Işık Hızı ve Görelilik

252

Işığın sonlu olduğu ancak çok büyük bir hızla yol aldığı ilk kez 1676’da, Danimarkalı gökbilimci Ole Christensen Roemer tarafından bulundu. Jüpiter’in uydularını gözlemlediğinizde, uyduların zaman zaman görünmediğini, çünkü dev gezegenin arkasına geçtiğini fark edersiniz. Jüpiter’in uydularının düzenli aralıklarla gezegenin gölgesinde kalması gerektiğini düşünürsünüz, ancak Roemer bunların düzenli aralıklarla gerçekleşmediğini gözlemledi. Uydular yörüngelerinde dönerken bir şekilde hızlanıyor ve yavaşlıyor olabilir miydi? Roemer’in başka bir açıklaması vardı. Işık sonsuz bir hızla yol alsaydı, biz dünyadakiler Jüpiter’in aylarının tutulmasını, tıpkı kozmik saatin vuruşları gibi düzenli aralıklarla, gerçekleşir gerçekleşmez izleyebilirdik. Işık herhangi bir uzaklığı bir anda geçebileceğinden, Jüpiter’in Dünya’ya yakınlaşması ya da uzaklaşması bu durumu değiştirmeyecekti.

Şimdi ışığın sonlu bir hızda yol aldığını düşünün. Bu durumda tutulmaları gerçekleştikten  bir süre sonra görebiliriz. Bu gecikme ışığın hızına ve Jüpiter’in Dünya’dan uzaklığına bağlıdır. Jüpiter’in Dünya’dan uzaklığı değişmeseydi, her tutulma, aynı gecikmeyle izlenecekti. Ancak Jüpiter zaman zaman dünyaya yaklaşıyor. Bu durumda, peş peşe gelen tutulmaların “sinyalleri” gittikçe azalan bir uzaklığı kat ediyorlar; yani ışık, Jüpiter’in sabit bir konumda olduğunda kat edeceği zamandan daha
kısa sürede bize ulaşıyor. Aynı şekilde, Jüpiter Dünya’dan uzaklaşırken, uyduların tutulmalarını gittikçe daha geç görüyoruz. Işığın erken ya da geç ulaşmasının derecesinin, ışığın hızına bağlı oluşu bizim ışığın hızını ölçebilmemizi sağlıyor. Roemer’in yaptığı da buydu. Roemer, Dünya’nın Jüpiter’in yörüngesine yaklaştığı zamanlardan birinde, uydulardan birinin zamanından önce göründüğünü fark etti; daha sonra’ Dünya Jüpiter’den uzaklaşırken de aynı şeyin olduğunu gördü ve bu farkı ışığın hızını hesaplamakta kullandı. Yalnız, Dünya’nın Jüpiter’den uzaklık farkını çok doğru olarak ölçemedi; onun ışık hızı için bulduğu değer saniyede 225 000 kilometreydi, günümüzde ışık hızının saniyede 300 000 kilometre olduğunu biliyoruz. Buna rağmen Roemer’in başarısı, sadece ışığın sonlu bir hızla gittiğini kanıtlamakla kalmayıp ışığın hızını ölçebildiği hem de bunu Newton’un Principia mathematica’sının yayımlanmasından on bir yıl önce yaptığı için çok önemlidir.

Işığın yayılmasıyla ilgili doğru kuram, ancak 1865’te, elektrik ve manyetik kuvvetleri tanımlamada kullanılan kısmi kuramları bir araya getirmeyi başaran İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell tarafından öne sürüldü. Elektrik ve manyetik kuvvetler eski dönemlerden beri biliniyor olsa da, elektrik yüklü iki cisim arasındaki gücü yöneten nicel yasalar ancak XVIII. yüzyılda, ingiliz kimyacı Henry Cavendish ve Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb tarafından saptandı. Birkaç on yıl sonra, XIX. yüzyılın başlarında bazı fizikçiler aynı şekilde manyetik kuvvet yasalarını saptadı. Maxwell, elektrik ve manyetik güçlerin birbirlerine doğru hareket eden parçacıklardan kaynaklanmadığını matematiksel olarak gösterdi; her elektrik akımı ve yükü, çevrelendiği uzayda bir alan yaratıyor ve bu alan, o uzaydaki her elektrik akımına ve yüküne bir kuvvet uyguluyordu. Maxwell, elektrik ve manyetik kuvvetleri tek alanın taşıdığını buldu; yani elektrik ve manyetik aynı kuvvetin ayrılmaz parçalarıydı. Buna elektromanyetik kuvvet adını verdi ve bu kuvveti taşıyan alana da elektromanyetik alan dedi.

