Milyon yıllık sorular

İki atomun bir pikosaniyede molekül oluşturduğu düşünüldüğünde, insan yaşamı gözümüze bir hayli uzunmuş gibi görünebilir. Oysa sıradağların oluşumu, gökadaların çarpışması gibi çok sayıda doğal olguya kıyasla, insan yaşamı bir göz kırpmadan ibarettir. Bilim insanları yanıt bulması insan ömründen daha uzun bir süreyi gerektiren sorulara yanıt getirebilmek için elde ettikleri bulguları kuşaktan kuşağa aktarırlar. Örneğin, tıp biliminde bir konunun açıklığa kavuşturulması amacıyla yürütülen derinlemesine çalışmalar çoğunlukla o konuya ilk el atan kişilerin ölümünden çok sonra yapılır; araştırma süreci henüz bitmemiş kimi konularla ilgili çalışmalar 1920’lerden beri sürdürülüyor.

Gelgelelim, bilimsel araştırmaların birçok dalında en ilginç ve en temel soruların kimileri sırf bilim insanlarının yeterince zamana sahip olmamaları yüzünden yanıtsız kalıyor.

Peki, ya zaman sorun olmasaydı ve araştırmacıların önlerinde bin yıl, ya da on bin, hatta bir milyon yıl gibi uzun bir süre olsaydı acaba ne tür konulara el atarlardı? Farklı dallardan bilim insanlarına danışıldığında- kendilerinden yalnızca günümüzde mevcut olan en gelişkin teknolojilerden yararlanabileceklerini varsaymaları ve kısa erimde yanıt getirilmesi olanaksız bir soruya odaklanılması istendiğinde- özetle aşağıdaki yanıtlara ulaşıldı:

10,000 YIL

• Yaşam nasıl başladı?

Robert Hazen, George Mason Üniversitesi dünya bilimi uzmanı

1950’lerin başlarında, Chicago Üniversitesi’nden Stanley Miller ile Harold Urey, amino asitler gibi yaşamın kimi temel yapı taşlarının gerekli koşullar sağlandığında kendiliğinden oluştuğunu ortaya koydular. Bunun üzerine yaşamın başlangıcıyla ilgili gizin doğru kimyasalların biraraya getirilmesi ve yeterince beklenmesinden ibaret olduğu gibi bir izlenim doğdu.

Olayın sanıldığı denli basit olmadığı sonradan anlaşılsa da, Urey-Miller deneyinin daha çağdaş bir biçimde uygulanması sonucunda doğal seçilim yoluyla evrilebilen ve kendi kendini yenileyen molekülllerin-kısacası, yaşamın elde edilebileceğine inanılıyor. Yaşamın başlangıcını benzetimlemek amacıyla yapılacak bir deneyin jeokimyasal açıdan akla yatkın bir ortamda uygulanması ve sıfırdan başlatılması gerekir. İlksel çorbanın, birleşerek astronomik sayıda farklı biçimlerde tepki veren farklı türlerde milyonlarca küçük molekülden oluştuğu düşünülebilir.

Ne var ki, okyanuslarda bu moleküllerin birbirleriyle tepkimeye girme olasılığının son derece düşük olmasını sağlayacak denli seyreltilmiş olmaları gerekir. Bu konuda en mantıklı açıklama kendi kendilerine yenilenebilen moleküllerin ilk önce kayalık yüzeylerde biraraya gelmiş olmalarıdır.

Dünya’nın nemli yüzeyleri ilk önceleri 100 ile 500 milyon yıllık bir zaman dilimi içinde belki de 1030 küçük deneyin gerçekleştirildiği uçsuz bucaksız bir doğal laboratuvar gibiydi. Aynı anda çok sayıda küçük deneyin yapıldığı 10,000 yıllık bir laboratuvar oluşturma çabası böyle bir ortamın yeniden yaratılmasına olanak sağlayabilir.

