Ernest Mach’ın fizikteki Mach ilkesi, prensibi nedir? Nasıl açıklanabilir, neyi içerir? Örneklerle Mach ilkesinin anlatımı.
Mach İlkesi
Atlıkarıncada dönen bir çocuk uzaktaki yıldızlar tarafından yukarı doğru çekilir. Bu Mach ilkesidir: Oradaki kütle buradaki eylemsizliği etkiler. Kütleçekim etkisiyle, uzaktaki nesneler yakındaki nesnelerin hareketlerini ve dönüşlerini etkiler. Peki bunun sebebi nedir ve bir şeyin hareket edip etmediğini nasıl anlayabiliriz?
Tren istasyonunda bir trene bindiğinizde şöyle bir şey muhtemelen sizin de başınıza gelmiştir: Yan perondaki tren hareket ettiğinde bir an için kendi treninizin mi yoksa yandaki trenin mi hareket ettiğini bilemeyip karıştırmışsınızdır. Hangisinin hareket ettiğini kesin olarak bilmenin bir yolu var mıdır?
Avusturyalı fizikçi ve düşünür Ernst Mach 19. yüzyılda kafasını bu soruya takmıştı. Mach büyük Isaac Newton’ın izinden gidiyordu ama Mach’ın tersine Newton uzayın mutlak bir arkaplan oluşturduğuna inanıyordu. Newton’ın uzayı, tıpkı grafik kağıdı gibi ızgara şeklinde bir koordinat sistemi içeriyordu. O da bütün hareketleri bu sabit ızgara sistemine göre ifade ediyordu. Ancak Mach buna katılmıyor, hareketin bir ızgara sistemine göre değil, ancak bir başka nesneye göre ölçülmesinin anlamlı olduğunu ileri sürüyordu. Bir başka nesneye göre olmayan hareketin ne anlamı olabilirdi?
Newton’ın rakibi Gottfried Leibniz’in eski fikirlerinden etkilenen Mach, yalnızca göreli hareketin bir anlamı olduğunu düşünme konusunda Albert Einstein’ın öncüsüydü. Mach’a göre bir top Fransa’da da olsa, Avustralya’da da olsa hep aynı şekilde yuvarlanacağına göre, uzayın ızgara sisteminin konuyla ilgisi yoktu. Topun yuvarlanmasına etki edebilecek tek şey kütle-çekimdi. Top Ay’dayken farklı yuvarlanabilir, çünkü orada topun kütlesini çeken kütleçekim kuvveti daha zayıftır. Evren’deki her nesne diğer tüm nesnelere kütleçekim kuvveti uyguladığından, tüm nesneler diğerlerinin varlığını bu karşılıklı etkileşim aracılığıyla hisseder. Bu nedenle hareket en nihayetinde uzayın kendi özelliklerine değil, maddenin, yani kütlenin dağılımına bağlı olmalıdır.
Kütle
Kütle tam olarak nedir? Bir nesnenin içerdiği madde miktarının ölçüsüdür. Bir parça metalin kütlesi, o metal parçasını oluşturan tüm atomların kütlelerinin toplamına eşittir. Kütle, ağırlıkla aynı şey değildir. Ağırlık, bir kütleyi aşağı çeken kütleçekim kuvvetinin bir ölçüsüdür. Bir astronotun Ay’daki ağırlığı Dünya’dakinden azdır, çünkü daha küçük olan Ay’ın astronota uyguladığı kütleçekim kuvveti daha düşüktür. Ama astronotun kütlesi Ay’da da, Dünya’da da aynıdır, çünkü içerdiği atomların sayısı değişmemiştir. Madde ile enerjinin birbirinin yerine konabileceğini gösteren Albert Einstein’a göre kütle saf enerjiye dönüştürülebilir. Yani kütle de sonuçta enerjidir.
Eylemsizlik
Eylemsizlik (inertia) sözcüğü “tembellik” anlamındaki Latince bir sözcükten gelir. Kütleye çok benzer ama aynı şey değildir; kuvvet uygulanan bir nesnenin hareket etmesindeki güçlüğü anlatır. Eylemsizliği büyük olan bir nesne hareketini değiştirmeye direnir. Uzayda bile, durmakta olan büyük kütleli bir nesneyi, hareket ettirmek için büyük bir kuvvet gerekir. Dünyaya doğru ilerleyen dev bir asteroidin çarpmasını engellemek için devasa miktarlarda ittirmek gerekir. Böyle bir ittiriş nükleer bir patlamayla sağlanabileceği gibi, küçük ama çok daha uzun süre uygulanan bir kuvvetle de sağlanabilir. Eylemsizliği asteroitten çok daha az olan bir uzay aracına minicik jet motorlarıyla kolayca manevra yaptırılabilir.
