ÖZEL GÖRELİLİK IŞIK HIZININ SABİTLİĞİ SORUNU

 

          Türkçe dinle --- Listen in English

ÖZEL GÖRELİLİK

 

Görelilik teorisi Einstein'ın adıyla eş anlamlıdır. Aslında, birçok bilim adamı bu teorinin gelişimine değişen derecelerde katkıda bulunmuştur. Ancak diğerlerinden farklı olarak Einstein, tüm teoriyi tutarlı bir bütün haline getirmeyi başardı.

 

Görelilik teorisi aslında farklı gözlemciler tarafından ölçülen fiziksel bir niceliğin değerleri arasındaki ilişkiyi belirler. Ancak bunu yapmak, uzay ve zaman hakkında düşündüğümüzde devrim yaratan sonuçlar doğurabilir. İlk bakışta, bu sonuçlar sağduyuya aykırıdır. Ancak bunların nasıl bir bütünlük oluşturduğunu anladığımızda doğanın yapısı hakkında çok önemli ipuçları elde ederiz.

 

Görelilik teorisi, "Özel Görelilik" ve "Genel Görelilik" olarak adlandırılan iki alt başlık altında ele alınmaktadır. Özel görelilik, birbirine göre sabit bir hızla hareket eden gözlem çerçevelerini inceler. Bu teori uzay ve zaman hakkındaki önyargılarımızda devrim yarattı ve 1905'te Einstein tarafından önerildi. Bu yazıda, özel göreliliğin bazı sonuçlarını inceleyeceğiz.

 

Genel görelilik ise, gözlemsel koordinat sistemlerinin farklı hızlarda (yani ivmelerde) birbirine göre hareket ettiği daha genel bir durumu inceler. Einstein, 1907'de bu teorinin altında yatan ana ilkeleri açıkladı. Ancak 1916'ya kadar teorinin tüm matematiksel ayrıntılarını tamamlayamadı. Bu teorinin matematiksel detayları daha da karmaşıktır ve yerçekimi anlayışımızda devrim yaratır. Ayrıca, tüm evreni içeren disiplinlerin çalışması olan kozmoloji, bu teori çerçevesinde yürütülür.

 

Bu teorilerin sağduyumuz üzerinde öngördüğü olumsuz etkiler, günlük yaşam bağlamında fark edilemeyecek kadar küçüktür. Bu tahminler yalnızca çok yüksek hızlarda veya büyük nesnelerin yakınında çok nettir. Ancak, bu tahminleri son derece hassas bilimsel araçlar kullanarak Dünya üzerinde test etmek mümkündür. Her iki teorinin de sezgilere aykırı tahminleri bugüne kadar birçok deneyde test edilmiştir. Bazıları günümüze kadar devam eden tüm bu deneylerin sonuçları bu teorileri desteklemektedir.

 

Dolayısıyla genel kanının aksine görelilik teorisi çok zeki bir bilim insanının hayal gücüyle oluşturulmamıştır ve gerçeklikle hiçbir ilgisi yoktur. Bunlar yerleşik teorilerdir ve hem deneysel hem de çok sağlam teorik temellere dayanmaktadır. Sadece genel olarak kabul edilmekle kalmaz, aynı zamanda kozmoloji ve parçacık fiziğinde de önemli araçlardır.

 Einstein, o zamanlar çok önemli bir problem olan "ışık hızı tutarlılığı" problemini çözmek için özel bir görelilik teorisi geliştirdi. Bu teori iki temel ilkeden türetilmiştir. Birincisi, 19. yüzyılın ikinci yarısında birçok deneyle desteklenen, ışığın boşluktaki hızının sabit olduğu ilkesi, ikincisi ise görelilik ilkesidir. Şimdi, bu iki ilkeye daha yakından bakalım.

 

IŞIK HIZININ SABİTLİĞİ SORUNU

20. yüzyılın başlarına kadar yapılan birçok deney, ışığın boşluktaki hızının sabit olduğunu gösterdi. C ile temsil edilen bu hız yaklaşık 300.000 km/sn. 'dir. Bu değerin her bakımdan aynı olması pek çok bilim insanı için beklenmedik bir sonuçtu. Bunun nedeni, içinde yaşadığımız Dünya'nın hem kendi etrafında hem de Güneş'in etrafında döndüğü için sürekli hareket halinde olmasıdır. Bu nedenle, ışığın çeşitli yönlerde farklı hızlarda hareket etmesi bekleniyordu. 

