İzafiyet Teorisi Nedir?

Albert Einstein, tarihte yaşamış en zeki insan olarak lanse edilir. Kendisinin teorileri ve keşifleri sayesinde tarih sahnesine oldukça büyük etkisi olmuştur. Bunlardan en bilineni e=mc2 iken, en bilinmeyeni de sanırım İkinci Dünya Savaşı sırasında Amerikan Hükümetine atom bombası yapılmasında yardım etmiş olmasıdır. Bugünkü yazımızda Albert Einstein tarafından 1905 tarafında yayılanan i”zafiyet teorisi nedir?” sorusunun yanıtını ve özel görelilik kuramını inceleyeceğiz.

İzafiyet teorisi nedir? Bu sorunun en basit yanıtı vermek zor. En yalın haliyle açıklamak gerekirse izafiyet teorisi; “bir cismin yarattığı enerji içeriğiyle direkt bağlantı sağlayabilir” teorisini ortaya atan bir fizik kuramıdır. Bu kurama göre, zaman, mekan, hareket, enerji ya da bilinen bütün fiziksel ölçüler birbirleri ile bağlıdırlar. Einstein bu konu ile ilgili şunları söylemiştir:

“Zaman ancak hareketle, cisim hareketle, hareket cisimle vardır. O halde; cisim, hareket ve zamandan birinin diğerine bir önceliği yoktur. Galileo’nin Görelilik Prensibi, zamanla değişmeyen hareketin göreceli olduğunu; mutlak ve tam olarak tanımlanmış bir hareketsiz halinin olamayacağını önermekteydi. Galileo’nin ortaya attığı fikre göre; dış gözlemci tarafından hareket ettiği söylenen bir gemi üzerindeki bir kimse geminin hareketsiz olduğunu söyleyebilir.”

Einstein’in İzafiyet Teorisi, Galieo’nun Görelilik Prensibi ile doğrusal ve değişmeyen bütün hareket ve eylemlerin etkilerinin, her daim gözlemcilerin ışığın hızını aynı büyüklükte göreceği önermesi ile birleştirir.

Einstein’ın Mucize Yılı

O zamanlar 26 yaşında olan genç Albert Einstein, 1905 yılında dört makale birden yayınlayarak bilinen şekliyle 20. yüzyıl fiziğinin temelini atmıştır. Yayınladığı dört makale sebebiyle 1905 yılı Einstein’ın mucize yılı olarak adlandırılır. Peki 1905 yılında yayınlanan bu makalelerin konusu nedir?

• Mart ayı: Fotonları keşfederek fotoelektrik etkiyi açıkladı.
• Mayıs ayı: Atomların yerleşik varlığından yararlanarak Brownian Hareketi’ni açıkladı.
• Haziran ayı: Zamanın düşündüğümüz şekilde ilerlemediğini göstererek Özel Görelilik kavramını açıkladı.
• Eylül ayı: Kütle-enerji denkliği ile kütlenin enerji olduğunu kanıtladı.

Fizikte yer alan neredeyse çoğu denklem; zaman, uzay, enerji ve kütle arasındaki ilişkiyi ele alır. Einstein, yayınladığı makaleler yoluyla bu dört kavrama ilişkin genel anlayışı gözden geçirmiştir. Böylece yüz yıllardır süre gelen fikirlerin bazılarını doğrularken bazılarını da tamamen yok etmiştir.

Örneğin Einstein, Antik Yunan’dan beri kanıtlanamamış bir teori olarak kalmış olan atomların varlığını kanıtlayarak kütle-enerji denkliği ile birlikte atom çağının başlamasına öncülük etmiştir. Ayrıca Einstein, uzun süredir devam eden ve kafa karıştıran ışığın parçacıklardan mı yoksa dalgalardan mı oluştuğu konusundaki tartışmayı da çözmüştür.

