Bazı fizik kuramları insanı çileden çıkaracak kadar şaşırtıcıdır, bu başlık altında bunları yavaş yavaş size tanıtmaya çalışmak istiyorum. Einstein'ın Görelilik Kuramı ile başlayalım. Birçoğumuz Eins'ın kim olduğunu biliriz ama tam olarak ne yaptığı hakkında pek fikrimiz yoktur. Mümkün olduğu kadar anlaşılır bir dil kullanacağım, ispatlara girişmediğim ölçüde teknik formüller kullanmak yok!
Einstein özel görelik kuramını 1905 yılında yayınladı. Buna göre:
1.Fizik yasaları her türlü referans noktasından bağımsızdır.
2.Işık hızı uzayda sabittir ve gözlemi yapanların hızından bağımsızdır. NEDEN?
Işık hızına yakın bir hızla hareket etmektesiniz.. Önden size yaklaşan, ya da arkadan size gönderilen ışık huzmelerinin hızını hep aynı ölçüyorsunuz....
Size yaklaşan ışık değil de bir otomobil olsaydı o hızı farklı ölçerdiniz...
Işık hızına yakın bir hızla hareket etmenize rağmen, yanınızdan geçen ışığın hızının hala saniyede 300 bin km olması ne demektir? Bu nasıl mümkün olabilir?
Bu yazımda ben ışık hızının uzayda hareket eden her referans noktasına göre neden sabit olduğunu açıklamaya çalışacağım. Önce insan sağduyusu ile bağdaşan bir kaç örnek vermek istiyorum.
Size göre saatte 100 km hızla yaklaşmakta olan bir otobüse doğru siz saatte 50 km hızla ilerleyen bir otomobildesiniz. Bu durumda otobüsün size yaklaşma hızını saatte 150 km olarak ölçersiniz.
Aynı şekilde aynı hızla rüzgara karşı koştuğunuzu düşünün. Hızınız rüzgarın hızı oranında yavaşlayacaktır. Rüzgarı arkanıza aldığınız zaman ise hızınız aynı oranda artacaktır.
Her gün sağduyumuzla bağdaşan bunlara benzer gözlemler yapmaktayız. Bu durumda diyebiliriz ki ışığın hızının bizim hızımızdan etkilenmemesi insan sağduyusu ile bağdaşmamaktadır. Böyle şey olmaz. Bu bir yanılsamadır.
Işık hızının uzayda sabit olması gerektiğini ilk ortaya atan Einstein değildir. Bu gözlem Maxwell tarafından yapılmıştır. Newton’un hareketle ilgili yasaları ile, Maxwell’in denklemleri çelişki halindedirler. Newton’a göre hareketler birbirlerine eklenirler. Newton’a göre ışığa doğru hareket eden birisi ışığın hızını, hareket etmeden duran birisinden daha fazla olarak ölçmelidir. Işık için bu örneği veriyoruz ama, Newton ışığın da bir hızı olduğunu bilmiyordu. Ona göre her olgu evrenin her tarafında aynı anda vuku buluyordu....
Size doğru saatte 100 km hızla gelmekte olan bir otobüsün hızını siz otobüse doğru saatte 50 km hızla hareket ediyorsanız, saatte 150 km olarak saptamanız gerekir.. Maxwell’e göre ise, sizin hızınız ne olursa olsun, ışığın hızı aynıdır. Newton’un doğru, Maxwell’in yanlış olabilmesi için ışığın hızının çeşitli referans noktalarına göre farklı olarak ölçülmesi gerekmektedir.
Albert Michelson önce kendi laboratuvarında, daha sonra Edward Morley ile birlikte başka bir laboratuvarda, dünyaya çeşitli yönlerden ulaşan ışığın hızını karşılaştırmış ve hep aynı olduğunu bulmuştur. Bu gözlem Michelson-Morley deneyi olarak bilinir.
Bu gözlemin anlamı nedir? Sizin hızınız ne olursa olsun, size yaklaşmakta olan otobüsün hızını saatte 100 km olarak ölçmek demektir. Otobüs hangi istikametten size yaklaşırsa yaklaşsın, hızı saatte 100 km’yi geçmeyecektir, demektir.
