Kendirli Egitim Kültür ve Sosyal Dayanisma Dernegi

Görelilik Kuramı Üzerine..

Yirminci yüzyılın başında fizik, ışığın davranışının bir türlü anlaşılamaması nedeniyle bir tıkanma yaşıyordu. Ta Galileo’dan beri görelilik olarak bilinen fizik ilkesi ışık için geçerli olmuyordu. Örneğin hızları saatte 50 km olan iki araç aynı doğrultuda birbirlerine yaklaşırken, her biri karşısındakinin hızını saatte 100 km olarak görür. Eğer bu iki araç aynı yöne doğru gidiyorlarsa, birbirlerini hareket etmiyor gibi görürler. Dolayısıyla bir cismin sahip olduğu hız değeri, o cisme nereden baktığınıza “göre” değişir. Buna klasik görelilik ilkesi deniyor. Ancak ışık için bu durum geçerli değil. Evrenin herhangi bir yerinde herhangi bir hızla hareket ederken herhangi bir ışığa baktığınızda ışığın gözlenen hızı hep aynıdır. Saniyede 299.338 kilometre. Bu durum klasik görelilik ilkesiyle son derece acayip bir çelişki içeriyordu ve ışığın hızı tekrar tekrar ölçüldü. Her referans sisteminde ışığın boşluktaki hızı aynı çıkıyordu.

Yirminci yüzyılın başında fizik, ışığın davranışının bir türlü anlaşılamaması nedeniyle bir tıkanma yaşıyordu. Ta Galileo’dan beri görelilik olarak bilinen fizik ilkesi ışık için geçerli olmuyordu. Örneğin hızları saatte 50 km olan iki araç aynı doğrultuda birbirlerine yaklaşırken, her biri karşısındakinin hızını saatte 100 km olarak görür. Eğer bu iki araç aynı yöne doğru gidiyorlarsa, birbirlerini hareket etmiyor gibi görürler. Dolayısıyla bir cismin sahip olduğu hız değeri, o cisme nereden baktığınıza “göre” değişir. Buna klasik görelilik ilkesi deniyor. Ancak ışık için bu durum geçerli değil. Evrenin herhangi bir yerinde herhangi bir hızla hareket ederken herhangi bir ışığa baktığınızda ışığın gözlenen hızı hep aynıdır. Saniyede 299.338 kilometre. Bu durum klasik görelilik ilkesiyle son derece acayip bir çelişki içeriyordu ve ışığın hızı tekrar tekrar ölçüldü. Her referans sisteminde ışığın boşluktaki hızı aynı çıkıyordu.

1905 yılında Einstein art arda harika makaleler yayımlamıştı. Her biri çok ses getiren bu makaleler ile ışığın bu gizemli davranışını da açıklıyordu. Özel görelilik (izafiyet teorisi) adını verdiği kurama göre, sorun ışıkta değildi, doğanın kendisi bu şekilde çalışıyordu. Fizik yasalarının tüm referans sistemleri için aynı olması gerektiğini söyleyen Einstein, “ışığın hızı nereden bakarsanız bakın değişmemeli” diyordu. Fakat bu kabulün doğurduğu sonuca göre, farklı referans sistemlerinde zamanın akışı ve cisimlerin boyutları da farklı farklıydı. Yani ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir sistemde zaman bize göre daha yavaş akar, cisimler daha kısa görünür. Işık hızı maddenin ulaşabileceği bir limit olarak belirlenmişti. Fakat özel görelilik denklemleri sabit hızlı hareketi mükemmel açıklarken, ivmelenme hakkında bir şey söylemiyordu. Einstein ivmeli durumları da kurama dâhil etmek için uzun bir uğraş içine girdi.

(Özel Görelilik Kuramı ya da İzafiyet teorisi, Albert Einstein tarafından 1905te Annalen der Physik dergisinde, "Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine" adlı 2. makalesinde açıklanan ve ardından 5. makalesi "Bir cismin atıllığı enerji içeriği ile bağlantılı olabilir mi?" başlıklı makaleyle pekiştirilen fizik kuramıdır. Kurama göre, bütün varlıklar ve varlığın fizikî olayları izafidir. Zaman, mekan, hareket, birbirlerinden bağımsız değildirler. Aksine bunların hepsi birbirine bağlı izafî olaylardır. Cisim zamanla, zaman cisimle, mekan hareketle, hareket mekanla ve dolayısıyla hepsi birbiriyle bağımlıdır. Bunlardan hiçbiri müstakil değildir.)

