Evrene olan bakış açımızı büyük ölçüde değiştiren teorilerden biri olan Özel Görelilik İlkesi Albert Einstein’i bilim dünyasına tanıtan ilk çalışmasıydı. 1905 yılında Albert Einstein tarafından öne sürülen özel görelilik ilkesi iki postülaya dayanmaktadır:
- Fizik yasaları herhangi bir eylemsiz bir referans çerçevesinde aynıdır.
- Işığın hızı vakumda tüm gözlemciler için aynıdır, gözlemciler hareketli olsalar bile.
Newton mekaniğinde olduğu gibi, doğa yasalarının tüm gözlemcilere aynı görünmesi (Newton mekaniği mutlak bir uzay ve mutlak bir zamanı tanımlıyordu) gibi farklı gözlemciler tarafından kullanılan ilgili uzay-zaman koordinatlarından oluşan bir dizi matematiksel dönüşümler vardır. Ancak özel görelilikte uzay-zaman dönüşümleri gözlemcinin hızına bakılmaksızın sabit olan ışık hızının bıraktığı temel bir özelliktir. Bu dönüşümler çok sayıda şaşırtıcı görelilik etkilerinin ortaya çıkmasını sağlar (uzayın ve zamanın mutlak olmaması gibi).
Özel görelilik ilkesi herhangi bir maddesel cismin ışık hızına ulaşana kadar hızlanamayacağını söyler ve bu da yıldızlararası yolculukların pratikte olamayacağını gösterir ama yakın yıldızlara bir ihtimal yolculuklar yapılabilir. Ancak, özel görelilik ilkesi ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimler (çok hızlı bir uzay aracı ve mürettebatı) için özel bir şart da sağlayabilir. Çünkü bu hızlarda zaman yavaşlar, özel görelilik ilkesine göre. Teoride, bu zaman genişlemesi astronotlar çok kısa sürelerde de olsa yeterince yüksek hızlarda hareket ettiklerinde -örneğin yörüngedeki uzay istasyonunda kaldıklarında- zaman genişlemesine uğrayarak sanki zamanda yolculuk yapmış gibi olabilirler. Bu problem zaman genişlemesi olayının Dünya’da evinde kalanlar için etki etmez, yani yıldızlararası geçiş yapan astronotlar olursa zamanın alt üst olması gibi rahatsız edici bir olguya katlanmaları gerekir.
Einstein’i Özel Görelilik İlkesine Götüren Yol
Albert Einstein 16 yaşındayken kariyerine damgasını vuracak düşünce deneylerine başlamıştı. Eğer bir ışık demeti veya bir ayna ile ışık hızında hareket ederken aynaya veya ışık demetine baktığınızda ne görürdünüz? Einstein bunu merak ediyordu. Aradan geçen 10 yılın ardından, Einstein uzay, zaman ve ışığın doğası üzerine sorular sormaya devam etti ve birbiri ile göreli bir şekilde hareket eden cisimlerin bütün durumları ele alınsaydı fiziğin nasıl değişeceğini sormaya devam etti. Şaşırtıcı bir şekilde Bern patent ofisinde üçüncü sınıf bir teknik uzman olarak çalışırken Einstein fizikte bir devrime neden olacak bir çalışmaya imza attı. Akademiden uzakta, Avrupa’nın saygın üniversitelerindeki seçkin profesörlerin duymadığı Albert Einstein zaman kavramını ve ışık hızı ile bir gözlemcinin hızı arasındaki ilişkiyi insanlara yeniden düşündürdü.
Eğer ışığın hızı evrensel bir sabit olursa, ve sonra hızların Galileo’nun klasik görelilik eklemesi işe yaramaz. Galileo ve Newton fiziğine göre, eğer raylar boyunca hareket eden bir trenin koridorunda yürürseniz, sonra sizin hızınız yere göre trenin hızı artı yürüme hızınız olur. Bu iyi bir sağduyuyla doğruymuş gibi görünüyor. Aynı şekilde, eğer trenin önünde bir lamba bulunursa Newton fiziğine göre lamba ışınlarının hızı trenin hızı artı ışığın hızına denk olduğu düşünülür. Fakat eğer ışığın hızı kaynağın nasıl hareket ettiğine bağımlı değilse, ki Einstein buna inanıyordu, bu basit ekleme doğru olmayabilirdi, diğer taraftan siz ışık bariyerini kolayca kırmış oluyordunuz.
