmişte şu andan daha az olduğu değil, neden evrenin en başta düşük entropi ile oluştuğu olmalı. Çünkü bu soruya yanıt vermeye çalışan teoriler, en temel noktadan itibaren geçmiş ve geleceği farklı şeyler olarak görüyor ve öyle davranıyor. Ancak, zaten geçmiş ve geleceğin birbirinden farklı olmasının nedenini, ilk başta evrenin düşük entropi ile başlamış olması olarak tanımlıyor. Sonucu kullanarak, olayın kendisini açıklamak bir ispat değil totoloji olur. Günümüzde, bu ndenle, bu soru özellikle fizikçiler için giderek daha popüler bir soru olmaya başladı ve cevabı hâlâ bulunamadı.
Zaman nedir?
Bilim ve felsefenin fazlaca birbirine ihtiyaç duyduğu sorulardan birisi zamanın ne olduğu. Normal şartlar altında zamanın fiziksel olarak nasıl işlediği iyi bilinse de felsefenin soruları yanıtsız kalıyor. Zamanın ne olduğunu anlamak için, bu sorular önemli.
Başlangıç olarak, zaman, uzay (mekân) ve evren denildiğinde ne çağrıştırdığına bakılabilir. Evren denildiğinde, genellikle akla ilk gelen şey uzay. Sadece dünyanın dışındaki uzay değil, aynı zamanda çevremizdeki mekân da bu uzay tanımının içerisinde. Yani, etrafımızda olan her şey bu uzay içerisinde ve evren denildiğinde düşünülen şey genelde bu “her şey”. Bu evreni ise belli bir şekilde oluşuyor, yani zamanla değişiyor diye düşünüyoruz. Yani, zaman daha çok evrendeki hangi andan söz ettiğimiz ile ilişkili gibi. Bu durumda, uzay ile zamanı baştan farklı olgular olarak tanımlamış oluyoruz.
Ancak, Einstein’ın özel görelilik teorisine ve film rulosu örneğine gelecek olursak, evren olarak tanımlanan sadece tek bir film karesi değil, film karelerinin her biri ve hepsi. Yani uzayzamanın bütünü 4 boyutlu bir evren. Tekrar belirtmek gerekirse, film karelerinin her birinin, birbirinden ayrı olmasının aksine, şu ana kadar algıladığımız haliyle zaman, sürekli. Zamanı, parçalarına ayırmak (kuantize etmek) fizikte şu ana kadar mümkün olmadı. Kuantum mekaniği ve genel göreliliğin beraber açıklandığı, gelecekteki bir teoride uzayzamanın kuantize olabildiği açıklanabilir pek tabii.
Sadece uzaydan söz ettiğimizde, uzayın bir noktası ile başka bir noktası arasında herhangi bir ilişki yok gibi duruyor. Yani, uzaydaki bir noktadan sonra gelecek diğer noktanın nasıl olacağı ile ilgili fiziksel bir kural yok. Aksine, zamanda ise bir andan sonra gelecek olan anı birbirine bağlayan kurallar var. Zaman içerisinde rasgele ilerleme söz konusu değil. Fizik kanunları bu şekilde işler. Eğer bir an için var olan fiziksel durumu bilirsek, fizik kuralları bize bir sonraki anda ne olacağını söyler. Aynı şey, zamandaki bir önceki basamak, geçmiş için de geçerli.
Bir başka fark ise uzayda istediğimiz her yöne gidebilirken, aynısı zaman için mümkün değil. Bu, bize gerçeklik hakkında belirli bir bakış açısı veriyor. Şu an bizim için gerçek. Aynı şekilde bizim bulunduğumuz yer, bizden 5 km ya da milyarlarca km ötesi de gerçek. Oradaki mekâna erişimimizin olup olmadığından bağımsız olarak, an içerisindeki bütün mekânları gerçek olarak tanımlıyoruz. Peki ya zamansal uzaklıklar? Geçmiş ve gelecek de gerçek mi?
Genel olarak, geçmiş veya geleceğin şu an gibi gerçek olduğunu düşünmeyiz. Hatta geçmiş ve gelecek için gerçekliği düşündüğümüz zaman da birbirinin aynı olmadığı hissiyatına kapılırız. Burada fizik için önemli olan ve pratik olan soru, geçmiş veya geleceğin gerçek olup olmadığı değil, neden ikisinin birbirinden ve uzayın farklı noktalarından bu kadar farklı ele alındığıdır. Fizikte bir olayı tanımlamak için, uzayın neresinde olduğunu belirtirken 3 uzay koordinatı ve bir de hangi anda olduğunu belirtmek için zaman kullanılır. Bu 4 boyutlu tanım, uzayzamanda var olan bütün maddeleri ve eylemsel varyasyonları tanımlar.
Felsefede, sadece şu an ve bütün mekânı kapsayan gerçekliğe “presentism” (geçmiş bir anı, şu an gerçek ve gelecek ise olasılıktır) denirken, geçmiş, şu an ve geleceğin, hepsinin, aynı derecede gerçek olduğu düşüncesine ise “eternalism” deniyor. Yani, şu anın, bizim tecrübe ediyor olmamızdan başka hiçbir özel anlamı yok. Şu anki fizik yasaları da evreni eternalism olarak algılıyor. Bu nedenle, presentismi biraz değiştirerek, geçmiş ve şu anı gerçek olarak algılayıp, geleceği kümenin dışarısında bırakarak, bireylerin seçim yapabildiği bir algı yaratılabilir ve bu bizlere oldukça normal gözükebilir ancak fizik yasaları bu düşünce ile de uyuşmuyor.
Ancak, neden geçmiş, şu an ve geleceği farklı algıladığımızı daha iyi anlamak istiyorsak, zamanın sürekli aktığı hissini veren, zamanın yönü kavramını incelemek gerekiyor. Geçmişin gelecekten daha gerçek gelme nedeni de zamanın kendisi değil, geçmişten günümüze gelen her türlü bilgiye ulaşım imkânımız oluşu.
Eğer zamanı tamamen empirik olarak tanımlamak istersek, “zaman saatin ölçtüğü şeydir” diyebiliriz. İnsanların çağlar boyunca zamanı ölçmek için çok farklı metotlar kullandığı doğru ama hepsinin ortak özelliği her birinin periyodik olarak zaman içerisinde aynı şeyi tekrarlaması. Burada, kısır döngü içerisinde bir tanım yapılmış gibi duruyor. Zamanı tanımlamak için saati kullanıyoruz. Saati tanımlarken de zaman içerisindeki hareketten söz ediyoruz. Ancak tanımın böyle yapılması aslında mantıklı. Bunun nedeni ise birçok farklı ve birbiri ile bağlantılı saatin olması ve devamlı yaptıkları şeyi tahmin edilebilir şekilde, her zaman aynı sürede yapması (dünyanın kendi etrafında, güneşin etrafında dönmesi…). Örneğin, şu an saniyeyi en hassas şekilde tanımlamanın yolu sezyum 133 atomunun, temel durumdaki hyperfine enerji seviyeleri arasındaki geçiş radyasyonunun 9192631770 periyoduna karşılık gelen süreye denir, çünkü bu sayı sıfır Kelvin sıcaklığında hep aynıdır.
