Özel görelilik teoremi nedir? Işık hızının uzay ve zaman ile olan ilgisi, ikizler paradoksu nedir? Özel göreliliğin anlaşılır şekilde açıklaması.
Özel Görelilik
Newton’ın hareket yasaları futbol toplarından, otomobillere ve kuyrukluyıldızlara kadar nesnelerin çoğunun hareketini tanımlar. Ama 1905’te Albert Einstein nesneler çok hızlı hareket ettiğinde birtakım garip etkilerin oluştuğunu göstermiştir. Hızı ışık hızına yaklaşan bir nesneyi izlerseniz, onun giderek daha ağırlaştığını, boyunun kısaldığını ve daha yavaş yaşlandığını görürsünüz. Bunun nedeni hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı gidemeyecek oluşudur. Bu nedenle evrensel hız sınırına yaklaştıkça zaman ve uzay deforme olmaya başlar.
Ses dalgaları havada ilerler ama hiç atomun olmadığı boş uzayda titreşimleri yol alamaz. Bu nedenle “Uzayda çığlığınızı kimse duymaz” lafı doğrudur. Ama ışık boş uzayda da yayılabilir. Güneş’i ve yıldızları gördüğümüz için bunu iyi biliyoruz. Acaba uzay özel bir şeyle, elektromanyetik dalgaların içinde yayılabileceği bir tür elektriksel havayla mı doludur? 19. yüzyılın sonunda fizikçiler gerçekten de böyle olduğunu düşünüyordu. Uzay, ışığın içinde yayılmasını sağlayan bir tür gazla, “eter”le dolu olmalıydı.
Işık hızı
Ne var ki 1887’de yapılan ünlü bir deneyle eter diye bir şeyin var olmadığı gösterildi. Dünya, Güneş’in çevresinde döndüğü için uzaydaki konumu sürekli değişir. Albert Michelson ve Edward Morley uzayda eterin sabit olduğunu varsayarak Dünya’nın onun içinde ilerleyişi sayesinde eteri saptayacak zekice bir deney tasarladılar. Birbirlerine göre dik açıyla gönderilen iki ışık ışını uzaktaki birer aynaya çarpıp yansıyıp geri döneceklerdi. Tıpkı bir yüzücünün önce akıntıya karşı yüzüp bir yere ulaştıktan sonra akıntıyla beraber geri yüzmesinde olduğuna benzer bir etkiyi ışıkta da gözlemeyi umuyorlardı. Burada akıntı Dünya’nın eter içindeki hareketine karşılık geliyordu. Ama ışınlar karşılaştırıldığında hiçbir fark gözlenmedi; başlangıç noktalarına aynı zamanda döndüler. Işığın hangi yönde gidiyor oluşunun ya da Dünya’nın hareketinin hiçbir etkisi yoktu, ışığın hızı değişmiyordu. Işığın hızı hareketten etkilenmiyordu. Deney eter diye bir şeyin var olmadığını kanıtladı – ama bunun ortaya çıkması Einstein’m hoşuna gitti.
Tıpkı Mach ilkesi gibi bu da Evren’de, nesnelerin içinde ilerlediği, arkaplanda yer alan bir ızgaranın olmadığını gösteriyordu. Su ve ses dalgalarının tersine ışık her zaman aynı hızda ilerliyordu. Bu oldukça garipti ve olağan deneyimlerimizde gözlemlediğimiz gibi hızların toplanması gerektiği anlayışından çok farklıydı. Otomobilinizle saatte 50 km’lik bir hızla gidiyorsanız ve saatteki hızı 65 km olan bir otomobil yanınızdan geçerse, siz duruyormuşsunuz da o otomobil saatte 15 km’lik bir hızla yanınızdan geçiyormuş gibi hissedersiniz. Ama isterseniz saatte yüzlerce kilometrelik hızlarda koşun ışık yine aynı hızda ilerler. Bir bisikletin üzerinde de olsanız, bir jetin koltuğunda oturuyor da olsanız elinizdeki feneri yaktığınızda çıkan ışık ışınları tam olarak saniyede 300 milyon metre hızla ilerler.
Işığın sabit hızlı oluşu Albert Einstein’ın aklını karıştırmış ve onun 1905’te özel görelilik kuramını geliştirmesine yol açmıştır. O zamanlar İsviçre patent bürosunda memur olarak çalışan ve hiç bilinmeyen Einstein, denklemlerini boş zamanlarında sıfırdan üretmişti. Özel görelilik Newton’dan bu yana fizikteki en büyük atılımdı ve fiziği kökten değiştirdi. Einstein ışığm hızının sabit bir değer olduğu ve ne kadar hızlı hareket ederlerse, etsinler bütün gözlemciler için aynı görüneceği ön kabulüyle yola çıktı ve eğer ışığın hızı değişmiyorsa, o zaman bunu telafi etmek için birtakım başka şeylerin değişmesi gerektiği sonucuna vardı.
İkizler paradoksu
Zamanın genişlemesinin insanlara uygulandığını düşünün. Aslında olabilir de. Tek yumurta ikiziniz çok hızlı bir roketle ve uzunca bir süre için uzaya gönderilsin. Kardeşiniz, Dünya’da yaşayan size göre daha yavaş yaşlanır. Döndüğünde sizi yaşlanmış bulacaktır; halbuki kendisi genç kalmıştır. Bu imkânsız gibi görünebilir. Ama aslında ortada paradoks yoktur. Çünkü kardeşiniz uzayda yolculuk yaparken böylesi bir değişikli) neden olan güçlü kuvvetlerin etkisinde kalmıştır. Böyle bir zaman kayması nedeniyle bir çerçevede gerçekleşen olaylar diğer çerçevede aynı anda gerçekleşmez. Zaman yavaşlamasının yanında uzunluklar da kıs lir. Böyle bir hızda ilerleyen bir nesne ya -insan her iki etkiyi de hissetmez ama diğer çerçevedekiler onu bu şekilde görür.
