Tüm evrende sadece birkaç parçacık sonsuza kadar kararlıdır. Foton, ışık kuantumu, sonsuz bir ömre sahiptir. Yoksa öyle midir?
Tüm Evren’deki en kalıcı fikirlerden biri, şu anda var olan her şeyin bir gün varlığının sona ereceğini göreceğidir. Evrenimizde yer kaplayan yıldızlar, galaksiler ve hatta kara delikler bile bir gün yanacak, yok olacak ve başka bir şekilde çürüyerek “ısı ölümü” olarak düşündüğümüz durumu bırakacaktır: tekdüze, maksimum entropi, denge durumundan herhangi bir şekilde daha fazla enerji elde edilemeyecektir. Ancak, belki de bu genel kuralın istisnaları vardır ve bazı şeyler gerçekten sonsuza kadar yaşayacaktır.
Gerçekten kararlı bir varlık için böyle bir aday fotondur: ışık kuantumu. Evrende var olan tüm elektromanyetik radyasyon fotonlardan oluşur ve bildiğimiz kadarıyla fotonların sonsuz bir ömrü vardır. Bu, ışığın gerçekten sonsuza kadar yaşayacağı anlamına mı geliyor? Anna-Maria Galante’nin bilmek istediği de bu, sormak için yazıyor:
“Fotonlar sonsuza kadar yaşar mı? Yoksa “ölürler” ve başka bir parçacığa mı dönüşürler? Çok uzun bir geçmişteki kozmik olaylardan püskürdüğünü gördüğümüz ışık… nereden geldiğini biliyor gibiyiz, ama nereye gidiyor? Bir fotonun yaşam döngüsü nedir?”
Bu büyük ve zorlayıcı bir soru ve bizi Evren hakkında bildiğimiz her şeyin sınırına getiriyor. İşte bilimin bugün sahip olduğu en iyi cevap.
Fotonun sonlu bir ömre sahip olduğu sorusu ilk kez gündeme geldiğinde, bunun çok iyi bir nedeni vardı: Evrenin genişlediğine dair temel kanıtları yeni keşfetmiştik. Gökyüzündeki spiral ve eliptik nebulaların Samanyolu’nun ölçeğinin ve kapsamının çok ötesinde galaksiler ya da o zamanki adıyla “ada evrenler” olduğu gösterilmişti. Milyonlarca, milyarlarca ve hatta trilyonlarca yıldızdan oluşan bu koleksiyonlar en az milyonlarca ışık yılı uzakta bulunuyordu ve bu da onları Samanyolu’nun oldukça dışına yerleştiriyordu. Dahası, bu uzak nesnelerin sadece uzakta olmadıkları, aynı zamanda bizden uzaklaşıyor gibi göründükleri, ortalama olarak ne kadar uzakta olurlarsa, onlardan gelen ışığın sistematik olarak daha kırmızı ve daha kırmızı dalga boylarına doğru kaydığı ortaya çıktı.
Elbette bu veriler 1920’lerde ve 1930’larda yaygın olarak elde edilebilir hale geldiğinde, ışığın dalga boyunun enerjisini belirlediğini bize öğreten ışığın kuantum doğasını çoktan öğrenmiştik. Ayrıca elimizde hem özel hem de genel görelilik vardı, bu da bize ışık kaynağından ayrıldıktan sonra frekansını değiştirmenin tek yolunun ya
1-bir tür madde ve/veya enerji ile etkileşime girmesi,
2-gözlemcinin gözlemciye doğru ya da gözlemciden uzağa hareket etmesi,
3-ya da uzayın eğrilik özelliklerinin, örneğin kütleçekimsel bir kırmızıya kayma/maviye kayma ya da Evren’in genişlemesi/büzülmesi nedeniyle değişmesi.
Özellikle ilk potansiyel açıklama, büyüleyici bir alternatif kozmolojinin formüle edilmesine yol açmıştır: yorgun ışık kozmolojisi.