Işığın parçacıklardan oluştuğunu göstererek kuantum mekaniği alanının kurulması da yine Einstein sağlamıştır. Ancak belki de Einstein, en önemli işlerinden biri olan “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” adlı makaleyle İzafiyet Teorisi’ni ortaya atarak uzay ve zaman anlayışını tepetaklak etmiştir. Peki Özel Görelilik olarak da bilinen İzafiyet Teorisi nedir?

Özel Görelilik Nedir?

Özel görelilik ise, gündelik yaşamımızda kesin olarak gözlemlediğimiz, zaman ya da maddesel kavramların aslında göreceli olduğunu söyler. Sezgisel olarak göreceli olduğunu varsaydığımız kavramların ve olguların ise tamamen mutlak olduğunu belirtir. Gözlemleyen kim olursa olsun, ışık hızının aynı olduğunu söyler. Özel görelilik, c katsayısının oluşabilecek herhangi doğa olayının ışık hızı olabilmenin çok daha ötesinde, uzay ya da zaman ile birlikte ilişkisinin temel özelliklerinin olduğunu ortaya çıkartmıştır. Einstein, bu teorisini iki temele dayandırmıştır:

• Öncelikle, doğal dünya hiçbir ayrıcalıklı referans çerçevesine izin vermez. Herhangi bir nesne, düz bir çizgide sabit ve ivmesiz bir hızla hareket ettiği taktirde, fizik yasaları herkes ve her şey için aynıdır. Bu durum, bir tren penceresinden dışarı baktığınız zaman yanınızdaki rayda bulunan treni hareket ediyormuş gibi gördüğünüz ana benzer. Ancak, hareket eden siz misiniz yoksa yanınızdaki tren mi bunu söylemek zor olabilir. Aynı şekilde Einstein da hareket mükemmel bir şekilde tek biçimliyse bunu açıklamanın kelimenin tam anlamıyla imkânsız olduğunu fark ederek bu durumu fiziğin merkezi bir ilkesi olarak tanımladı.
• İkinci temel ise, ışığın saniyede 186.00 mil değişmeyen bir hızla hareket ettiğidir. Bir gözlemci ne kadar hızlı hareket ederse etsin ya da ışık yayan bir nesne ne kadar hızlı hareket ederse etsin, ışık hızının ölçümü hep aynı sonucu verir.

Einstein bu iki önermeden yola çıkarak uzay ve zamanın, bilim insanlarının gözünden kaçan ve bu nedenle hiç fark edemedikleri şekillerde iç içe geçtiği gösterdi. Ayrıca, bir dizi düşünce deneyi yoluyla Einstein, özel göreliliğin sonuçlarının genellikle mantık dışı hatta şaşırtıcı olduğunu da gösterdi.

İzafiyet Teorisi ve Özel Görelilik Kuramının Öngörüleri Nelerdir?

İzafiyet Teorisi ile birlikte Einstein zamanın göreceli olduğunu belirlemiştir. Başka bir deyişle, zamanın geçme hızı sizin referans çerçevesiniz ile ilişkilidir. İki farklı referans çerçevesinde gözlemciler, zıplayan bir topun hareketini nasıl tanımlayacakları konusunda her zaman anlaşamazlar.

Ek olarak, bir olayın ne zaman cereyan edeceği ya da ne kadar sürdüğü konusunda da anlaşamazlar. Bu nedenle bir referans çerçevesinde yer alan 1 saniye, başka bir referans çerçevesinde yer alan başka 1 saniye kıyasla daha uzun olabilir. Bu değişkenleri açıklamak için Einstein dört öngörüyle fikirlerini desteklemiştir. Özel görelilik ya da görece kavramı ile en çok bilinen dört öngörü şunlardır:

• Cisimler hızlanmaya başladıkça, içerisindeki zaman cismin hızına bağlı olarak yavaşlar. Bir cisim ne kadar hızlı gidiyorsa zaman, cisim için o kadar yavaş ilerler. Böylece, ışık hızına ulaşılması durumunda cismin içerisindeki zaman durur.
• Cisimler hız kazandıkça ağırlıklarının belirli bir bölümü kinetik enerjiye dönüşür. Durağan kütleye sahip cisimler hiçbir zaman ışık hızına ulaşamazlar.
• Cisimler hız kazandıkça, hareket doğrultusunda boyları kısalır. Yani, bir cisim ne kadar hızlıysa boyu o kadar kısalır.
• Hiçbir cismin, ışık hızından daha hızlı gitmesi mümkün değildir.