1907’den 1915’e kadar Einstein kütleçekimi etkisi ile ivmeli durumlar arasında bir eşdeğerlik gördü. Unutulmaz örneğinde, yeryüzüne doğru serbest düşen bir asansör içindeki biri kütleçekimi etkisini yaşamaz ve aynen uzay boşluğunda olduğu gibi sıfır ağırlık hisseder. Buna karşın kütleçekimi etkisinden çok uzakta, derin uzayda ivmeli hareket yapan, hızlanan bir uzay aracındaki biri ise tıpkı Dünya üzerinde duruyor gibi üzerinde bir ağırlık hisseder. Biz buna eylemsizlik adını veriyoruz. Kısacası kütleçekimine maruz kalmak ile ivmeli hareket etmek birbirinden ayırt edilemez durumlardır. Böylece Einstein’ın kuramına kütleçekim etkisi de dâhil olmuştu. Yeryüzünde serbest düşen bir asansör içindeki birisi kütleçekim etkisini hissetmeyeceği için, asansörde uzay boşluğundaki fiziksel etkiler gözlemlenir. Bu ışık için de geçerlidir. Işık uzay boşluğunda doğrusal bir yol izler. Ama ivmeli hareket eden bir ortamdan doğrusal yol alan ışığa bakılırsa, ışığın eğri bir yol izlediği görülür. Einstein tam da bu noktada taşı gediğine koyar ve şu varsayımı yapar: Kütleçekimi olan ortam ile ivmeli hareket yapan ortam eşdeğer olduğuna göre, ışık bir gök cisminin kütleçekimi alanına girdiğinde tıpkı ivmelenen asansörden bakıldığında ışığın göründüğü gibi eğri bir yol izler. Ama bu durumda ışığın uzayda doğrusal yol izleme ilkesi ne olacak? İşte insanın hayal gücünü zorlayan gerçekler burada karşımıza çıkıyor: Kütleçekimi uzayı büker. Bükülmüş bir uzayda ışığın izleyebileceği doğrusal yol yoktur. Bir anda evrenin fiziği ile ilgili bir problem, evrenin geometrisi ile ilgili bir soruna dönüşmüştü.

Aslında Einstein yeni keşifler yapmaktan ziyade, ortalığa saçılmış bilgileri ve gözlemleri derleyip toparlıyor, onlara anlam kazandırıyor ve fiziksel bir elbise biçiyordu. Örneğin atomun varlığını matematiksel yöntemlerle gösterirken Brown ’un gözlemlerini kullanmıştı. Fotoelektrik etkiyi açıklarken Planck ’ın kuanta fikrini almıştı. Işıkla ilgili keşfettiği yeni bir şey yoktu. Hatta meşhur E=mc² formülü bile ona ait değildi. Ama o kimselerin yapamadığını yapıyor, tüm o anlamsız görünen, yanlış olduğu düşünülen, nasıl kullanılacağı bilinemeyen her bilgi kırıntısını, düşünce deneyleriyle zihninde yoğuruyor ve muhteşem bilimsel abideler haline getiriyordu. Bugün ortaokul öğrencilerinin bile basit bir bilgi olarak gördüğü Pisagor teoreminden yola çıkarak zamanın mutlak olmadığı bir evren tasavvuruna ulaşmak müthiş bir yetenek. Genel görelilik kuramını geliştirirken de aynı şeyi yapmıştı. Gauss, Riemann ve Minkowski gibi matematik dâhilerinden bir hayli istifade etti. Onların tamamen soyut eğri yüzeyler için geliştirdiği geometriyi fiziksel gerçekliğin ta kendisi olan uzay-zamanı tanımlamada kullandı. Zürih’ten hocası olan Minkowski, Einstein ’in özel göreliliği için, zamanın da tıpkı uzaysal koordinatlar gibi bir koordinat ekseni olduğu dört boyutlu bir geometrik formülasyon geliştirmişti. Einstein ise Gauss ’un ve Riemann ’ın eğrisel yüzeyleri ile Minkowski ’nin uzay-zamanını birleştirerek kütleçekimi için geometrik bir tarif elde etti. Bu yeni kütleçekim kuramını bir dizi konferansla 1915 yılında Prusya Bilimler Akademisi’nde sundu. 25 Kasım’da genel görelilikle ilgili sunumunu bitirdiğinde henüz 36 yaşındaydı.

Işığın uzayda yanmasıyla sönmesi arasında geçen zaman, yeryüzünde yanmasıyla sönmesi arasında geçen zamana göre daha uzundur. Fakat bunu ölçmek için bir saat kullanırsak, bu durumu fark edemeyiz. Çünkü saatin uzayda ölçtüğü bir saniye ile yeryüzünde ölçtüğü bir saniye bağımsız bir gözlemci için farklı olacaktır. Ancak yeryüzündeki ışığın yanması yla sönmesi arasındaki süreyi uzaydaki saat ile takip edersek aradaki farkı gözlemleyebiliriz. Özetle, zaman, kütleçekimi etkisiyle büzülmüştür. Aynı olayın başlangıç ve bitişi arasında geçen süre yerde daha kısa olduğu için, uzaydan yerdeki bir olayı bakan kişi zamanın akışını tıpkı hızlandırılmış bir film gibi görecektir. İşte bu yüzden bilim kurgu filmlerinde betimlendiği gibi, kütleçekimin çok güçlü olduğu bir gezegende geçirilen birkaç saat, uzay gemisindeki astronota 20 yıl gibi geliyor. Einstein ’in açtığı “göreli zaman” kapısını zorlayan Kurt Gödel isimli enteresan bir adam, zaman yolculuğunun mümkün olduğu evren modelleri geliştirmişti. Öyle ki, çılgınlığa varan matematiksel dehası Einstein ’ı bile rahatsız etmiş, Einstein zamanda yolculuk kavramının kendi denklemleriyle anılmasını istememiştir. Ama şu bir gerçek ki, Einstein ’in kütleçekim alan denklemleri zamanda yolculuğu net bir şekilde reddetmiyor.

