Göreli Uzay – Göreli Zaman

286

Haziran 1905’te Einstein kesin olarak esirin sonunu ilan eden, “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” gi­bi alçakgönüllü bir ismi olan bir makale yazdı. Bu makale, bir hamlede uzay ve zaman kavrayışımızı da sonsuza kadar de­ğiştirdi. Einstein, makaledeki fikirlerini 1905’in Nisan ve Ma­yıs aylarında, beş haftalık çok yoğun bir çalışma sırasında formülleştirdi, ama bu konular üzerine on yıldan uzun bir süredir kafa yoruyordu. Einstein delikanlılık yıllarından beri eğer bir ışık dalgasını tam olarak ışık hızında izleyebiliyor olsaydık, ışık dalgasının nasıl görüneceği sorusunun yanıtını bulmaya uğra­şıyordu. Siz ve ışık dalgası esir içinde aynı hızla hareket ediyor olacağınız için ışığa tam anlamıyla ayak uydurmuş olacaktınız. Dolayısıyla Einstein’a göre, sizin bakış açınızdan ışığın hare­ket etmiyor gibi görünmesi gerekiyordu. Yeni yağmış kardan uzanıp bir avuç alır gibi, uzanıp bir avuç hareketsiz ışık alabil­meliydiniz.

Ama sorun şu: Maxwell’in denklemleri ışığın durağan yani yerinde duruyormuş gibi- görünmesine izin vermiyor. Şimdiye kadar kimsenin durağan bir ışık parçası yakaladığı da görülme­di. Dolayısıyla, genç Einstein şunu soruyordu: Görünürdeki bu çelişkiye ne anlam vereceğiz?

On yıl sonra Einstein, dünyaya bu sorunun yanıtını özel görelilik kuramı ile verdi. Einstein’ın keşfinin entelektüel köken­leri çok tartışılmıştır, ama onun basitliğe olan sarsılmaz inancı­nın bu konuda önemli bir rol oynadığına hiç kuşku yok. Einste­in, esirin varlığının kanıtlanmaya çalışıldığı en azından bazı de­neylerin başarısız olduğundan haberdardı. O zaman deneyler­de hata bulmak için uğraşmaya ne gerek vardı? Onun yerine da­ha basit olan yaklaşım benimsenmeliydi: Deneylerde esir bulu­namıyordu, çünkü esir yoktu. Maxwell’in ışığın hareketini -yani elektromanyetik dalgaların hareketini- betimleyen denklemleri böylesi bir ortam gerektirmediği için, hem deney hem de kuram aynı sonuca ulaşıyordu: Bildiğimiz tüm diğer dalgalardan farklı olarak, ışığın onu taşıyacak bir ortama ihtiyacı yoktur. Işık, yal­nız bir yolcudur. Işık, boş uzayda yayılabilir.

Ama o zaman, ışığın hızını saniyede 300.000 kilometre olarak veren Maxwell denklemlerini ne yapacağız? Eğer durağan re­ferans sistemi olarak kullanılabilecek esir yoksa ışığın hızının kendisine göre ölçüleceği o şey nedir? Einstein yine genel yakla­şımlara karşı geldi ve en basit yanıtı verdi. Eğer Maxwell denk­lemleri herhangi bir durağan referans sistemi gerektirmiyorsa, bunun en doğrudan yorumu böyle bir referansa gerek olmadığı idi. O zaman Einstein ışığın hızının hiçbir şeye ve her şeye göre saniyede 300.000 kilometre olduğunu açıkladı.

Bu kesinlikle basit bir ifadedir ve Einstein a atfedilen bir sö­ze de uyar: “Her şeyi mümkün olduğunca basitleştirin, ama faz­la da değil.” Sorun şu ki, bu da çılgınca görünüyor. Eğer uzak­laşmakta olan bir ışık demetinin arkasından koşarsanız, sağdu­yu sizin bakış açınızdan ışığın hızının saniyede 300.000 kilomet­reden daha düşük olması gerektiğini söyler. Eğer yaklaşmakta olan bir ışık demetine doğru koşarsanız, sağduyu sizin bakış açı­nızdan ışığın hızının saniyede 300.000 kilometreden daha yük­sek olması gerektiğini söyler. Yaşamı boyunca sağduyuya mey­dan okuyan Einstein için bu durum da bir istisna değildi. Eins­tein, bir ışık demetine ne kadar hızla yaklaşıyor ya da bir ışık de­metinden ne kadar hızla uzaklaşıyor olursanız olun, ışığın hızını tam olarak saniyede 300.000 kilometre olarak ölçeceğinizi ileri sürdü; ne daha az, ne daha fazla. Bu Einstein’ın gençlik dönem­lerinde çözemediği açmaza bir çözüm getiriyordu: Maxwell’in kuramı durağan ışık kavramına izin vermiyordu, çünkü ışık hiç­bir zaman durağan olamaz. İster ışığa doğru koşun, ister ondan kaçın, ister durun, sizin hareket durumunuzdan bağımsız olarak ışık saniyede 300.000 kilometrelik sabit ve hiç değişmeyen hızı­nı hep korur. Ama biz de doğal olarak, ışığın nasıl olup da böyle garip davranabildiğini sorarız.

