İzafiyet Teorisi - Görelilik Kuramı \ Bilim ve Teknoloji

İzafiyet Teorisi - Görelilik Kuramı

Öncelikle asıl konumuza geçmeden teori nedir bundan bahsedelim. Bilimsel araştırmaların sonucunda elde edilen bilgilerdir. Genel bir tanımlama ile olaylar arasında keşfedilmiş ve doğruluğu sınanmış ilişkilerin genel modeller içinde toplanması biçiminde ifade edilebilir. “Çok sayıda gözlem ve deneylerle desteklenebilen bir hipoteze kuram yani teori denir.” Bilimsel teori ise henüz kanıtlanamamış bilimsel önermeler anlamına gelmektedir. Hipotezlerin (Bir olayı ya da olguyu açıklayan önermelere “hipotez” denir.) deney ve gözlemlerle birlikte desteklenmesi halidir diyebiliriz. Aynı zamanda teoriler asla yasaya dönüşmezler, teoriler bilimsel gerçeklerin açıklanmasıdır.

Bilimsel teorilere örnek olarak;

* Evrim teorisi
* İzafiyet teorisi
* Kuantum teorisi ve Big Bang teorilerini örnek olarak gösterebiliriz. Biz konumuzun devamında İzafiyet teorisinden bahsedeceğiz.

Görelilik Kuramı Nedir?

Konumuzun daha iyi anlaşılması için birazda “Görelilik” nedir bundan bahsedelim. Görelilik, Işığın yayılma hızının, kaynağın ve gözlemcinin devinimine bağlı olmadığı ve evrensel bir değişmez sayı olduğu varsayımına dayanan, Einstein’in geliştirdiği çağdaş bir kuramdır. ”Genel Görelilik - Genel İzafiyet” ve “Özel Görelilik - Özel İzafiyet” olmak üzere ikiye ayrılır. Konumuzun devamında hem Genel Görelilik hemde Özel Görelilik kuramından bahsedeceğiz.

Görelilik kelimesini daha iyi anlamamız için Einstein’ın bir sözünü örnek verelim “Elinizi bir dakikalığına kızgın bir sobaya değdirmeye kalkıştığınızda, o bir dakikalık süre size bir saat gibi gelecektir. Hoş ve çekici bir kadınla geçirdiğiniz bir saat size bir dakika gibi gelir. İşte görelilik budur.” Demek ki bulunduğumuz yer, mekân ve duruma göre zaman değişiklik göstermektedir. Ancak bu değişiklik zamanın akıp gitmesindeki hızında değil, anlaşılacağı üzere kişinin hissetmesi ile alakalı bir durum olduğu açıkça ortadadır.

İzafiyet Teorisi

Buraya kadar konumuzun daha iyi anlaşılması için “Teori” ve “Görelilik” den bahsettik. Şimdi gelelim asıl konumuza yani izafiyet teorisine. İzafiyet Teorisi - Görelilik Kuramı nedir ne değildir ilk bunlardan bahsedelim. “İzafi kelimesi Göreceli anlamına gelmektedir.” Albert Einstein tarafından 1905 yılında “Annalen der Physik” dergisinde, “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” adlı 2. makalesinde açıklanan “fizik kuramıdır.” Albert Einstein, ilerleyen zamanlarda bu makalesini “Bir cismin atıllığı enerji içeriği ile bağlantılı olabilir mi?” başlıklı 5. makalesiyle pekiştirmiştir.

Fizik ve uzay - zaman kavramları üzerine Einstein tarafından geliştirilen İzafiyet Teorisi zaman, mekan ve hareketin birbirlerine bağlı olarak gerçekleştikleri, bu üçünün birbirinden bağımsız olarak ele alınamayacağını gösteren, fizik tarihindeki en önemli teorilerden birisidir. Einstein, bu teorinin kaynağı olarak Newton ve Galileo kuramlarını inceler. Daha sonra tespitlerini belirledikten sonra kuramda eksik veya hatalı olduğunu düşündüğü bölümler üzerinde çalışmalar yapmaya başlar. 1905 yılında yukarıda bahsettiğimiz gibi dergide yayınlanır, makaleler sonucunda, yeni bir fizik kuramı yani “İzafiyet Teorisi” ortaya çıkar.