Maxwell’in denklemlerine göre elektromanyetik alanda dalgamsı karışıklıklar olabiliyordu ve bu dalgalar, tıpkı gölde yayılan halkalar gibi, sabit bir hızla yayılabiliyordu. Bu hızı hesapladığında, ortaya çıkan sonuç ışığın hızıyla tam olarak aynıydı! Maxwell’in dalgaları, dalga santimetrenin kırk ve seksen milyonda bir uzunluğunda olduğunda, ışık olarak çıplak gözle görülebilir. (Bir dalga birbirini izleyen tepe ve çukurlardan oluşur.) Dalga uzunluğu görünen ışıktan daha kısa olan dalgalar morötesi ışınlar, röntgen ve gama ışınları olarak bilinir. Daha uzun dalga boylarına radyo dalgaları (bir metre ya da daha uzun), mikrodalga (yaklaşık bir santimetre) veya kızılötesi ışınlar (bir santimetrenin on binde birinden daha kısa olan ama görme eriminin ötesinde kalan ışınlar) diyoruz. Maxwell’in kuramı radyo ve ışık dalgalarının sabit bir hızda yol aldığını ortaya koyuyordu. Bu kuramın, Newton’un mutlak hareketsizlik halinin olmayışı kuramıyla uzlaşması zordu, çünkü eğer öyle bir durum yoksa bir nesnenin hızıyla ilgili evrensel bir uzlaşma söz konusu olamazdı. Bunun nedenini anlamak için yine trende pingpong oynadığınızı düşünün. Topu trenin ilerisine doğru saatte on mil hızla attığınızda, trenin dışında duran bir gözlemci topun hızını saatte yüz mil olarak algılayacaktır; bunun on millik bölümü topun trene göre hareketi, artı doksan millik bölüm de trenin yere göre hareketidir. Topun hızı nedir? Saatte on mil mi, yoksa yüz mil mi? Topun hızı trene göre mi, yoksa yere göre mi hesaplanır? Mutlak hareketsizlik hali olmadan topun mutlak hızını hesaplayamazsınız. Hızın ölçüldüğü yer göz önüne alınarak, aynı topun iki farklı hızda olduğunu söyleyebilirsiniz. Newton’un kuramına göre aynı durum ışık için de geçerli. Öyleyse Maxwell’in kuramında belirttiği ışık dalgalarının sabit bir hızda yol alması ne anlama geliyor?

Maxwell’in kuramını Newton yasalarıyla uzlaştırmak için, her yerde, hatta “boş” uzayda bile esir denilen bir madde olduğu öne sürüldü. Esir fikrinin bilimadamları için bir çekiciliği daha vardı; tıpkı su dalgalarının suyun varlığını gerektirmesi ya da ses dalgalarının havanın varlığını gerektirmesi gibi, elektromanyetik enerjinin dalgaları da kendilerini taşıyacak bir ortamı gerektiriyordu. Bu bakışa göre, nasıl ses dalgaları havada yol alıyorsa, ışık dalgaları da esirin içinde yol alıyordu: Maxwell’in denklemlerinden türemiş ışık dalgalarının hızı da esire göre ölçülebilirdi. Farklı gözlemciler, ışığın onlara doğru farklı hızlarda geldiğini göreceklerdi, ancak esire göre ölçülen ışığın hızı sabit kalacaktı. Bu düşünce sulanabilirdi. Bir kaynaktan yayılan ışığı düşünün. Esir kuramına göre ışık esirin içinde ışık hızında yol alıyor. Esirin içinde ışığa doğru hareket ettiğinizde, ışığa yaklaşma hızınız, esirde hareket eden ışığın hızının ve sizin esirdeki hızınızın toplamı olacaktır. Diyelim ki siz hareket etmezseniz ya da farklı bir yöne doğru hareket ederseniz, ışık size daha hızlı ulaşacaktır. Ancak ışığın hızı, bizim ışığın kaynağına doğru hareketimizin hızına kıyasla çok büyük olduğundan, hızdaki farklılığı ölçmek çok zordur.