Bir an durup, hız konusunda düşünün. Hız, bir şeyin kat et­tiği mesafenin, bu mesafe kat edilirken geçen zamana bölünme­siyle ölçülür. Bir uzay ölçüsünün (kat edilen mesafe) zaman öl­çüsüne (yolculuğun süresi) bölünmesidir. Newton’dan beri uzay mutlak bir şey olarak düşünülmüştür; “herhangi bir dış referans noktası olmaksızın” vardır. Dolayısıyla uzaya ve uzamsal ayrıl­malara ilişkin ölçümler de mutlak olmalıdır: Uzaydaki iki şey arasındaki mesafeyi kim ölçüyor olursa olsun, eğer ölçümler ye­terince dikkatli yapılmışsa, cevaplar hep aynı olacaktır. Her ne kadar henüz doğrudan tartışmadıysak da, Newton aynı şeyin za­man için de geçerli olduğunu ileri sürdü. Principia’da yaptığı za­man tanımı, uzaydan bahsederken kullandığı dili yansıtır: “Za­man kendiliğinden vardır ve herhangi bir dış referans noktası ol­maksızın, değişmeden akar.” Bir başka deyişle, Newton’a göre, her yerde ve her zaman aynı olan mutlak ve evrensel bir zaman kavramı vardır. Newton’a göre, evrende bir şeyin olması için ge­çen zamanı kim ölçerse ölçsün, eğer ölçümler dikkatle yapılmış­sa cevaplar hep aynı olacaktır.

Uzay ve zaman konusundaki bu varsayımlar günlük hayat­taki deneyimlerimizle bağdaşır ve bu nedenle de sağduyumuz­la vardığımız, eğer ışığın peşinden gidersek hızının azalmış gi­bi görünmesi gerektiği sonucuna temel oluştururlar. Bunu an­lamak için, nükleer güçle çalışan yeni bir kaykay alan Bart Simpson’ın bir ışık demetiyle yarışmaya karar verdiğini düşü­nelim. Her ne kadar Bart kaykayının en yüksek hızının sani­yede 225.000 kilometre olduğunu öğrendiğinde biraz düş kı­rıklığına uğramışsa da elinden geleni yapmaya kararlıdır. Kız kardeşi Lisa elinde bir lazerle hazır beklemektedir ve 11 den (kahramanı Schopenhauer’in en sevdiği sayı) geriye doğru say­maya başlar. 0’a geldiğinde lazer ışını ve Bart aynı anda fır­lar. Lisa ne görür? Geçen her saniyede ışık 300.000 kilomet­re, Bart ise 225.000 kilometre gittiği için, Lisa haklı olarak ışı­ğın Bart’tan saniyede 75.000 kilometre hızla uzaklaştığı sonu­cuna varır. Burada öyküye Newton’u katalım. Onun görüşleri, Lisa’nın uzay ve zaman gözlemlerinin -bu ölçümleri yapan her­kesin aynı sonuçları bulması gerektiği için- mutlak ve evrensel olduğunu söyler. Newton için uzayda ve zamanda hareketle il­gili bu tip gerçekler, iki kere ikinin dört etmesi kadar nesneldi. O halde, Newton’a göre Bart da Lisa ile aynı fikirde olmalı ve ışığın kendisinden saniyede 75.000 kilometre hızla uzaklaştığı­nı söylemelidir.

Ama Bart geri döndüğünde hiç de aynı fikirde değildir. Üz­gün bir biçimde, elinden geleni yaptığını, ama kaykayının hız sınırını ne kadar zorlarsa zorlasın, ışığın kendisinden saniyede 300.000 kilometre hızla uzaklaştığını gördüğünü söyler. Bart’a inanmıyorsanız da, son yüzyılda hareketli ışık kaynakları ve alı­cılar kullanılarak büyük bir titizlikle yapılan binlerce deneyin, Bart’ın bulduğu sonuçları büyük bir kesinlikle desteklediğini aklınızdan çıkarmayın.