İzafiyet Teorisi Einstein tarafından ortaya konan ve daha sonra diğer bilim insanları tarafından doğruluğu kabul edilen bir fizik kuramıdır. Görelilik denmesindeki asıl amaç ise şudur;
Bir olayın eşzamanlılığı yani birkaç kişi için aynı zamanda yaşanması değişkendir. Başka bir ifadeyle açıklayacak olursak: zaman evrenin her yerinde aynı hızda ilerler ancak farklı şekilde hissedilebilmektedir. Albert Einstein dünyanın genişlik, derinlik ve yükseklikten oluşan üç boyutlu yapısına dördüncü boyutu yani zamanı da eklemiştir. Konumuzun başındada söylediğimiz gibi “İzafiyet Teorisi Özel ve Genel Görelilik” olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır.

Einstein Genel Görelilik Teorisinde yerçekimi kuvvetinin etkisini de göz önünde bulundurmuştur. Özel Görelilikte ise yerçekimi kuvvetini hesaba katmamıştır. Görelilik kuramı, iki ilkeye dayanmaktadır. Birincisi, elinizde sadece iki cisim varsa hangi cismin hareketli, hangisinin sabit olduğunu söylemek mümkün değildir. Mesela; bir uzay gemisi ve içinde bir astronot var. Astronota göre; gemi sabit ve hareket eden gezegendir. Uzay gemisini izleyen gözlemciye göre gemi hareketlidir ve gezegen sabittir. Üçüncü bir gözlemciye göre sabit olan Güneştir ve gezegen ile uzay gemisi hareketlidir. Dördüncü gözlemci göre de Güneş, gezegen ve uzay gemisi ile birlikte galaksi boyunca bir hareket söz konusudur.

Bu nedenle de Einstein’a göre, zaman, mekan, hareket hepsi izafidir yani görecelidir. İkinci ilke ise ışık hızı her gözlemci için aynıdır. Bu durum yine Einstein’ın “İkizler Paradoksu” ile açıklanabilir. Aynı gün doğan ikiz kardeşlerin dünyadaki zamanları aynıdır. Kardeşlerden birinin ışık hızına yakın hızda hareket eden bir uzay gemisi ile uzaya gönderildiğini varsayarsak, uzaya gönderilen kardeş, geri döndüğü zaman dünyadaki ikiz kardeşini yaşlanmış bulacaktır. Çünkü ışık hızına yaklaştıkça zaman yavaşlayacaktır. Uzaydaki ikiz kardeş için çok kısa olan bir süre, dünyadaki kardeş için çok uzun bir zamandır. Bu olaydan çıkaracağımız sonuç ise zamanın mutlak olmadığıdır. Zaman, farklı gözlemciler için farklı hızlarda akmıştır. Klasik fizikçilere göre bu durum bir paradokstur. Ama Einstein’a göre bu durum bir paradoks (Alışılagelen fikirlere karşı olan fikir ve düşünce tarzı) değil, içinde bulunduğumuz evrenin en temel özelliklerinden birisidir.

Genel Görelilik ve Özel Görelilik

Genel Görelilik - Genel İzafiyet Teorisi

1916 yılında Albert Einstein tarafından tanımlanmıştır. Genel Görelilik Newton’un evrensel kütle çekim yasası ile Özel Göreliliğin genişletilerek, kütleçekimin uzay, zaman veya uzay – zamanda etkilerinden bahsetmektedir. Bu teoriye göre uzay, zamanı da içine alan, yoğun kütle tarafından eğilmiş, dört boyutlu bir yapıdır. Genel göreliliğin bugüne kadar sunduğu tüm önermeleri deneylerle doğrulanmıştır. Büyük bir yıldızın ömrünün sonuna gelmesi durumunda içine çökerek karadelikler oluşturması, genel görelilik prensibine dayalı bir olaydır. Bu teoride Einstein, Dünya gibi büyük gök cisimlerinin kendi eksenleri etrafında dönerken uzayı ve zamanı büktüğünü söylemiştir. NASA bilim adamlarının bundan yola çıkarak yaptıkları araştırma sonucunda Dünya’nın bir yılda dönüş yönünde 2 metrelik bir sapma gerçekleştirdiği tespit edilmiştir.