İlk kez 1929 yılında Fritz Zwicky tarafından formüle edilen – evet, süpernova terimini icat eden, karanlık madde hipotezini ilk kez formüle eden ve bir keresinde teleskop tüpünden tüfekle ateş ederek atmosferdeki çalkantılı havayı “sakinleştirmeye” çalışan aynı Fritz Zwicky – yorgun ışık hipotezi, yayılan ışığın galaksiler arasındaki boşlukta bulunan diğer parçacıklarla çarpışarak enerji kaybettiği fikrini ortaya attı. Mantık, yayılacak ne kadar çok alan varsa, bu etkileşimler nedeniyle o kadar çok enerji kaybedileceğini ve ışığın daha uzaktaki nesneler için neden daha ciddi şekilde kırmızıya kaymış göründüğünün tuhaf hızlar ya da kozmik genişleme yerine bu şekilde açıklanabileceğini söylüyordu.
Ancak bu senaryonun doğru olabilmesi için doğru olması gereken iki öngörü vardır.
- ) Işık bir ortamdan geçerken, seyrek bir ortam bile olsa, boşluktaki ışık hızından o ortamdaki ışık hızına yavaşlar. Bu yavaşlama farklı frekanslardaki ışığı farklı miktarlarda etkiler. Tıpkı bir prizmadan geçen ışığın farklı renklere ayrılması gibi, galaksiler arası bir ortamdan geçen ve onunla etkileşime giren ışık da farklı dalga boylarındaki ışığı farklı miktarlarda yavaşlatmalıdır. Bu ışık gerçek bir vakuma tekrar girdiğinde, vakumdaki ışık hızında hareket etmeye devam edecektir.
Uzay boşluğunda, dalga boyu ya da enerjisi ne olursa olsun tüm ışık aynı hızda hareket eder: ışığın boşluktaki hızı. Uzaktaki bir yıldızdan gelen ışığı gözlemlediğimizde, kaynaktan gözlemciye olan yolculuğunu çoktan tamamlamış olan ışığı gözlemlemiş oluruz.
Yine de, farklı mesafelerdeki kaynaklardan gelen ışığı gözlemlediğimizde, ışığın sergilediği kırmızıya kayma miktarının dalga boyuna bağlı olmadığını gördük. Bunun yerine, tüm mesafelerde, yayılan ışığın tüm dalga boylarının diğerleriyle tamamen aynı faktörle kırmızıya kaydığı gözlemlenmiştir; kırmızıya kaymada dalga boyuna bağlı bir durum yoktur. Bu boş gözlem nedeniyle, yorgun ışık kozmolojisinin ilk öngörüsü yanlışlanmıştır.
Ancak mücadele edilmesi gereken ikinci bir öngörü daha vardır.
2.) Eğer daha uzaktaki ışık, daha az uzaktaki ışığa göre daha uzun bir “kayıplı ortamdan” geçerek daha fazla enerji kaybediyorsa, o zaman daha uzaktaki nesneler daha az uzaktakilere göre giderek daha fazla miktarda bulanık görünmelidir.
Ve yine, bu öngörüyü test ettiğimizde, bunun gözlemler tarafından hiç de doğrulanmadığını görürüz. Daha uzak galaksiler, daha az uzak galaksilerle birlikte görüldüğünde, daha az uzak olanlar kadar keskin ve yüksek çözünürlüklü görünürler. Bu durum örneğin Stephan’ın Beşlisi’ndeki beş galaksi için olduğu kadar, beşlinin beş üyesinin arkasında görünen arka plan galaksileri için de geçerlidir. Bu öngörü de yanlışlanmıştır.
Bu gözlemler yorgun ışık hipotezini yanlışlamak için yeterince iyi olsa da – ve aslında, önerildiği anda hemen yanlışlamak için yeterince iyiydi – bu, ışığın kararsız olmasının yalnızca bir olası yoludur. Işık ya yok olabilir ya da başka bir parçacığa dönüşebilir ve bu olasılıklar hakkında düşünmenin bir dizi ilginç yolu vardır.