Zamanın yönü
Bizim için geçmiş ve geleceği ayıran ana şey anılardır. Geleceğe dair hiçbir anımız yokken geçmişe ait anıları, geçmişte yaşanmış şeyler ve bugüne gelmiş cisimlerin toplamı olarak tanımlayabiliriz. Geçmiş evrene ve gelecek evrene baktığımız zaman da birbirlerinden farklı olduğunu görürüz. Evrenin geçmişi, gelecekte olacağını düşündüğümüz halinden çok farklıdır. Evren, en baştaki zamanlarında sıcak ve yoğun iken şimdi neredeyse boş ve soğuktur ve yoğunluğu giderek azalmaktadır. Zamanın yönü, ayrıca yıldızların hayat döngülerine bakıldığında da anlaşılabilmektedir.
Evrendeki fiziksel değişimin dünyadaki örneklemesi biyolojik değişim olarak düşünülebilir. Dünya oluştuktan görece kısa bir süre sonra yaşam oluştu ve yaşamın açık bir evrimsel süreci var. Dahası, evrimin zaman içerisinde belirli bir yönü var da diyebiliriz. İlk yaşam formları çok basit organizmalarken şu an oldukça karmaşık organizmalar da hayatta basit olanlarla beraber varlar. Bu nedenle, zamanla canlıların daha karmaşık bir hal aldıkları söylenebilir. Ancak, bu evrim için zorunlu bir seçenek değil.
Bu tarz değişimlerin dışında, zamanın yönünün var olmasının getirdiği mantıksal, zorunlu denebilecek şeyler de var. Örneğin, bir neden her zaman bir sonucu doğurur düşüncesi. Eğer fizik yasaları bu duruma uymasaydı, açık olarak nedensellik ilkesi olmayabilirdi ya da ne olduğu üzerine çok daha derin düşünülmesi gerekirdi. Kısacası, bütün bu saydıklarımız, insan için zamanın bir yönü olduğunun ve bunun ne kadar içselleştirilmiş olduğunun bir kanıtı.
Eğer, zamanın yönünün olmadığı bir evreni düşünecek olursak, iki farklı seçenek var. Birincisi, zamanla hiçbir şeyin değişmediği bu nedenle de zamanın yönüne ihtiyaç duymadığımız bir evren. İkincisi ise, tamamen rasgele bir evren. Bazı olayların bazen olurken başka zaman olmayacakları bir evren. Böyle bir evrende geleceğe dair plan yapamazsınız ve geçmişi olduğu kadar yarını da bileceksinizdir. Bu tarz, geçmiş ve geleceğin simetrik bir yapıya sahip olduğu bir evrenin bizim için hayal edilmesi çok zor. Bu nedenle, zamanın yönüne olan ihtiyaç insan algısı ile de ilişkili denilebilir.
Bir de, bazı olayların geri alınamaması, zaman için tersinir olmaması durumunun ele alınması gerekiyor. Bir olayın, zamanın bir yönünde olması kolay iken aksi yönde olmuyorsa buna tersinemezlik diyoruz. Bir durum, tersinir olmayan bir olay sonrası başka bir duruma dönüşüyorsa tekrar eski haline dönebilmesinin tek yolu, o da mümkünse, dışarıdan etki ile olur. Örneğin, bilardo toplarının, oyun açılışında ilk vuruş ile rasgele saçılımlarından sonra tekrar eski hallerine gelmelerinin tek yolu bizim onları tek tek toplayıp düzenlememiz sayesinde olacaktır. Ya da, bir camın kırılmasını düşünecek olursak, basit bir yolla tekrar eski haline getirmek imkânsızdır.
Bu durumda, geçmiş ile gelecek arasındaki fark, zamanın yönü sayesinde ortaya koyuluyor. Bizim için bu ikisi arasındaki fark o kadar doğal ki, içgüdüsel olarak tanımlı. Ancak, zaman, evrende bir yönü olmadan da var ve zamanın kendisi zamanın yönü değil! Son iki örneğe bakılacak olursa, bu yön, “şey”lerin bir özelliği gibi duruyor. “Şey”ler, zaman içerisinde belirli bir yönde değişiyorlar. Yani, zamanın yönü aslında “şey”lerin zaman içerisindeki değişimi. Bu durumda anlaşılması gereken zamanın kendisi değil, zaman içerisinde bu cisimlerin hareketleri.
Maddenin zaman içerisindeki değişimini söyleyen özelliğe entropi deniyor. Bu durumda, anlaşılmaya çalışılması gereken şey, zaman içerisinde entropinin değişimi olmalı. Termodinamiğin ikinci yasası entropinin sürekli olarak arttığını söyler. Bu durumda, geçmiş ile geleceği birbirinden ayıran şey entropidir düşüncesi ortaya atılabilir. Camı kırabiliyor olmamız, ancak kırdıktan sonra eski haline getiremememiz tamamen entropinin artması ile ilişkili. Aynı zamanda, entropinin artması, bizim geleceği değil ama geçmişi hatırlamamızın, geçmişe değil, geleceğe dair seçimler yapabilmemizin nedenidir demiş oluyoruz bu durumda.
Burada altı çizilmesi gereken şey şu: Termodinamiğin ikinci yasası, evrendeki her maddenin entropisinin her an arttığını söylemiyor. Toplam entropinin arttığını söylüyor. Odayı toplayan biri, odanın entropisini düşürmüş olur ancak yediklerini kullanarak ve dönüştürerek kullandığı enerji ile artan entropi, odanın düşen entropisinden daha yüksektir.
Doğayı daha temel düzeyde anlamaya çalıştıkça, zamanın yönünü anlamak da daha karmaşık hale geliyor. Çok temel düzeyde, aslında zaman da aynı uzay gibi. Olayları açıklamakta kullanılan bir parametre. Ancak, uzayın yönü olmamasına rağmen, zamanın var. Temel fizik yasalarının geçmiş ve geleceği ayırt etmemesi baz alındığında, entropinin yarın daha fazla olacağını ispat edebiliyorsak dünde bugünden daha fazla olabileceğini ispat etmemiz gerekir. Tabii buna kimse inanmıyor ancak aksini de fizik yasalarını kullanarak ispat edemiyoruz.
Fizik yasalarının tersinirliği
Buraya kadar anladığımız kadarıyla zamanın yönü temellerinden tersinemezlik ile alakalı ancak temel fizik yasaları bundan bahsetmiyor. Peki, fizik yasaları neden tersinirdir diyoruz?