Bu moleküler üretim havuzlarının içinde, her biri farklı mineral yüzeylerinde tepkiyen çeşitli bileşenler içeren, yüzlerce mikroskobik kuyudan oluşan kimyasal yonga-laboratuvarları olmalı. Yongalar sürekli olarak tepkimeleri izleyerek bir molekülün kaçak bir kendini yenileme sürecinden geçtiğine işaret eden unsurları saptamalı.

Araştırmacılar ilginç bir olayla sonuçlanma olasılığı en yüksek olan kimyasal bileşimlere odaklanarak gerekli süreyi milyonlarca yıldan binlerce yıla kısaltabilirler. İşler yolunda giderse, eninde sonunda doğanın bu süreyi birkaç onyıla indirmek için nasıl bir çalışma gerçekleştirdiğini aydınlığa kavuşturabiliriz.

• Doğanın değişmezleri gerçekten de sabit mi?

Gerald Gabrielse, Harvard Üniversitesi fizik uzmanı

Fiziğin temel yasaları görünürde evrensel ve sonsuzdur: bildiğimiz kadarıyla, tüm protonlar aynı miktarda elektrostatik yüke sahiptirler, ışık aynı hızda yol alır v.b. Yine de, gerçekle ilgili olarak önerilen kimi örneklerde değişime olası gözüyle bakılıyor ve kimi uzaybilim araştırmaları da, tartışmalı biçimde, birtakım irili ufaklı değişimlere tanık olunduğunu ortaya koyuyor.

Ancak bu arada tüm laboratuvar verileri değişmezlikten yana olmayı sürdürüyor. Örneğin, benim çalışmakta olduğum laboratuvarda elektronun çekim gücü ölçüldü- bildiğim kadarıyla bu herhangi bir temel parçacığın özelliğiyle ilgili olarak bugüne dek ulaşılan en kesin ölçümdü. Deneyin binlerce yıl boyunca yinelenmesi durumunda bir değişime tanık olunabilir.

Elektronun çekim gücünü ölçmek, daha kesin bir deyişle, onun “manyetik momentini”- bir çubuk mıknatısın atom altı benzerini- ölçmek için tek bir elektronu elektrostatik alanlı bir düzleme hapsedip elektronun çemberler çizerek devinmesini sağlamak için manyetik bir alandan yararlanırız. Aygıtımızı saltık sıfır derecesinin onda birinden az bir düzeyde tutarak elektronun deviniminin olası en düşük enerji düzeyinde olmasını sağlarız. Ardından radyo titreşim dalgalarıyla elektronun çekim gücünde bir değişim yaratırız. Parçacığın verdiği tepki ve özellikle de değişimin meydana gelmesini sağlayan hız onun bu aşamada 1013 olarak üç bölümde belirleyebileceğimiz manyetik momentine bağlıdır.

Manyetik moment evrenin tüm geçmişini içeren sürede 1000’de birlik bir değişime uğramış ve bu değişim sabit bir hızla meydana gelmişse, deneyimiz bunu zaten saptamış olurdu. Kuşkusuz, bilim bir şeyin kesinlikle değişmez olduğunu asla kanıtlayamaz; yalnızca değişim hızının son derece düşük olduğunu ortaya koyabilir.Dahası, şimdiki değişim hızı evrenin ilk dönemlerindeki hızdan çok daha yavaş olabilir. Bu durum değişimin laboratuvar ortamında saptanmasını güçleştirebilir.

Ne var ki, deneyimizi 10,000 yıl boyunca yineler ve herhangi bir değişime tanık olmazsak, o zaman bu değişmezlik sabitlerin değiştiğiyle ilgili kuramsal kestirimlerde zorunlu bir kısıtlamaya neden olacaktır. (Ayrıca, galaksi dışındaki yıldızımsı gök cisimlerinin ışığıyla ilgili deneysel gözlemler sonucunda elektromanyetik etkileşimde evrenin ilk anlarından bu yana hafif değişimler meydana geldiği yönündeki savlara da gölge düşürecektir.)