 Bu beklentinin nedenini anlamak için bu basit örneği ele alalım. Bir kamyonu 100 km/s hızla ve bir araba 60 km/s hızla takip ettiğinizi varsayalım.

 Bu durumda kamyon, araca göre 40 km/s hızla hareket eder. Yani hareket eden cisim ile aynı yönde hareket ederseniz cismin bizden daha yavaş olduğunu göreceksiniz.

 Bir kamyon ve bir araba zıt yönlerde hareket ettiğinde...

Bu sefer kamyonun araca olan hızı 160 km/s olmalıdır. Yani ters yönde hareket ederseniz cismin bizden daha hızlı olduğunu göreceksiniz.

 Bu sonuçlar tamamen doğaldır. Araba hareket ediyorsa, araba ile bu iki kamyon arasındaki mesafe her zaman farklı olmalıdır. Bu nedenle kamyon hızları araba hızlarından farklıdır. Ancak bu basit hesaplama, kamyonun hafif hareketlerine uyarlanamaz. Örneğin, bir noktada dünyaya bir yıldırım düştüğünü varsayalım. Flaşın ürettiği ışık, merkezinin ilk çarptığı nokta olan bir küre şeklinde uzayda yayılır.

 Bu nedenle, ışık küresi üzerindeki bu noktanın dünyadan uzaklığı, zamanın her noktasında farklıdır. Bu nedenle, dünya hareket ederken, ışık hızının bir yönden diğerine değiştiğinin farkında olmamız gerekir. Öte yandan, tüm deneyler, ışığın hareket yönünden bağımsız olarak, ışığın hızının Dünya'ya göre aynı olduğunu göstermiştir. Başka bir deyişle, yıldırımın ürettiği ışık, yine Dünya'ya karşı olan Dünya merkezli, genişleyen bir küre şeklinde yayılır.

 Öyleyse neden kamyonlarla aynı hesaplamaları kullanamıyoruz?

 Kısacası, dünyanın ve güneşin hareketinden dolayı ne kadar hızlı olduğumuzu görelim. İlk olarak, dünyanın etrafındaki harekete bakalım. Dünya kendi dönüşünü bir günde tamamlar. Bu nedenle, dünyadaki her şey Türkiye enleminde saniyede yaklaşık 350 metre hızla hareket eder. Bu hız neredeyse ses hızına tekabül etmektedir.

 Ayrıca dünya da güneşin etrafında dönüyor. Bu hareketin bir turunu 365 günde tamamlayın. Dünyanın yörüngesi etrafındaki hız da saniyede yaklaşık 30 kilometredir. Ses hızının yaklaşık 100 katıdır.

 

Ayrıca tüm güneş sistemi, galaksimizin merkezi olan Samanyolu'nun etrafında hızla döner. Bu hareket, güneşin veya dünyanın hızını saniyede yaklaşık 220 kilometreye çıkarır. Bu da ses hızının 700 katı demek.

 Dolayısıyla içinde yaşadığımız gezegenin ve ait olduğumuz güneş sisteminin hareketi nedeniyle uzayda muazzam hızlarda hareket ediyoruz. Bu hızlar, ışık hızından çok daha küçüktür, ancak ışığın, Dünya'nın biraz daha yavaş bir hızda hareket etmesiyle aynı yönde hareket ettiğinden emin olmamız gerekir. Michelson-Morley deneyi, yavaşlamayı veya ivmeyi ölçmek için ışığın hızını ölçtüğü ve dünyanın uzaydaki hızını ölçtüğü en ünlü deneydir. Işığın girişim özelliklerini kullanan bu deney, tahmini Dünya hızını belirleyecek kadar hassastı, ancak ışık hızındaki en ufak bir değişiklik bile gözlemlenemedi.