Uzay ve zaman
Edward Lorenz, George Fitzgerald ve Henri Poincaré tarafından geliştirilen fikirleri izleyen Einstein ışık hızına yakın hızlarda giden gözlemcilerin farklı bakış açılarının bağdaşması için uzayın ve zamanın şeklinin bozulması gerektiğini gösterdi. Üç boyutlu uzay ve tek boyutlu zaman Einstein’m güçlü hayal gücünün işlediği dört boyutlu bir evren oluşturuyordu. Hız, mesafenin zamana bölümüydü. Öyleyse ışık hızının aşılmasının önüne geçmek için mesafelerin kısalması ve zamanın da yavaşlaması gerekiyordu. Dolayısıyla sizden uzaklaşan ve ışık B^v hızına yakın bir hızla ilerleyen bir roket size kısalmış gibi görünmeli ve roketin içindekiler için de zaman size göre ^F daha yavaş geçmeliydi.
Einstein farklı hızlarda ilerleyen gözlemciler için hareketin yeni yasalarının nasıl olması gerektiğini çözdü. Eter gibi sabit referans çerçevelerinin varlığını reddetti. Herhangi bir özel bakış noktasının bulunmadığını ve bütün hareketlerin göreli olduğunu ileri sürdü. Eğer bir trendeyseniz ve yan perondaki trenin hareket ettiğini görürseniz, kendi treninizin mi yoksa ötekinin mi harekete geçtiğini bilemezsiniz. Dahası kendi treninizin peronda duruyor olduğunu görseniz bile hareketsiz olduğunuzu düşünemezsiniz, ancak platforma göre hareketsiz olduğunuzu düşünebilirsiniz. Dünya’nın Güneş’in çevresindeki ilerleyişini hissetmeyiz. Benzer bir şekilde Güneş’in de galaksimiz içindeki ilerleyişini ya da Samanyolu’nun dev Virgo galaksi kümesine doğru çekilişini fark edemeyiz. Bütün deneyimlenen şey aslında göreli harekettir – sizinle peron arasındaki hareket ya da yıldızlara göre Dünya’nm eksenindeki dönüştür.
Einstein bu farklı bakış noktalarına eylemsizlik çerçeveleri dedi. Eylemsizlik çerçeveleri birbirlerine göre sabit hızla hareket eden, hiç ivmelenme ya da bir kuvvet hissetmeyen uzay bölgeleridir. Yani otomobilinizde oturup saatte 50 km sabit hızla ilerlerken bir eylemsizlik çerçevesindesinizdir ve tıpkı saatte 100 km hızla giden bir trende (bir başka eylemsizlik çerçevesi) ya da saatte 500 km hızla uçan bir uçakta (bir başkası) hissettiklerinizi hissedersiniz. Einstein fizik yasalarının bütün eylemsizlik çerçevelerinde aynı olduğunu belirtmiştir. Otomobilde, trende ya da uçakta kaleminizi düşürürseniz, kalem yere aynı şekilde düşer.
Daha yavaş ve daha ağır
Maddenin pratikte erişebileceği (ışık hızına yakın) en yüksek hızlardaki göreli hareketini anlayan Einstein zamanın da yavaşlayacağını öngörmüştür. Zamanın genişlemesi hareket halindeki farklı eylemsizlik çerçevelerinde saatlerin farklı hızlarda ilerleyeceğini ifade eder. Bu öngörü de 1971’de dünyanın çevresini iki kez dolanan ve ikisi batıya ikisi de doğuya doğru yapılan tarifeli dört uçak seferinde taşınan dört atom saatiyle kanıtlanmıştır. Dünya’nın yüzeyinde ABD’de bulunan bir başka saatle yapılan karşılaştırma, uçaklardaki saatlerin (Einstein’ın özel göreliliğine uygun olarak) yerdekine göre saliseler ölçüsünde geri kaldığını göstermiştir.
Nesnelerin ışık hızı duvarını aşmalarını engelleyen başka bir şey de ışık hızına yaklaştıkça E=mc2 denklemine uyacak şekilde kütlelerinin büyümesidir. Işık hızında ilerleyen bir nesnenin kütlesi sonsuz olacağından daha fazla ivmelenmesi imkânsızdır. Ve kütlesi olan hiçbir şey ışık hızına ulaşamaz, yalnızca yaklaşabilir; hızı arttıkça kütlesi artar ve dolayısıyla ivmelenmesi daha da zorlaşır. Işık, kütlesiz fotonlardan oluşur ve onlar bu durumdan etkilenmez.
Einstein’ın özel göreliliği daha önceki fizikten radikal bir kopuştur. Zamanın ve kütlenin genişlemesinin bütün çıkarımlarının yanı sıra, madde ile enerjinin aynı şey oluşu da şok edicidir. Einstein çalışmasını yayımladığında hiç tanınmayan bir biliminsanıydı. Çalışmalarını Max Planck okudu ve muhtemelen onun Einstein’ın fikirlerini benimsemesi sayesinde Einstein bilim camiasında yer bulma fırsatı yakaladı. Planck, Einstein’ın denklemlerindeki güzelliği fark etti ve onu küresel şöhrete doğru fırlattı.