Doğal olarak, yararlandığımız yöntemler her geçen gün daha da gelişecek. Sanırım, sürekli gelişen bu yöntemler sayesinde 10.000 yıldan daha kısa bir sürede çok daha fazla yol alacağız.

• Büyük ölçekli depremler ne denli yaygın?

Thorne Lay, Kaliforniya Üniversitesi deprembilim uzmanı

Mart 2011’de Japonya’nın kuzeydoğusunu yerle bir eden 9.0 büyüklüğündeki Tohoku-Oki depremi ve tsunami deprembilimcileri şaşkına uğrattı: depreme yol açan fayın tek bir olayla öylesine korkunç bir enerji salımına neden olabileceğini hemen hemen hiç kimse düşünmemişti. Bir bölgenin yerbilimsel yapısını inceleyerek sismik etkinliğin geçmişini dolaylı olarak yeniden yapılandırabiliriz, ama bu tür bir uygulama doğrudan bir incelemenin yerini asla tutamaz. Depremlerin şiddetini ölçen çağdaş depremyazarlardan yüz yılı biraz aşkın bir süredir yararlanıyoruz. Bu sürenin birkaç yüzyılda bir ya da daha çok kez belli bir yerde meydana gelen büyük ölçekli depremler konusunda kesin bir bilgiye ulaşmamıza yetmeyecek denli kısa olduğu su götürmez bir gerçek. Gelgelelim, bu tür aygıtları binlerce yıl boyunca işler durumda tutabilme olanağına sahip olsak deprem riskini çok daha kesin bir biçimde saptayabiliriz.

Binlerce yıllık kayıtlar 8,5 ve daha büyük ölçekli depremlerin dünyada toplu olarak meydana gelip gelmediği sorusuna da yanıt getirebilir. Son 100 yılı içeren kayıtlar öyle olabileceğine işaret ediyor. Örneğin, büyük ölçekli depremlerin altısının son on yıl içinde yaşandığı ve daha önceki otuz yıl boyunca bu nitelikte tek bir depremin bile meydana gelmediği görülüyor. Daha uzun bir zaman dilimini içeren ölçümler bu kümelenmenin fiziksel bir etkileşimin sonucu mu, yoksa salt istatistiksel bir rastlantı mı olduğu sorusuna yanıt getirebilir.

• Büyük yıldızlarda patlamalar nasıl oluyor?

Cole Miller, Maryland Üniversitesi uzaybilim uzmanı

Süpernovalar, bizimkisi gibi büyük bir sarmal gökadada muhtemelen birkaç onyılda bir meydana gelen, ender olaylardır. Buralarda en son 1604 yılında bir süpernova gözlendi. Johannes Kepler bunun gece gökyüzünde görülen, Venüs dışındaki, tüm gök cisimlerinden daha parlak olduğunu dile getirmekteydi. Daha yakın bir geçmişte kayıtlara geçen tüm süpernovalar bizden milyonlarca ışık yılı uzaklıktaki başka gökadalarda meydana geldi.

Eninde sonunda bir süpernovayı daha yakından gördüğümüzde onu yalnızca sıradan teleskoplarla değil, biri nötrinoları, öteki yerçekimi dalgalarını izleyen farklı türlerde iki yeni gözlem aygıtıyla da inceleyebileceğiz. Bu incelemeler sonucunda patlayan yıldızların içinde gerçekte neler olup bittiği konusunda bilgi sahibi olacağız. 10,000 yıl bekleyebilseniz, 100 ya da 200 kadar bu tür olaya kesinlikle tanık olabilirsiniz ki, bu da aralarındaki ince farklılıkları ayırt etmenize yetecek bir sayıdır.

