Ya atomlar küçülüyorsa?

Ölçebileceğimiz hiçbir şey değişmezdi. Uzak galaksilerden gelen ışık kırmızıya doğru esnemiş olarak ulaşır ve bu iki tarife de uyar: ya ışık yoldayken uzay büyüdü ya da atomlar uzun zaman önce daha büyüktü ve o zamandan beri küçüldü. Fizikçi Christof Wetterich 2013'te ikisinin de aynı fiziği anlattığını savundu, çünkü her ölçüm bir uzaklığı atomların boyuyla karşılaştırır. 2 14

Bir şartı var. Bu takas ancak bütün parçacık kütleleri ve kütleçekiminin şiddeti birlikte, aynı adımla değişirse işler; yalnızca atomların küçüldüğü bir sürüm ölçülmüş sınırları çiğnerdi. 2 Bu sayfa bir yatak odası zeminiyle başlıyor, sonra genişleyen bir evrende gerçekte neyin esnediğine, Hubble'ın 1929'da neyi ölçtüğüne, bir atomun boyunun nasıl değişebileceğine ve neden hâlâ uzay büyüyor dediğimize bakıyor.

Odanı ayak adımıyla ölç

Yatak odanda topuğunu öbür ayağının ucuna değdirerek yürü ve adımlarını say: duvardan duvara on adım. Ertesi sabah aynı yolu yine yürüyorsun ve on iki çıkıyor. Ya oda büyüdü ya da ayakların küçüldü; sayı tek başına hangisi olduğunu söyleyemez. %20 uzamış bir oda da altıda biri kısalmış ayaklar da on iki verir.

Nedeni basit. Ayak adımı sayısı bir orandır: oda uzunluğu bölü ayak uzunluğu. Ayağın hem cetvel hem de senin bir parçan. Kozmolojinin yapısı da aynı. Wetterich bunu tek satırda söylüyor: "Yalnızca boyutsuz oranlar, örneğin galaksiler arasındaki uzaklığın atom yarıçapına bölümü, gözlenebilir." 2

Yatak odasından gökyüzüne

Eşleme şöyle. Oda, galaksi grupları arasındaki boşluk. Ayakların atomlar; her cetvelin, saatin ve gözün yapıldığı parçalar. Sayı ise teleskopların kaydettiği şey. 2 9

Teleskopların kaydettiği şey ışık. Uzak galaksilerden gelen ışığın dalgaları esnemiş olarak ulaşır: her dalga boyu daha uzundur, kırmızıya doğru kaymıştır. Buna kırmızıya kayma denir. 14 Alışılmış tarifte ışık dalgaları, içinden geçtikleri uzay esnediği için esner. 14 Galaksi ne kadar uzaksa kayma o kadar büyüktür. 12

Şimdi tarifi ters çevir. Uzak bir galaksi ışığını yolladığında elektronların ve protonların bugünkünden hafif olduğunu varsay. Daha hafif parçacıklar daha büyük atomlar yapar ve bu atomların ışığı daha düşük frekanslarda çıkar, yani daha kırmızıdır. 2 7 Wetterich bu etkinin "genişleyen uzaklıklardan kaynaklanan kırmızıya kaymanın yerini tutabileceğini" yazıyor. 2

Yani fazladan kırmızının iki okuması var. Birinde oda büyüdü. Ötekinde ayaklar küçüldü. İkisi de kontrol edebildiğimiz tek nicelik hakkında aynı şeyi söylüyor: galaksiler arasındaki boşluk, atomların boyuna kıyasla büyüdü. 2

Uzay atomları da esnetir mi?

Genişleyen evrenin yaygın bir resmi, genişlemeyi uzayın her yerde aynı biçimde esnemesi olarak düşünür; bu esneme galaksiler arasındaki uzaklığı olduğu kadar atomları ve yıldızları da etkilerdi. Fizikçiler Price ve Romano, American Journal of Physics'te 2012'de yayımlanan makalelerine tam da bu resmi anarak başlıyor. 4