Işığın hızı her zaman aynı ise, o zaman uzay ve zaman değiştirilebilir olmalıdır. Einstein’ın düşüncesine göre uzay ve zamanın evrene karşı sabit bir zemin oluşturduğu kavramı yani Newton’un bakış açısı yanlıştı. Uzay ve zaman, uzunluk ve süre gözlemcinin göreli hareketine bağlı olarak farklı ölçülebilirdi.
19. yüzyılın sonlarında yapılan Michelson-Morley deneyi özel göreliliğin aslında önünü açmış oldu. Michelson girişimölçeri olarak bilinen bir cihaz kullanılarak, Michelson ve Morley Güneş’in etrafında hareket eden Dünya’nın yönüne dik ve paralel hareket eden ışık demetleri için ışığın hızındaki farkı ölçmeyi denediler. Michelson ve Morley Dünya’nın yörünge hızının fark oluşturmasını beklediler. Ancak deney beklendiği gibi olmadı. İki yönde hareketlenen ışık demetlerinin hızında bir fark ölçmek mümkün olmadı. Bu sonuçla, aslında Michelson ve Morley deneyinin beklenmedik sonucu Özel Görelilik İlkesi’nin oluşmasına yol açtı. Böylece Michelson-Morley deneyi bilim tarihinde en önemli olumsuz sonuçlanan deney olarak geçmiştir.
Michelson-Morley deneyinin neden beklendiği gibi olmadığını anlamak yerine, Albert Einstein bu deneyin sonucunu düşüncelerine başlangıç noktası olarak aldı. Ardından basit bir kabulle ışığın hızının evrende temel bir sabit olduğunu ve herhangi bir referans çerçevesindeki tüm gözlemcilerin ışığın hızını aynı değerde ölçeceklerinin varsayımını yaptı. Burada Albert Einstein’in Michelson-Morley deneyinden etkilendiğine yönelik tarihsel tartışmalar olsa da, çoğu kişi deney yapılamasaydı bile bu varsayımın yapılabileceğini düşünüyor. Her halükarda, Einstein’in varsayımı herhangi bir hızda hareket eden gözlemcilerin ışığın hızını aynı ölçeceğini söyleyen özel görelilik kuramının önünü açmış oldu. Temel olarak eğer ışığın hızı farklı hızlarda hareket eden farklı gözlemciler için değişmezse, uzunluk ve zaman gibi diğer şeyler de değişmelidir. Albert Einstein yaptığı bu varsayımı sayesinde çok sayıda şaşırtıcı sonuçlar elde etti.
1905 yılında Albert Einstein‘in yayınladğı Özel Görelilik Teorisi, bazı önemli noktaları içeriyordu:
- Uzay-zaman: Uzay ve zaman iki açıkça farklı nicelikten ziyade temelde birbiriyle bağlantılı niceliklerdir. Zaman üç uzaysal boyutu (en, boy ve yükseklik) tamamlayan dördüncü boyuttur.
- Eşzamanlı olaylar: İki olayın eş zamanlı olup olmadığı gözlemciye bağlıdır. Bir gözlemci iki olayı eş zamanlı olarak gerçekleşiyormuş gibi görebilir, diğeri ise olaylardan birinin daha önce oluştuğunu ve bir üçüncü gözlemci ise diğer olayın daha önce gerçekleştiğini söyleyebilir. Yani uzay ve zamanın mutlak olmadığını ifade edebiliyoruz.