Bu durum insan sağduyusu ile bağdaşmamaktadır. Ayrıca bu durumu açıklamak da kolay olacağa benzememektedir.
Bütün bu gözlemlerin kökeninde esir (ether) teorisi yatmaktadır. Bu kurama göre dünya ve diğer gezegenler, esir denen sihirli bir maddenin içinde hareket etmektedirler. Işık bir dalga olduğundan, yayılacağı ortamın bu dalga hareketini iletme özelliği olmalıdır. O zamanın inanışına göre bunu esir sağlamaktadır. Esirin içinde dalgalar daha hızlı yayıldıklarından sağlam bir dokusu olması gerekmektedir. Bu doku hem çok sağlam olmalıdır, hem de dünya, ay, gezegenler gibi yapıların içinden geçmesine direnç göstermemelidir. Ayrıca ışık Maxwell’in gösterdiği gibi bir dalga hareketinden ibaret olduğundan böyle bir ortama gereksinim vardır. Aksi takdirde ışık evrende yayılamaz. Dünya esirin içinde hareket ederken bir esir rüzgarı oluşturduğuna inanılmaktadır. Bu rüzgara doğru hareket ederken veya onu arkaya alınca dünyada ölçülen ışığın hızı farklı olmalıdır. Michelson- Morley deneyleri bu inanışın doğru olmadığını kanıtlamıştır. Işık hızının neden sabit olduğu ve bunun önemi bilinmemektedir.
Esirin varlığını son bir kere kanıtlamak için Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz ile, İrlandalı fizikçi George FitzGerald bu gözleme kendilerine göre ilginç bir açıklama getirmişlerdir. Bu açıklamaya göre dünya esir içinde ilerlerken, esir rüzgarlarına maruz kalmakta ve fizik olarak sıkıştırılmaktadır. Bu yüzden Michelson-Morley deneyindeki bütün ölçüler sıkıştırılmışlar, kısalmışlardır. Bu iddiaya göre esir içinden geçmekte olan cisimlerin atomları sıkışmaktadır. Bu yüzden dünya sıkışarak küçülmekte ve ışık hızı farklı olarak ölçülmemektedir. Bu Lorentz-FitzGerald kontraksiyonu olarak bilinir. Çok az fizikçi bu düşünceyi kabul etmiştir. Einsten bu yaklaşımın yapay ve zorlama olduğunu ileri sürmüş ve onaylamamıştır. Einstein’a göre ışık hızının değişmemesinin başka nedenleri olmalıdır. Onları Einstein 1905 yılında açıklamıştır. Asıl bu açıklamanın inanılmaz olması gerekmektedir. Ama yapılan deneylerin hepsinde doğruluğu kanıtlanmıştır. Esir yoktur. Çünkü esire gereksinim yoktur.
Einstein’ın Lorentz-FitzGerald kontraksiyonunu alarak kendi kuramına adapte ettiğini ileri sürmek yanlıştır. Einstein da sıkışmadan bahsetmektedir ama, bu sıkışma çok daha farklı bir kavramdır. Lorentz ve FitzGerald sıkışma kavramını Faraday’ın kuramına dayandırmaktadırlar. Faraday’ın bu kuramına göre elektrik yüklü parçacıklar, yani atomlar, hareket ettikleri zaman birbirlerine yaklaşırlar ve sıkışırlar. Bu teoriye dayanan Lorentz ve FiztGerald, kendi sıkıştırılma kuramlarını geliştirmişlerdir. Daha sonra Faraday’ın bu kuramının doğru olmadığı anlaşılmıştır. Yani hareket halinde olan elektrik yüklü parçacıklar sıkışmamaktadırlar. Öyleyse Lorentz-FitzGerald kuramı yanlıştır. Dünyanın fiziksel bir sıkışması söz konusu olamaz.