 Bir dereceye kadar, tüm deneyler Dünya'nın uzayda hareket etmediğini, durağan olduğunu göstermiştir. 19. yüzyılın sonlarında bilim dünyasını meşgul eden Einstein'ın çözmeye çalıştığı ana problem buydu. Hareket eden bir cisme bakarken bile ışık neden bizden hep aynı hızla uzaklaşır?

 

GÖRESELLİK İLKESİ

 

Dünya nasıl veya herhangi bir yönde hareket ederse etsin, ışık her zaman dünyaya göre aynı hızda hareket eder. 19. yüzyılın ikinci yarısında yapılan deneyler bunu göstermiştir. Bir anlamda, sadece ışık hızını ölçerek dünyanın hızını ölçmek mümkün değildir. Dolayısıyla Dünya'nın hızını belirlemek için yapılan bu deneyler, Dünya'nın aslında hareket etmediği sonucunu doğurmuştur. Kesinlikle işe yarıyor, ancak Dünya üzerindeki deneylerin Dünya'nın yerinde sabit olduğu sonucuna varması neredeyse beklenmedik değil. Galileo'nun yüzyıllar önce öne sürdüğü "görecelik ilkesi" böyle bir sonuçla tam bir uyum içindedir. Galileo, bu ilkeyi, Dünya'nın dönme hipotezi için sıklıkla dile getirilen argümanlara yanıt olarak ortaya koydu.

 Bu ilkeyi ifade etmeden önce size bazı tanımlar vereyim. Hareket eden bir arabada olduğumuzu ve etrafımızda olup bitenleri gözlemlediğimizi hayal edin. Tabii ki, nesneyi bulmak için araca göz atın. Araç bazında ölçtüğümüz her şeyin “araca” olduğunu söylüyoruz.

  Örneğin, cismin aracın sabit noktasına olan mesafesini belirleyerek bir cismin araca göre konumunu belirleyin ve bu konumları araca göre hızı belirlemek için kullanın. Elbette zamanı ölçmek için arabadaki saat kullanılır. Bu durumda aracın bir "gözlem çerçevesi" olduğu söyleniyor. Görelilik ilkesine göre, sabit hızla hareket eden bir aracın ölçtüğü miktar, tüm doğa yasalarına uyar. Yani araç hareket halinde olsun olmasın aynı kanun uygulanabilir. Bu nedenle araç üzerinde yapılan bazı deneylerin sonuçları aracın hareketinden bağımsızdır. Aracın sabit veya hareketli olması fark etmez.

 

Galileo ve Einstein görelilik ilkesini şu şekilde ifade etmektedirler. Kapalı bir araçtaysanız, aracın hareket edip etmediğini veya hangi hızda olduğunu anlamak için camdan dışarı bakmanız gerekir.

 Dünyadan baktığımızda, dünyanın hızının olduğunu biz de anlayabiliriz. Güneşi görebildiğimiz için dünyanın güneşe göre 30 km/s hızla hareket ettiğini söyleyebiliriz. Benzer şekilde Samanyolu'na bakarak Güneş'in Dünya ve diğer gezegenlerle birlikte bu galaksinin merkezini yaklaşık 220 km/sn yörüngede döndüğünü söyleyebiliriz. Ama çok uzağa değil de sadece Dünya'daki olaylarla ilgileniyorsak, hızlarının veya büyüklüklerinin ne olduğu önemli değil!

 

 Örnek olarak, Pisa Kulesi'nin tepesinden bir taşın bırakılıp bırakıldığı bir deneyi ele alalım. Bu deneyi analiz ederken, birçok insan dünyanın hareket ettiğini hesaba katmaz. Bu görüşe göre taş, bırakıldığı yerin hemen altına düşmektedir.

 Deneyi, dünyanın hareketi göz önünde bulundurularak analiz etmek, tamamen farklı bir tablo ortaya koymaktadır. Dünyanın yere paralel olarak sabit bir hızla hareket ettiğini varsayalım. Deney başlamadan hemen önce, yer, yerdeki kule, kuledeki insanlar ve son olarak insan elinin kayaları aynı yönde aynı hızda hareket ediyor. Bu nedenle taş ilk bırakıldığında aynı hıza sahiptir. Bu nedenle taşın bir anda öne atılacağını düşünüyorum.