Eylemsizlik ilkesini İtalyan gökbilimci Galileo Galilei 17. yüzyılda bulmuştur. Buna göre bir nesne kendi başına bırakılır ve ona hiçbir kuvvet uygulanmazsa, hareketinde bir değişiklik olmaz. Yani hareket halindeyse aynı yönde ve aynı hızla ilerlemesini sürdürür, hareketsizse durmaya devam eder. Newton bu fikri geliştirmiş ve kendi hareket yasalarının ilkini oluşturmuştur.
Newton’un Kovası
Newton’in kovası
Newton kütleçekimi de formüle dökmüştür. Kütlelerin birbirini çektiğini görmüştü. Elma ağaçtan yere düşer çünkü Dünya’nın kütlesi tarafından çekilir. Aynı şekilde Dünya da elmanın kütlesi tarafından çekilir ama Dünya’nın elmaya doğru mikroskobik kaymasını ölçmemiz o kadar kolay değildir.
Newton kütleçekim etkisinin uzaklıkla birlikte hızla azaldığını kanıtlamıştır. Örneğin Dünya’dan uzaklaştıkça kütleçekim kuvvetinin etkisi büyük bir hızla azalır. Ama hiçbir zaman tam olarak sıfırlanmaz. Dolayısıyla hareketimizin üzerinde hep bir etkisi olur. Aslında Evren’deki her nesnenin hareketlerimiz üzerinde -fark edilemeyecek denli az da olsa- bir kütleçekim etkisi vardır.
Newton topaç gibi dönmekte olan bir kova su düşünerek nesnelerle hareket arasındaki ilişkiyi anlamaya çalıştı. Kova döndürülmeye başlandığında su sabit kalır. Sonra su da dönmeye başlar. Sıvı kenara sürünerek kaçmaya çalıştıkça yüzeyi çukurlaşır ama kovanın sınırlayıcı kuvvetiyle yerinde kalır. Newton suyun dönüşünün yalnızca mutlak uzayın sabit referans sistemi içinde -onun ızgara sistemine göre- ele alındığında anlaşılabileceğini ileri sürer. Bu sistemde, kovanın dönüp dönmediğini yalnızca kovaya bakarak söyleyebiliriz ve suyun yüzeyini içbükey yapan kuvvetleri iş başındayken görebiliriz.
MACH İLKESİ ÖZETLE: HAREKET İÇİN KÜTLE ÖNEMLİDİR
Yüzyıllar sonra Mach bu argümanı baştan ele aldı. Peki ya Evren’deki tek şey su dolu kova olsaydı ne olurdu? Dönenin kova olduğun nasıl bilebilirdik? Dönerin kova değil de su olduğunu da iddia edemez miydik? Ayrımı görmenin tek yolu kovanın evrenine bir başka nesne daha yerleştirmektir. Örneğin bir oda duvarı veya uzakta bir yıldız. O zaman kovanın ona göre dönüyor olduğu açıkça anlaşılacaktır. Ama duran odanın ya da sabit yıldızların referans çerçevesi olmaksızın, dönenin kova mı yoksa su mu olduğunu kim söyleyebilir? Gökyüzünde ilerleyen Güneş’e ve yıldızlara baktığımızda da aynı şeyi yaşarız. Dönen yıldızlar mı, yoksa Dünya mıdır? Nasıl bilebiliriz?
Mach ve Leibniz’e göre hareketi anlayabilmemiz için referans alabileceğimiz başka nesnelerin bulunması gerekir. Bu nedenle eylemsizlik kavramı, içinde tek bir nesne bulunan bir evrende anlamsızdır. Yani Evren’de hiç yıldız olmasaydı, Dünya’nın döndüğünü anlayamazdık. Yıldızlar bize kendilerine göre dönüyor olduğumuzu söyler.
Mach ilkesinde ifade edilen mutlak hareket ve göreli hareket fikirleri başta Einstein olmak üzere -ki “Mach ilkesi” adını o koymuştur- birçok fizikçiye esin kaynağı olmuştur. Einstein tüm hareketlerin göreli olduğu fikrini alarak özel ve genel görelilik kuramlarını oluşturmuştur. Ayrıca Mach’ın fikirlerinden yararlanarak o güne dek yanıtlanmamış sorulardan birini de çözmüştür: Dönmenin ve ivmelenmenin ek kuvvetler yaratması gerekir. Peki bunlar nerededir? Einstein’ın gösterdiği üzere, Evren’deki her şey Dünya’nın çevresinde dönüyor olsaydı, gezegenimizin belli bir şekilde yalpalamasına neden olan küçük bir kuvvetin hissedilebiliyor olması gerekirdi.
Uzayın doğası biliminsanlarmı binlerce yıldır şaşırtmayı sürdürmektedir. Modern parçacık fizikçileri bu doğayı atomaltı parçacıkların sürekli yaratılıp yok edildiği, kaynayan bir kazana benzetir. Kütle, eylemsizlik, kuvvetler ve hareket, hepsi en nihayetinde fokurdayan bu kuântum çorbasının dışavurumları olabilir.