İlki basitçe kozmolojik kırmızıya kayma gerçeğimizden kaynaklanır. Üretilen her bir foton, nasıl üretildiğine bakılmaksızın, ister termal olarak ister kuantum geçişinden ya da başka bir etkileşimden kaynaklansın, başka bir enerji kuantumuyla çarpışıp etkileşime girene kadar Evren boyunca akacaktır. Ancak bir kuantum geçişinden yayılan bir foton olsaydınız, ters kuantum reaksiyonuna oldukça hızlı bir şekilde giremediğiniz sürece, galaksiler arası uzayda seyahat etmeye başlayacak ve bunu yaparken Evren’in genişlemesi nedeniyle dalga boyunuz uzayacaktı. Eğer doğru geçiş frekansına sahip bir kuantum bağlı durum tarafından emilecek kadar şanslı değilseniz, bir daha böyle bir geçiş tarafından emilmenize izin verecek olası en uzun dalga boyunun altına düşene kadar basitçe kırmızıya kayacak ve kırmızıya kayacaksınız.
Bununla birlikte, tüm fotonlar için var olan ikinci bir olasılık kümesi vardır: herhangi bir sayıda etkiden birini üreterek başka türlü serbest bir kuantum parçacığı ile etkileşime girebilirler.
Bu, yüklü bir parçacığın – genellikle bir elektron – bir fotonu emdiği ve sonra yeniden yaydığı saçılmayı içerebilir. Bu, hem enerji hem de momentum değişimini içerir ve yüklü parçacığı ya da fotonu, diğerini daha az enerjiyle bırakmak pahasına, daha yüksek enerjilere yükseltebilir.
Yeterince yüksek enerjilerde, bir fotonun başka bir parçacıkla – hatta enerji yeterince yüksekse başka bir fotonla – çarpışması, Einstein’ın E = mc²’si aracılığıyla her ikisini de yapmak için yeterli mevcut enerji varsa, kendiliğinden bir parçacık-antiparçacık çifti üretebilir. Aslında, en yüksek enerjili kozmik ışınlar bunu kozmik mikrodalga arka planının bir parçası olan oldukça düşük enerjili fotonlarla bile yapabilir: Büyük Patlama’nın artık parıltısı. Enerjisi ~1017 eV’nin üzerindeki kozmik ışınlar için, tek bir tipik CMB fotonunun elektron-pozitron çiftleri üretme şansı vardır. Daha da yüksek enerjilerde, ~1020 eV gibi enerjilerde, bir CMB fotonunun nötr bir piona dönüşme şansı oldukça yüksektir, bu da kozmik ışınların enerjisini oldukça hızlı bir şekilde çalar. Bu, en yüksek enerjili kozmik ışınların popülasyonunda dik bir düşüş olmasının ana nedenidir: bu kritik enerji eşiğinin üzerindedirler.
Başka bir deyişle, çok düşük enerjili fotonlar bile yeterince yüksek enerjili başka bir parçacıkla çarpışarak başka parçacıklara -foton olmayanlara- dönüştürülebilir.
Bir fotonu kozmik genişlemenin ötesinde değiştirmenin ya da sıfır olmayan bir durgun kütleye sahip parçacıklara dönüştürmenin üçüncü bir yolu daha vardır: daha fazla foton üretimiyle sonuçlanan bir parçacıktan saçılarak. Hemen hemen her elektromanyetik etkileşimde ya da yüklü bir parçacık ile en az bir foton arasındaki etkileşimde, kuantum alan teorilerinde ortaya çıkan ve “ışınımsal düzeltmeler” olarak bilinen durumlar vardır. Başlangıçta ve sonda aynı sayıda fotonun bulunduğu her standart etkileşim için, %1’den biraz daha az bir şans vardır – daha spesifik olmak gerekirse 1/137 gibi – sonunda başladığınız sayıdan daha fazla foton yayarsınız.
Ve ne zaman pozitif bir durgun kütleye ve pozitif bir sıcaklığa sahip enerjik bir parçacığınız olsa, bu parçacıklar da foton yayacaktır: foton şeklinde enerji kaybedecektir.