İlginç olarak Einstein da durum muhakemesi yapmış ve Maxwell denklemlerinin ilk ilkesi olan ışık hızının değişmemesinden hareket ederek, matematiksel olarak aynı sonuca varmıştır. Ama cisim değil, uzay sıkışmaktadır. Hızla hareket eden bir cismin içinde bulunduğu uzay, hareket yönünde, gözlemi yapana göre sıkışmaktadır. Einstein’ın matematik hesaplarına göre ayrıca zaman da genişlemektedir. Yani duran bir gözlemciye göre ölçülünce hareket halinde olan saat yavaşlamaktadır. Uzayın çekilmesi (kontraksiyonu) ve zamanın genişlemesi(yavaşlaması) birlikte Lorentz transformasyonu olarak bilinir)
Tabii bu arada hareket eden objelerin hızları ile birlikte ağırlıkları da artmaktadır. Saatte 5 km hızla hareket etmekte olan otomobillerin çarpışması ile, 50 km hızla birbirleriyle çarpışan otomobillerin neden olacakları zarar çok farklıdır. Hareket eden objelerde kinetik enerji artmakta ve bu enerji pratik olarak kütleye dönüşmektedir. 1905 yılında Einstein kütle, enerji ve hızla ilgili bu formülü şöyle ifade etmiştir.
M=E/C2
Yani bir cismin enerjisi E kadar artarsa, kütlesi de bu enerjinin ışık hızının karesine olan oranı kadar artar. Kinetik enerji cisme eklenince kütlesi artar ve simetri olayından dolayı bu artma her türlü enerji için geçerlidir. Einstein bu formül üzerinde iki yıl düşünmüş ve şu sonuca varmıştır.... Eğer her enerjinin kütle olarak karşışığı varsa, her kütlenin de bir enerji olarak karşılığı olmalıdır.
O zaman bu formulü şöyle ifade etmek mümkündür.
E=MC2....
Şimdi gelelim asıl konumuza..
Işık hızının gözlemcinin hızından bağımsız olduğu kuramını örneklerle açıklamaya çalışalım......
Çok ileri teknolojiye sahip bir uygarlıkta yaşadığımızı ve saniyede 250 bin km hızla hareket eden bir uzay gemisi satın aldığımızı düşleyelim. Bu uzay gemisi ile saniyede 300 bin km hızla hareket eden bir ışık huzmesini izlemeye karar veriyoruz. Ayrıca uzay gemisinin hızını kesin olarak bilmiyoruz. Saniyede 250 bin km’den daha hızlı hareket etmesi olasalığı var. Bu vesile ile onun maksimum hızını da ölçeceğiz. Çok güvendiğimiz bir arkadaşımızdan bize start vermesini istiyoruz. Arkadaşımızın elinde bir lazer silahı var. Üçe kadar sayacak ve bu silahı boşluğa doğru ateşleyecek. Biz de aynı anda uzay gemisinin warp motorunu ateşleyeceğiz.
Arkadaş 1, 2, 3 start komutunu veriyor ve lazer silahının ateşliyor. Biz de aynı anda warp motorunu ateşliyoruz. Yarış başlıyor.
Newton’a göre zaman ve uzay absolüdür. Arkadaşımız bizi uzaktan izliyor ve lazer ışık huzmesinin saniyede 300 bin km hızla, bizim ise uzay gemisi ile, ancak saniyede 250 bin km hızla gittiğimizi gözlemliyor. Newton’a göre, arkadaşın ışık huzmesinin bizden saniyede 50 bin km hızla uzaklaştığını görmesi gerekiyor. Ayrıca uzay gemisi ile ışık huzmesini izlemekte olan bizim de aynı şeyi görmemiz, ve ışığın hızını saniyede 50 bin km olarak ölçmemiz gerekir.