1887’de Albert Michelson (Nobel Ödülü’nü alan ilk Amerikalı fizikçi) ve Edward Morley, Cleveland’daki Case Uygulamalı Bilimler Okulu’nda (artık Case Western Reserve Üniversitesi) büyük bir dikkat gerektiren, çok zor deneyler yaptılar. Dünya, Güneş’in yörüngesinde saniyede yaklaşık yirmi millik bir hızla dönerken çalıştıkları laboratuvarın da esirin içinde epey yüksek bir hızla hareket etmesinin gerektiğini fark ettiler. Elbette, hiç kimse esirin Güneş’e göre hareket yönünü ve hızını ya da esir hareket ediyor mu etmiyor mu bilmiyordu. Dünya, yörüngesinde farklı konumlardayken, yılın farklı dönemlerinde deneyi tekrarlayarak, bu bilinmeyen etkeni açıklayabilmeyi umdular. Böylece Michelson ve Morley ışığın hızını, dünyanın esir içindeki hareketinin yönüne göre (ışığın kaynağına doğru hareket ederken) ve bu hareketin dikaçılarına göre (ışığın kaynağına doğru hareket etmezken) ölçüp karşılaştırdıkları bir deney yaptılar. Her iki yöndeki hızın bire bir aynı olduğunu görünce çok büyük bir şaşkınlık yaşadılar.

1887 ve 1905 arasında esir kuramını kurtarma girişimleri oldu. Bunlar içinde en dikkat çekeni, Michelson-Morley deneyinin sonucunu esirde devinirken kısalan cisimler, yavaşlayan saatlerle açıklamaya kalkışan Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz oldu. Ancak 1905 yılında ünlü bir gazetede, İsviçre Patent Bürosu’nda adı henüz duyulmamış bir memur olarak çalışan Albert Einstein’ın, mutlak zaman kavramından vazgeçilmesi koşuluyla esir kuramının tümüyle gereksiz olduğunu gösteren bir makalesi yayımlandı. Birkaç hafta sonra Henri Poincare benzer bir tezi savundu. Bu soruna tamamen matematiksel açıdan yaklaşan, ölünceye kadar da Einstein’ın kuramla ilgili yorumlarını kabul etmeyen Poincare’den çok Einstein’ın savlan, fiziğe daha yakındı.

Einstein’ın görelilik kuramının temel postulasına göre, hızları ne olursa olsun, özgürce hareket eden her gözlemci için bilim yasaları aynıdır. Bu Newton’un hareket yasaları için de geçerliydi, ancak Einstein savını, Maxwell’in kuramını da içine alacak şekilde genişletmişti. Bir başka deyişle, Maxwell ışığın hızının belirli bir değeri olduğunu saptadığına göre, özgürce hareket eden bütün gözlemcilerin, ışık kaynağına ya da kaynağın tersine doğru hangi hızda hareket ederlerse etsinler, aynı değeri bulmaları gerekiyordu. Bu basit düşünce -ne esir ne de tercih edilmiş herhangi bir referans sistemi olmadan- Maxwell’in denklemindeki ışığın hızını açıkladığı gibi, genelde sezgi karşıtı ve dikkate değer bazı sonuçlara da yol açtı.

Örneğin, ne kadar hızlı olursa olsun ışığın hızını bütün gözlemcilerin kabul etmesinin gerekliliği, zaman kavramımızı değiştirmeye bizi zorladı. Yine hızla giden treni düşünelim. Pingpong topunu zıplatan biri için top neredeyse aynı noktaya çarparken, rayların kenarında duran biri için top yaklaşık kırk metrede bir yere çarpıp zıplamaktadır. Aynı şekilde, trendeki gözlemci bir el feneri yaktığında, trendeki ve yerdeki gözlemci için ışığın kat ettiği mesafe farklı olacaktır. Hız, zamana bölünen mesafe olduğuna göre, gözlemciler ışığın kat ettiği mesafe konusunda anlaşmazlığa düşerlerse, ışığın hızı konusunda anlaşabilmelerinin tek yolu, bu yolculuğun yapıldığı zaman konusunda da uyuşmamalarıdır. Başka bir şekilde söyleyecek olursak, görelilik kuramı mutlak zaman düşüncesinin sonu demektir! Bunun yerine, her gözlemcinin, yanındaki saatle kaydettiği kendi zaman ölçümü olmalıdır, farklı gözlemcilerce kullanılan benzer saatlerin uyuşması gerekmez.

