Kütleçekimi Kuramının Yıkılışı-1

235

Einstein hiçbir şeyin ışıktan da­ha hızlı olmadığını öne süren özel göreliliğin, iki yüzyıldan daha uzun bir zaman Ay’ın, gezegenlerin, kuyrukluyıldızların ve gök­yüzüne doğru fırlatılan her şeyin hareketini inanılmaz bir kesin­likle öngören Newton’un evrensel kütleçekimi yasası ile tama­men çeliştiğini fark etti. Newton’un evrensel yasasının de­neysel başarısına rağmen, Einstein Newton a göre kütleçekiminin etkisinin bir yerden diğerine, örneğin Güneş’ten Dünyaya, Dünya’dan Ay’a, herhangi bir yerden herhangi bir yere anında, ışık hızından çok daha hızlı ulaştığını anlamıştı. Bu, özel  göreli­likle doğrudan çelişiyordu.

Bu çelişkiyi bir örnekle açıklayalım: Düş kırıklığı içinde oldu­ğunuz bir gece (tuttuğunuz takım yenilmiş, hiç kimse doğum gü­nünüzü hatırlamamış, en sevdiğiniz pastanın son dilimini başka biri yemiş) kafanızı dinlemek için teknenize binip denize açıldı­ğınızı düşünün. Ay tepede, sular yüksek (suların yükselmesine neden olan kuvvet Ay’ın kütleçekimidir), ay ışığı suyun dalgalı yüzeyinde dans ediyor. Ama zaten gecenizin berbat geçtiği yet­miyormuş gibi, düşmanca davranan dünya dışı yaratıklar belirip Ay ‘ı birdenbire galaksinin öbür ucuna gönderiveriyorlar. Ay’ın birdenbire ortadan yok olması her durumda garip olacaktır, ama eğer Newton’un kütleçekimi yasası doğruysa, çok daha garip bir şey olacaktır. Newton Yasası, Ay’ın kütleçekiminin yok olma­sı nedeniyle, siz Ay’ın kaybolduğunu görmeden yaklaşık bir bu­çuk saniye önce suların alçalmaya başlayacağını öngörmektedir. Yani tabanca patlamadan önce başlayan bir atlet gibi, su da bir buçuk saniye önce çekilmeye başlıyormuş gibi görünecektir.

Newton’a göre bunun nedeni, Ay ortadan yok olur olmaz küt­leçekiminin de o anda yok olacak olması, kütleçekiminin yoklu­ğu sonucunda da suların hemen çekilmeye başlayacak olmasıdır. Ama ışığın Ay’la Dünyaya arasındaki 380.000 kilometre mesa­feyi kat etmesi bir buçuk saniye alacağından, siz Ay’ın kaybol­duğunu hemen göremezdiniz; bir buçuk saniye süreyle daha Ay her zamanki gibi gökte pırıl pırıl parlarken sular çekiliyor gibi görünürdü. Yani Newton’un yaklaşımına göre kütleçekimi bi­zi ışıktan önce etkiler kütleçekimi ışıktan hızlıdır ama Einstein bunun doğru olmadığından emindi.

1907 yılında, Einstein en az Newton’unki kadar kesin, ama özel görelilikle çelişmeyecek bir kütleçekimi kuramı formüle edebilmek için aralıksız çalıştı. Bu iş, her şeyin ötesinde bir mey­dan okumaya dönüşmüştü. Einstein’ın muhteşem zekâsı sonun­da kendine denk bir problem bulmuştu. O dönemden kalan def­terleri, yarı formüle edilmiş fikirler, küçük hataların yanlış yön­lere götürmesi nedeniyle kıl payıyla ıskalanan hedefler, problem çözüldü kanısıyla konulmuş işaretlerin hemen yanında yeni bir hata yaptığını fark ettiğini gösteren ünlemlerle doludur. Einstein çalışmasını 1915’te nihayet ortaya çıkardı. Her ne kadar önem­li noktalarda, başta matematikçi Marcel Grossmann’dan olmak üzere yardım aldıysa da, genel göreliliğin keşfi, tek bir insanın zihninin evreni anlamak üzere ortaya koyduğu muazzam çaba­nın en az bulunan örneklerinden biridir. Sonuç ise kuantum ön­cesi fiziğin en değerli mücevheridir.