Genel İzafiyet Teorisi, Einstein’ın Özel İzafiyet Teorisi ve Isaac Newton’un “Evrensel Kütle Çekimi Yasasını” geliştirmesidir. İki nesne arasındaki çekme kuvvetine yerçekimi adı verilir. Bu çekim kuvveti her bir nesnenin büyüklüğü ve bu nesneler arasındaki mesafeye bağlıdır. Dünyanın merkezi sizi çekerken, sizin kütle merkeziniz de Dünyayı çekmektedir. Fakat büyük olan kütle bu çekimden neredeyse hiç etkilenmezken, daha küçük kütle çekime karşı koyamaz. Newton’un yasaları bu çekim gücünü doğal kabul ederek ölçümünü yapmış fakat sebebini açıklayamamıştır.

Einstein, Özel İzafiyet ile Zaman ve Mekânın birbiri içine geçmiş bir bütün olduğunu keşfetmişti (yani uzay - zaman). Genel izafiyet üzerine yaptığı çalışmalar sırasında ise devasa nesnelerin uzay - zamanı büktüğünü fark etmiştir. Çok büyük bir objeyi bir trambolinin merkezine yerleştirdiğinizi düşünün. Kütle kumaşın çökmesine neden olacak ve bir çukur oluşacaktır. Trambolinin kenarından bırakılan bir bilye, tıpkı bir gezegenin daha küçük bir objeyi çektiğindekine benzer bir şekilde, daha büyük kütleye doğru hareket edecektir. Yani yerçekiminin sebebi, büyük kütlelerin uzay - zamanı bükmesidir.

Daha iyi anlamamız için “Einstein and Eddington” filminden bir kesit izleyelim.

Özel Görelilik Kuramı - Özel İzafiyet

Bu teoriye göre, cisim zamanla, zaman cisimle, mekan hareketle, hareket mekanla, dolayısıyla da hepsi birbiriyle bağlantılıdır. Özel Göreliliğe göre birbirlerine göre hareketleri nasıl olursa olsun, ışık hızı her yerde aynıdır. Bu teori sezgisel olarak algılayamayacağımız ancak deneylerle ispatlanmış birçok sonuç doğurmuştur...

Galileo’nun Görelilik Prensibi, zamanla değişmeyen hareketin göreceli olduğunu savunur. Ona göre hareket halindeki bir gemi dış gözlemci tarafından hareket ediyor görünür ancak, geminin içindeki kişi hareketin olmadığını söyleyebilir. Yani dış gözlemci deniz üzerindeki geminin hareket halinde olduğu söylerken, geminin içindeki bir kişi de tam tersi olarak, geminin aslında hareket etmediğini söyleyebilir. Einstein ise kendi kuramında şu tespiti bizlere sunar “Gözlemciler ışığın hızını ne olursa olsun aynı büyüklük ile ölçer. Işık hızı herkes için sabittir.” Bir yandan da izafiyete göre; mutlak hareketsizlik anlam dışıdır, hareketler birbiriyle izafidir yani görecelidir. Einstein bu prensibe bir de ışık hızı etkisini eklemiş ve sabit hızdaki herhangi bir cismin ışık hızının ölçülen değerinin değişmez olduğunu savunmuştur. Bu da “Özel İzafiyet Teorisinin” doğmasına sebep olmuştur.

**
Özel izafiyet teorisi hakkında unutulmaması gereken bir nokta, anlatılan durumun özel olmasıdır. Teori düz bir rotada, sabit bir hızda hareket ederken geçerlidir. Hızlandığınızda, rotanızı değiştirdiğinizde veya hareketin doğasını değiştiren herhangi bir şey yaptığınızda Özel İzafiyet geçerliliğini kaybeder. Genel İzafiyet Teorisi ise burada devreye girmektedir ve izafiyetin daha genel bir şeklini bize göstermektedir…

Albert Einstein’a göre bu teorisinin birbirine zıt iki ana dayanağı bulunmaktaydı. Bunlar;

1-) Düzgün hareketler izafidir yani görecelidir.
2-) Düzgün hareketlerde ışık hızı farklılaşmaz.