Fotonları yaratmak çok ama çok kolaydır ve uygun kuantum geçişlerini tetikleyerek onları absorbe etmek mümkün olsa da, çoğu uyarım belirli bir süre sonra sönecektir. Tıpkı eski bir deyiş olan “Yukarı çıkan aşağı inmelidir” sözünde olduğu gibi, fotonların soğurulmasıyla daha yüksek enerjilere uyarılan kuantum sistemleri de eninde sonunda sönecek ve en azından ilk etapta soğurulanla aynı sayıda, genellikle aynı net enerjiye sahip foton üretecektir.
Foton yaratmanın pek çok yolu olduğuna göre, muhtemelen onları yok etmenin yollarını arıyorsunuzdur. Sonuçta, kozmik kırmızıya kaymanın etkilerinin onları asimptotik olarak düşük bir enerji değerine ve yoğunluğuna indirmesini beklemek keyfi olarak uzun bir zaman alacaktır. Evren her 2 kat genişlediğinde, foton formundaki toplam enerji yoğunluğu 16 kat düşer: 24 kat. Fotonların sayısı – onları yaratmanın tüm yollarına rağmen – nispeten sabit kaldığı ve nesneler arasındaki mesafeyi iki katına çıkarmak gözlemlenebilir Evren’in hacmini 8 kat artırdığı için 8’lik bir faktör gelir: uzunluğu iki katına, genişliği iki katına ve derinliği iki katına çıkarır.
Dördüncü ve son iki faktör, dalga boyunu orijinal dalga boyunun iki katına çıkaran ve böylece foton başına düşen enerjiyi yarıya indiren kozmolojik genişlemeden kaynaklanır. Yeterince uzun zaman ölçeklerinde bu, Evren’in foton formundaki enerji yoğunluğunun asimptotik olarak sıfıra doğru düşmesine neden olacak, ancak asla tam olarak ona ulaşmayacaktır.
Zekice davranmayı deneyebilir ve fotonlarla çiftleşen, bir fotonun doğru koşullar altında dönüşebileceği bir tür egzotik, ultra düşük kütleli parçacık hayal edebilirsiniz. Bir tür bozon ya da psödoskalar parçacık – aksion ya da aksino, nötrino yoğunlaşması ya da bir tür egzotik Cooper çifti gibi – tam olarak bu tür bir oluşuma yol açabilir, ancak yine de bu yalnızca fotonun E = mc² aracılığıyla sıfır olmayan bir durgun kütleye sahip parçacığa dönüşmek için yeterince yüksek enerjide olması durumunda işe yarar. Fotonun enerjisi kritik bir eşiğin altına düştüğünde, bu artık işe yaramaz.
Benzer şekilde, fotonları soğurmanın nihai yolunu hayal edebilirsiniz: bir kara delikle karşılaşmalarını sağlayarak. Herhangi bir şey olay ufkunun dışından içine geçtiğinde, asla kaçamamakla kalmaz, aynı zamanda her zaman kara deliğin kalan kütle enerjisine katkıda bulunur. Evet, zaman içinde Evren’i dolduran birçok kara delik olacak ve zaman ilerledikçe kütle ve boyut olarak büyüyecekler.
Ancak bu bile sadece bir noktaya kadar gerçekleşecektir. Evrenin yoğunluğu belirli bir eşiğin altına düştüğünde, kara delikler Hawking radyasyonu yoluyla büyüdüklerinden daha hızlı bozunmaya başlayacak ve bu da ilk etapta kara deliğe girenden daha fazla sayıda foton üretilmesi anlamına gelecektir. Önümüzdeki ~10100 yıl boyunca, Evrendeki her kara delik sonunda tamamen bozunacak ve bozunma ürünlerinin ezici çoğunluğu foton olacaktır.