Gökadamızda her an bir yıldız patlaması meydana gelebilir. Patlama başladığında dünyadaki bir avuç gözlemevinde bilgisayarların ekranları da yanıp sönmeye başlayarak uzay dokusunda dalgalanmalar olduğu yönünde sinyaller verecektir. Yerçekimi dalgaları adıyla bilinen bu dalgalanmalar Einstein’ın genel görelilik kuramının temel unsurlarından birini oluşturmakla birlikte, bugüne dek bunları doğrudan algılama olasılığına sahip olunmamıştır.

Dalgalar yıldız çekirdeğinin kendi çekim gücünün etkisiyle parçalanmaya başladığına işaret ederler. Sıkıştırılmış madde nötronlara dönüşerek nötrinolar- maddenin içinden hızla geçebilen ve bu nedenle yıldızın dış katmanlarını yararak uzaya kaçabilen (ve Dünya üzerindeki gözlemevlerine ulaşan) parçacıklar- salarlar. Bu çöküşün sonucunda ortaya çıkan ve çoğunlukla nötrinolar tarafından taşınan enerji yıldızın dış katmanlarını patlatarak ona çarpıcı bir parlaklık kazandırır.

Ancak, kimi durumlarda, şok dalgası fos çıkarak yerçekimi dalgalarına neden olur, ama ışık saçmaz. Bundan emin değiliz, çünkü bugüne dek (1987’de bir süpernovadan gelen bir avuç nötrino dışında) yalnızca gözle görülebilen son aşamaya tanık olabildik. Binlerce yıllık bir gözlem her şeyi aydınlatabilir. Yeni araç ve gereçler sayesinde ölmekte olan bir yıldızın hangi koşullarda ardında kara bir delik ya da bir nöron yıldızı bıraktığı gibi yanıtı henüz bilinmeyen bir başka soruyu da aydınlığa kavuşturabilir.

100.000 YIL

• Maddeler nasıl çürürler?

Kristin Persson, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı kuramsal fizik ve madde bilimi uzmanı

Sürekli bir şeyler üretip duruyoruz, ama bunların ne denli kalıcı olduklarını nereden bilebiliriz? Nükleer atıklar için bir depo oluşturacaksak, bu deponun içindekiler tehlikesiz duruma gelinceye dek sağlam kalacağından emin olmalıyız. Gezegenimizin çöple dolup taşmasını istemiyorsak, plastik ve başka maddelerin aşınıp ayrışması için gerekli olan süreyi bilmekte yarar var.

Bu konuda emin olmanın tek yolu söz konusu maddelere yaklaşık 100,000 yıl süreli gerilim testleri uygulanması ve bu süre boyunca maddelerin nasıl bir direnç gösterdiklerine bakılmasıdır. O zaman gerçekten dayanıklı, ya da çevreye zarar vermeyecek biçimde ayrışan “yeşil” ürünler üretebiliriz.

Örneğin, bakır bazlı alaşımlar ya da cam gibi genellikle nükleer atıkların depolanmasında yararlanılan malzemeleri sınayabiliriz. (Bu tür depoların özenle seçilmiş bölgelere ve yerin çok altına yerleştirilmeleri zorunludur. Ne var ki, yerbilimsel koşullar birkaç bin yılda hiç beklenmedik biçimlerde değişime uğrayabilir.) Bu tür deneyler malzemelerde yıpranma ve aşınmayı hızlandırabileceği gibi, söz gelimi pH değerinin değişmesi gibi, kimyasal etkilere de neden olabilir. Gece gündüz ve mevsimsel çevrimlerle ilgili benzeşimlerin yaratılması için sıcaklıklar sürekli artıp azalabilir.

Görünürde en zorlu koşullara yıllarca dayanan malzemeler bile gerçekte göze çarpmayacak biçimlerde yıpranabilirler. Elimizdeki yöntemler malzemeden birkaç atomun eksildiğini göstermeye henüz yeterli değil. Yine de, birkaç bin yıl sonra hasar gözle görünmeye başlayabilir ve en iyi malzemelerin hangileri olduğu konusunda bizlere ışık tutabilir.

