Madde ve enerjinin davranışlarının ayrıntılarına değinmeden önce onları yaratmak gibi bir zorunluğumuz vardır. Bu zorunluk bizi ister istemez bir başlangıca götürür. Evrenin Big Bang (Büyük Patlama) olarak bilinen, çok kısa ve şiddetli bir başlangıç dönemi vardır. Big Bang bilimin yanı sıra, Katolik kilise ve papalık ve İslam tarafından da benimsenen dramatik bir yoktan varoluş kuramıdır. Bir başlangıç olan Big Bang, hemen bütün bilim insanları tarafından kabul edilen varoluşun epik dramıdır. Dinlere göre Big Bang yoktan varoluşu simgeler. Bilim ise Big Bang’in yoktan değil, vaküm enerjisinden kaynak aldığını savunur. Dinsel açıklama ile bilimsel açıklama arasındaki fark, ilkinde evrenin yoktan (ex nihilo) yaratılması, ikincisinde ise, yoktan değil, zaten var olan bir enerjiden kaynak almış olmasıdır.
Evrenin kendiliğinden, entropinin maksimum olduğu kaos içinde ortaya çıkıp bir düzen kazandığını telkin eden gözlemler vardır. Böyle bir evrenin bir yaratıcıya ve tasarımcıya gereksinimi yoktur. Einstein’ın genel görelik kuramına göre, her ne kadar uzay-zaman dokusu madde ve radyasyondan yoksunsa da, kavis ve büküntülerinde enerji depolanmıştır. Herhangi spesifik bir yapısı olmayan düz ve boş uzay-zaman dokusu rastgele quantum dalgalanmalara maruz kalınca, yerel olarak pozitif ve negatif bükülmelere maruz kalmaktadır. Onlar için uzay-zaman köpüğü ve yerel pozitif ve negatif kavisler için de yalancı vaküm kabarcığı deyimleri kullanılmaktadır. Einstein’a göre uzay-zaman köpüğündeki yalancı vakümun bükülmesi pozitif ise, yalancı vaküm geometrik olarak genişleyecektir. 10^-42 saniye içinde kabarcık bir proton büyüklüğüne ulaşacak ve içinde bütün evrende mevcut maddeyi oluşturacak kadar enerji birikecektir.
Kabarcık genişlemeye başladığı zaman içinde henüz madde, radyasyon veya herhangi bir güç alanı yoktur. Entropisi ise maksimumdur. Bu kabarcık büküntülerinde enerji barındırır. Onlara false vacuum denir. Burada false geçici anlamına kullanılmıştır. Vacuum ise mümkün olabildiği kadar düşük enerji demektir. Yarım foton değerinde olan bu enerji pratik olarak sıfırdır. Yalancı veya geçici vaküm genişlerken içindeki enerji de geometrik olarak artacaktır. Artmak zorundadır. Çünkü geçici vaküm, içindeki yoğunluğu kolaylıkla düşüremez. Bu süreç fizik yasalarına aykırı değildir. Enerji yasaları ihlal edilmemişlerdir. Çünkü kabarcık içinde artan enerji pozitif değildir. Negatiftir. Einstein’ın genel görelik kuramına göre de bu böyledir. Genişleyen kabarcıkta negatif enerji kendiliğinden ortaya çıkacaktır
Kabarcık genişlerken içindeki enerjide bir tür friksiyon oluşacak ve enerji parçacıklara dönüşecektir. Buna enerjinin faz değişimi de diyebiliriz. Bir yandan sıcaklık düşerken, öte yandan simetrinin kırılmasına neden olacak bir dizi spontane süreçler vuku bulacak ve onlara bağlı bir dizi parçacık açığa çıkacaktır. Big Bangin başlarında, çok kısa bir zaman diliminde (10^-34 ve 10^-37 saniyeleri arasında), evren ışık hızını 100 kere aşan bir hızla genişleyecek ve bu kısa sürenin sonunda genişleme duracak ve Big Bang daha yavaş bir hızla genişlemeye devam edecektir. Açığa çıkan parçacıklar ve kuvvetler rastgeledirler ve yalnız simetri ilkelerine bağımlı olarak ortaya çıkmışlardır.