Aristoteles, İbni Sina ve Galileo gibi kendi zamanına kadar gelen birçok ismin ve kendisinin fikirlerini matematiksel çerçeveye ilk defa koyan, belki de fiziğin en büyük dahisidir Newton. Ve çok büyük ihtimalle en ünlü yasası da evrensel gravitasyon yasasıdır. Meşhur, elmanın ağaçtan düşme nedeni ile güneş sistemindeki gezegenlerin hareketlerini aynı denklem ile açıklayan yasa.
Güneş etrafındaki gezegenlerin hareketini kamera ile çekip sonra görüntüyü tersine oynattığımızda, bize garip gelen, fizik yasalarına aykırı hiçbir durum yoktur. Bu nedenle, gezegenlerin hareketleri tersinirdir. Eğer bu iki hareketi açıklayan denklem ortak ise ve biri için tersinir ise, diğeri için de öyle olması gerekir. Ancak, aynısını elma için düşündüğümüzde, durum pek de öyle değilmiş gibi duruyor. Elma her zaman yukarıdan aşağıya doğru düşüyor. Asla tersi olmuyor. Burada önemli nokta, başlangıç (ağacın dalında durduğu an) ve bitiş (yere düştüğü an) durumlarının tersinir olmaması. Çünkü bu anlarda işin içine entropi giriyor. Ancak, bu iki durum arasındaki süreçte, elmanın hareketi tamamen tersinir. Eğer bir elmayı havaya atıp, tutarsanız ve hareketini kaydederseniz, tersten veya normal oynatıldığında, görüntü aynı olacaktır. Yani elmanın yere düşüşünde, hareketin tersinir olmadığı hissiyatını veren şey elmanın yer ve ağaç ile olan etkileşimidir.
Burada tahmin edilebilecek şey, fizik yasalarının basit sistemler için doğru olduğu ama daha karmaşık, çok fazla maddenin hareket halinde olduğu sistemlerde geçerli olmadığı olabilir. Ancak çok fazla maddenin oluşturduğu sistemi de her bir ayrı madde tek tek oluşturuyorsa, bu sistemler de benzer yasalara uymalı. Bu iki farklı sistemi bağdaştırmak için entropinin gerçek dünyada nasıl işlediğini anlamak gerekiyor.
Newton yasaları kendi içinde bütündür. Bir an, bir sistemin durumu hakkında bütün bilgilere sahipsek, bundan sonra ne olacağını ve bundan önce ne olduğunu fizik yasaları söyler. Yani, Newton yasaları deterministiktir. Pierre-Simon Laplace’ın dediği gibi, eğer bir kişi, evrenin bir an içerisindeki durumu hakkındaki bütün bilgiye sahip olup, sonsuz işlem kapasitesi de olursa ve temel fizik yasalarını uygulamayı biliyorsa, bu kişi evrenin tüm zamanlarında, geçmiş ve gelecekte, ne olduğunu bilecektir.
Newton mekaniğine göre geleceği ve geçmişi anlamak için gerekli olan bu bilgiler, hareket eden cismin pozisyonu ve momentumudur. Yani eğer bir insan bedenindeki bütün atomların pozisyonlarını ve momentumlarını bilirsek, bir sonraki adımda o insanın ne yapacağını bilebiliriz. Newton yasalarının bu durumda varsaydığı şey ise bilginin korunumudur. Bir sistem hakkında bilebileceğimiz şey sayısının her an için aynı olması ya da zaman içerisinde, yeni bir bilginin oluşmadığı ya da var olan bilginin yok olmadığıdır. Tabii ki, parçacıklar yaratılıp yok olabilir ancak bunların sahip olduğu bilgi, enerji ve momentum da, bir önceki parçacıklardan aldıkları olacaktır. Tam da bu nedenle fizik yasaları tersinirdir. Çünkü toplam bilgi miktarı değişmemektedir. Yine aynı şekilde, zaman da bu nedenle süreklidir ve her an tekrar ve tekrar yeniden düzenlenmez. Bilgi, bir andan öteki ana aktarılır.
Bu şekilde düşünüldüğünde, atomların ve atomaltı parçacıkların, çok basit düzeyde, Newton yasalarına uyduğunu ve hareketlerinin tersinir olduğunu söyleyebiliriz. Bu durumda, çok parçacıklı sistemler gerçek hayatta neden tersinir değildir? Ya da makroskopik düzeyde bilgi neden korunmuyor gibi duruyor? Örneğin bir bardak suya baktığımızda elimizde olan bilgi makroskopik bilgidir. Suyun içerisinde daha önceden buz parçaları vardı da eridi mi, yoksa hep mi su vardı bunu bilemeyiz. Eğer buz eridiyse, bu noktada bilgiyi kaybetmiş oluyoruz. Görünen o ki, mikroskopik dünyadan makroskopik dünyanın yasalarına geçtiğimizde bazı yasaların değiştirilmesi gerekiyor.
Peki, ya kuantum mekaniği? Maalesef, bu yazı kuantum mekaniğinde bu durumu açıklayabileceğimiz kadar uzun değil. Meraklısı için bakabilecekleri başlık: Yakir Aharonov, Peter Bergmann ve Joel Lebowitz adlı fizikçilerin baş harflerinden gelen ABL kuralı. Ayrıca ele alınması gereken oldukça ilginç bir konu. Bu kural, kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumlaması için geçerliyken, çoklu-evren yorumlamasında ise başka bir bakış açısı olduğunu da söylemek gerek. Ayrıca, parçacık fiziğinde, zayıf etkileşimde zaman simetrisinin korunmadığını duymuş olabilirsiniz. Onun için de kısaca söylenmesi gereken, iki başka farklı simetri (yük ve ayna simetrileri) ile beraber zaman simetrisi ele alındığında tersinirliğin korunduğu. Zaten, zamanın yönü sorgulanırken temel tartışma noktası tersinirliğin olmadığı durumlar.
Entropi
Şu ana kadar, zaman nedir, zamanın yönü ne demektir bunu açıklamaya çalıştık ve zamanın yönünün var olmasının temelinde entropinin olduğunu söyledik. Şimdi, modern haliyle entropiyi tanımlayıp, entropinin neden geçmişte daha az olduğunu anlamaya çalışacağız.
Çağdaş tanımı ile entropiyi tanımlayan kişi Ludwig Boltzmann’dır. Carnot ve Clausius’un fikirlerinin üzerine, maddenin atomlardan oluştuğunu eklemiştir ve termodinamiğin, istatistiksel mekaniğe dönüşümünde kilit rol oynamıştır. Makroskopik dünya incelendiğinde mikroskopik dünyanın ne kadar karmakarışık olduğunu sadece Avogadro sayısına bakarak anlayabiliriz. Avogadro sayısı bize her bir atomdan yaklaşık olarak 6×10^23 tanesi bir araya geldiğinde, ağırlıklarının toplamının o atomun atom numarası miktarında grama denk düştüğünü söyler. Yani 12 gramlık karbonda Avogadro sayısı kadar karbon atomu vardır.
