S A Y I S A L A .Ş. - H o ş g e l d i n i z

Görelilik kuramı, çağdaş fiziğin en önemli kuramlarından biridir ve 20.Yüzyıl başlarında Albert Einstein tarafından ortaya atılmıştır. Dilimizde, görelilikten başka bağıllık, görecelik ve izafiyet gibi karşılıkları da bulunmaktadır. Genel olarak tüm bu sözcükler "evrende hiçbir şeyin kesin ve mutlak olmadığını; kişiye ve zamana göre değiştiğini" anlatmak için kullanılır. Görelilik kuramının özü de bu tanımda yatmaktadır.

Işık ise Michelson-Morley deneyi sonuçlarına göre böyle davranmamaktadır. Işık kaynağı ile gözlemcinin hızı ne olursa olsun, ışığın hızında değişiklik gözlenmez. Bu, deneyi yapan bilim adamlarınca bile beklenmeyen bir durumdu. Çünkü sesin hava aracılığıyla yayılması gibi, ışığın da "esir" adı verilen gizemli bir ortam aracılığıyla yayıldığı ve gözlemcinin hareketine bağımlı olduğu düşünülüyordu.

Elbette ki Michelson-Morley deneyini merak ettiniz. Öyleyse bu deneyden biraz söz etmek yerinde olacaktır. Işığın da ses gibi dalgalar halinde yayıldığının anlaşıldığı yıllarda, bilim adamları ışığın boşlukta nasıl yayıldığını, boşluğun aslında boşluk olup olmadığını araştırıyorlardı. Amerikalı fizikçiler Albert Michelson ile Edward Morley, 1887'de ışığın yayılma hızını belirlemek üzere çok duyarlı bir deney düzeneği tasarladılar. Amaçları, ışığın hızının hareket yönüne bağımlılığını kanıtlamaktı. Oysa sonuçlar tamamen farklı çıktı. Işığın hızı, yerkürenin dönüş hızından ve yönünden etkilenmiyordu. Hem dönüş yönünde hem de aksi yönde aynı sonuç elde ediliyordu: 300.000 km/sn (Tamı tamına 186.282 mil/saniye veya 299.792 km/saniye).

"Bir ışık ışınına binmiş olsaydım, dünya bana nasıl görünürdü acaba ?"

Albert babasına bu soruyu sorduğunda henüz 14 yaşındaydı. Yıllar sonra görelilik kuramını ortaya atacak, bilimde bir devrimin öncüsü olacaktı. Adı Albert, soyadı Einstein idi bu çocuğun.

Einstein, görelilik kuramını 10 yıl arayla iki bölüm halinde yayımladı. Bunlardan ilki 1905 yılında ortaya attığı Özel görelilik kuramı, ikincisi ise 1915 yılında yayımladığı Genel görelilik kuramıdır. Özel görelilik kuramı, düzgün doğrusal hareket yapan sistemleri incelemiştir. Kuramın ikinci bölümünde ise, ilk çalışmalarının kapsamını genişleterek kütleler arası çekim kuvvetlerini ele almıştır.

Newton'un hareket ve kütle çekim yasalarını çürütüp, yerlerine yepyeni yasalar koyan görelilik kuramının sonuçlarını günlük yaşamımızda algılayamayız. Fakat özellikle ışık hızına yakın hızlar söz konusu olduğunda, kurama göre uzunluklar kısalır, saatler yavaşlar, kütle artar.

19.Yüzyıl sonlarında ışığın hızıyla ilgili Michelson-Morley deneyi, ışığın ses ve diğer dalga olaylarının tersine göreceli olmadığını ortaya koydu. Saatte 100 km hızla ilerleyen bir lokomotifin, iki istasyon arasında düdük çaldığını varsayalım. Ses, öndeki ve arkadaki istasyonlara değişik hızlarla ulaşır (Öndekine ses hızından saatte 100 km daha fazla, arkadakine saatte 100 km daha yavaş hızla). Oysa trendeki insanlar için değişen bir şey yoktur; Ses ön ve arka uçlara normal hızıyla ve aynı anda ulaşır (Çünkü trendeki insanlar, tıpkı ses gibi, trenle aynı hıza sahiptirler. Halbuki öndeki ve arkadaki istasyondaki insanlar, trene göre hareketsizdirler). Öyleyse sesin hızı gözlemcinin hızına bağlıdır. (görecelidir).