Bunu elektriksel çekimle bir arada duran basit bir model atom üzerinde sınadılar. Sonuç ya hep ya hiçti: sistem ya kozmolojik genişlemeyi tamamen izliyor ya da ilk geçici dalgalanmalardan sonra onu tamamen yok sayıyor. Biraz esnemek diye bir şey yok. 4 Gerçek bir atom için karşılaştırma tek taraflı. Atomun kendi zaman ölçeği yaklaşık 10⁻¹⁶ saniye, genişlemeninki yaklaşık 4 × 10¹⁷ saniye; yazarlar atomların "kozmolojik genişleme yüzünden dağılma tehlikesiyle karşı karşıya olmadığı" sonucuna varıyor. 4

Daha büyük sistemler de aynı şekilde davranır. Cooperstock, Faraoni ve Vollick'in 1998 tarihli çalışması, genişlemenin etkisini bir gezegen yörüngesi için de, galaksi ve galaksi kümesi ölçeklerinde de önemsiz buldu. 5 Kullandıkları kelime "önemsiz"; bu, sıfırla aynı şey değil.

Galaksi grupları için ölçülebilir bir sınır var. Pavlidou ve Tomaras dönüş yarıçapını "bağlı bir yapının merkezinden en uzaktaki genişlemeyen kabuk" olarak tarif ediyor. İnceledikleri her galaksi grubu, hata payları içinde bile bu sınırın içinde kalıyor. 9 Bu kabuğun içinde grup bir arada durur. Dışında boşluklar büyür.

Komşu galaksimiz Andromeda bunu doğrudan gösteriyor. Samanyolu'ndan uzaklaşmıyor: hareketinin ölçümleri, bize doğru saniyede yaklaşık 109 km'lik bir radyal hız veriyor. 13 Ayak adımı resminde ayakların aynı boyda kalıyor, sadece oda büyüyor. 4 9

Hubble aslında neyi ölçtü

Hubble 1929'da galaksilerin uzaklıkları ile ışıklarının kırmızıya kaymasından hesaplanan radyal hızları arasında bir ilişki yayımladı. 1 12 Kelimelerini dikkatle seçti: kırmızıya kaymanın verdiği şeyden "görünür hız" diye söz etti. 12 Verdiği eğim megaparsek başına 530 ve 500 km/sn çıktı. 12

Bugünkü değerler çok daha küçük: Planck İşbirliği'nin 2018 sonuçlarından 67,4 ± 0,5 km/sn/Mpc, SH0ES ekibinin Sefeid ve süpernova örnekleminden 73,04 ± 1,04 km/sn/Mpc. 6 8 Kirshner aradaki farkı açıklıyor: Hubble'ın 1929'daki uzaklıkları 7 kat küçüktü, ama kozmik genişleme hakkındaki sonucu ayakta kaldı. 12

O grafikteki her hız ışığın renginden hesaplandı. Bu, küçülen atomlar fikri için önemli, çünkü ölçülen şey renk, hız ise bir yorum. 12 2

Genişleme resminin içinde bile fizikçiler kırmızıya kaymayı anlatmanın en iyi yolunu tartışıyor. Davis ve Lineweaver özel göreli Doppler yorumunu, yani galaksilerin durağan uzayın içinde hareket ettiği fikrini, 23 sigma güven düzeyinde dışladı. 10 Bunn ve Hogg ise genel görelilikte kırmızıya kaymanın en doğal yorumunun yine de bir Doppler kayması olduğunu savunuyor. 11

Bir atomun boyu nasıl değişebilir

Hidrojenin Bohr modelinde atomun yarıçapı a₀ = 4πε₀ħ²/(mₑe²). Elektronun kütlesi mₑ paydada duruyor. 7 15 Ölçülen değer 5,29177210544 × 10⁻¹¹ m. 7

Formülü bir düşünce deneyiyle izle ve diğer bütün sabitleri aynı tut. Elektron iki kat ağır olsaydı atom yarı genişlikte olurdu. Üç kat ağır olsaydı atom üçte bir genişlikte olurdu. 7 15 Daha ağır bir elektron enerji düzeylerini de birbirinden uzaklaştırır, böylece atomun ışığı daha yüksek frekansa kayar. 2 15 Bunu zamanda geriye oynat: geçmişte daha hafif elektronlar, daha büyük atomlar ve daha kırmızı ışık demek. 2

Bohr modeli atomun basitleştirilmiş bir resmi. Onu burada kullanıyoruz, çünkü kütle ile boy arasındaki bağı tek satırda gösteriyor. 15