Böyle bir sistemi anlamak için, pratikte her bir karbon atomunun pozisyon ve momentumunu bilmek hem imkânsız hem de gereksizdir. Bu nedenle, bu kadar büyük sistemlerde, işleri kolaylaştırmak için bilgi kaybını göze almak daha mantıklıdır. Birbirine benzeyen maddelere ve durumlara, belirli özellikler (yoğunluk, basınç, ısı…) vererek, karmaşık ve büyük sistemlerde, düzenli ve beraber hareket eden küçük sistemleri ve bir makroskopik duruma denk gelen farklı mikroskopik durumları gruplamak daha mantıklıdır. Ancak bu durumda, sistemin geçmişi ve geleceği hakkında kesin olarak konuşmamız imkânsız hale gelir (bu kadar karmaşık sistemler için gelecek hakkında konuşmak zaten sadece teorik olarak mümkünken bu varsayımlar ile beraber teorik olarak da mümkün değildir).
Boltzmann’ın fark ettiği de, entropiyi de aynı bu özellikler gibi atomların düzenlenişi hakkında bir özellik olarak yorumlayabileceğimizdi. Birbiri arasında geçişin mümkün olduğu iki bitişik kutuyu düşünelim. Soldakinin içinde binlerce atomik gaz olsun. Sağdaki ise boş olsun. Sistemi serbest bıraktıktan birkaç dakika sonra iki kutu arasındaki farkı söylemek imkânsız olur. Yani entropi artar ve bu tersinir bir süreç değil. Bir daha ne kadar beklenirse beklensin, gazların hepsi sol kutuda toplanmayacaktır. Boltzmann, bu durumu nesnel olarak ele alıp, başlangıç ve bitiş durumlarında, atomlar için kaç farklı diziliş olduğunu hesaplamış ve sonuç olarak daha yüksek entropi için çok daha fazla diziliş olasılığı olduğunu bulmuş. Yani bir sistem dengede ise, onun entropisi daha çok olacaktır. Yani, entropi, bir sistemde kaç farklı mikroskopik dizilişin, durumun aynı makroskopik duruma denk geleceğini açıklar. Boltzmann’ın matematiksel ifadesi de: “bir makroskopik durumun entropisi” = “Boltzmann sabiti” x “o makroskopik duruma denk gelen olası mikroskopik maddelerin diziliş sayısının logaritması”.
Bu durumda, neden kapalı bir sistemde entropinin zaman geçtikçe artması gerektiği, ya da dengede ise aynı kalacağı daha açık olarak anlaşılmış oluyor. Çünkü yüksek entropi, daha çok olasılıksal diziliş anlamına geliyor. Eğer bir sistem başlangıçtaki durumunda tek bir olasılıksal dizilişe sahipse ve serbest bıraktığınızda gideceği başka bir durumda 10 farklı olasılıksal dizilişe sahip olabiliyorsa, o sistem serbest bırakıldığında 10 farklı dizilişin mümkün olduğu duruma gider ve en fazla dizilişin mümkün olduğu duruma da sistemin denge durumu denir.
Geçmişteki entropi
Boltzmann’ın nasıl gelecekteki entropinin artacağını ama geçmiştekinin neden az olduğunu ispatlayamadığını anlamaya çalışalım. Öncelikle, tamamen düzensiz ile denge konumu arasında bir makro durumdaki orta entropili mikro durumlar kümesi ile daha büyük bir makro durumdaki daha yüksek entropili mikro durumlar kümesini ele alalım. Her bir durum zaman içerisinde evrildiği için her bir durumun değişimi kendisine özel bir rotadadır ve bu rotanın sonu yoktur. Bu, fizikte tersinirliğin bir sonucudur. Farklı yolların değişimi asla durmaz ve asla iki farklı yol birbirine denk düşmez ya da bir yol iki başka farklı yola ayrılmaz.
Şu an, evrenin entropisinin olabilecek en düşük ve en yüksek halinde olmadığını biliyoruz. Yani günümüz dünyası bir orta entropi durumu. Boltzmann’ın dediği ise, eğer bütün orta entropili durumlar takip edilirse, bazıları başka orta entropili durumlara, bazıları daha yüksek entropili durumlara ve bazıları da daha düşük entropili durumlara dönüşecektir (Toplam entropinin azalamayacağı durumu orta durum için geçerli değildir ve her bir orta durum düşünüldüğünde aralarında entropisi azalan olabilir). Bu durumun iki tane sorunu var. Birincisi, eğer belli bir yol seçilirse, entropinin artacağı söylemi.
Günümüz dünyası orta entropili bir makro durumdur. Gelecekte ne olacağını anlamak için, Boltzmann’ın dediği, bu makro durum içinden bir mikro durum seçilip bu duruma gelecekte ne olacağını anlamak gerekir. Eğer birçok mikro durumun entropisi artıyorsa, entropi artar. Ancak, hangi yolun entropiyi artıran yol olduğunu kim biliyor? Bunu aslında kimse bilmiyor. Bu, yapılan bir varsayım. Bu varsayımın yapılma nedeni ise, Laplace’ın benzerlik (indifference) ilkesi: her bir mümkün olasılığın olma ihtimali eşit olasılığa sahiptir. Yani, eğer evrendeki bir mikro durum bilinirse, o durumda atılan bir paranın yazı mı tura mı geleceği bilinir. Ancak, biz evrenin mikro durumunu bilmiyoruz ve bu durumda atılan paranın yazı ya da tura gelme olasılığı yarı yarıyadır diyoruz.
Bu mikro durumlar ile ilgili ikinci sorun ise Lohschmidt’in tersinirlik itirazı olarak biliniyor. Lohschmidt’in dediği, bu durumların gelişim yolları yorumlamasında, entropiyi artıran yollar olduğu kadar azaltan yollar da olduğu. Burada Boltzmann, sorusunu özel bir şekilde soruyor: “Orta entropili bir makro durum ile başlarsak, bu duruma ne olur?”. Ancak, bu soru içerisinde zamana çoktan bir yön verilmiş durumda. Lohshmidt’e göre ise “Bu orta entropili durum nereden geldi? Böyle bir durumun, tipik geçmişi nasıldır?”. Bu soru, Boltzmann’ın sorusuna denktir. Tek bir farkla, zamanın yönü tersine çevrilmiştir.
Fizik yasaları tersinir olduğunua göre geçmiş ve geleceğin özelliklerinin de aynı olması beklenir. Bu sebeple, bütün orta entropili durumlardan çoğunun, seçilen belli yollarla, geçmişte de yüksek entropili durumlardan geldiğini söylememiz gerekir. Yani, Boltzmann’ın argümanlarından başlanırsa, daha yüksek entropiye gitmek için daha çok yol olduğu doğru olmakla beraber aynı argüman geçmişte de daha yüksek entropiye sahip olunduğunu söyleyecektir.
