Özet: İlk ışık ne zaman ve nasıl oluştu? Elektromanyetik spektrumda görünür ışığın özellikleri ve farklı bölgelerdeki görme durumları arasındaki farklar.
Işığın yapısını oluşturan foton adlı parçacıklardır. Foton, Yunancada ışık anlamına gelmektedir. Evrenin oluşumu ile ilgili kabul edilen Büyük Patlama Teorisi1 ilk ışığın oluşumunu bize anlatır.
Büyük Patlama Teorisine genel bir bakış attığımızda 3 ana başlık ve bunların alt başlıklarını görürüz. Burada sadece foton oluşumuna kadar olan evre anlatılacaktır. Evrenin oluştuğu ilk andan başlayarak geçen dönemleri inceleyecek olursak:
1. En Erken Dönem
Bu dönem modellemeye daha sonradan eklenmiş olup henüz bir ispatı gözlemlenmemiştir.
1.1. Plank Çağı
Büyük Patlama’dan sonraki ilk 10−43 saniyeye kadar olan kısmı kapsamaktadır. Bu dönemde günümüzdeki 4 temel kuvvet (güçlü kuvvet, zayıf kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütle çekim kuvveti) bir arada bulunmaktaydı. Evrenin oluştuğu bu ilk andaki sıcaklık ise yaklaşık olarak 1032 Kelvin.
1.2. Büyük Birleşim Çağı
10−43 ile 10−36 saniyeler arasında olan bu dönemde 4 temel kuvvetten birisi olan kütle çekim kuvveti ayrılmış ve geriye diğer üçü kalmıştır. Evrenin sıcaklığı düşmeye başlamış fakat henüz temel parçacıkları oluşturacak kadar soğumamıştır.
1.3. Elektrozayıf Çağı
10−36 ile 10−32 saniyeleri kapsayan bu dönemde güçlü kuvvet ayrılmış ve geriye elektrozayıf kuvvet kalmıştır. Sıcaklık 1028-1022 Kelvin aralığında olup düşmeye devam ediyor. Enflasyon teorisini içeren bu dönem ilk olarak Alan Guth tarafından Kozmik mikrodalga arka plan ışıması (cosmic microwave background-CMB) ile ilgili sorunları çözmek amacıyla 1980’li yıllarda ortaya atılmıştır2. Bu dönemde evrenin çok hızlı bir şekilde genişlediği öne sürülmüştür3. Normalde çekici etkisi olan kütle çekim kuvveti evrenin aşırı yoğun yapısından dolayı yanlış bir vakum olarak bilinen itici kuvvete dönmüştür. Bu yanlış vakum enerjisi çok kısa bir süre içerisinde evrenin hacmini yaklaşık 1026 kat büyüttü. Teorinin öne sürdüğü bunun benzeri küçük düzeltmeler kozmik mikrodalga arka planı içerisindeki farklı sıcaklıklar gibi sonuçlara da sebep olur. Bu teori, uzay-zaman eğriliğini düzleştirdi ve şişen ilkel maddedeki küçük kuantum dalgalanmaları nedeniyle galaksilerin ve yıldızların nasıl oluştuğunu açıklayan bir mekanizma sağladı.
2. Erken Dönem (Parçacık Çorbası)
10-12 ile 10 saniyeleri kapsayan bu dönemde elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet birbirinden ayrılmış ve günümüzde Standart Model’den bildiğimiz 4 kuvvet var olmuştur. Sıcaklık 1016 Kelvin’e kadar düşmüştür.
2.1. Kuark Çağı
10−12 ile 10−6 saniyeler arasında geçen dönemdir. Sıcak kuark-gluon plazmasından oluşan evrenin sıcaklığı hadronları oluşturmak için çok yüksektir. Parçacık çorbası olarak adlandırılan bu dönemde fotonlar, elektronlar, nötrinolar ve kuarklar bulunmaktaydı.
2.2. Hadron Çağı
Sıcaklığın 1010 Kelvin olup 10−6 ile 1. saniye arasında geçen dönemdir. Sıcaklığın düşmesiyle kuarklar nötronları, protonları ve anti protonları oluşturabilmiştir. Hala anlaşılamayan bir sebepten dolayı burada madde ile anti madde arasında bir fark oluşmuştur (örneğin; 1000000 anti proton varsa, 1000001 proton vardı).Böylece madde ve anti madde birbirini yok etti ve foton (yukarıda verdiğimiz örneğe göre 1000000000 foton ortaya çıktı.) ile bir proton ortaya çıktı. Bu sürece Baryogenez denilmektedir. Bu yok edilmelerden sonra her yedi proton için 1 nötron oluyor. Aynı dönemde bir kuark ve bir anti-kuarktan oluşan mezonlar oluşmuştur.