Bu nasıl olabilir?

Einstein bunun nasıl olabildiğini anlamıştı. Bulduğu cevap, buraya kadar anlattıklarımızın mantıklı ve çok derin bir uzantı­sıdır. Demek ki Bart’ın mesafe ve süre ölçümleri, yani ışığın ken­disinden ne kadar hızla uzaklaştığını ölçmek için kullandığı gir­diler, Lisa’nınkilerden farklıdır. Bir düşünün. Hız mesafenin za­mana bölünmesi olduğuna göre, ışığın kendisinden hangi hızda uzaklaştığı konusunda Bart’ın Lisa’dan farklı bir sonuç bulması­nın başka bir sebebi olamaz. Buradan Einstein, Newton’un mut­lak uzay ve mutlak zaman konusundaki fikirlerinin yanlış oldu­ğu sonucuna vardı. Einstein, Bart ve Lisa gibi birbirlerine gö­re hareket eden gözlemcilerin, mesafe ve süre ölçümlerinde aynı değerleri bulmayacaklarını anlamıştı. Işığın hızı konusunda kafa karıştıran deney sonuçları, ancak gözlemcilerin uzay ve zaman algılamaları farklı ise açıklanabilir.

Anlaşılması Zor Ama Kötü Niyetli Değil

Uzay ve zamanın göreliliği şaşırtıcı bir sonuçtur. Bunu yirmi beş yıldan daha uzun süredir biliyor olmama karşın, ne zaman oturup düşünsem, hayret verici buluyorum. Işığın hızının sabit olduğunu belirten basmakalıp cümleden yola çıkıp uzay ve za­manın ona bakan gözlemcinin nazarında olduğu sonucuna varı­yoruz. Her birimiz kendi saatimizi taşır, zamanın akışını oradan izleriz. Her saat aynı derecede hassas, ama birbirimize göre ha­reket ettiğimiz zaman aynı zamanı göstermiyorlar. Eşzamanlı ol­muyorlar; seçilen iki olay arasında geçen zamanı farklı gösteri­yorlar. Aynı şey, mesafe için de geçerli. Her birimiz kendi ölçüm aracımızı yanımızda taşır, uzayda mesafeyi onunla ölçeriz. Her ölçüm aracı aynı derecede hassas, ama birbirimize göre hareket ettiğimiz zaman aynı mesafeyi göstermiyorlar. Seçilen iki ola­yın konumları arasındaki mesafeyi farklı ölçüyorlar. Eğer uzay ve zaman böyle davranmasaydı, ışığın hızı sabit olmayacak, göz­lemcinin hareket durumuna bağlı olacaktı. Ama ışığın hızı sabit; uzay ve zaman da böyle davranıyor. Uzay ve zaman, kendileri­ni ışığın hızı gözlemcinin hızından bağımsız olarak- her zaman, kesinlikle sabit olacak şekilde ayarlıyorlar.

Uzay ve zaman ölçümlerinin tam olarak nasıl farklılaştığının sayısal ayrıntılarının elde edilmesi daha karmaşıktır, ama bunun için lise düzeyinde cebir bilgisi yeterlidir. Einstein’ın özel göre­lilik kuramını bu kadar anlaşılması güç kılan, matematiğinin de­rinliği değildir. Öne sürdüğü fikirlerin yabancılığı ve gündelik deneyimlerle görünürde uyumsuz olmasıdır. Ama Einstein ana fikri (yani Newton’un uzay ve zaman konularına iki yüzyıldan daha eski olan bakışından kendisini kurtarması gerektiğini) bir kez kavradıktan sonra, ayrıntıları yerli yerine koymak onun için artık zor değildi. Einstein, iki kişinin uzaklık ve süre ölçümleri­nin, her ikisinin de ışığın hızı olarak aynı değeri bulmasını sağ­layacak biçimde, nasıl farklı olması gerektiğini kesin olarak gös­terebiliyordu.