Bu neenle, teoriye yeni bir hipotez eklenmesi gerekir ve bu hipotezin adı da geçmiş hipotezidir. Bu hipotez, geçmişte evrenin entropisinin şu ana göre daha az olduğunu kabul eder. Aslında bu hipotez Boltzmann’ın ve hocası Lohschmidt’in zamanında bilmediği Büyük Patlama zamanındaki durumu açıklar. Dolayısıyla evren incelendiğinde, bu hipoteze gerek yoktur çünkü zaten Büyük Patlama bize öyle olduğunu söyler.
Zamanın yönü, aslında fiziğin yasalarının ya da doğanın en temel kanunlarının bir sonucu değildir. Bizim yaşadığımız evrenin bir özelliğinin sonucudur. Tıpkı evrende, uzayın seçilmiş bir yönü olmamasına rağmen, dünyanın özelliğinden ötürü uzayın belirli bir yönü vardır ve dünyanın merkezine doğrudur. Entropinin, dün neden daha az olduğunu bu şekilde açıklamanın tek yolu ise dünden önceki gün daha az olduğunun bilindiğinin söylenmesidir. Dünden önceki gün daha az olmasının nedeni ise 13,7 milyar yıl önce yaşanan Büyük Patlamadır. Bu nedenle de Laplace’ın benzerlik ilkesi geçerli değildir. Geçmişe giderken bütün olasılıklar eşit değildir çünkü geçmiş durumu bildiğimizi ve bu nedenle de şu an bulunduğumuz mikro durumu geçmişte daha az entropisi olan bir mikro durum olarak tanımladığımızı söyleriz.
Geçmiş ve gelecek arasındaki dengesizlik tam olarak burada başlar. Geçmiş için belirli sınır koşulları koyabiliyorken, gelecek için aynısını yapmak imkânsızdır. Bu durumda, geleceği de, geçmiş gibi özel bir durumla sınırlamamız imkânsızdır. Günlük yaşantımızın en derinine kadar işlemiş her şey, bilimdeki neden-sonuç ilişkisi, özgür irade… geçmiş ve gelecek arasındaki bütün fark tam olarak buradan gelmektedir. Eğer gelecekteki mikro durumu da geçmişteki gibi bilebilseydik, gelecekteki “kaderimiz” de dahil her şeyi bilebilirdik.
Burada fiziğin hâlâ sıkıntıda olduğu nokta, bu, kaba geçmiş hipotezini türetebileceği yeni bir teorinin ortaya konulamamış olmasıdır.
Karmaşıklık ve hayat
Fiziğin düşündüğü ve yanıtlamaya çalıştığı sorulara ara verip, entropinin dünya üzerindeki etkisi üzerine konuşmak şu noktada ilgi çekici olabilir. Düşük ya da yüksek entropi daha az ya da fazla karmaşıklığa denk gelmez. Örneğin, 13,7 milyar yıl önce evren, şu anki kadar karmaşık değildi ve daha düşük entropideydi. Şu andan çok uzun yıllar sonra da evren, her şey birbirinden uzaklaştığı için, karanlığa gömülecek ve evren bir boşluktan ibaret olacak. O da şu andakinden daha az karmaşık ama daha yüksek entropide bir evren olacak. Şu anki evren, ikisinin arasındaki entropisi ile çok daha karmaşık.
Termodinamiğin ikinci yasasının, kapalı bir sistemin entropisinin artacağını ya da aynı kalacağını söylediğini biliyoruz. Ancak canlılar kapalı sistemler değiller ve dış dünya ile etkileşim halindeler. Yine de, ikinci yasa, yaşamın önünde engel değildir. Aksine, yaşamın oluşmasını sağlar.
Kuantum mekaniğinin kurucularından Erwin Schrödinger belki de bir fizikçi gözüyle, yaşam için yapılabilecek en güzel tanımı yapmıştır: “Yaşayan bir sistem, bir şeyleri, beklenenden çok daha uzun süre, sürekli yapan şeydir.”
Schrödinger’in ne demek istediğini anlamak için, içinde bir parça buz olan bir bardak suyu ele alalım. Buz eriyip, sistem denge durumuna geldiğinde, küçük termal dalgalanmalar dışında her şey durur ve entropi sabit kalır. Bir de, bu bardağın içinde buz yerine bir balık olduğunu düşünelim. Balığın, sistem ile dengeye gelmesi çok daha uzun zaman alacaktır, hatta yaşadığı sürece asla dengeye gelmeyecektir. Ancak kütlesel olarak buz ile karşılaştırıldığında, bir balığın kütlesinin birçoğunu da su oluşturmaktadır. Balığa besin (düşük entropi formunda enerji) verilirse, balık bu olanaktan yararlanacak ve bu düşük entropiyi, yüksek entropi formuna çevirerek yaşamına devam edecektir. Yani, sistem ile dengeye gelmeyi erteleyecektir.
Eğer evren tamamen entropik dengede olsaydı, yaşam meydana gelemezdi. Yaşamın meydana gelmesinin nedeni, entropinin artması için hâlâ yeterli alanın olması. Örneğin, Güneş düşük entropi formundaki bir enerji kaynağıdır. Aynen balığa verilen besin gibi. Eğer Güneş’in bütün enerjisi çok daha yüksek entropi formunda olsaydı, bu evrene yayılır ve sonunda bir ısı kaynağı olamazdı. Ya da, her taraf Güneş kadar sıcak olsaydı, şu an aldığımızdan çok daha fazla enerji alabilecektik ancak termal dengeye gelip yaşamın yok olması çok daha hızlı olacaktı. Yaşamın, uzun süre devam edebilmesinin nedeni de gökyüzünün ısıl dengede olmaması ve bütün sistemin termal dengeye gelememesi.
Evrene, Güneş’ten aldığımız kadar enerjiyi geri veriyoruz. Bu durumda, dünyada var olan yaşamı devam ettiren enerji nereden geliyor? Güneş’ten gelen her bir foton için, evrene, her biri Güneş’ten gelen fotonun 1/20 enerjisine sahip 20 foton geri veriyoruz. Her bir gelen foton ile evrenin entropisini 20 katına çıkarıyoruz. Yani biyosfer, dengede olmaktan çok uzak bir sistem. Kızılötesi ışıma ile artırdığımız entropi ile yaşamın kendisinin azalttığı entropiyi kıyaslamak da mümkün hatta. Hesap yapıldığında ise, yaşamın tarihi boyunca, entropinin artışı, azalışından 4 milyar kat fazla. Yani, yaşam ikinci yasayı delmiyor.