Görelilikte, Michelson-Morley deneyinin ortaya koyduğu gibi, varlığı bulunamayan bir esir düşüncesine gerek yoktur. Görelilik kuramı uzay ve zaman konusundaki düşüncelerimizi temelden değiştirmeye zorlar bizi. Zamanın uzaydan tümüyle ayrı ve bağımsız olmadığım, uzay-zaman denilen nesneyi oluşturmak üzere bu ikisinin birleştiğini kabul etmek zorundayız. Bunlar kavranılması kolay düşünceler değildir. Göreliliğin fizikçiler arasında bile evrensel kabulü yıllar almıştır. Görelilik kuramı, Einstein’ın bu kuramı kavradığının ve kendi mantığına duyduğu güvenin kanıtıdır; kuramını yol açtığı garip yargılara rağmen Einstein mantığıyla önemli sonuçlar almıştır.

Ortak deneyimimizle biliyoruz ki, uzaydaki bir noktanın yerini üç rakamla ya da koordinatla belirtiyoruz. Örneğin, bir odadaki bir noktanın, bir duvardan yedi metre, diğerinden üç metre, zeminden de beş metre yukarıda olduğunu söyleyebiliriz. Veya bir noktanın yerini belli bir enleme, boylama, deniz seviyesinden yüksekliğine göre belirtiriz. Geçerliği sınırlı olsa da, uygun olan rasgele üç kooordinatı kullanmakta özgürüz. Ayın konumunu belirtmek için, onun Piccadilly Meydanı’ndan kuzey ve batı yönlerinde kaç mil uzakta olduğunu ya da deniz seviyesinden kaç metre yukarıda olduğunu söylememiz anlamsız olur. Bunun yerine Ay’ın Güneş’e uzaklığını, gezegenlerin yörünge düzlemlerine olan uzaklığını ve Güneş’i ve Ay’ı birbirine bağlayan çizgi ile Güneş’i yakındaki bir yıldıza, örneğin Proksima Erboğa’ya bağlayan çizginin arasındaki açıya göre Ay’ın konumunu belirleriz. Bu koordinatlar bile Güneş’in galaksimizdeki konumunu ya da galaksimizin yakındaki galaksiler içindeki konumunu belirlemekte pek işe yaramazlar. Aslında tüm evreni birbirinin üzerine binmiş parçalar yığını olarak tanımlayabiliriz. Bir noktanın konumunu belirlemek için her parçada farklı üçlü koordinat grubu kullanırız.

Göreliliğin uzay-zamanında, uzayın belli bir noktasında ve belli bir zamanda meydana gelen herhangi bir olay dört sayıyla ya da dörtlü koordinatla belirlenebilir. Koordinatların seçimi yine keyfi olabilir; iyi tanımlanmış herhangi bir üçlü uzaysal kooordinatla herhangi bir zaman ölçüsünü kullanabiliriz. Ancak görelilikte uzay ve zaman koordinatları arasında gerçek bir ayrım yoktur; tıpkı iki uzay koordinatı arasında gerçek
bir farklılığın olmadığı gibi. Seçtiğimiz uzay koordinatı, bundan önce seçilmiş olan ilk ve ikinci koordinatların birleşimi de olabilir. Yani yeryüzündeki bir noktanın konumunu sadece Piccadilly Meydanı’nın kuzeyinden ve batısından çizilen doğruların uzunluğuna göre değil, kuzeydoğu ve kuzeybatı yönlerinde çizilen doğrularla da belirleyebiliriz. Aynı şekilde, bir noktanın Piccadilly’nin kuzeyine uzanan doğruya uzaklığını, eski zaman (saniyede) artı uzaklık (ışık saniyede) olarak hesaplayabileceğimiz yeni bir zaman koordinatı kullanabiliriz.