Bu dönemde nötrino çiftleri oluşmuştur ve madde ile etkileşime girmedikleri için günümüze kadar evrende serbest şekilde dolaşmaya başlamışlardır.
2.3. Lepton Çağı
Bir önceki çağda baskın durumda olan hadronların bozunması ile ortaya çıkan leptonlar bu çağda baskın hale gelmiştir. Bir elektronun basit şekilde ortaya çıkma durumu olan nötron bozunumunu aşağıda görebiliriz.
- n→p+e+νē
Burada bir nötron, bir proton, bir elektron ve bir anti-elektron nötrinosuna bozunmaktadır. Bu süreçte lepton (bu denklemde elektron ve anti-elektron nötrinosu) üretilmektedir. Bu ve buna benzer diğer bozunmalardan ortaya çıkan leptonlar 1 ile 10. saniye aralığında evrende yoğun halde bulunmaktaydı.
2.4. Foton Çağı
Bozunum olayları esnasında çok fazla miktarda foton ortaya çıktı; her bir nükleon için yaklaşık bir milyar foton. Aşağıda bazı bozunum olayları verilmiştir.
- Π0→γ+γ
Yukarıdaki denklemde pion (0) parçacığı iki fotona bozunmaktadır.
- Σ0→Λ0+γ
Yukarıdaki denklemde sigma (0) parçacığı bir lambda (0) ve fotona bozunuyor.
- h→γ+γ
Yukarıdaki denklemde Higgs parçacığı iki adet fotona bozunmaktadır.
Bunlar ve benzeri bozunumlarda ortaya çıkan fotonlar 10. saniye ile üç yüz seksen bininci (380.000) yıla kadar olan çağda baskın halde kalmıştır. İşte bu süreçte ilk ışık ortaya çıkmış sayılır.
Bu kısımdan sonra artık elektromanyetik tayfa geçebiliriz. Aşağıdaki resimde de göreceğiniz gibi elektromanyetik tayf, dalga boyu ve frekans ile ilgilidir. Elektromanyetik dalgalar halinde yayılan ışınların dalga boyu artarsa frekansları düşer, frekansları artarsa dalga boyları düşer.
Bununla birlikte bilmemiz gereken birkaç fizik formülüne bakalım.
- c=?.ϝ
Burada c=ışık hızı, ?=dalga boyu ve ϝ=frekanstır. Frekans ile enerji arasında bir bağlantı vardır.
- E=hν
Burada E=enerji, h=Planck sabiti ve ν= Frekans
Dolayısıyla frekans artınca enerji de artar.
Örneğin radyo dalgalarına bakalım. Radyo dalgaları çok düşük enerjiye sahip olmalarına rağmen uzun dalga boylarına sahiptir. Televizyon, radyo ve haberleşmede kullanılmakla birlikte astronomi alanında da gözlem için kullanılır.
Mikrodalgalar ise ikiye ayrılır. Kısa olan mikrodalgalar uzaktan algılamada kullanılırken, uzun olan mikrodalgalar ısı dalgaları olarak kullanılmaktadır. Bu dalga türü COBE uydusunun keşfettiği ve üstte bahsettiğimiz arka plan ışımasının da dalga türüdür. Eskiden kullandığımız tüplü televizyonlarda izlediğimiz karasal yayınlarda boş bir kanala getirdiğimiz gördüğümüz karıncalı görüntünün bir kısmı bu ışımadan kaynaklanmaktadır.
Kızılötesi dalgalar da uzak ve yakın olarak ikiye ayrılır. Uzak kızılötesi dalgalar ısı dalgalarıdır ve termal görüntüleme cihazlarının kullandığı dalga türüdür. Bildiğimiz gibi bu görüntüleme türünde aşırı sıcak olan yerler beyaza doğru kayma gösterir. Normal sıcaklıklar kırmızı iken daha soğuk yerler mor rengine yakındır.