Evrim, illa ki daha karmaşık yapılara doğru giden bir yol izlemiyor. Böyle bir zorunluluk yok. Yaşamın başlangıcına dair iki ana fikir var. Birincisi, replikasyonun önce geldiğini söylüyor. Yani, RNA molekülleri önce oluşuyor ve sonrasında bu moleküller hücreleri oluşturuyor. Analoji yapılacak olursa, yazılım, donanımdan önce geliyor. İkinci görüş ise, tam tersini söylüyor. Yani, donanımın yazılımdan önce geldiğini. Genç dünyanın, düşük entropisi sayesinde oluşan karmaşık kimyasal tepkimeler sonucu önce metabolizma oluşuyor. Yani bu bakış açısına göre, ilk yaşam, karmaşık bir kimyasal reaksiyondu denilebilir. Dünyanın ilk zamanlarında atmosferde çoğunlukla karbondioksit ve hidrojen vardı ve düşük entropi durumundaydı. Entropinin artması için bu hidrojen ve karbondioksitin bir şekilde su ve metana dönüşmesi gerekiyordu. Buradaki sıkıntı, böyle bir sistemin başlamasının çok çok zor kimyasal reaksiyonlar zinciri gerektirdiği. Hipotez, bu tarz reaksiyonların çok spesifik jeolojik formlarda başladığını söylüyor.
Eğer, ikinci bakış açısı doğru ise, yaşamın başlangıç amacı dünyadaki entropinin artmaya çalışması denilebilir belki de.
Zaman ve izafiyet
Esas soruya, neden geçmiş evrenin entropisinin düşük olduğu sorusuna dönelim. Fizikçilerin buna net bir yanıtı olmadığını belirtmiştik. Ancak, yeterli olmasa da belli çerçevelerde mantıklı açıklamalar var. Bunları anlamak için, kozmolojiye ve kozmoloji için en önemli olan kuvvete, gravitasyona biraz göz atmakta fayda var.
4 boyutlu bir evren Newton mekaniğinde seçime bağlıyken izafiyet ile beraber tamamen bir zorunluluk haline geliyor. 4 boyutta, 3 boyuttaki uzay kavramı, uzayzamana dönüşüyor. Yani bir olay, sadece uzayda bir noktada ya da zamanda bir anda değil, ikisinde de aynı anda tanımlanmak zorunda. Bu da uzayzamandaki konumu tanımlıyor.
İkisi arasındaki farkı biraz daha açmak gerekirse, Newton mekaniği uzay ve zamanı tamamen ayrı ve mutlak olarak ele alıyor. Eğer belli bir olay, belli bir anda, uzayda bir noktada ele alınabiliyorsa, uzayda herhangi bir olay için “şu an” denilebilecek bir an var. Yani 3 boyutlu bir gerçeklik ve bu gerçekliğin yaşandığı bir an var. Bütün uzay için o an aynı an.
Einstein’ın izafiyet teorisinde ise böyle bir şey mümkün değil. Evrende her bir noktada ortak olan bir zamandan söz edilemez. İzafiyette bir uzayzaman var ve Newton mekaniğindeki gibi uzay ve zamana farklı şekillerde davranılıyor ancak ikisi ayrı ayrı mutlak değiller. Uzay ve zaman dediğimiz zaman her bir gözlemci için farklı şeyler ifade eder. Her bir gözlemci için eşzamanlılık, birbirlerine göre, ya da başka bir cisme göre olan hareketlerine bağlı olarak farklıdır. Tamamen eş iki robotu, uzaydaki bir noktaya farklı rotaları takip ederek gönderip geri getirirsek, her ikisinin saati, geçen zamanı farklı ölçecektir. Daha kavisli rota ve yüksek hızda hareket eden robot için geçen süre daha az olacaktır (burada cisimlerin ivmeli hareket yapmadıklarını düşünüyoruz ancak gidip geri gelecekleri zaman hızlarının yönü değişeceği için ivmeli hareket yapmak zorunda kalacaklardır). Yani, bütün evren için geçerli bir eş-an yoktur.
Temel seviyede, farklı zaman kavramları vardır. Zaman, bir gözlemci tarafından ölçülen saatte geçen süre olarak tanımlanabilir. Ya da, evrendeki bir anın parametresi olarak tanımlanabilir. Newton mekaniğinde bu ikisi aynıdır. Ancak Einstein’a göre bunlar aynı değildir ve zaman gözlemciden gözlemciye değişir. Gözlemci tarafından hissedilen zaman, evrendeki rota ve hareketinize bağımlıdır.
İzafiyetin bir diğer sonucu da ışığın hızı hakkındadır. Her gözlemci, hareketinden bağımsız olarak, ışığın hızını yaklaşık olarak saniyede 300.000 km olarak ölçer ve hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez. Bu durumda, eğer bir gözlemci, noktasal bir ışık kaynağını açarsa, ilk açıldığı anda çıkan fotonlar bir koni şeklinde, uzayzamanda yayılacaktır. Hiçbir şey ışıktan hızlı gidemediği için, gözlemcinin bu fotonların kat ettiği mesafenin ötesine geçme ihtimali yoktur. Fotonlar her zaman gözlemciden ışık hızında uzaklaşacaktır. Eğer bu koni çizilirse, bu gözlemcinin, olası geleceği olacaktır ve gelecek, o koni içerisindeki noktalardan oluşacaktır. Koni dışında oluşan hiçbir olay, asla, gözlemcinin kendisine ulaşamayacaktır. Çünkü gözlemci (koni dışındaki olay) uzayda o koninin dışına çıkabilse de (içine girebilse de) uzayzamanda asla dışarı çıkamayacaktır (içeri giremeyecektir).
Newton için uzay ve zaman geçmiş, şu an ve gelecek olarak ayrılmıştır. Einstein içinse uzayzaman, gözlemcinin bulunduğu olayın geçmişi (gözlemciye ulaşan ışık konisinin içi), gözlemcinin bulunduğu olayın geleceği (gözlemciden ‘çıkan’ ışık konisinini içi) olarak ikiye ayrılır. Uzayzamanda geri kalan her nokta, gözlemci için ulaşılamazdır. Ulaşılabiliyor olması için, ışıktan hızlı hareket etmesi gerekirdi.
Kısaca özetlersek, Einstein’a göre zaman evrensel değil gözlemciye bağlıdır. Evren küçük zaman aralıklarına parçalanabilir ancak bunu yapmanın bir ya da öteki yolu doğru ya da yanlış değildir.
Eğri uzay ve karadelikler
Einstein’ın özel görelilik kuramına kısaca göz attıktan sonra, gravitasyonun “kaynağı” olan genel görelilik kuramını da anlamamız gerekiyor. Einstein, gravitasyonu özel görelilik ile uyuşturmaya çalışırken, gravitasyonun diğer kuvvetlerden farklı ve evrensel olduğunu fark etti. Elektromanyetik kuvvet farklı parçacıklar ile farklı etkileşirken, gravitasyon bütün maddeler ile aynı şekilde etkileşiyordu. Bu, Einstein’a denklik ilkesini formalize ettirdi. İvmelenme ve gravitasyon arasındaki denklik.