- Lorentz daralması: Işık hızına yakın hızlarda hareket eden bir cisim duran bir gözlemci tarafından daha kısaymış gibi görünecektir. Bu daralmanın miktarı cismin hızına bağlıdır, ve cismin uzunluğu da cismin hızı ışık hızına yaklaştıkça sıfıra yaklaşacaktır. Cisim ile birlikte hareket eden bir gözlemci için cismin uzunluğu normal olarak görünecektir.
- Zaman genişlemesi: Duran bir gözlemci tarafından dışarıdan görüldüğü gibi, zaman hızı ışık hızına yaklaşan bir cisim için daha yavaş akacaktır. Işık hızında ise dışarıdan bir gözlemciye göre zaman duruyor gibi olacaktır. Cisim ile birlikte hareket eden bir gözlemci için her şey normal olarak görünür.
- Kütle artması: Hızı ışık hızına yakın hızlarda olan bir cismin kütlesi dışarıdan bir gözlemciye göre artacaktır. Kütle cismin hızı ışık hızına yaklaştıkça sonsuza yaklaşacaktır. Cisim ile birlikte hareket eden gözlemci için cismin kütlesi aynı kalır.
- Işık hızının sınırı: Bir cismin hızı ışık hızına yaklaştıkça o cismin kütlesi sonsuza yaklaşır. Böylelikle, ışık hızına sahip bir kütleli cismi hızlandırmak için sonsuz bir dış kuvvet uygulamak gerekirdi. Bu nedenle ışık (fotonlar) ve kütleye sahip olmayan herhangi bir şey, ışık hızında hareket edebilir. Fakat kütlesi olan bir cismin hızı ışık hızına ulaşamaz. En iyi ihtimalle bir cismin hızı en fazla ışık hızına yaklaşabilir. Vakumda hiçbir şey ışık hızından daha fazla bir hıza sahip olamaz. Vakumdaki ışığın hızı evrendeki en üst hız sınırıdır.
- E=mc² : E enerji, m kütleyi ve c² ışık hızının karesini temsil etmektedir. Bu ünlü bağıntıya göre kütle ve enerji birbirine dönüştürülebilir niceliklerdir. Madde enerjiye dönüşebilir veya tam tersi. Bu bağıntılar maddenin ne kadarlık bir enerji miktarına karşılık geldiğini bize söyleyebilen bir tür dönüşüm faktörüdür. Örneğin, nükleer reaksiyonlarda kütlenin bir kısmı bu denkleme göre enerjiye dönüştürülmektedir.
Bu yazıda ve özel görelilik ilkesini anlatmaya devam edeceğimiz gelecek yazılarımızdaki söz konusu relativistik etkiler bize garip görünüyor olabilir. Çünkü bu etkiler ışık hızının yani saniyede 300.000 kilometrenin en az %10’luk durumdaki hızlarda önemli hâle gelir. Biz herhangi bir şekilde bu hızlara yakın hızlarda hareket edemeyeceğiz ve bu nedenle bu etkileri asla deneyimleyemeyebiliriz. Ancak bu hızlara ivmelendirilen atom altı parçacıklarla yapılan deneylerde Albert Einstein’in özel görelilik ilkesi ile ilgili yaptığı tüm öngörülerin doğrulandığını söyleyebiliriz.
Başka bir görelilik teorisi daha var Einstein’ın, özel görelilik teorisini yayınladıktan yaklaşık 10 yıl sonra Albert Einstein genel görelilik teorisini de yayınladı. Bu ünlü teoriyi de KBT Bilim Sitesi’nde ele alacağız. Bizi takip etmeye devam edin.
Gelecek yazıda görüşmek üzere (Facebook’taki Kuark.Org isimli sayfamızdan ya da e-posta adresinizi bırakarak yeni yazılarımızdan haberdar olabilirsiniz).
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- http://suite101.com/a/einsteins-special-relativity-a16321
- http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/spectheo.html
- http://www.acikders.org.tr/pluginfile.php/391/mod_resource/content/0/odevler/relativity2.pdf
- http://tr.wikipedia.org/wiki/%C3%96zel_g%C3%B6relilik
- http://www.kuark.org/2012/05/isiktan-hizli-parcaciklar-ve-ozel-gorelilik-kurami/