Albert Einstein’ın Özel Görelilik Kuramı, İzafiyet Teorisi Nedir?
Özel Görelilik Kuramı, Albert Einstein tarafından 1905’te Annalen der Physik dergisinde, “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” adlı 2. makalesinde açıklanmış ve ardından 5. makalesi “Bir cismin atıllığı enerji içeriği ile bağlantılı olabilir mi?” başlıklı makalesiyle pekiştirilmiştir.
Göreleliğin Özel Teoremi 1905 yılında Albert Einstein tarafından “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” isimli yayınında ortaya atılmıştır. Üç yüz yıldan fazla yıl önce Galileo’nin Görelilik Prensibi, zamanla değişmeyen hareketin göreceli olduğunu; mutlak ve tam olarak tanımlanmış bir hareketsiz halinin olamayacağını önermekteydi. Galileo’nin ortaya attığı fikre göre; dış gözlemci tarafından hareket ettiği söylenen bir gemi üzerindeki bir kimse geminin hareketsiz olduğunu söyleyebilir. Einstein’ın teorisi, Galileo’nin Görelelik Prensibi ile doğrusal ve değişmeyen hareketinin durumu ne olursa olsun tüm gözlemcilerin ışığın hızını her zaman aynı büyüklükte ölçeceği önermesini birleştirir.
Bu teorem sezgisel olarak algılanamayacak, ancak deneysel olarak kanıtlanmış birçok ilginç sonuca varmamızı sağlar. Özel görelilik teoremi, uzaklığın ve zamanın gözlemciye bağlı olarak değişebileceğini ifade ederek Newton’ın mutlak uzay zaman kavramını anlamsızlaştırır. Uzay ve zaman gözlemciye bağlı olarak farklı algılanabilir. Bu teorem, madde ile enerjinin ünlü E=mc2 formülü ile birbirine bağlı olduğunu da gösterir (c ışık hızıdır). Özel görelilik teoremi, tüm hızların ışık hızına oranla çok küçük olduğu uygulama alanlarında Newton mekaniği ile aynı sonuçları verir.
Teoremin özel ifadesiyle anılmasının nedeni, görelilik ilkesinin yalnızca eylemsiz gözlem çerçevesine uygulanış şekli olmasından kaynaklanır. Einstein tüm gözlem çerçevelerine uygulanan ve yerçekimi kuvvetinin etkisinin de hesaba katıldığı Genel Görelelik Teoremini geliştirmiştir. Özel Görelelik yerçekim kuvvetini hesaba katmaz ancak ivmeli gözlemcilerin durumunu da inceler.
Özel Görelelik, günlük yaşamımızda mutlak olarak algıladığımız, zaman gibi kavramların göreli olduğunu söylemesinin yanı sıra, sezgisel olarak göreceli olduğunu düşündüğümüz kavramların ise mutlak olduğunu ifade eder. Birbirlerine göre hareketi nasıl olursa olsun tüm gözlemciler için ışığın hızının aynı olduğunu söyler. Özel Görelilik, c katsayısının sadece belli bir doğa olayının -ışık- hızı olmasının çok ötesinde, uzay ile zamanın birbiriyle ilişkisinin temel özelliği olduğunu ortaya çıkarmıştır. Özel Görelilik ayrıca hiçbir maddenin ışığın hızına ulaşacak şekilde hızlandırılamayacağını söyler.
Kurama Genel Bakış
Kuram olarak Görelilik, ilk olarak Galileo Galilei’nin hızlarla ilgili düşüncesinde ortaya çıkmıştır. Galilei’ye göre sabit hızla giden bir gözlemci veya sabit duran gözlemci aynı fiziksel yasaları kullanmalıdır. Örneğin sabit hızla giden bir gemide yukarı doğru bir taş atarsanız aynı yere düşecektir – sabit durduğunuzda olduğu gibi. Bu anlayış Newton fiziğinde formülasyona dökülmüştür. Sabit hızla giden bir cisim veya sabit duran bir cisim için geçerli olan Newton denklemlerinin şekli aynıdır. Burada şunu belirtmekte fayda var. Sabit hızla giden bir cisim gözlemciye göre tanımlanmaktadır. Eğer bir cisimle beraber aynı sabit hızla gidiyorsanız sizin için cisim hareketsiz görünecektir. Fakat dışarıdan bakan bir gözlemci için cisim hareketli kabul edilir. Görelilik kelimesi burada ortaya çıkmaktadır. Bizim gözlemlediğimiz hızlar mutlak değildir. Ancak gözlemciye göre tanımlanmaktadır. Ama gözlemlenen olay için geçerli olan yasaların şekli aynıdır.