Uzay zaman köpüğünden sonsuz evrenler kabarcıklar şeklinde ortaya çıkabilirler ve muhtemelen çıkmışlardır da. Bu evrenlerin her birinde açığa çıkan parçacıklar ve kuvvetler farklıdır. Bizim evren bu sayısız evrenlerden yalnız biridir ve karbon bazlı yaşama izin verecek niteliklere sahiptir.
Big Bang basit bir patlama değildir. Çünkü biliyoruz ki her patlamada madde etrafa rastgele dağılır. Big Bang sırasında madde etrafa düzensiz ve rastgele bir şekilde dağılmamıştır. Aslında bu patlama aynı zamanda oluşumdur. Var olan bir madde patlamamıştır. Genişleyen false vacuum olduğu düşünülen yarım foton enerjisine sahip bir yalancı parçacıktır. Evren belki yoktan var olmamıştır ama, yok denecek kadar küçük ve önemsiz bir parçacığın genişlemesinden ortaya çıkmıştır. Ama bu basit, rastgele ve düzensiz bir patlama değildir. Big Bang son derece düzenli bir patlamadır. Bu nedenden ona patlama değil, genişleme demek daha uygundur. Big Bang’in doğasının ayrıntılarına ve fiziğine değinmeden önce, onun neden herhangi bir patlama olmadığını açıklamak gerekmektedir.
Big Bang neden düzenli bir genişlemedir?
Evreni yakından inceleyen bilim insanları, Big Bang kuramını yaptıkları gözlemlerle açıklamaya çalışırlarken, karşılaştıkları bazı sorunları çözmede zorluk çekmektedirler. Ortada düzenli de olsa, genişleme ile bağdaşmayan bazı gözlemler vardır.
Açıklanması gereken anomalilerin ilki evrenin, büyük boyutlarda, oldukça homojen bir yapıya sahip olmasıdır. Evreni kenarları 300 milyon ışık yılı uzunluğunda küplere ayırırsak, her küpün, kütle yoğunluğu, galaksi yoğunluğu, ışık verimi gibi bazı niteliklerinin yaklaşık aynı olduklarını gözlemleriz. Yani büyük ölçülerle incelenen evren homojendir.
Ayrıca ve daha da ilginç olarak, kozmik zemin radyasyonu denen doğal fenomeni incelersek, mevcut radyasyondaki heterojenitenin yalnız yüzbinde bir (100000 de 1) olduğunu gözlemleriz. Zemin radyasyonu aslında Big Bang’in ilk anlarından kalan bir fosil radyasyondur. Evrenin başlangıcının bu kadar düzenli olması, tek başına Big Bang kuramı ile açıklanamamaktadır. Big Bang kuramının yaşayabilmesi için modifiye edilmesi gerekmektedir. Big Bang kuramının genişleme kuramı ile desteklenmesinin nedeni budur.
Madde ve enerjinin yaratılış senaryosu ile devam etmeden önce kozmik zemin radyasyonuna kısaca değinelim. Big Bang’in ilk anlarında enerji maddeye dönüşürken ortam inanılmayacak kadar sıcaktı. O kadar sıcaktı ki, maddenin öğeleri bir araya gelip, atomları oluşturamıyor ve fotonlar serbest hareket edemiyorlardı. 300 bin yıl kadar süren bu dönem için evrenin opak dönemi denir. 300 bin yıl sonra evren yeterince soğumuş, atomun öğeleri bir araya gelmeye başlamış ve evren transperan, (şeffaf) bir görünüş almıştır. İşte kozmik zemin radyasyonu bu devirden kalmadır.