Einstein ’in genel görelilik kuramı, karadeliklerin davranışından gezegen yörüngelerinin hesaplanmasına, kütleçekimsel mercek etkisinden Büyük Patlama (Big Bang) olayına, karanlık madde ölçümlerinden genişleyen evren modellerine kadar pek çok farklı alanda son derece başarılı sonuçlar veriyor ve modern fiziğin temelinde çok önemli bir yeri dolduruyor. Eğer Einstein olmasaydı, fizik ve evreni anlama kapasitemiz nerede takılı kalırdı, bunu kestirmek çok güç. İşte bu yüzden, iyi ki doğdun Einstein, iyi ki varsın genel görelilik.

Klasik fizik olarak da adlandırılan Newton fiziğine göre evrendeki her şey, madde miktarının ölçüsü olan kütle nedeniyle birbirlerine çekim kuvveti uyguluyordu. Yapılan tüm hesaplar ve üretilen tüm formüller, bu çekim kuvvetinin doğurduğu sonuçlara yönelikti. Ama kütlelerin neden birbirini çektiğine dair fiziksel bir açıklama yapılamadı. Sadece bir takım fikirler ortaya atılıyordu. Gezegenler arasındaki kütleçekimini neyin ilettiğini bilen yoktu. Sözgelimi ışığın uzayda ilerlemesini açıklamak için kullanılan ve boşluğu tümüyle doldurduğu düşünülen esir maddesi, kütleçekim kuvvetini de taşıyan ortam olarak hayal edildi. Kimilerine göre gök cisimlerinin civarında esir maddesinin yoğunluğu azalıyor ve bu da kendilerine doğru net bir kuvvetin oluşmasına neden oluyordu. Kimilerine göre ise evrenin her yeri, her yöne doğru akan parçacıklarla doluydu ve iki gök cismi birbirinin yakınındayken bu parçacık akımını perdeledikleri için, diğer taraflarından bu iki cisme çarpan parçacıklar iki cisme de net kuvvet uyguluyordu. Kütleçekiminin, Le Sage Kuramı adı verilen bu tanecikli modeli kendi devrinde bile sert eleştiriler almıştı. Çünkü cisimler arasında oluşan kuvvet, cisimlerin kütleleri ile değil de büyüklükleriyle orantılıydı. Fakat benzeri tüm kuramsal açıklamalar deneysel gerçeklikten uzak kaldı. Özellikle esir kuramını yanlış olduğunu kanıtlayan ve çok önemli bir deneysel çalışma olan Michelson-Morley deneyinden sonra (1887) kütleçekimini açıklayacak bambaşka kuramlara gereksinim olduğu ortaya çıktı.

Newton fiziğinin öngördüğü kütleçekim kuvvetinin kaynağının ne olduğuna dair düşünceler bir yana, Newton fiziğinin yalnızca sonuçlarıyla ilgilenenler hallerinden hayli memnundu. Çünkü çok güçlü bir kuramdı ve yapılan hesaplar müthiş keşifler doğurdu. Örneğin Neptün gözlemlenmeden önce kuramsal olarak öngörülebildi. Klasik fiziğe göre Güneş’in etrafında sadece tek bir gezegen olsaydı, bu gezegenin yörüngesi tam bir elips (veya elipsin özel bir hali olan çember) olurdu. Ancak Güneş Sistemi’ndeki tüm gezegenlerin yörüngeleri diğer gezegenlerin kütlelerinden biraz etkilenir ve tam bir elips olmaz. 19.yüzyıl ortalarına kadar Güneş Sistemi’nde sadece altı gezegen keşfedilmişti. 1781’de yeni teleskoplar sayesinde Uranüs’ün varlığı ortaya çıkmıştı. 1820’lerde Uranüs’ün yörüngesi dikkatle incelendiğinde, bilinen gezegenlerin kütleçekim etkisinin Uranüs’ün eliptik yörüngesindeki bozulmayı açıklamakta yetersiz kaldığı görüldü. Eliptik yörüngedeki bozulmanın kaynağı olarak Uranüs’ün ötesinde dev bir gezegen daha olmalıydı. 1846’da tam da klasik fizikle öngörülen konumda Neptün gözlemlendi. Bu o gün için olağanüstü bir başarıydı. Bilim insanları Dünya’da oturdukları yerden sadece kağıt ve kalem kullanarak yeni gezegenler keşfediyor, kuyruklu yıldızların ne zaman hangi konumda olacağını söyleyebiliyor, adeta modern zamanların müneccimliğine soyunuyorlardı. Ama bu sefer göz yanılsaması ve aldatmaca değil, matematiğin ve bilimin kesinliği söz sahibiydi.

Kaynak: Bilim ve Teknik Dergisi