Uzun erimli sınama başka teknolojik uygulamalar için de yararlı olabilir. Örneğin, mevcut laboratuvar ve benzetim yöntemleri yeni bir elektrikli arabanın önümüzdeki 15 yıl boyunca nasıl işleyeceği konusunda kesin bir kestirimde bulunamaz. Zamanla bilgisayar benzeşimleri uzun erimli deneylerin yerini tutabilecek bir düzeye ulaşabilir. Ancak, bu arada, kalıcı olması gereken ürünleri üretirken her zamankinden çok dikkatli davranmak zorundayız.

• Yeni bir canlı türü nasıl oluşur?

Jerry Coyne, Chicago Üniversitesi evrimsel dirimbilim uzmanı

Doğadaki yeni canlı türlerinin büyük bir çoğunluğu belli bir canlı topluluğunun coğrafik açıdan başka topluluklardan soyutlanması durumunda ortaya çıkar. Ardından ortama uyum sağlar ve er ya da geç, özgün türle başarılı biçimde çiftleşmesini önleyen, ya da sonuçta ortaya çıkan yavruların kısırlaşmasına yol açan, ya da her ikisine neden olan özellikler edinir. Evrimsel dirimbilimin henüz aydınlığa kavuşturulmamış en büyük sorularından biri bu iki tür üreme engelinden hangisinin önce ortaya çıktığıdır- melezlemeyi güçleştiren özellikler mi, yoksa varlıklarını bağımsız olarak sürdüremeyen yavrulara neden olan özellikler mi?

Türleşme yerbilimsel zaman dilimleri içinde meydana gelir. Öyle ki, fosil kayıtları ya da DNA örneklerinde kanıtlarına rastlansa bile, tamamlanma aşamasına geldiğini görebilmek için en az bir milyon yıl beklemek zorundayız. Gelgelelim, 100 bin yılımız olsa bunu laboratuvar ortamında üretebiliriz. İşin püf noktası hızla yeni kuşaklar üreten Drosophila (meyve sinekleri) gibi bir türle çalışmak. Araştırmacılar laboratuvarda bu canlı türünden iki ya da daha çok topluluğu soyutlayıp onları farklı beslenme düzenleri ve kimi başka koşullarla karşı karşıya getirirler. Ardından her bir toplulukta meydana gelen genetik, anatomik, fizyolojik ve davranışsal değişimlerin belli dönemlerde değerlendirilmesi ve arada sırada farklı topluluklardan bireylerin biraraya getirilerek neler olduğuna bakılması gerekir.

Özel durumlarda, çalışma arkadaşlarımla ben yakından ilintili birçok türü evrimsel sapmanın farklı aşamalarında inceleyerek dolaylı yoldan üreme engellerini kavramayı başardık. Coğrafik açıdan farklı Drosophila türlerinde iki tür engelin-çiftleşme sorunları ve kısır yavrular- hemen hemen aynı hızla evrildiğine tanık olduk. Ancak aynı yerde birlikte yaşayan türler söz konusu olduğunda türler arası çiftleşme engelleri görünürde daha hızlı evrilmekteydi. Ne var ki, bu sonuçların tüm organizma grupları için geçerli olup olmadığı henüz tam olarak bilinmiyor.

Daha hızlı bir biçimde-belki de 100 yıl gibi kısa bir sürede- yeni bir canlı türü elde etmek için seçilim baskılarını doğada normal olarak olduğundan daha güçlü bir duruma getirebilirsiniz.

1980’lerde yapılan çığır açıcı bir deneyde araştırmacılar, topu topu 25 kuşakta, farklı ortamlara uyum sağlayabilen- aynı zamanda da doğal yaşam yeri ayrıcalıklarını paylaşan bireylerle çiftleşmeyi yeğleyen- meyve sineği toplulukları ürettiler. Ancak söz konusu deneyde koşullar yapaydı ve üretilen iki topluluğun iki farklı tür olarak algılanıp algılanamayacağı konusu da kuşkuluydu.