Göreliliğin iyi bilinen sonuçlarından biri de, Einstein’ın ünlü denklemi E=mc2 (E enerji, m kütle ve c ışık hızı) olarak özetlenen, kütle ve enerjinin eşitliğidir, insanlar bu denklemi genellikle, örneğin bir parça maddenin saf elektromanyetik ışınıma çevrilmesiyle ne kadar enerji üretileceğini hesaplamak için kullanırlar. (Işığın hızı çok büyük olduğundan, çıkan sonuç da çok büyüktür; örneğin Hiroşima şehrini yok eden bombadaki enerjiye çevrilen maddenin ağırlığı 28,35 gramdan daha azdı.) Ancak denklem bize enerjisi artan bir nesnenin kütlesinin de artacağını ve buna bağlı olarak ivmeye direncinin artacağını ya da hızının değişeceğini de söyler.

Enerjinin biçimlerinden biri hareket halindeki enerjidir ve buna kinetik enerji denir. Arabanızı hareket ettirmek için nasıl enerji gerekiyorsa, herhangi bir nesnenin hızını artırmak için de enerji gerekir. Hareket halindeki bir nesnenin kinetik enerjisi, onu harekete geçirmek için harcamak zorunda olduğunuz enerjiye denktir. Bu nedenle nesnenin hızı çoğaldıkça, daha çok kinetik enerjiye sahip olur. Ancak enerji ve kütlenin denkliğine göre, kinetik enerji nesnenin kütlesini artırır; yani nesne ne kadar hızlı hareket ediyorsa, ivmesini artırmak da o kadar zorlaşır. Bu etki, sadece ışık hızına yakın bir hızda hareket eden nesnelerde gerçekten anlamlıdır. Örneğin, ışık hızının onda biri kadar hızı olan bir nesnenin kütlesi, normal halinden yalnızca 0,5 kadar fazladır; ışık hızının yüzde doksanı kadar bir hıza sahip olduğunda nesnenin kütlesi de normal halinin iki katı olacaktır. Nesne ışık hızına yaklaştıkça kütlesi daha da hızlı artar ve onu daha da hızlandırmak için daha da fazla enerji gerekir. Görelilik kuramına göre, bir nesne asla ışık hızına ulaşamaz, çünkü o zaman sonsuz bir kütleye ulaşması gerekir; enerji ve kütlenin denkliğine göre bu duruma erişmesi için aldığı enerjinin de sonsuz olması gerekmektedir. Bu nedenle herhangi bir normal nesne görelilikle sınırlı olduğundan, daima ışık hızının altında hareket etmek zorundadır. Yalnızca ışık ya da kendine ait kütlesi olmayan dalgalar ışık hızında hareket edebilir.

Einstein’ın 1905’teki görelilik kuramına özel görelilik denmiştir. Çünkü ışığın bütün gözlemcilere göre aynı hızda hareket ettiğini ve ışık hızına yakın hareket eden nesnelere ne olacağını başarıyla açıklasa da, Newton’un kütleçekimi kuramıyla uyuşmuyordu. Newton’un kuramına göre, herhangi bir zamanda nesneler, o anki uzaklıklarına bağlı bir güçle birbirlerini çekerler. Bu, bir nesneyi hareket ettirdiğinizde, diğer nesne üzerindeki kuvvet anında değişecek demektir. Diyelim ki Güneş bir anda kayboldu; Maxwell’in kuramına göre Dünya sekiz dakika daha aydınlık kalır (bu ışığın Güneş’ten Dünyamıza ne kadar zamanda eriştiğine bağlıdır); ancak Newton’un kütleçekimi yasasına göre Dünya o anda Güneş’in yokluğunu hissedecek ve kendi yörüngesinden çıkacaktır. Güneş’in kayboluşunun kütleçekimi etkisi böylece bize sonsuz bir hızda erişecektir; göreliliğin özel kuramının söylediği gibi ışık hızında ya da ışık hızının altında değil. Einstein, 1908 ve 1914 yıllan arasında, özelgörelilik kuramıyla uyumlu bir kütleçekimi kuramı bulmak için bazı başarısız girişimlerde bulundu. Sonunda 1915te, bugün genel görelilik kuramı dediğimiz, çok daha devrimci olan bir kuramı öne sürdü.

Kaynak: Stephen Hawking- Zamanın Daha Kısa Tarihi

PAYLAŞ
Önceki İçerikNewton’un Evreni
Sonraki İçerikEğrilmiş Uzay
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