Görünür ışık bölgesi ise bizlerin görme yetisine sahip olduğu aralıktır. 400-700 nm aralığında kırmızıdan mora doğru değişir. Renklerin toplam görüntüsüne baktığımızda beyaz rengini görürüz. Newton’un gösterdiği gibi bu beyaz ışığı prizmadan geçirdiğimizde yine görünür ışık bölgesindeki renkleri elde ederiz.
Morötesi ışınlar ise daha enerjili ışınlardır. Dolayısıyla insan bedeniyle etkileştiğinde derimize zarar verir. Özellikle Güneş’ten gelen ışınların içindeki morötesi ışınlar her ne kadar ozon tabakasında çoğunlukla emilse de yeryüzüne ulaşan az miktarı bile insanda Güneş yanıkları dediğimiz zarara neden olur.
X ışınlarının dalga boyları küçük olup yüksek enerjiye sahiptirler. Kalın ozon tabakasını geçemedikleri için yeryüzüne ulaşamazlar Bu ışınları direkt göremeyiz lakin x ışını algılayıcıları ile görme sağlanabilir. Günlük hayatımızda özellikle röntgen çekiminde kullanılır.
Gama ışınları en yüksek enerjili ışınlardır. Nükleer patlamalarda ve radyoaktif atomlarda tarafından üretilir. Evrende nötron yıldızları, karadelikler ve atarcalar bu ışın türünün kaynağıdır.
3. Görme İşlemi Nasıl Oluyor?
İnsan gözündeki retinalarda koni hücreleri vardır. Bunlar görünür ışık bölgesine duyarlıdırlar. 3 tür koni hücresi vardır:
- L hücresi: uzun dalga boyuna duyarlıdır yani kırmızı tonlarını görür.
- M hücresi: orta dalga boyuna duyarlıdır yani yeşil tonlarını görür.
- S hücresi: kısa dalga boyuna duyarlıdır yani mavi-mor tonlarını görür.
Bu 3 hücreden gelen görüntüler birleştirilir ve beyine gönderilir. Bu işlem sonucunda görme işlemi sağlanır. Ek olarak S hücreleri aslında mor ötesi ışınların bir kısmını algılar lakin göz lensindeki kristal yapının gerçekleştirdiği filtreleme sonucunda bunlar görüntüye dönüşmez.
4. Farklı Bir Işını Görme Üzerine Evrimleşseydik Ne Olurdu?
Şu an görünür ışık bölgesinden diğer ışınları da farklı algıçlar sayesinde görebiliyoruz. Bu görüntülerde renkler vardır, bu kısımda zaten aslında görünür ışık bölgesinde olduğumuzu anlayabiliriz. Bir rengi görmemiz için, ışığın cisim üzerine düşmesi gerekmektedir. Cisim eğer tüm ışığı soğurursa siyah gözükür, eğer hepsini yansıtırsa beyaz olur. Dolayısıyla siyah ve beyaz renk sayılmaz. Görünür ışık haricindeki diğer bölgelerde de görme işlemi siyah-beyaz aralığında gerçekleşir. Örneğin; sadece kızılötesi ışınları görme özelliğine sahip olsaydık bir kızılötesi ışın kaynağını beyaz görecektik. Etrafta hiç kızılötesi ışın yoksa siyah görecektik. Yukarıdaki gibi kırmızı, mavi, yeşil tonlarında görmezdik. Bu renkler sadece görünür ışıkta vardır çünkü.
[1] İngilizcede Big Bang Theory olarak geçer. Lakin buradaki bang kelimesi aslında patlama anlamını taşımaz ve exploit kelimesinden farklıdır. Bu isim ilk kez 1949 yılından BBC’nin bir radyo yayınında Fred Hoyle tarafından teoriyi yermek için kullanılmıştır.
[2] Bu konu hakkında dalga fazla bilgi için: http://universe-review.ca/R02-13-inflation.htm
[3] Bu konu hakkında daha fazla bilgi için: http://www.lifesci.sussex.ac.uk/home/John_Gribbin/cosmo.htm
**********************************
Bu yazının podcast sürümünü dinlemek için tıklayınız.
Konuyla alakalı diğer yazılarımız
Evrendeki En Eski Işık Evrenin Yaşını Doğruluyor
Büyük Patlamadan Sonraki En Büyük Patlama Gözlemlendi