Einstein’ın genel göreliliğe yaptığı yolculuk, Newton’un iki yüzyıl önce, biraz utanarak da olsa kaçındığı temel bir soru ile başlamıştır. Kütleçekimi, etkisini uzayda çok büyük uzaklıklar­da nasıl gösteriyor? O kadar uzaktaki Güneş, Dünya’nın ha­reketlerini nasıl etkiliyor? Güneş Dünyaya dokunmadan nasıl kuvvet uygulayabiliyor? Kısacası, kütleçekimi işini nasıl yapı­yor? Her ne kadar Newton, kütleçekiminin etkisini büyük bir kesinlikle tanımlayan bir formül keşfetmişse de, kütleçekiminin aslında nasıl işlediğine ilişkin önemli soruyu yanıtsız bıraktığı­nın pekâlâ farkındaydı. Principia adlı eserinde, durumdan ken­disinin de hoşlanmadığını belirtir bir ifadeyle şöyle yazmıştır: “Bu soruyu, düşünmeleri için okuyuculara bırakıyorum.”‘ Bu problem ile Faraday’ın ve Maxwell’in 1800’lerde manyetik alan kavramını kullanarak mıknatısların hiç dokunmadıkları cisimle­ri etkilemesi olgusunu çözmeleri arasındaki benzerliği görebilirsiniz. Dolayısıyla kütleçekimi için de benzer bir yanıt önerilebi­lir: Kütleçekimi etkisini bir başka alan, kütleçekimi alanı yoluy­la iletir. Genel olarak bu doğru bir öneridir. Ama bu yanıtı özel görelilikle çelişkiye düşmeden algılayıp değerlendirmek zordur.

Çok zordur. Einstein’ın kendini adadığı çalışma işte buydu. On yıla yakın bir süre yürüttüğü karmaşık araştırmalardan son­ra geliştirdiği göz kamaştırıcı yapı ile Newton’un o zamana ka­dar büyük saygı gören kütleçekimi kuramını yıktı. Aynı derece­de göz kamaştırıcı olan bir başka nokta da Einstein’ın kilit önem taşıyan keşfinin, Newton’un kova örneği ile dikkat çektiği ko­nuyla sıkı sıkıya bağlantılı olması, yani öykünün bir daire çizip tekrar başa dönmesidir: ivmeli hareketin gerçek doğası nedir?

Kütleçekimi ile İvmenin Eşdeğerliği

Özel görelilikte Einstein’ın asıl odaklandığı konu sabit hızla hareket eden gözlemcilerdir, yani hareketi hissetmedikleri için kendilerinin sabit olduğunu ve her şeyin onlara göre hareket et­tiğini öne süren ve bunda da haklı olan gözlemciler. Trendeki Itchy, Scratchy ve Apu hiçbir hareket hissetmez. Onların bakış açısından, Martin ve platformdaki herkes hareket etmektedir. Martin de hiçbir hareket hissetmez. Ona göre hareket eden tren ve içindeki yolculardır. Bu bakış açılarından biri diğerinden da­ha doğrudur diyemeyiz. Ama ivmeli hareket farklıdır, çünkü iv­meli hareketi hissedebilirsiniz. Bir otomobil ileriye doğru ivmelenirken koltuğun arkalığına doğru bastırıldığınızı, bir tren kes­kin bir dönemece girdiğinde yana doğru savrulduğunuzu, yu­karı doğru ivmelenen bir asansörde asansörün zeminine doğru bastırıldığınızı hissedersiniz.