Sabit hızla giden (ivmelenmeyen) referans sistemlerine eylemsiz referans sistemi denir. Bu kavramın özel görelilik kuramında çok önemli bir yeri vardır. Özel görelilik kuramına göre hiç bir eylemsiz referans sisteminin bir diğerine bir üstünlüğü yoktur ve hepsinde yapılan gözlemler aynı derecede geçerlidir.
Düzgün-doğrusal hareketli cisimlerin elektrodinamiğinde Einstein şunları keşfetmişti:
– Bizler 3 uzay ve 1 zaman boyutunun meydana getirdiği, 4 boyutlu uzay-zaman evreninde yaşıyoruz.
– Zaman boyutu ve akışı, hareketli cisimlerin hızına bağlıdır.
– Kütle, hareketli cisimlerin hızına bağlıdır.
– Cismin hareket doğrultusundaki boyu, cismin hızına bağlıdır.
– 4 boyutlu evrende “aynı anda olma” kavramı da mutlak değildir, görelidir, yani aynı andalık gözlemciden gözlemciye değişir.
– Farklı hızda hareket eden cisimlerin uzay-zaman referansları birbirinden farklıdır.
– Işık hızı evrendeki üst hız limitidir.
– Özel görelilik kuramının gücü ve sağlamlığının en önemli nedeni, sadece iki kabullenim (postulate) üzerine inşa edilmiş olmasıdır.
Bu kabullenimler:
– Fizik yasaları evrenin her yerinde ve bütün eylemsiz referans sistemlerinde aynı şekilde işler.(Bu kabullenim evrensel bir referans sitemin yokluğundan kaynaklanmaktadır.Eğer fizik yasaları birbirine göre bağıl harekette bulunan farklı gözlemcilere göre farklı olsalardı ;gözlemciler,bu farklılıkları kullanarak uzayda hangisinin “durgun”,hangisinin “hareketli” olduklarını bulabilirlerdi.Fakat böyle bir farklılık yoktur ve görelilik ilkesi bu gerçeğin ifadesidir.)
– Işığın hızı, bütün eylemsiz referans sistemlerinde aynı ve sabittir.
– Kuramın temel aldığı bu iki kabullenimden biri çürütülemediği sürece kuram doğruluğunu koruyacaktır.
Kuramın Öngörüleri
Özel görelilik, kendi zamanı için inanılması güç pek çok öngörülerde bulunmuştur, bunlardan en önemlileri:
– Cisimler hızlandıkça zaman cisim için daha yavaş akmaya başlayacaktır, ışık hızına ulaşıldığında zaman durmalıdır.
– Cisimler hızlandıkça kinetik enerjilerinin bir kısmı kütleye dönüşür, durağan kütleye sahip cisimler hiçbir zaman ışık hızına erişemeyeceklerdir.
– Cisimler hızlandıkça hareket doğrultusundaki boyları kısalmaya uğrayacaktır.
– Özel görelilik, mantığımıza ve sağ duyumuza aykırı bir evren tanımladığından bilimciler 100 yılı aşkın bir süredir bunun doğruluğunu gözleri ile görmek ve bir açık bulmak umudu ile deneyler yapıp durmaktadırlar. Bu öngörülerin pek çoğu 1905’dan günümüze dek defalarca denenmiş ve doğru çıkmıştır:
– İçlerinde çok hassas atom saatleri taşıyan uçaklar değişik yönlere doğru değişik hızlarla hareket ettirilmiş ve saatlerin kuramın hesaplarına yeterince uygun olarak yavaşladığı/hızlandığı gözlenmiştir.
– Zamandaki yavaşlamanın sadece saatte meydana gelmediğini, gerçekte yaşandığının kanıtı ilk olarak nötrino ve mü-mezon deneylerinde ortaya çıkmıştır. Güneşten dünyamıza gelen nötrino ve müonların ışık hızına çok yaklaştıkları (%99.4) için ömürlerinin (yaşam sürelerinin) Dünya’da üretilen durağan olanlara göre çok daha uzun olduğu görülmektedir.
– Parçacık hızlandırıcılarındaki hızlandırma deneylerinde bugüne kadar kütlesi olan hiçbir cisim, atom veya elektron ışık hızına çıkarılamamıştır. Hız arttıkça kütlesi de arttığı için ivmelendirilmesi zorlaşmaktadır.