Fikrin arkasındaki 2013 makalesi

Christof Wetterich makaleyi Mart 2013'te ön baskı olarak paylaştı. Makale Aralık 2013'te Physics of the Dark Universe dergisinde "Universe without expansion" (Genişlemesiz evren) başlığıyla çıktı. 2 Nature'ın haberi Temmuz 2013'te konuyu duyurduğunda makale henüz hakem değerlendirmesinden geçmemişti. 3 17

Ana fikir bir değişken değişikliği. Wetterich, geometrik uzaklıkların ölçüldüğü birimlerin metriğin alana bağlı olarak yeniden tanımlanmasıyla değiştirilebileceğini ve bu seçimin "fiziksel gözlenebilirler açısından önem taşımadığını" yazıyor. 2 Bu serbestliğe "alan göreliliği" diyor ve onu genel görelilikte farklı koordinat sistemleri seçme serbestliğine benzetiyor. 2 Parçacık kütlelerinin ve Planck kütlesinin birlikte değiştiği genel çerçevenin kendi 1988 tarihli çalışmasına dayandığını da not ediyor. 2013 makalesindeki yenilik, ışınım ve madde çağlarında küçülen bir evrenin basit resmi. 2

Bu ayrıntı kolayca gözden kaçıyor. Wetterich'in ağırlıklı olarak kullandığı çerçevede uzay yerinde durmuyor: o çağlarda küçülüyor, atomlar ise daha da hızlı küçülüyor, böylece oran yine büyüyor. Wetterich ayrıca evrenin "şu anda durağan olduğu, geçmişte küçüldüğü ve gelecekte genişleyeceği" bir seçime de dikkat çekiyor. 2 Bu sayfadaki sürüm, yani uzayın yerinde durduğu ve atomların küçüldüğü sürüm, bu eşdeğer seçimlerden biri.

Wetterich tutumunu açıkça söylüyor: "Modelimiz, genişleyen evrenin daha standart resmine karşı çıkan bir şey olarak değil, kozmolojinin yeni ve tamamlayıcı bir resmi olarak yorumlanmalı." Ve: "Farklı resimler eşdeğerdir, aynı fiziği anlatır." 2

Atomlar ne hızla küçülürdü?

Uzayın bugün yerinde durduğu tarifte, galaksi uzaklığının atom boyuna oranı evrenin genişleme hızıyla büyür; dolayısıyla atomlar da bu hızla küçülür. 2 2013 makalesi bir yüzde vermiyor. Aşağıdaki rakam, ölçülen Hubble sabitinden yaptığımız bizim tahminimiz.

1. Planck değerini al: megaparsek başına 67,4 km/sn. Bir megaparsek 3,0857 × 10¹⁹ km, yani oran saniyede 2,18 × 10⁻¹⁸ olur. 6
2. Bir milyar yıl 3,156 × 10¹⁶ saniye. İkisini çarp: 0,069, yani bugünkü hızla milyar yılda yaklaşık %6,9.
3. SH0ES değeriyle (73,04) aynı adımlar yaklaşık %7,5 verir. 8 Anlık hız yerine bütün bir milyar yılı hesaba katınca sonuç %6,7 ile %7,2 arasında çıkar.

Yani bugünkü hızla atomlar her milyar yılda yaklaşık %7 küçülürdü. Genişleme hızı geçmişte daha yüksekti, bu yüzden bu tarifte atomlar uzun zaman önce daha hızlı küçüldü. 6

Ayak adımı resmi nerede bozuluyor

Yatak odanda hileyi saniyeler içinde yakalardın: ayağını bir ayakkabının ya da bir yer karosunun yanına koyman yeterdi. Evrende ayakkabı yok. Her cetvel, saat ve göz atomlardan yapılmış, bu yüzden oranın dışında karşılaştırma yapılacak hiçbir şey yok. 2

İpucu başka bir yoldan geliyor. Uzak bir galaksiden gelen ışık uzun zaman önce yola çıktı, bu yüzden o zamanki atomların adım boyunu taşıyor. Ayakların sana dünden not gönderemez; eski ışık gönderebilir. 2 14