Hissedilen bu kuvvetler Einstein’a çok tanıdık gelmiştir. Ör­neğin keskin bir dönemece yaklaşırken, dönemeci alırken hisse­deceğiniz kuvvet kaçınılmaz olduğundan, yana savrulmaya ha­zırlanmak için kendinizi kasarsınız. Kendinizi bu etkiden koru­manın hiçbir yolu yoktur. Bu kuvvetten kurtulmanın tek yolu planınızı değiştirip dönemeci almaktan vazgeçmektir, işte bu, Einstein’ın kafasında bir şimşek çakmasına neden oldu. Kütle­çekimi kuvvetinin de tamamen aynı özelliklere sahip olduğunu fark etti. Eğer Dünya’nın üzerindeyseniz, Dünya’nın kütleçe­kimi kuvvetinin etkisi altındasınızdır. Bu, kaçınılmazdır. Başka bir yol yoktur. Kendinizi elektromanyetik ve nükleer (çekirdek- sel) kuvvetlerden koruyabilirsiniz, ama kütleçekiminden korun­manın hiçbir yolu yoktur. 1907 yılında bir gün, Einstein bunun yalnızca bir benzetme olmadığını anladı. Bilim insanlarının ba­zen bir ömür boyu bekledikleri bir içgörü anında, Einstein kütleçekiminin ve ivmeli hareketin, aynı bir madeni paranın iki yü­zü gibi olduklarını anladı.

Einstein, yapmayı planladığınız hareketi değiştirerek (ivmelenmekten kaçınarak) otomobil koltuğunda arkalığa doğru bas­tırılmaktan veya trende yana savrulmaktan kaçınabileceğiniz gi­bi, hareketinizi uygun bir biçimde değiştirerek kütleçekimi ile ilgili o bildik duyumdan da kaçınabileceğinizi buldu. Bu fikir, şaşılacak derecede basittir. Bunu anlamak için Barney’nin bir umut, Springfield’deki bütün göbekli erkeklerin katıldığı, bir ay sürecek göbek eritme yarışmasını kazanmaya çalıştığını düşüne­lim. iki hafta süreyle yalnızca sıvıyla beslenen Barney, göbeği hâlâ engel olduğu için banyodaki tartıyı okuyamadığını görünce tüm umudunu yitirir. O düş kırıklığıyla, tartı da ayağına yapış­mıştır bu arada, banyo penceresinden aşağı atlar. Aşağıya doğ­ru düşerken, komşunun havuzuna dalmadan hemen önce tar­tıya bakan Barney acaba ne görmüştür? O sırada tartının sıfı­rı göstereceğini ilk ve tam olarak anlayan kişi Einstein olmuştur. Tartı Barney ile tam olarak aynı hızda düştüğü için Barney’nin ayakları tartıya basınç yapmayacaktır. Serbest düşme sırasında Barney, astronotların uzayda yaşadıkları ağırlıksızlık duygusu­nu yaşayacaktır.

Gerçekten de, eğer Barney’nin pencereden havası tamamen alınmış bir boşluğa atladığını düşünürsek, dolayısıyla aşağı doğ­ru düşerken yalnızca havanın oluşturduğu direnç ortadan kalk­mış olmayacak, Barney’nin vücudundaki her atom aynı hızla düşmekte olduğundan vücudunda hissettiği dış etkilerden kay­naklanan -ayakların ayak bileklerine, bacakların kalçalara ve kolların omuzlara uyguladığı- tüm baskı ve gerilmeler de orta­dan kalkacaktır. Eğer Barney düşerken gözlerini kapatırsa, uzayın karanlığında yüzüyor olsaydı hissedeceklerinin aynısını hissedecektir, (içinde insan olmayan örnekleri tercih ediyorsa­nız, havası boşaltılmış bir yere birbirlerine iple bağlı iki taş atar­sanız da sanki taşlar uzayda yüzüyormuş gibi aralarındaki ip ge­rilmez, gevşek kalır.) Yani Barney hareket durumunu değiştire­rek -kendini tamamen “kütleçekimine bırakarak”- kütleçekiminin olmadığı bir ortamı taklit etmiş olur. (Nitekim NASA’da gö­revli astronotlar da dış uzayın kütleçekimsiz ortamına hazırlan­maları için takma adı Vomit Comet (Kusturucu Kuyrukluyıldız) olan özel bir 707 ile uçurulur. Bu uçuşlarda uçak tekrar tekrar Dünyaya doğru serbest düşüş hareketi yapar.)