1 MİLYON YIL

• Evren yamuk yumuk mu?

Glenn Starkman, Case Western Üniversitesi fizik uzmanı

Büyük patlamanın yarattığı ısıdan geriye o günden beri evrene yayılmakta olan ışınım kaldı. Uzay araçları sayesinde gökyüzünü tümden örten bu kozmik mikrodalga zeminin haritası çıkartıldı ve, ufak tefek dalgalanmalar dışında, tam da büyük patlama kuramında öngörüldüğü gibi olağanüstü bir düzgünlükte olduğu görüldü. Bu tür bir düzgünlük evrenin ilk evrelerinde de düzgün olduğuna işaret ediyor. Gelgelelim, kimi araştırmalarda gökyüzünün karşıt kenarları arasında aşırı bir bakışıma ve daha başka anomalilere tanık olundu. Bunların gerçek özellikler mi, yoksa istatistiksel rastlantılar mı olduğunu anlamak için gözlemlerimizi sürdürmek zorundayız.

Günümüzde gördüğümüz kozmik mikrodalga zemin görüntüsü bizim zaman ve uzam içindeki konumumuzun rastlantısal bir sonucu. Kozmik mikrodalga zemin 13,7 milyar yıldır tüm yönlerden bizlere ulaşıyor. Bu yüzden kozmik mikrodalga zeminin incelenmesi bizleri çevreleyen ve yarıçapı 13.7 milyar ışık yılına eşit olan- bu süre zarfında ışığın kat ettiği uzaklık-küresel bir yüzeyin haritasını çıkartmak anlamına geliyor.

Anomaliler öylesine ciddi boyutta ki, kozmik mikrodalga zemin küresinin onlardan geçmesi bir milyar yılı alabilir. O zaman kürenin yarıçapı 14,7 milyar ışık yılına ulaşmış olur. “Topu topu” bir milyar yıl bekleyebilsek anomalilerin büyük bir bölümü yine orada olacak, ama az biraz değişime uğramış olarak. O zaman onların yok olma yolunda olup olmadıklarını görebilir-rastlantı olduklarının işareti- ya da sürekliliğin daha büyük kozmik yapıların varlığına işaret edip etmediğini anlayabiliriz.

• Protonlar sonsuza dek mi var olacaklar?

Sean M. Carroll, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü kuramsal fizik uzmanı

Evrendeki olağan maddenin büyük bir çoğunluğunu protonlar- büyük patlamadan beri ortalıkta olan parçacıklar- oluşturur. Nöronların da aralarında yer aldığı öteki atomaltı parçacıklar anında çürüyebilirken, protonlar görünürde olağanüstü bir dayanıklılığa sahipler. Gelgelelim, kimi büyük birleşik kuramlar- ya da parçacık fiziğinin tümünü tek bir gücün farklı yönleri olarak yeniden yorumlama girişimleri- ortalama yaşam süreleri yaklaşık 1043 yıl olarak belirlenen protonların da bozulması gerektiğini öne sürüyor. Yeterince uzun bir süre bekleyecek olursak sonunda bunun gerçekleştiğine tanık olabilir miyiz?

Protonun bozulduğunu görmek için yapmanız gereken tek şey büyük bir yeraltı tankını suyla doldurmak ve su atomlarındaki protonlar sonunda ölüp giderlerken geride bıraktıkları minik ışık patlamalarını izlemek. İzlediğiniz protonların sayısı ne denli çok olursa, bozulan bir proton görme olasılığınız da o denli yüksek olur. Mevcut dedektörlerle yapılan çalışmalar protonların yaşam sürelerinin en az 1034 yıl olduğunu gösteriyor. Bu değer büyük birleşik kuramların çeşitli savlarını şimdiden çürütüyor. Son sözü söyleyebilmek için bu dedektörlerin 100 milyon yıl boyunca işler durumda tutulmaları gerekir.

Türkçesi Rita Urgan, Kaynak S. American, Eylül 2012