(Böyle düşünülmesi bir bakıma normaldi. Sesin ve diğer dalgaların yayılması, ister katı, ister sıvı,isterse de gaz olsun mutlaka bir madde aracılığıyla gerçekleşiyordu. Örneğin havası boşaltılmış bir cam fanus içinde çalan saatin sesi duyulmuyordu. Çünkü sesi iletecek madde atomları yoktu.

Işık hızının limit hız olması, ışığın kaynağına göre hareket halinde olsun veya olmasın tüm gözlemciler için aynı olması Einstein'ın kuramının temel önermelerinden biridir. Kuramın diğer temel önermesi ise doğa yasalarının ivmesiz (sabit ivmeyle) hareket eden tüm sistemler için aynı olmasıydı.

Bilimde her tür hesaplama ve ölçme, bir referans sistemine (gözlem çerçevesi) göre yapılır. Bir arabanın hızından, bir kumaşın boyunun ölçülmesinden, bir cismin ağırlığından bahsederken hep bir referans sistemimiz vardır. Farkında olmasak da, bu sistem genel olarak birbirine dik üç eksenden oluşmuştur. Bir şeyi ölçerken veya bir şeyin hızından söz ederken hep sabit olduğunu varsaydığımız bu koordinat sistemini ele alırız (Bir arabanın ya da bir kuşun hızını; sözgelimi bir ağaca veya bir binaya göre yaparız). O halde her türlü ölçme ve hesaplama aslında görelidir. Görelilik kuramının çıkış noktası da işte budur.

1905'te Einstein'ın ileri sürdüğü kuramlar, o zamana kadar tartışılmaksızın kabul edilen Newton'un yasalarını temelinden sarsmıştır. Bugün bile Görelilik kuramını basitçe açıklamak güçtür. Yine de onu tanımlamaya çalışmak mümkün olabilir:

Yukarıdaki örnekte verilenler sabit ivmeli (ivmesiz) hareketlerdir. Dolayısıyla özel görelilik kuramıyla açıklanır. Örneğin bu tip hareketlerde, gözlemciye göre nesnelerin hareketleri yönünde uzunlukları kısalır, kütleleri artar (Bir topu ışık hızına yakın bir hızla havaya fırlatırsak, hareket dışındaki bir gözlemci için top bir tepsi gibi yassılaşırken, kütlesi büyük ölçüde artar. Hız kesildiğinde top, önceki biçim ve kütlesine geri döner. Işık hızına ulaşıldığında boy sıfır, kütle sonsuz olur. Kütle eyleme direnç olduğuna göre; sonsuz kütle hareketin sıfır olması demektir ve dolayısıyla ışık hızına ulaşılamaz).

Bir tren yolu, kara yoluna paralel olsun. Trenin hızını, trende oturan yolcuya, ağacın altındaki çobana ve kara yolunda trenle aynı ve zıt yönde giden arabaların sürücülerine sorsak ne tür yanıtlar alırız? Yanıtlar hepsi için farklıdır. İşin ilginci bu yanıtların hepsi de doğrudur.

Trendeki yolcu hızı sıfır olarak ölçer (tren kendisine göre hareket etmemektedir).
Ağaç altındaki çoban ise kendisine göre hız ölçer (Varsayalım ki 70 km/saat).
Trenle zıt önde 80 km/saat hızla yol alan arabanın sürücüsüne göre tren 70+80=150 km/saat hızla gitmektedir.
Trenle aynı yönde 80 km/saat hızla giden sürücü ise trenin hızını 70-80=-10 km/saat olarak bulacaktır (yani ona göre tren geriye doğru gitmektedir).