Bu dayanaklar ”Michelson - Morley” deneylerinde belirlenen tespitlerdir. Işığın merkezine yaklaşan veya merkezden uzaklaşan madde için ışık hızı aynıdır. Işık merkezine doğru koştuğumuzu düşünün, ışık sizden kendi hızıyla uzaklaşacaktır. Cisimlerin ışıktan hızlı hareket etmesi mümkün değildir…

Bahsediyor olduğumuz bu teoriyi daha iyi anlamanız için bazı öngörülerden, kavramlardan bahsedelim; Bu kavramlarımız uzay - zaman, zaman genişlemesi, eş zamanlı olaylar, kütle artışı, lorentz dönüşümü, ışık hızı limiti ve olmazsa olmaz E=mc2 bu kavramlardan bazılarını açıklayalım;

E=mc2: Kütle ve enerjinin aynı fiziksel varlık olduğunu ve birbirlerine dönüşebileceklerini açıklayan, Albert Einstein’ın Özel Görelilik Kuramındaki denklemdir. Bu denklemde; E: Enerji, m: Kütle, c: Işık hızını ifade etmektedir. Denkleme göre madde enerjiye, enerji maddeye dönüşebilir.
Eş Zamanlı Olaylar: Tamamen gözlemciye bağlı bir olaydır. İki gözlemci ve iki olay olduğunu varsayalım. Birinci gözlemci iki olayın aynı anda gerçekleştiğini görebildiği gibi ikinci gözlemci için biri önce biri sonra gerçekleşiyor gibi görünebilir.

Uzay - Zaman: Uzay ve zaman birbirine bağlı kavramlardır. Zaman, üç uzay boyutunu tamamlayan dördüncü bir boyuttur.

Lorentz Dönüşümü: Işık hızına yakın bir hızda yolculuk eden bir cisim, dışarıdan bakan durgun gözlemci tarafından olduğundan daha kısa görünür. Oysaki cismin üzerinde bulunan kişi için gidilen mesafe hep aynıdır.

Kütle Artışı: Işık hızında hareket eden bir cismin kütlesi durgun bir gözlemci için artıyor gibi görünür. Ancak cismin üzerinde olan bir gözlemci için kütle hep aynıdır.

Özel İzafiyetin Öngörüleri ve Bu Görelilik Sayesinde Keşfedilenler

Bu görelilik sayesinde keşfedilenler;

1-) Fizik yasaları her yerde aynıdır. Gözlemciye göre farklılaşırsa, gözlemci için uzayda durgun ve hareketli olunduğunun bulunması mümkün olurdu. Bu yüzden fizik yasaları farklı işlemez.

2-) 4 boyutlu uzay - zaman evreninde yaşamaktayız.

3-) Aynı anda olma kesin değildir. Göreli haldedir, gözlemciye göre değişebilir…

4-) Zamana dair boyut ve akış, hareket halindeki cisimlerin hızına bağlı olacaktır.

5-) Kütle, hareket halinde cisimlerin hızına göreceli olur.

Öngörüler;

1-) Cismin hızlanmasıyla kütleye dönüşen enerji kinetik enerji olacaktır. Durgun kütleli cisimlerin ışık hızını yakalaması mümkün değildir.
2-) Cisim için zamanın daha yavaş akması, cismin hızlanmasına bağlıdır. Eğer ışık hızı elde edilirse zaman duracaktır.
3-) Hareket doğrultusundaki boyun kısalması, yine cismin hızlanmasına bağlıdır.

Gözlemlenenler ise;

1-) Hızlandırma üzerine yapılan deneylerde, kütlesi bulunan cisimler ve atomlar ışık hızını yakalayamamıştır. Hızın artması, kütleyi de arttırır ve ivmelendirme çok daha zor hale gelir.

2-) “Nötrino” ve “mü-mezon” deneylerinde, zamanda meydana gelen yavaşlamanın normalde yaşandığı tespit edilir, bu durum sadece saatlerde yaşanmamaktadır…

3-) Atom saatleri konulan uçaklar farklı yönlere farklı hızlarla hareketlendirilir. Kuramdaki hesaplamalar, saatin hesaplarından farklı değildir…

Kaynaklar

Kaynak1

Kaynak2

Kaynak3

Kaynak4

Kaynak5