Genel görelilik kuramı, ivmeli devinim ile kütleçekimi açıklamasını özel göreliliğe birleştiren, genelleyen kuramdır. 1916’da Einstein tarafından ortaya konmuştur. Genel görelilikten önce, Newton’un kütleçekim kuramı geçerli kabul ediliyordu.
Newton’un formülleri (yatay atış, dikey atış vb) bugün de duyarlılık gerektirmeyen uygulamalarda geçerlidir. Ancak aya roket göndermek gibi duyarlı işlerde Einstein formülleri kullanılmaktadır. Genel olarak Newton mekaniğinde Kuvvet (F), Görelilik kuramında ise Kütle (M) önemli ve önceliklidir. Genel görelilik ile Einstein şunları ortaya çıkartmıştır:
– Yerçekimi (kütleçekimi) ve ivmeli devinim birbirinden ayırt edilemez (Eşitlik ilkesi)
– Kütle, içinde bulunduğumuz uzay-zaman’ı eğip bükmektedir.
– Yerçekimi bir kuvvet değildir, uzay-zaman’ın geometrik eğriliğinden ortaya çıkar.
– Genel görelilik, kendi zamanı için inanılması güç pek çok öngörülerde bulunmuştur; bunlardan en önemlileri:
– Eğer kütle uzay-zamanı geometrik olarak eğiyorsa, Güneşin çok yakınından geçip gelen uzak yıldızların ışıkları eğrilmiş olmalıdır. Bu eğrilik güneş çektiği için dış bükey değil de uzay-zamanın eğriliğine uygun iç bükey olmalıdır.
– Çok çok yoğun kütleler uzay-zamanı öylesine bükebilir ki, uzay-zaman kendi üstüne katlanır ve içine çöker, böylesine yoğun bir kütle görülemez çünkü ışık dahi bu uzay-zaman eğriliğinden, çökmesinden kurtulamaz.
– Kütle uzay-zamanı eğiyorsa bu eğilmeden zaman da etkileniyor(göreceli) olmalıdır. Eğilmiş zaman yavaş akmalıdır.
– Hareketli büyük kütleler etraflarındaki bir kısım uzay-zamanı da sürükleyebiliyor olmalıdır.
– Kütle uzay-zamanı eğiyorsa, kütle yakınındaki eğrilikten ilerleyen ışık, uzağındaki düzgün uzay-zamanda ilerleyenden daha uzun yol almalıdır.
– Yüksek kütleli oluşumların ani hareketleri uzay-zamanda ani değişimlere, eğrilik dalgaları oluşmasına neden olabilir.
Bu öngörülerin hemen hepsi 1916’dan günümüze dek gözlenebilmiş, defalarca kez denenmiş ve doğru çıkmıştır:
– 1919’da ilk kez İngiliz bilimciler güneş yakınından gelen ışığın eğri çizdiğini gözlemlediler. Daha sonraları yapılan bütün gözlemler eğriliğin GG’nin hesapladığı ile oldukça yakın olduğunu gösterdi.
Evrende hiç ışık vermeyen ve etrafındaki her şeyi içine çekecek kadar yoğun kütle gösteren oluşumların varlığı tespit edildi. Karadelik adı verildi.
– Kütle yakınında ve uzağında çok hassas atom saatleri ile yapılan deneylerin hepsi kütle yakınında zamanın GG’nin hesaplarına uygun olarak yavaşladığını gösterdi.
– Geçen yıl açıklandığı üzere çok hassas jiroskoplarla donatılmış LEGOS1 ve LEGOS2 uydularının 11 yıl süren ölçümleri dünyanın etrafındaki uzay-zamanı sürüklediğini ortaya koydu.
– Güneşin ardına geçen Viking uzay araçlarından dünyaya gönderilen sinyallerin olması gerekenden daha uzun sürede dünyaya ulaştığı, yani uzay-zamanın güneş tarafından eğilmesinden etkilendikleri ortaya çıktı.
– 1993’te Hulse ve Taylor, ikiz yıldızların spiral hareketinden uzay-zaman eğrilik dalgalarının oluşumunu gözleyerek Nobel kazandılar.
– Kütle, uzayı olduğu kadar zamanı da bükmektedir. Zamanın bükülmesi kütlenin merkezinde geleceği işaret eder şekildedir. Etkiyen hiçbir kuvvet olmadığı için, cisim kendi geleceğine doğru ilerlemektedir (düşmektedir).