Bir diğer şaşırtıcı sonuç zamanın göreliliğidir. Örneğin birbirine tam ayarlı iki saatten biri çok hızlı bir roketle uzaya fırlatıldığında bu saat, yerdekine göre çok daha yavaş çalışacaktır (260.000 km/saniye hız için, yerdeki saatin yelkovanının iki tam dönüşüne karşılık, roketteki saat tam bir dönüş yapacaktır. Oysa roketteki kişi bunun farkında değildir. Ancak yeryüzüne döndüğünde, ikiz kardeşinin kendisinden çok daha yaşlandığını görecektir.-Zamanın genişlemesi ve ikizler paradoksu).

Kuramın bir diğer sonucu ve atom bombası nedeniyle en çok bilineni ise madde ve enerji eşdeğerliliği ile ilgili olanıdır (E=mc²). Buna göre küçük bir kütle büyük bir enerji demektir ve Güneş'in enerjisinin kaynağı da budur. Einstein'ın ortaya koyduğu teori dört boyutlu bir uzay içermekteydi (uzay ve zaman kavramlarını birleştirerek). Dolayısıyla evren anlayışımız temelden sarsılıyordu.

Genç kalma olayı için çarpıcı bir örnek ikizler paradoksudur.

Ahmet ve Mehmet ikiz kardeş olsunlar. Doğum günlerini elbette aynı gün kutlamaktadırlar. 20. yaş günlerinin hemen sonrası Ahmet bir uzay aracıyla 4 ışık yılı uzaktaki bir gezegene v=0.99c hızla götürülüp, beklemeksizin geri getirilmiştir. Mehmet'e göre bu yolculuk 4+4=8 yıl sürmüştür. Dönüş gününde Mehmet gibi Ahmet'inde 28 yaşında olması beklenmektedir.

Geminin hızı (Işık hızının yüzdesi olarak)	Geminin uzunluğu (Metre)	Geminin kütlesi (Ton)	Gemi saatinin dak. olarak süresi (Yer=60)
0	100.0	100.0	60.00
10	99.50	100.50	59.52
20	97.98	102.10	58.70
30	95.39	104.83	57.20
40	91.65	109.11	55.00
50	86.60	115.47	52.10
60	80.00	125.00	48.00
70	71.41	140.03	42.75
80	60.00	166.67	36.00
90	43.59	229.42	26.18
95	31.22	320.26	18.71
99	14.11	708.88	8.53
99.9	4.47	2236.63	2.78
99.997	0.71	14142.00	1.17
100	Sıfır	Sonsuz	Sıfır

Özel görelilik kuramı düzgün hareket eden cisimler için geçerliydi. Einstein'ın 1915'te ortaya attığı genel görelilik kuramı ise ivmeli hareketi de (yani birbirine göre hızlanıp yavaşlayan) içeriyordu ve daha çok kütle çekim kuvvetleriyle ilgiliydi.

Ünlü astrofizikçi Sir Eddigton'a genel görelilik kuramıyla ilgili olarak "Kuramı yalnızca üç kişinin anlayabildiği söyleniyor, doğru mu?" diye sorulduğunda, bir an durakladığı ve "Üçüncü kişiyi düşünüyordum" dediği anlatılır. Gerçekten yeni bir evren anlayışını ileri sürerken; Einstein sadece Newton'un kütle çekim yasalarını temelinden sarsmakla kalmıyor, evren bu yasayla yepyeni bir şekle bürünüyordu.

Einstein'a göre, kütle çekim kuvvetleri, diğer kuvvetler gibi sıradan kuvvetler değildi ve manyetik alan gibi uzayda ışık hızıyla yayılan bir alandı. Kütle çekim kuvveti bir alan olarak kabul edildiğinde, uzayı da düz bir yüzey olarak değil, bir eğrisel yüzey olarak kabul etmek gerekiyordu. Basit bir örnek olarak; havada kendine göre düz bir rota üzerinde yolculuk eden bir uçak, aslında yeryüzünün eğriliğinden dolayı eğri bir çizgi boyunca hareket etmektedir. Benzer şekilde bir cismin kütlesel çekim alanındaki bütün cisimler eğri bir çizgi boyunca yol alır. Bu alan içindeki iki noktayı birleştiren en kısa yol da bir doğru değil bir eğridir.