Soğuk su dolu bir kaba, sıcak su dökelim ve sıcaklığın dağılımını inceleyelim. Bir süre sonra sıcaklık homojen bir durum arzedecektir. Yani sıcaklık her tarafta aynı olacaktır. Ama bu tür homojeniteyi Big Bang için ileri süremeyiz. Çünkü Big Bang son derece hızlı vuku bulan bir süreç olduğu için, ısının homojenite kazanması için aradan geçen zaman çok kısadır ve ısının her yerde aynı olması için yeterli değildir. Yapılan hesaplamalara göre, 300 bin yıl sonra yüzbinde bir hata ile üniformite kazanan bir sıcaklığın gerçekleşmesi için evrenin ışık hızından 100 kere daha hızlı genişlemiş olması gerekmektedir. Bu da fizikte bir sorun yaratmaktadır. Bilginin ışık hızından daha hızlı hareket edemeyeceği gerçeği anımsanırsa, sorunun ne olduğu kolaylıkla anlaşılır. Big Bang kuramını açıklarken bu hususun da açıklığa kavuşturulması gerekmektedir. Buna horizan (ufuk) sorunu denir.
Burada kullanılan ufuk terimi, informasyonun (bilginin) veya enerjinin kısa bir zaman içinde kat etmesi gerekli mesafe olarak da tanımlanabilir. Eğer bunu ışık hızı ile sınırlarsak, Big Bang’de karşılaşılan ufuk sorununu açıklamak mümkün değildir.
Big Bang kuramının yaşayabilmeşı için flatness (düz olmak) denen bir sorunun da çözüme bağlanması gerekmektedir. Bu terimin tam Türkçe karşılığı mevcut değil. Evrenin bu niteliğini bazı ayrıntılara değinerek açıklamak gerekiyor.
Einstein’ın genel görelilik kuramına göre üç boyutlu evren, içinde yer alan maddeden dolayı, katlanmış ve bükülmüştür. Bu katlanma ve bükülmeden evrendeki kütlenin yoğunluğu sorumludur. Evreni idealize edelim.. Yani yukarda değindiğimiz gibi homojen ( her tarafta aynı) ve izotropik (her yönden aynı görünen) olduğunu dikkate alalım. Üç kuramsal durumla karşılaşırız.
1.Evrenin total kütle yoğunluğu, kritik yoğunluk denen bir yoğunluktan fazla ise, evren kendi üzerine katlanan bir yapıya sahip olacaktır. Buna kapalı evren denir. Bu evrende bir uzay gemisi düz gittiğini sanacak ama, bir süre sonra başladığı yere geri dönecektir. Bu evrende üçgenin köşe açılarının toplamı 180 dereceden fazla olacaktır. Parelel çizgiler aslında parelel değildir. Bir süre soran kesişeceklerdir.
2.Ortalama kütle yoğunluğunun kritik yoğunluktan az olduğu durumlarda, uzay başka türlü katlanarak, eğer şeklinde bir yapı arzedecektir. Buna açık evren diyoruz. Bu evrende üçgenin iç açılarının toplamı 180 dereceden daha az olacaktır. Ayrıca parelel çızgiler birbirlerini kesmeyecekler ve giderek birbirlerinden uzaklaşacaklardır.
3.Ortalama kütle yoğunluğunun kritik yoğunluğa eşit olduğu evren için flat (düz) evren terimi kullanılmaktadır. Bu evrene Öklid geometrisi hükmedecek ve üçgenin iç açılarının toplamı 180 derece olacaktır.
Gerçek kütle yoğunluğunun, kritik kütle değerine ola oranı OMEGA olarak bilinir. Bu değeri saptamak son derece zordur. içinde yaşadığımız evrende yapılan gözlemlerin doğru olması için, en son yapılan hesaplara göre, kütle yoğunluğunun, kritik yoğunluğa çarpımının, evrenin başlangıcının ilk anlarında, 0,999999999999999 ile 1,000000000000001 arasında olması gerekmektedir. Görüldüğü üzere Omega, son derece dar değerler arasında yer almak zorundadır.