c vaziyettey­ken ve hâlâ sıfırı gösterirken uzay kapsülünde ağırlıksız olarak “yüzmekte olan” astronotlara katıldığını düşünelim. Eğer roket­ler ateşlenip kapsül yukarı doğru ivmelenirse, her şey tamamen değişecektir. Tıpkı yukarı doğru ivmelenen bir asansörün taba­nına bastırıldığını hissetmeniz gibi, Barney de kapsülün taba­nına doğru bastırıldığını hissedecektir. Artık ayakları da tartı­ya bastırdığı için tartı sıfır göstermeyecektir. Eğer roketler tam gereken güçte ateşlenirse tartının gösterdiği rakam banyoday­ken gösterdiği rakamla aynı olacaktır. Uygun ivmelenme hare­ketinin gerçekleşmesi sonucunda, Barney kütleçekiminden ayırt edilmesi olanaksız bir kuvvet hissetmektedir.

Aynı şey ivmeli hareketin diğer türleri için de geçerlidir. Eğer Barney, dış uzayda dönmekte olan kovanın içindeki Homer’in yanına gidip de Homer’e dik açı yapacak şekilde dursaydı -ya­ni ayakları ve tartı kovanın iç duvarına basacak şekilde dursay­dı- ayakları tartıya bastıracağı için tartı sıfırdan farklı bir sayı gösterirdi. Eğer kova tam gereken hızda dönüyor olsaydı, tartı Barney’nin banyoda okuduğu rakamı gösterirdi: Yani dönmek­te olan kovanın ivmesi de Dünya’nın kütleçekimini taklit eder.

Tüm bunlar, Einstein’ın kütleçekiminden hissedilen kuvvet­le ivmeden hissedilen kuvvetin aynı, yani eşdeğer, olduğu sonu­cuna varmasına neden oldu. Einstein buna eşdeğerlik ilkesi adı­nı verdi.

Bunun ne anlama geldiğine bir bakalım. Şu anda kütleçekiminin etkisini hissediyorsunuz. Eğer ayaktaysanız, ayaklarınız ye­rin vücudunuzun ağırlığını desteklediğini hissediyor. Eğer otu­ruyorsanız, bu desteği bir başka yerinizle hissediyorsunuz. Eğer bu kitabı bir otomobilde ya da uçakta okumuyorsanız, büyük olasılıkla durağan olduğunuzu -yani ivmelenmediğinizi hatta hiç hareket etmediğinizi- düşünüyorsunuz. Ama Einstein’a göre as­lında ivmeleniyorsunuz. Hareketsiz oturduğunuz için bu size bi­raz aptalca gelebilir, ama her zamanki soruyu sormayı ihmal et­meyin: Hangi referans noktasına göre ivmeleniyorum? Kimin bakış açısına göre ivmeleniyorum?

Einstein özel görelilikte referans sistemini mutlak uzay- zamanın sağladığını söyler, ama özel görelilik kütleçekimini he­saba katmaz. Einstein, eşdeğerlik ilkesi sayesinde kütleçekimini de hesaba katan çok daha sağlam bir referans sistemi bulmuş ol­du. Bu da bakış açısında kökten bir değişikliğe yol açtı. Kütleçe­kimi ve ivme eşdeğer olduğuna göre, kütleçekiminin etkisini his­sediyorsanız ivmeleniyor olmanız gerekir. Einstein sadece, küt­leçekimi kuvveti de dâhil olmak üzere hiçbir kuvvet hissetmeyen gözlemcilerin ivmelenmediklerini söylemekte haklı olacaklarını öne sürdü. Böyle kuvvetten bağımsız gözlemciler hareketi ince­lemek için gerçek referans noktaları oluşturur; işte bu kavrayış da böyle şeyler hakkındaki normal düşünüş biçimimizde çok te­mel bir değişiklik gerektirir. Pencereden havası boşaltılmış bir yere atlayan Barney’nin normalde yere doğru ivmelenerek in­diğini söyleriz. Ama bu, Einstein’ın kabul edeceği bir tanım de­ğildir. Einstein’a göre, Barney ivmelenmemektedir. Hiçbir kuv­vet hissetmez. Ağırlıksızdır. Boş uzayın karanlığında yüzüyor­muş gibi hisseder. Bütün hareketlerin karşılaştırılacağı stan­dardı Barney oluşturmaktadır. Bu karşılaştırmaya göre, şu an­da evinizde bu kitabı okurken siz de ivmeleniyorsunuz demek­tir. Barney düşerken pencerenizin önünden geçer ve onun bakış açısına göre -ki Einstein’a göre hareket için gerçek referans nok­tası budur- siz, Dünya ve normalde durağan olduğunu düşündü­ğümüz her şey yukarı doğru ivmelenmektedir. Yani Einstein, el­manın Newton’un kafasına düşmediğini, Newton’un yükselerek elmaya çarptığını öne sürerdi.