Gravitasyon etkisi altında tamamen kapalı bir odada bir deneyi yaparsanız, sonra bir roket ile sıfır gravitasyon etkisi altında ivmelenirken bu deneyi yaparsanız, ivmelenme ve gravitasyonun oranlarına bağlı olarak aynı etkiyi yaptığını gözlemlersiniz ve kesinlikle aynı sonucu bulursunuz. Roket, sizi, ivmelendiği doğrultuda, ivmesinin büyüklüğü oranında iter. Einstein’a göre bu sadece bir benzerlik değil aynı zamanda denklikti. Yani, bölgesel ve kapalı bir noktada, gravitasyonu saptama ihtimali yoktur. Etkinin ivmelenen bir cisim içerisinde bulunulduğu için mi yoksa bir gravitasyon alanı içerisinde bulunulduğu için mi olduğu bilinemez.
Einstein’ın vardığı sonuç: eğer gravitasyon evrensel ise, belki de bu uzayzamandaki bir alan değildir de (elektromanyetik alan gibi), uzayzamanın kendisinin bir özelliğidir. Örneğin, uzayzamanın eğriliği gibi. Madde ve enerji, uzayzamanda eğrilikler oluşturur ve bizim gravitasyon dediğimiz şey bu eğriliğin diğer maddeler üzerindeki etkisidir.
Öklidyen geometri, ideal bir masanın yüzeyi gibi düz bir geometridir. Newton mekaniğindeki 3 boyutlu uzay, bu geometri ile tanımlanır. Einstein, belki de uzayzamanın öklid geometrisine uymadığını düşünmüş ve bu eğrilikleri tanımlamak için Riemann geometrisini kullanmıştır.
Eğer asgari hareket esasına göre, bir cisim, uzayda en kısa rotada ilerliyorsa ve Dünya da Güneş’in etrafında düz bir çizgi yerine, eliptik bir hareket çiziyorsa bunun nedeni uzayzamanın eğriliğidir. Aslında bunlar, Riemann geometrisinin “düz çizgileri”dir.
Genel görelilikte de, özel görelilikte söz ettiğimiz ışık konileri her uzayzaman noktasında tanımlanabilir, ancak uzayzamanın kendisi eğri olduğu için ışık konileri de eğrilip kıvrılabilir. Eğer gravitasyon çok yüksek büyüklüklerde olursa, bu ışık konileri ya da uzayzamanın kendisi, o kadar çok kıvrılır ki, kara delikler oluşur ve ışık, bu ışık konilerinin içinden kaçamaz.
Uzayzaman eğriliğinin başka bir sonucu da evrenin genişlemesidir. Evrenin boyu, zamanla değişmektedir. Eğer, evrendeki tekdüze (uniform) madde dağılımı, genel görelilik kullanılarak modellenmeye çalışılırsa, evrenin durağan olamayacağı, genişlemesi ya da tersine daralması gerektiği görülür. Einstein, bunu ilk gördüğünde, modele kozmolojik bir sabit ekleyip, evreni sabit hale getirmiştir. Ancak daha sonrasında Hubble’ın da deneyle gösterdiği kadarıyla evrenin genişlediği keşfedilmiştir. Yani şu an, her şey birbirinden uzaklaşıyor ve uzayzamanın başlangıcında, singularitede her şey orada toplanmıştı ve Büyük Patlama ile uzayzaman genişlemeye ve enerji de uzayzamana saçılmaya başladı.
Zamanın yönü hakkında güncel yaklaşımlar
Yazı boyunca, temelde yatan iki şey vardı. Doğa kanunlarının temelinde geçmiş ile geleceği birbirinden ayıran hiçbir şey yoktur ve pratik dünyamızda algıladığımız kadarıyla zamanın bir yönü vardır. Ortada buluştukları nokta ise, çok karmaşık bir sistemde yaşadığımız ve bu sistemin dengede olmaktan çok uzak olduğu ve zamanının yönünü algıladığımız her şeyi entropinin artışı ile açıklayabiliyorken, evrenin neden bu kadar az bir entropi ile başladığı sorusu ise hâlâ açık bir soru. Bu soru 21. yüzyılın en büyük gizemlerinden biri. Bu soruya, şu ana kadar getirilmiş en güncel ve popüler üç yaklaşıma göz atalım.
Esas, özsel (intrinsic) zamanın yönü: İlk olasılıkta, bu zamana kadar bildiğimiz temel fizik yasalarının hepsinin özünde belki de zamanın yönü olduğu düşüncesi var. Newton’dan beri geliştirilmeye çalışılan temel fizik yasaları zaman simetrisine uyuyor ve bilgiyi koruyor. Ancak belki de bu yanlış. Belki de, ileride keşfedilecek olan yasalarda tersinirlik ya da bilginin korunumu olmayacak ve entropi de özünde zamanın yönü dinamiğini içeren bir özellik olacak.
Eğer dinamik olarak zamanda özel bir yön seçen yasalar olacaksa, bu yasalarda entropinin kendiliğinden azalması lazım. Yüksek entropili bir evren ile başlayıp, fizik yasalarını uyguladığımızda, entropinin azaldığı bir evren olması gerekiyor. Aslında bu o kadar da garip değil çünkü fizik yasaları hali hazırda da buna benzer. Çünkü bu durumda da tersinir olmayan olaylar olacak ancak evren tersine işleyip, tersine bir Büyük Patlama olacak.
Burada önemli nokta ise, geçmiş hipotezinin zamanın yönünü açıkladığını unutmamamız gerektiği. Eğer yeni bir teori ortaya konulacaksa, bunun neden evrenin başlangıçta sıcak ve yoğun olduğunu da açıklaması gerekiyor. Şu an, fizikçiler bu sınır koşullarını koyuyorlar ancak başka bir teoriden türetemiyorlar.
En basit kuantum durumu: İkinci olasılıkta, evrenin başlangıcında entropinin neden bu kadar az olduğunu açıklamak için kullanılan açıklama ise: “tek neden başlangıçta öyle olmasıydı”. Yani, Büyük Patlama’da var olan koşulların böyle olması gerçek bir durum, hakikat.
Birçok biliminsanı, evrenin başlangıcındaki kuantum durumunun var olabilecek en basit durum olduğu görüşünü savunuyor. Büyük Patlama bir başlangıçtı ve entropi de bu anda azdı. Aslında, doğada bunu açıklayan bir ilke var ancak biz bilmiyoruz.
Bu ilkenin varlığı ise muamma ve evrenin şu anki düzeni, başlangıçta var olabilecek birçok olası düzenlerin çok küçük bir parçası. Düşük entropi ile evrenin oluşması daha kolay olabilir ancak bunun böyle olmasının gerektiğini söyleyen bir ilke yok gibi gözüküyor. Kaldı ki gözlemlediğimiz evren, en basit olanı da olmayabilir.