Peki hiç yok olacaklar mı? Şu anda anlaşılan fizik kurallarına göre hayır. Aslında, durum muhtemelen fark ettiğinizden daha da vahim. Büyük Patlama’da yaratılan ya da yaratılacak olan her fotonu
Büyük Patlama’da yaratıldı,
kuantum geçişlerinden yaratılmıştır,
ışınımsal düzeltmelerden yaratılmıştır,
enerji emisyonu yoluyla yaratılır,
ya da kara delik bozunması yoluyla yaratılmıştır,
Ve Evren’in genişlemesi nedeniyle tüm bu fotonların keyfi olarak düşük enerjilere ulaşmasını bekleseniz bile, Evren yine de fotonlardan yoksun olmayacaktır.
Nedenmiş o?
Çünkü Evren’in içinde hala karanlık enerji vardır. Tıpkı bir kara delik gibi olay ufkuna sahip bir nesnenin, olay ufkuna yakın ve uzak ivme farkı nedeniyle sürekli foton yayması gibi, kozmolojik (ya da daha teknik olarak Rindler) ufku olan bir nesne de sürekli foton yayacaktır. Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi bize gözlemcilerin yerçekimsel ivme ile başka herhangi bir nedenden kaynaklanan ivme arasındaki farkı ayırt edemeyeceğini ve karanlık enerjinin varlığı nedeniyle herhangi iki bağlantısız konumun birbirine göre hızlanıyor gibi görüneceğini söyler. Sonuçta ortaya çıkan fizik aynıdır: sürekli miktarda termal radyasyon yayılır. Bugün çıkarsadığımız kozmolojik sabitin değerine dayanarak, bu ~10-30 K sıcaklığa sahip bir kara cisim radyasyon spektrumunun, geleceğe ne kadar uzağa gidersek gidelim, her zaman tüm uzaya nüfuz edeceği anlamına gelir.
En sonunda bile, geleceğe ne kadar uzağa gidersek gidelim, Evren her zaman radyasyon üretmeye devam edecek, hiçbir zaman mutlak sıfıra ulaşmamasını, her zaman foton içermesini ve ulaşabileceği en düşük enerjilerde bile fotonun bozunacağı veya dönüşeceği başka bir şey olmamasını sağlayacaktır. Her ne kadar Evren genişledikçe enerji yoğunluğu düşmeye devam edecek ve herhangi bir fotonun doğasında bulunan enerji zaman ilerledikçe ve geleceğe doğru ilerledikçe düşmeye devam edecek olsa da, asla dönüştüklerinden daha “temel” bir şey olmayacaktır.
Elbette hikayeyi değiştirecek egzotik senaryolar üretebiliriz. Belki de fotonların gerçekten de sıfır olmayan bir durgun kütleye sahip olmaları mümkündür, bu da yeterli zaman geçtiğinde ışık hızından daha yavaş olmalarına neden olur. Belki de fotonlar doğaları gereği gerçekten kararsızdır ve bozunarak dönüşebilecekleri gravitonların bir kombinasyonu gibi gerçekten kütlesiz başka bir şey vardır. Ve belki de gelecekte fotonun gerçek kararsızlığını ortaya çıkaracağı ve henüz bilinmeyen bir kuantum durumuna bozunacağı bir tür faz geçişi gerçekleşecektir.
Ancak elimizdeki tek şey Standart Model’de anladığımız şekliyle foton ise, o zaman foton gerçekten kararlıdır. Karanlık enerjiyle dolu bir Evren, bugün var olan fotonlar keyfi olarak düşük enerjilere kırmızıya kayarken bile, her zaman yenilerinin yaratılmasını sağlar ve bu da her zaman sonlu ve pozitif foton sayısına ve foton enerji yoğunluğuna sahip bir Evrene yol açar. Kurallardan yalnızca onları ölçtüğümüz ölçüde emin olabiliriz, ancak bulmacanın henüz ortaya çıkaramadığımız büyük bir parçası eksik değilse, fotonların kaybolabileceği, ancak asla gerçekten ölmeyecekleri gerçeğine güvenebiliriz.
*Bu yazı Does light itself truly have an infinite lifetime? başlıklı yazıdan çevrilmiştir.