Bunun hareket konusunda tamamen farklı bir düşünme biçi­mi olduğu açıktır. En basit algıyla, kütleçekiminin etkisini ancak ona direnirseniz hissedersiniz. Ama kendinizi tümüyle kütleçe­kimine bırakırsanız, onu hissetmezsiniz. Başka hiçbir etkiye (ör­neğin havanın direncine) maruz kalmadığınızı varsayarsak, küt­leçekimine teslim olur ve kendinizi serbest düşmeye bırakırsa­nız, boş uzayda yüzüyor olsaydınız hissedeceğiniz gibi hisseder­siniz. Bu durumda sizin bakış açınız, hiç duraksamadan, ivmelenmeyen bir kimsenin bakış açısı olarak değerlendirilir.

Toparlayacak olursak, ister uzayın derinliklerinde olsunlar is­ter birazdan yere çarpacak şekilde serbest düşme hareketi ya­pıyor olsunlar, yalnızca serbest olarak yüzmekte olan bireyler hiçbir ivme yaşamadıklarını söylemekte haklıdır. Eğer böyle bir gözlemcinin yanından geçerseniz ve sizinle onun arasında göre­li bir ivmelenme varsa, o zaman Einstein’a göre siz ivmeleniyor­sunuz demektir.

Gerçekten de ne Itchy, ne Scratchy, ne Apu, ne Martin düello sırasında ivmelenmediklerini öne sürebilir, çünkü tümü de kütleçekiminin kendilerini aşağıya doğru çektiğini hissetmektedir Bu, önceki tartışmamızı etkilemez çünkü orada sadece yatay ha­reketle, yani tüm katılımcıların hissettiği düşey kütleçekiminden etkilenmeyen hareketle ilgilenmiştik. Ama önemli bir ilke olarak tekrar belirtelim, Einstein’ın kütleçekimi ile ivme arasında bul­duğu bağ, ancak hiçbirkuvvet hissetmeyen gözlemcileri dura­ğan kabul edebileceğimiz anlamına gelir.

Kütleçekimi ile ivme arasında bağ kuran Einstein, artık Newton un cevapsız bıraktığı soruyu ele almaya ve kütleçekiminin etkisini nasıl uyguladığını araştırmaya hazırdı.

Devamı için Tıklayınız

Kaynak : Evrenin Dokusu – Brian Greene

PAYLAŞ
Önceki İçerikGayrimenkul Değerlemenin Amacı ve Kullanılan Alanlar
Sonraki İçerikKütleçekimi Kuramının Yıkılışı-2
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.

3 YORUMLAR

  1. Bilimsel bir şey anlatıyor ama fındık fıstık örneklemeleri veriyorsunuz. Hevesim kaçtı okumuyor ama size bir soru soruyorum. Evrenin toplam ağırlığı olduğu söyleniyor (bana göre bir kaç bilim adamı bir araya gelip sallamış) Bunca atomik alemlerden oluşan ki buna sonsuzlukta dair. Nasıl Hesaplıyorlar. Bir şeyin ağırlığını kütlesi yada merkezi vermiyor. ayrıca görünebilir olmayan şeyleri aydınlata bilmek için görünebilir şeylerin tanıklığından yararlanıyoruz. Buna göre görünemeyenlerde evrenin bir parçası. Gel gelelim evrenin ağırlığımı belirli atomların ağırlığı söz konusu toplam ağırlıkta. En aza indirgersek ‘Evrenin toplam ağırlı nasıl mümkün’ sorusudur…