Kendiliğinden oluşan zamanın yönü: Üçüncü bir olasılık da, zamanın yönünün, tersinir ve doğal evrenin evriminde kendiliğinden oluştuğu. Aslında evrenin temel yasalarında zamanın bir yönü yok ancak bu yasaların denklemlerinin çözümlerinde, zamanın yönü kendiliğinde açığa çıkıyor.
Bu fizikteki olaylarda sıklıkla rastlanan bir durum. Bazı denklemlerin simetrileri ile bu denklemlerin çözümü sonucu açığa çıkan simetriler aynı olmayabiliyor. Örneğin, Newton mekaniğinde, daha önce de belirttiğimiz gibi tersinirlik vardır ve zamanın yönü hiç açığa çıkmaz. Ancak, zamanın yönünün kendiliğinden ortaya çıktığı Newton mekaniğine dayalı sistemler düşünülebilir.
Sonsuz bir tepeden aşağı yuvarlanan bir top düşünün. Bu topun hareketinin öncesi sonsuzdur. Tepeden aşağı yuvarlanıyor ve sonra bir dönüş noktasında olay tersine dönüyor ve bu sefer sonsuz zaman boyunca tepeye tırmanıyor. Eğer tepenin eğimi hep varsa, top hiçbir zaman durağan olamaz ve bu hareket sonsuz kez tekrarlanır ve bu tamamen tersinir bir sistemdir ve denge durumu yoktur. Acaba evren de böyle olabilir mi? Acaba, yaşadığımız evrende, temel fizik yasaları entropinin maksimum bir değeri olduğunu söylemiyor mu? Bu durumda, neden maksimum entropide olmadığımızı düşünmek anlamsız olurdu çünkü entropi sonsuza kadar büyümeye devam edebilir.
Ancak bu yine de, başlangıçta neden düşük entropiye sahip olduğumuzu açıklamıyor.
Şişme teorisi ve çokluevrenler: Aslında anlamak istediğimiz, neden denge sisteminde olmadığımız olabilir. Evrenin, ta ki boş bir uzay oluncaya kadar genişlemeye devam edeceğini biliyoruz. Bu boş uzayda kuantum mekaniği uygulandığı zaman termal dalgalanmalar olacaktır. Çok nadir de olsa, rasgele oluşacak olan bu termal dalgalanımlar bir atom, bir molekül, bir insan, bir gezegen hatta bir evren oluşturabilir. Yaratılan şey ne kadar büyük olacaksa, termal dalgalanma için o kadar beklenmesi gerekecektir. Ancak, olasılıksal olarak eninde sonunda bu olacaktır.
Belki, bütün bir evrenin dalgalanma ile oluşması saçma gibi duruyor olabilir. Sonuçta, dalgalanma sonucu oluşacak şey ne kadar düşük entropili olursa, oluştuğunu görmek de o kadar mümkün. Bu durumda, nasıl olur da bir evren, bir insan veya gezegen yerine oluşabilir? Yanıt, “infilation” teorisinde olabilir.
Belki 100 milyar galaksinin dalgalanma sonucu oluşması mümkün olmayabilir, ancak, çok küçük bir mekânın tamamen karanlık enerji ile dolu olduğu ve şişmeye hazır olduğu bir durum oluşabilir. Tamamen bomboş bir evren hayal edin. İçinde boşluk, vakum enerjisi ve rasgele termal dalgalanmalar dışında hiçbir şey olmasın. Uzayzamının kendisinin, dinamik ve elastik olması nedeni ile belki de bu dalgalanımların birinde uzayzaman da dalgalanabilir ve dokudan küçük bir baloncuk oluşabilir. Bu baloncuk da şişmeye hazır ve tamamen karanlık enerji ile dolu olabilir. Sonunda, bu baloncuk şişmeye başlar ve bu tam olarak bizim Büyük Patlamamız gibi gözükür.
Bu örnekteki temel nokta, tamamen dengede olduğu düşünülen, maksimum entropideki bir sistem aslında tamamen dengede değildir. Bir evrenden, başka evrenlerin türemesi ve kendi başlarına tamamen bağımsız birer evren oldukları düşünüldüklerinde, evrenin entropisi her zaman artırılabilir. Ve bu süreç sonsuza kadar devam eder.
Ayrıca, bu süreci zamanda ileriye doğru da geriye doğru da düşünebiliriz. Geriye doğru zamanın aktığı yönde oluşan evrenlerde zaman bizim evrenimizin tersi yönünde akacaktır.
Teorilerin geleceği: Şu ana kadar çoklu evren ve şişme modelleri üzerindeki algımız var olan deneysel verilerle karşılaştıracak kadar yeterli değil. Biliminsanlarının, fiziğin temel alanlarındaki bilgisinin genişlemeye ve gelişmeye ihtiyacı var. Ondan sonra, belki de teorileri karşılaştırma ve hangilerinin doğru olduğunu söyleme imkânı olacak.
Bizler, çok düzenli ve karmaşık yapılar olsak da düşük entropilere sahibiz. Ancak, yine de ikinci yasaya karşı gelmiyoruz, aksine onun bir sonucu olarak varız. Evrenin artan entropisinin yan etkileriyiz. Eğer evren bir denge sistemi olmuş olsaydı, bilinç asla var olmayacaktı. Bu açıdan bakıldığında, anlamadığımız bir zamanın yönü olan evrende yaşadığımız için şanslıyız. Zamanın yönünün olmasının nedeni ise Büyük Patlama.
Dipnotlar
1) Tartışmayı ayrıntılı olarak bu yazıda açıklamak yazının odak noktası olan modern bilim sorunları içerisinde zaman sorusu üzerine farklı bir bakış olarak durmaktan öte katkı yapmayacağı için detaya gitmeyeceğiz ancak yazının tamamını ditext.com/mctaggart/time.html sayfasında İngilizce olarak bulabilirsiniz.
2) Zayıf etkileşimlerde zaman simetrisi yüzde 0,66 oranında kırılıyor olsa da, olayları hâlâ daha geniş bir simetri çerçevesinde tersinir olarak tanımlayabiliyoruz.
3) Benim bulabildiğim kaynaklarda ilk ifade eden kişi.
Kaynaklar
1) Mysteries of Modern Physics-Time – Sean Carroll (Yazı buradaki mantıksal adımları izleyerek yazılmıştır ve örneklerin birçoğu kitabın yazıldığı derslerden alınmıştır. Son kısımdaki yazının tamamı da bu dersler ve alttaki iki kaynağın derlemesidir. Özgün cümle ile katkı yoktur.)
2) From Eternity to Here – Sean Carroll
3) The Labyrinth of Time – Michael Lockwood
4) The Unreality of Time – John Ellis McTaggart
5) What is Life – Erwin Schrödinger
6) A Brief History of Time – Stephen Hawking
7) Road to Reality – Roger Penrose
8) Time’s Arrow and Archimedes’ Point
9) İtiraflar – Augustinus