Einstein’ın buluşunu daha derinden algılayabilmek için şimdi Bart Simpson’un istemeye istemeye kaykayının en yüksek hızını saatte 100 kilometre (yaklaşık saniyede 30 metre) olacak şe­kilde değiştirdiğini düşleyelim. Bart -okuyarak, ıslık çalarak, es­neyerek ve ara sıra da yola göz atarak- en yüksek hızla önce ku­zeye gitse, sonra da kuzeydoğuya giden bir otoyola çıksa, kuzey yönündeki hızı saniyede 50 metreden daha az olacaktır. Bunun nedeni açıktır. Başlangıçta hızının tamamı kuzey yönünde iken, yön değiştirdiğinde bu hızın bir bölümü doğuya kaymış, bu ne­denle de kuzey yönündeki hızı azalmıştır. Bu son derece basit örnek, genel göreliliğin temel fikrini kavramamıza yardımcı ola­caktır. Şöyle:

Cisimlerin uzayda hareket ettiği fikrine alışmışızdır ama aynı derecede önemli bir hareket türü daha vardır: Cisimler zamanda da hareket eder. Şu anda, kolunuzdaki ve duvardaki saatler, si­zin ve çevrenizdeki her şeyin, zamanda hiç durmadan bir biçim­de hareket ettiğinizi, hiç durmadan bir saniyeden diğerine gitti­ğinizi gösteriyor. Newton, zamanda hareketin uzayda hareket­ten tümüyle ayrı olduğunu bu iki tür hareketin birbiri ile hiç il­gisi olmadığını düşünmüştü. Ama Einstein, bunların birbirle­ri ile çok yakından ilişkili olduğunu buldu. Aslında özel görelili­ğin devrim yaratan keşfi şudur: Size göre sabit olan yani uzay­da hareket etmeyen bir şeye, örneğin park halinde bir otomobi­le bakıyorsanız, otomobilin tüm hareketi zamandadır. Otomobil, sürücüsü, cadde, siz, giysileriniz, hep birlikte ve eşzamanlı ola­rak zamanda hareket ediyorsunuz: Saniyeler saniyeleri düzgün­ce izliyor. Ama otomobil sizden uzaklaşıyorsa, hareketinin bir bölümü uzaydaki harekete sapmış demektir. Tıpkı kuzeye doğ­ru hızının bir bölümü doğuya sapan Bart Simpson’un kuzey yö­nündeki hızının azalması gibi, zamandaki hareketinin bir bölü­mü uzaya sapan otomobilin de zamandaki hızı azalır. Bu da, oto­mobilin zamandaki hareketinin yavaşladığı ve dolayısıyla hare­ket halindeki otomobil ve sürücüsü için zamanın siye ve durağan olan her şeye göre daha yavaş geçtiği anlamına gelir.

Özel görelilik kısaca budur. Aslında, biraz daha kesin davra­nabilir ve bu tanımı bir adım ileri götürebiliriz. Bart Simpson’un hızı saniyede 30 metre ile sınırlıydı. Bu önemli, çünkü eğer Bart kuzeydoğu yönüne saptığında hızını yeterince artırabilseydi, hı­zının sapmasını telafi edebilir yani kuzey yönündeki hızının aynı kalmasını sağlayabilirdi. Ama kaykayın motorunu ne kadar zor­larsa zorlasın, toplam hızı -kuzey ve doğu yönlerindeki hızları­nın bileşkesi- saniyede 30 metre ile sınırlıydı. Bu nedenle yönü biraz doğuya saptığında, kuzey yönündeki hızı azalıyordu.

Özel görelilik, tüm hareketler için benzer bir yasa getirir: Bü­tün cisimlerin uzaydaki ve zamandaki bileşke hızı, her zaman tam olarak ışık hızına eşittir. Bu cümleyi okuduğunuzda içgü­düsel olarak irkilebilirsiniz, çünkü hepimiz ışıktan başka hiç­bir şeyin ışık hızıyla hareket edemeyeceği fikrine alışmışızdır. Ama alıştığımız bu fikir yalnızca uzaydaki hareket için geçerli­dir. Şimdi bununla ilişkili ama daha zengin bir şeyden söz ediyo­ruz: Bir cismin uzay ve zamandaki bileşik hareketi. Einstein’ın keşfettiği temel gerçek, bu iki tür hareketin her zaman birbiri­ni tamamladığıdır. Baktığınız park halindeki otomobil uzaklaş­maya başladığında, gerçekte olan şudur: Otomobilin zamanda yaptığı ışık hızındaki hareketin bir bölümü uzayda harekete ak­tarılır, böylece bileşke hareket sabit kalır. Böylesi bir aktarım, otomobilin zamandaki hareketinin kaçınılmaz olarak yavaşladı­ğı anlamına gelir.