İkinci ve daha derin bir sınır var. Kütleçekimi aynı kalırken sadece parçacıklar ağırlaşsaydı, parçacık kütleleri ile kütleçekiminin şiddetini belirleyen Planck kütlesi arasındaki oran zamanla kayardı. Wetterich bunun "sıkı gözlemsel sınırları" çiğneyeceğini yazıyor. 2 Onun modelinde Planck kütlesi ve bütün parçacık kütleleri birlikte artar; böylece temel sabitlerin zamanla değişimine ve eşdeğerlik ilkesinin görünürdeki ihlallerine dair bütün sınırlara uyulur. 2 Kütleler büyüdükçe kütleçekiminin etkin şiddeti, kütleleri belirleyen alanın karesiyle kabaca ters orantılı olarak düşer. 2 Bu iki ölçeklemeden bizim türetmemiz: kütleçekiminin şiddeti ile bir parçacığın kütlesinin karesinin çarpımı sabit kalır, bu yüzden iki parçacık arasındaki çekim, geri kalan her şeye kıyasla aynı çıkar. 2

Atomların küçülüp başka hiçbir şeyin değişmediği tembel sürüm bu yüzden yakalanırdı. İşleyen sürüm her şeyi aynı adımla değiştirir. 2

O zaman neden uzay büyüyor diyoruz?

Nature'ın 16 Temmuz 2013 tarihli haberi "Kozmolog, Evrenin genişlemiyor olabileceğini iddia ediyor" başlığını taşıyordu. 3 Bunu evrenin genişlemediğinin kanıtı diye okumak kolay. Makale daha yumuşak bir şey söylüyor: küçülme resmi tamamlayıcı ve iki resim de aynı fiziği anlatıyor. 2 Haberde görüşüne yer verilen kozmologlardan St Andrews Üniversitesi'nden Hongsheng Zhao buna "bu alternatif temsil" dedi ve ele alınışın "ciddiye alınacak kadar titiz göründüğünü" söyledi. 17

Burada ikinci bir benzetme işe yarıyor. Bir istasyonda trende oturuyorsun ve yan raydaki tren kaymaya başlıyor. Bir an hangisinin hareket ettiğini anlayamazsın; pencereden görünen manzara iki durumda da aynıdır. İki tren iki tarif, pencere de teleskop. Wetterich'in kendi karşılaştırması ise koordinat seçmekle. 2

Bu benzetme de bozuluyor. Gerçek bir trende perona bakabilir ya da sarsıntıyı hissedebilirsin ve trenlerden biri gerçekten hareket ediyordur. Kozmolojide peron yok ve iki tariften hiçbiri yanılsama değil. 2

Peki evreni neden genişliyor diye anlatıyoruz? Çünkü hesap orada daha kolay. Wetterich, "gözlemlerin tartışılmasının genellikle en kolay Einstein çerçevesinde yapıldığını" yazıyor; yani standart tarifte, "çünkü artık değişen bir kütleçekim sabitine ve değişen parçacık kütlelerine dikkat etmek gerekmez." 2 Aynı evren, takip edilecek daha az şey.

Test edilebilen kısım

İki tarif arasındaki seçim test edilemez, çünkü aynı öngörüleri yaparlar. 2 Ama Wetterich'in tam modeli tarif değişikliğinden fazlasını içeriyor. Modelde kozmon adını verdiği, Higgs alanına benzeyen bir alan var; bu alanın potansiyeli erken evrendeki şişmeyi ve bugünkü karanlık enerjiyi yürütüyor. Wetterich bu alanın özelliklerinin dinamik karanlık enerji ve şişmeden geriye kalan yoğunluk dalgalanmaları üzerinden test edilebileceğini yazıyor. 2

Modelin en basit sürümü n = 0,97 spektral indeks ve r = 0,13 tensör-skaler oranı öngördü; r, en erken dönemden kalan kütleçekim dalgalarının ne kadar güçlü olması gerektiğinin bir ölçüsü. Wetterich'in kendisi r = 0,13'ün "sınırda sayılabileceğini" yazmıştı. 2 2021'de BICEP/Keck işbirliği %95 güvenle r < 0,036 sınırını koydu. 16 Bizim karşılaştırmamıza göre bu sınır, en basit sürümün öngörüsünün üçte birinden az; yani o sürüm sınırı tutturamıyor. Makale, değiştirilmiş sürümlerin daha küçük bir r verebileceğini not ediyor; bu sürümlerin bugün nerede durduğunu biz kontrol etmedik. 2 16