Bu öngörüleri daha iyi açıklamak gerekirse örneğin, bir rokette hızla ilerlediğinizi varsayın. Sizin roketinizle aynı ama daha yavaş hareket eden başka bir rokette hızla ilerleyen bir arkadaşınızın yanından geçtiğinizi hayal edin. Baktığınız zaman arkadaşınızın saatinin sizinkinden daha yavaş çalıştığını fark edersiniz.

Üstüne üstlük, arkadaşınızın roketi sizinkine göre daha kısa görünürken, roketiniz hızlandıkça hem sizin hem de roketinizin kütlesi artar. Ne kadar hızlı giderseniz, kütleniz o kadar artar ve roketiniz daha hızlı gitme çabalarınıza o denli direnir. Böylece Einstein, kütlesi olan hiçbir şeyin ışık hızına ulaşamayacağını gösterir.

Özel Görelilik ve Genel Görelilik Arasındaki Farklar Nelerdir?

Tarih boyunca öne atılan en geniş kapsamlı teorilerden biri olan Görelilik Teorisi, özel ve genel olmak üzere ikiye ayrılır. Özel görelilik, yalnızca eylemsiz referans çerçevelerinde hareket eden nesnelerle sınırlıdır. Daha açık anlatmak gerekirse, bir gözlemcinin bütünüyle mekanik deneylerden oluşan yapılardan birini diğerinden ayırt edemediği, tek biçimli hareket durumlarıdır.

Başta ışık olmak üzere özel görelilik, diğer tüm elektromanyetik radyon içeren yapıların davranışlarından başlayarak günlük deneyime aykırı fakat deneylerle tamamen doğrulanabilen sonuçlar çıkarır. Ayrıca özel görelilik, ışık hızına herhangi bir somut nesnenin yaklaşabileceği fakat ulaşamayacağı bir sınır olduğunu ispatlamıştır. Bu gelişme de bilimdeki en ünlü denklem olan “E = mc²” denklemi ve “İkizler Paradoksu” gibi cezbedici sonuçlara yol açmıştır.

Genel görelilik ise, evrendeki en temel kuvvetlerden biri olan yerçekimini konu alır. Yerçekimi, makroskopik davranışları tanımladığı için dolayısıyla genel görelilik aşağıdaki büyük ölçekli fenomenleri tanımlamaya yarar:

• Gezegen dinamikleri
• Yıldızların doğuşu ve ölüşü
• Kara delikler
• Evrenin geçirdiği evrimler

Çarpıcı bir biçimde özetlemek gerekirse, özel ve genel görelilik kavramları nükleer enerji ve nükleer silah uygulamaları başta olmak üzere, fizik bilimini ve insanın varlığını derinlemesine etkilemiştir. Ek olarak görelilik kavramı, insanların temel uzay ve zaman kategorilerini yeniden düşünmesini sağlamıştır. Bunun yanı sıra, insan kültürünü farklı biçimlerde etkileyen belirli felsefi, sosyal ve sanatsal soruların sorulması için de sağlam bir temel hazırlamıştır.

E = mc² Denklemi Nedir?

Einstein’ın kütle yaklaşımı, artan göreli bir kütle (m), cismin hareket enerjisi olan kinetik enerjisinden E’nin (enerji), c²’ye (ışık hızının karesi) bölünmesinden elde edilir. Bu formül basit bir tabirle, kütle ve enerjinin aynı fiziksel varlık olduğunu ve aslında birbirlerine dönüştürülebileceğini ifade eden E = mc² denkleminin kökenini oluşturur.