 Bu nedenle, taş başlangıçta bırakıldığı yerden daha uzağa düşecektir.

 Ancak bu süreçte kule hareket etmeye devam edecektir. Hareket yasasına göre, kulenin aldığı mesafe, taşın aynı anda aldığı yatay mesafeye eşittir. Dolayısıyla bu gözlem çerçevesine göre taş aynı yere, kulenin eteğine düşecektir.

 Başka bir deyişle, hangi gözlem çerçevesine bakarsanız bakın, bu deneyde aynı sonucu alacaksınız. Bu, her iki gözlem çerçevesinin de eşit derecede geçerli olduğunu gösterir. Aralarında fiziksel olarak seçim yapmak için hiçbir sebep yok.

 

Ancak biz yerde olduğumuz için gözlem çerçevesi olarak zemini seçtik ve dünyanın uzaydaki hareketini hiç dikkate almadık. Bu geçerli bir bakış açısıdır.

 Benzer şekilde, sabit hızla hareket eden bir araç için, gözlemci, zemin ve üzerindeki her şey geriye doğru hareket ederken aracın durduğunu düşünebilir. Bu da geçerli bir varsayımdır. Gözlemcilerin bu varsayımdan çıkarabilecekleri tüm sonuçlar doğru olacaktır. Özellikle vurgulamadım ama çok önemli bir noktaya odaklanalım. Görelilik ilkesinde sadece "atalet çerçeveleri" hakkında konuşuyoruz. Bunlar Newton'un birinci hareket yasasının uygulandığı çerçevelerdir. "Atalet yasası" olarak da bilinen bu yasa, kuvvetten etkilenmeyen bir cismin aynı yönde hareket ederken sabit kaldığını ve aynı hızda hareket ettiğini gösterir. Bu kanunun kapsadığı çerçevede diğer tüm tatbikat kanunları da geçerlidir. Araç atalet gözlem sistemine göre sabit bir hızla (ve aynı yönde) hareket ediyorsa o da bir atalet gözlem sistemidir. Çünkü Newton'un birinci yasası araçlar için de geçerlidir.

  Görelilik ilkesi, gözlem çerçevesi olarak bir araç seçildiğinde, yalnızca hareket yasalarının değil, bilinen ve bilinmeyen tüm diğer doğa yasalarının geçerli olduğunu belirtir.

 Ancak araç atalet sistemine göre hızlanıyorsa yani hız veya hareket yönü değiştiriyorsa araç geçerli bir gözlem sistemi değildir. Araçtakiler, camdan dışarı bakmadan bu hızlandırılmış hareketi görebilirler. İşte tam da bu yüzden otobüsle seyahat ettiğinizde otobüsün hareket ettiğini anlıyoruz. Yoldan gelen titreşimler ve otobüsün hızlanması ve yavaşlaması gibi hızlanmalar, otobüsün yere olan hareketi hakkında yeterli ipucu sağlar.

 Ancak tren yavaş yavaş istasyondan geçerse böyle bir çarpma olmaz. Bu durumda pencerenin önünden geçen treni gördüğünüzde cevaplaması zor bir soruyla uğraşıyorsunuz demektir. Hangi tren çalışıyor, biz mi yoksa diğeri mi? Doğru cevabı ancak diğer tren pencereden kaybolursa ve arka plan görüntülenirse verebilirsiniz. Çoğu zaman, tahminin yanlış olduğuna şaşırırım.

 Görelilik ilkesi, "mutlak hız" olmadığını gösterir. Sadece bağıl hız hakkında konuşabilirsiniz. "Dünya'nın hızı", gezegen gibi başka bir nesneye dayanmaktadır. B. "Güneşe" veya "Samanyolu'nun merkezine". Bu anlamda ne olduğumuzu belirtmedikçe içinde bulunduğumuz arabanın hızından bahsetmek mantıklı değil. Arabamızın sabit olduğunu ve dışarıdaki nesnelerin hareket ettiğini düşünmek kolaydır. Bu da bir hata değil.