  2. Evrenin toplam ağırlığı fizikçilerin işine nasıl bir yarar sağlar düşünemedim. Ancak bir gezegenin ağırlığını hesaplayabilirsiniz. Tahminim galaksileri de benzer yöntemlerle hesaplıyorlardır.
    Bir gezegenin ne kadar uzaklıkta olduğunu biliyorsanız, uydularının periyodunu ve uyduların gezegene olan uzaklığını kullanarak gezegenin kütlesini ölçebilirsiniz. Gezegen ile uydu arasındaki açıyı temel trigonometrik bilgilerle basitçe aradaki uzaklığa çevirebilirsiniz.
    Bir cismin fiziksel büyüklüğü, o cismin açısal büyüklüğünden ve uzaklığından bulunabilir. Ne kadar büyük göründüğü, ‘açısal büyüklük’ veya ‘açısal çap’ terimleri ve uzaklıkla ile ilişkilidir. Örneğin, bir araba ya da bisiklet kullanıyorsanız, başka bir araba ya da bisikletin sizden ne kadar uzaklıkta olduğunu açısal büyüklüğünden yola çıkarak tahmin edebilirsiniz. (Karşılaştırdığınız araba ya da bisikletin de aynı boyutlarda olduğunu düşünürseniz.) Güneş Sistemi’ndeki gezegenler, onları bir disk şeklinde görebileceğimiz kadar Yer’e yakındır ve bu yüzden bir açısal büyüklüğe sahiptir. Yıldzılar (Güneş dışında) ise gerçekte gezegenlerden daha da büyük olmlarına rağmen en güçlü teleskoplarla bile sadece nokta olarak görünürler.

    Bir gezegenin sizden ne kadar uzakta olduğunu biliyorsanız; onun doğrusal çapını bulabilirsiniz.

    Gezegenin doğrusal çapı=2πx(uzaklık)x(gezegenin derece cinsinden açısal büyüklüğü) /(360°)

    Newton, bir cismin etrafında dönen cisimleri kapsayan Kepler’in 3. Yasasını genelleştirmek için kendi hareket ve yerçekimi yasalarını kullanmıştı. Birbiri etrafında dolanan iki nesne için, aşağıdaki eşitliği bulmuştur:

    Gezegenin kütlesi + uydunun kütlesi= (4π²/G)/[(aradaki uzaklık)³/(uydunun dolanma periyodu)²]
    Not: Uzaklığı metre, periyodu saniye cinsinden hesaplayınız.

    Newton’ın yeniden uyarladığı formül, gezegenin ve uydunun kütlelerini birlikte hesaplamak için kullanılabilir. Çoğu zaman uydunun kütlesi, gezegenin kütlesinden daha az olduğu için ihmal edilebilir. Bu durumda Kepler’in 3. Yasası, doğrudan gezegenin kütlesini verir.

  3. Bir şeyin ağırlığını kütlesi yada merkezi vermiyormu şeklinde olacaktı.Eksik yazmışım. Gezegenlerin yada meteorların ağırlıklarına tamamım. Ayrıca aklıma Satürn yada Jüpiter ve benzeri gaz topu olan gezegenler bana bir kilo demirmi, bir kilo pamukmu daha ağır önermesini getiriyor. X yoğunluğunda olan bir gezegenin kütlesi sabit görünemediğinden bana göre değişken ve bilgi bakımından kesinlik vermez. Şahsi fikirlerim ve felsefi yaklaşımımdır. Ve Newton yada Einstein gibi sağlam temelleri olan adamlar bir şeyleri keşfetmelerinden değil, felsefenin ortaya attığı bilimleri geliştirmekle varlıklarını sürdürdüler. Bu gelişimler temel kaynaklara dayalıydı buna göre onlar sadece bilim adamları olarak ele aldığımdan bir parça desteklerim. Asıl sorumdan (Gezegenlerin yada gezegenlerin toplam ağırlığı değilde evrenin toplam ağırlığı) uzaklaşsakta ona geri dönmek için tekrar yazmanızı diler teşekkür edilme hakkınızı saklı tutarım…

CEVAP VER