Bir süre sonra yarış bitiyor ve arkadaşımızla bir araya geliyoruz. Uzay gemisi ile lazer ışığını izlerken ışığın hızını saniyede kaç km olarak ölçtüğümüzü soruyor arkadaş. Uzay gemisi ile ışığı izlerken bütün çabalarımıza ve warp motorunu zorlayarak hızımızı bir ara saniyede 275 bin km’ye çıkarmamıza rağmen, lazer ışık huzmesinin bizden saniyede 300 bin km hızla uzaklaştığını söylüyoruz. Biz ne kadar hızlı gidersek gidelim, bize göre ölçtüğümüz ışığın hızı hiç değişmiyor. Görünüşe göre biz ışık hızıyla bile gitsek, ışığın hızını saniyede 300 bin km olarak ölçeceğiz. Bu durumda diyebiliriz ki bizim zaman ve mesafe ölçümüz, arkadaşımızın zaman ve mesafe ölçüsünden farklı. Bu nasıl olabilir? Biz kendi saatimize güveniyoruz ve arkadaşın hesaplarına inanmıyoruz. İlk defa çok güvendiğimiz bir arkadaşımızla aramızda uyuşmazlık çıkıyor.
Bu durumu Einstein şöyle açıklıyor:
Newton’un absolü zaman ve uzay kavramları yanlış.. Yanlış olması lazım.. Çünkü geçen yüzyıl içinde yapılan yüzlerce deney ışık hızını kensini ölçenin hızından bağımsız olduğu kanıtlanmış durumda. Burası kesin.. Bilinmeyen bunun neden böyle olduğu..
Einstein’a göre zaman ve uzay relatif.....
Işık hızı sabit ama uzay ve zaman onları ölçenlere göre değişiyor.
Herbirimizde kendimize ait güvenilir bir saat olsun. Onunla aradan geçen zamanı ölçelim. Newton’a göre, diğerlerine göre hareket ettiğimiz zaman bu saatlerin uyuşması lazım ama, nedense bu saatler uyuşmuyor. Hepsi de iki olay arasında geçen zamanı farlı olarak gösteriyor.
Mesafe için de aynı şeyleri söyleyebiliriz. Hareket ederken elimizde güvendiğimiz bir ölçü olduğunu düşünelim. Birbirimize göre hareket etmeye başladığımız an ölçülerin de değiştiğini gözlemliyoruz. Aynı mesafe için farklı ölçüler ortaya çıkıyor. Belli olaylar arasındaki mesafeyi her biri farklı olarak ölçüyor. Uzay ve zaman bu şekilde davrandıkları için ışık hızı değişmiyor. Hep sabit kalıyor. Işık hızını sabit yapmak için uzay ve zaman bu şekilde davranıyor... Einstein’ın iddiası bu......
Bu iddia günlük yaşamımızda karşılaştığımız olgular ve sağduyumuzla çelişiyor.
Einstein’ın bu akıl almaz iddiası nasıl açıklanabilir?
Gelecekte yaşadığımızı düşlediğimiz ileri teknolojiden günümüze dönelim ve kendimize ucuz bir motorsiklet alalım. En fazla saatte 100 km hızla gidebilsin. Onunla kuzeye doğru giden bir yolda, saatte 100 km hızla ilerliyoruz. Bu yol ilerde kuzey-doğuya doğru yönelen başka bir yolla birleşiyor ve bu keresinde kuzey-doğu’ya doğru aynı hızla ilerliyoruz. Bu durumda kuzeye olan hareketimiz artık saatte 100 km değil. Çünkü hızın bir kısmı ile doğu’ya doğru hareket etmeye başladık. Kuzey yönünden hız çaldık. Daha az bir hızla kuzey’e doğru ilerliyoruz. Bu basit gözleme dayanarak Einstein’ın bu ilginç kuramına şöyle açıklayabiliriz:
Objeler uzay içinde ilerlerler.. Bunu çok iyi biliyoruz.. Ama objeler aynı zamanda zaman içinde de ilerlerler. Hiç bir şekilde hareket etmeseniz bile, içinde bulunduğunuz ortamda mevcut objelerle birlikte, zaman içinde hareket halindesiniz. Uzay içinde hareket etmeyebilirsiniz ama, her zaman zaman içinde hareket etmek zorundasınız. Newton zaman içinde hareketin, uzay içindeki hareketten çok farklı olduğuna inanıyordu. Ama Einstein öyle düşünmüyor.. Einstein’a göre uzay ve zaman içinde yapılan hareketler birbirleri ile yakından ilgili.