Örneğin eğer Lisa, saniyede 225.000 kilometre hızla uzakla­şan Bart’ın kolundaki saati görebilseydi, o saatin kendi saatinin yalnızca üçte ikisi hızla ilerlediğini fark edecekti. Kendi kol saatine göre geçen her üç saat için, Bart’ın kol saatinde yalnızca iki saat geçtiğini görecekti. Bart’ın uzaydaki hızlı hareketi, zaman­daki hızını önemli miktarda azaltmış olacaktı. 

Dahası, zamanda ışık hızıyla yapılan hareketin tamamı uzay­da ışık hızıyla yapılan harekete aktarıldığında uzaydaki en yük­sek hıza ulaşılır; bu uzayda neden ışıktan daha hızlı gidilemeye­ceğini anlamanın bir yoludur. Uzayda her zaman ışık hızıyla ya­yılan ışık, her zaman bu aktarımın tamamını yapıyor olması an­lamında özeldir. Tıpkı doğuya doğru yapılan hareketin kuzey yönündeki hareketi sıfırlaması gibi, uzayda ışık hızıyla hareket etmek de zamandaki hareketi sıfırlar! Uzayda ışık hızıyla hare­ket etmek zamanı durdurur. Bir ışık parçacığına saat iliştirmek mümkün olsa, o saat hiç ilerlemez. Yani ışık, Ponce de Leon’un ve kozmetik endüstrisinin rüyalarını gerçekleştirir: Hiç yaşlan­maz.

Bu tanımlamadan da açıkça anlaşılacağı gibi özel göreliliğin etkileri, hız (uzaydaki hız) ışık hızına yaklaştığında belirgin ha­le gelir. Ama bizim alışık olmadığımız uzay ve zamandaki hızın birbirlerini tamamlayıcı doğası her zaman geçerlidir. Hız ne ka­dar azalırsa, görelilik öncesi fizikten yani sağduyudan- sapma da o kadar azalır, ama ne kadar azalsa da sapma her zaman, ke­sinlikle vardır.

Gerçekten. Bu, ne bir kelime oyunudur, ne el sürçmesi, ne de psikolojik bir yanılsama. Evrenin işleme şekli budur.

1971 yılında Joseph Halele ve Richard Keating, en son tek­nolojiyle üretilmiş, sezyum ışınlı birkaç atom saatini Panama Havayolları’nın bir jetiyle dünya çevresinde uçurdular. Uçak­taki saatlerle yerdekileri karşılaştırdıklarında, hareket halinde­ki saatlerde daha az zaman geçtiğini gördüler. Fark çok çok azdı saniyenin birkaç yüz milyarda biri ama Einstein’ın keşifleriy­le kesin bir biçimde uyuşuyordu. Artık bundan daha fazla emin olamazdık.

1908’de daha yeni ve hassas deneylerde esirin varlığına da­ir kanıtlar bulunduğu yolunda söylentiler yayılmaya başlamış­tı. Eğer bu söylentiler doğru olsaydı, bu mutlak bir durağan­lık standardı bulunduğu ve Einstein’ın özel görelilik kuramının hatalı olduğu anlamına gelirdi. Einstein bu söylentileri duydu­ğunda şöyle dedi: “Tanrı zor anlaşılır, ama kötü niyetli değil­dir.” Doğanın işleyişini dikkatlice gözlemleyerek uzaya ve zama­na dair bazı kavrayışlar kazanmaya çalışmak Einstein a kadar hiç kimsenin altından kalkamadığı zor bir işti. Ama hem böylesi­ne şaşırtıcı ve güzel bir kuramın var olmasına izin vermek, hem de bunun doğanın işleyişiyle ilgisiz olması kötü niyetlilik olurdu. Einstein bunu kabul etmedi, yeni deneyleri hiç dikkate almadı. Kendine güveni yersiz değildi. Sonuçta, bu deneylerin hatalı ol­dukları kanıtlandı ve esir kavramı bilimsel söylemden uçup gitti.

Evrenin Dokusu – Brian Greene

PAYLAŞ
Önceki İçerikYıldıza Dönüştürülen Çocuk
Sonraki İçerikKertenkeleye Dönüşen Kral
36 yaşındayım. Yıldız Teknik Harita Mühendisliği mezunuyum. Taşınmaz değerlemesi yapıyorum. Bilim,uzay, tarih,arkeoloji konularına ilgi duyuyorum. Ön Türk Tarihini araştırmaktan keyif alıyorum. Yüzüklerin Efendisi ve Türkler üzerine (Orta Dünya'nın Analizi) kitap çalışmam tamamlandı. Yakın zamanda yayımlanacak.

HENÜZ YORUM YOK

CEVAP VER