Einstein, genel görecelik kuramını deneysel olarak değil, daha çok akıl yürütmeyle geliştirmişti. Kendi yazılarında bunu açık yüreklilikle belirtmiş ve haklı olup olmadığının, güneş tutulması sırasında sınanabileceğini belirtmiştir. Gerçekten de 1919 mayısındaki güneş tutulması sırasında Güneş'in arkasında kalan iki yıldızdan gelen ışıklar, Güneş'in çekim alanından etkilenmişlerdi. Güneş'in arkasında kalmalarına rağmen görülebiliyorlardı. Bir diğer sınama Merkür'ün yörüngesindeki sapmanın, bu kuram ışığında doğru olarak hesaplanmasıyla yine olumlu sonuç verdi (Newton mekaniği bu olayı tam olarak açıklayamıyordu).

Genel görelilik kuramının bir sonucu da evrenin büyüklük olarak sonlu ama sınırsız olmasıdır. Yine bu kurama göre evren sürekli olarak ya büyümekte, ya da küçülmektedir (Sonraları yıldız kümeleri üzerinde yapılan gözlemlerle sürekli olarak büyüdüğü kanıtlandı).

eşitliği, ancak ışık hızından çok küçük hızlar için doğrudur, yani yaklaşık değer verir. Tam doğru formül: (m', hareket halindeki, m ise hareketsiz kütle, c ışık hızı) olmak üzere,

formülüne göre değişir (m', hareket halindeki, m ise hareketsiz kütle). Eşitliği dikkatle incelersek, bir cismin ışık hızına ulaşmasıyla kütlesinin sonsuz olduğunu görebiliriz.

(hareketli gözlemciye göre) eşitliğine göre değişmektedir (T', hareket halindeki, T ise hareketsiz iken ölçülen zaman). Bu da hareketli bir sistemde zamanın daha yavaş akması demektir. Yani duran bir gözlemciye göre hareket eden gözlemci genç kalmaktadır (Ay'a gidip gelen astronotlarda bu ölçüm yapılmış, saniye mertebesinde genç kaldıkları gözlenmiştir).

Peki öyleyse ışık, Güneş ve diğer gök cisimlerinden Dünya'ya nasıl ulaşıyordu? Daha açık bir şekilde sorulursa ışık bir madde miydi, yoksa bir enerji mi? Descartes ve Newton, ışığın parçacık yani madde olduğunu ileri sürmüşlerdi. Boşluktan geçişi bu şekilde açıklanabiliyordu. Oysa daha sonraki yıllarda ışığın dalga özellikleri taşıdığı belirlenmişti. İşte Michelson-Morley deneyi bu şartlar altında tasarlanmış; aslını söylemek gerekirse, esir adı verilen ve tüm evreni kaplayan varlığının anlaşılacağı öngörülmüştü.)

Michelson ve Morley deney düzeneklerinde hata yapmış olabileceklerini düşündüler. Fakat gerek tekrarlan deneyler, gerekse sonraki yıllarda yapılan diğer deneyler bu bulguları destekledi. Işığın boşluktaki ve havadaki hızı sabitti, bu hız aşılamaz bir hızdı ve esir diye bir şey yoktu.

Oysa Ahmet'in saati Mehmet'e göre daha yavaş çalışmış ve ancak:

T'=8X [1-0.99]½=8X0.14=1,1 yıl yaşlanmıştır. Şimdi Ahmet biyolojik olarak da 21,1 yaşındadır. Yaş günleri artık aynı gün değildir ve aralarında 6.9 yıl fark vardır.