Sokakta hareketsiz durmakta olan bir otomobile bakın... Uzay içinde hareket etmiyor. Hareketsiz durmasına rağmen otomobil, zaman içinde hareket ediyor. Zaman geçiyor. Otomobil, şöförü, içindeki yolcular, ona bakan siz ve diğerleri hep birlikte zaman içinde senkronize bir hareket halindesiniz. Uzay içinde hareket etmiyorsunuz. Yalnız zaman içinde hareket ediyorsunuz. Yani zaman hepinize göre aynı hızla geçiyor. Her biriniz için aynı saniyeler söz konusu..
Şimdi her şeyin durarken yalnız otobobilin hareket ettiğini düşünün.. Bu durumda diyebiliriz ki otomobil yalnız zaman içinde değil, aynı zamanda uzay içinde de hareket ediyor. Otomobilin zaman içinde yaptığı hareket ne ise (ki bu durumda hareketsiz durmak) o, bu keresinde, uzay içinde yapılan bir harekete de katılıyor. Uzay içinde yapılan hareket, zaman içindeki hareketten çalıyor. Kuzey istikametine giderken, doğuya dönmenin, kuzeye gitmeden çalması gibi, uzay içinde yapılan hareket, zaman içinde yapılan hareketten çalıyor. Hareketsiz durmak da bir tür harekettir. Sıfır harekettir. Yani matematik olarak böyle ifade edilebilir. Hareketin yavaş olduğu ve sonra hızlandığı da düşünülebilir. Kuzeyden doğuya doğru dönünce nasıl kuzeye doğru olan hızınız azalıyorsa, zaman içinde hareket ederken, uzay içinde de hareket etmeye başlayınca, zaman içindeki hareketimiz yavaşlıyor.. Otomobil hareket etmeye başlayınca zaman içinde yapılan hareketin bir kısmı uzay içinde de yapılmaya başlıyor. Bu demektir ki, otomobilin zaman içindeki hızı, uzay içinde hareket ettiği zaman yavaşlıyor. Otomobil içinde olan için, dışarda hareketsiz duran size ve diğerlerine oranla zaman, daha yavaş geçmeye başlıyor. Aynı olguyu otomobilin içinde ve dışında olanlar farklı hızlarla algılıyorlar.
Motorsikletle kuzeye doğru giderken doğu yönüne dönmeniz örneğine geri dönelim. Saatte 100 km’den daha hızlı gidemiyorsunuz. Eğer gidebilseydiniz, doğuya doğru dönünce hızınızı biraz artırabilir ve kuzeye doğru olan hızınızdan fedakarlık yapmazdınız. Ama hızınızı artıramadığınıza göre, kuzeyden ne kadar çok saparsanız, kuzeye doğru olan hızınızdan o kadar çok kaybedeceksiniz.. Kuzeye ve doğuya olan hızlarınızın toplamı saatte 100 km’yi geçemez. Bu sizin motorsikletin hız limiti.. Hepsi o kadar. Dolayısıyla doğuya doğru olacak her sapma, kuzeye olan hızdan çalacaktır. Buna mecburdur.
Işık hızı sabit olmasaydı, Einstein’ın bu kuramı doğru olmayacaktı. Ama ışık hızı sabit olduğundan uzay ve zaman içinde yapılan hareketlerin toplamı ışık hızını aşamaz. Veya bunu şöyle de ifade edebiliriz. Uzay ve zaman içinde yapılan hareketlerin toplamı ışık hızı ile sınırlıdır. Işık hızını geçemez.
Bu durumda biz bir objenin zaman ve uzay içinde yaptığı hareketten bahsediyoruz. Bu hareketler birbirlerini tamamlıyorlar. Duran otomobil harekete geçince onun zaman içinde yaptığı ışık hızı ile ilgili hareketinin bir kısmı, uzay içindeki hareketine dönüşeceği ve bu iki değerin toplamı ışık hızını geçemeyeceği için, otomobilin zaman içinde yapacağı hareketin hızı yavaşlamak zorundadır...