Işık hızı çok büyük bir sayı olduğundan dolayı, çok küçük bir kütle miktarı bile çok büyük miktarda bir enerjiye eşdeğerdir. Ayrıca bu durumun yanı sıra iki kavram birbirilerine dönüştürülebilir. Atom ve hidrojen bombalarının bu denli güçlü olmasının sebebi de budur.

İkizler Paradoksu Nedir?

20. yüzyılda insanların pek çoğuna Einstein’ın ortaya attığı fikirler mantık dışı bir doğaya sahiptir. Öyle ki insanlar, Einstein’ın fikirlerini özümsemekte zorlanır ve anlaşılmaz görünen durumlarla karşı karşıya kalır. Bu duruma verilebilecek en iyi örneklerden biri de özel göreliliğe, zamanı nasıl tanımladığı konusunda yardımcı olan İkizler Paradoksu anomalisidir.

İkizler Paradoksu’nu daha iyi anlamak adına, ikiz ve özdeş olan iki kız kardeşten birinin, ışık hızında uzaya fırlatıldığı varsayılır. Görelilik kavramına göre, uzay gemisinde zaman Dünya’daki zamandan daha yavaş ilerler. Bu nedenle de ikiz kardeş, Dünya’ya döndüğü zaman geride kalan kız kardeşinden daha genç olacaktır.

Ancak göreliliğe göre, bir gözlemcinin ikinci kardeşe olduğunu gördüğü durum, ikinci kardeşin birinci kardeşe oluyormuş gibi gördüğü durumdur. Daha açık anlatmak gerekirse, uzaya giden kız kardeş için zaman Dünya’ya göre daha yavaş hareket edeceği için geri döndüğünde Dünya’da kalmış kız kardeş daha genç olan kardeş olacaktır. Peki uzaya giden ikiz kardeş, Dünya’da kalan kız kardeşinden nasıl hem daha genç hem de daha yaşlı olabilir?

Aslında cevap oldukça basittir. Paradoks sadece görünüşte olacağı için bu durum özel görelilik tarafından uygun bir biçimde ele alınamaz. Uzaya fırlatılan aracın, Dünya’ya geri dönebilmek için yönünün değiştirilmesi gerekir. Bu da özel görelilik kavramının merkezinde yer alan sabit bir düz çizgi hareketi koşulunu ihlal eder. Tam bir yaklaşım, iki kız kardeş arasındaki zamanın asimetrik bir değişiklik yaşayacağını gösteren genel göreliliğe işaret eder. Bu nedenle de paradoks, sayısız deney ile doğrulanan özel göreliliğin zamanı nasıl tanımladığı konusunda şüphe uyandırmaz.

Özel Görelilik ve Kuantum Mekaniği

Evrenin nasıl çalıştığına dair en yaygın kabul gören modellerden ikisi özel görelilik ve kuantum mekaniğidir. Özel görelilik çoğunlukla son derece büyük mesafeler, hızlar ve nesnelerle ilgili olmasının yanı sıra bu dinamikleri evrenin pürüzsüz bir modeliyle birleştirir. Corey Powell’a göre özel görelilikte gelişen olayların tümü sürekli ve belirleyici olduğu için her eylemin doğrudan, özel ve yerel bir şekilde sonuçlanması anlamına gelir. Daha açık bir şekilde anlatmak gerekirse, özel görelilik ve kuantum mekaniği birbiriyle ilişkili gibi görünse de birbirlerinden farklıdırlar.

Kuantum fiziği, kesin sonuçlardan ziyade olasılıksal sonuçlara sahip olan, atlamalar ya da kuantum sıçramalarından meydana gelir. Özel görelilik ve kuantum mekaniğini birleştiren bazı araştırmacılar, atom altı parçacıkları ve onların etkileşimlerini daha iyi anlamak adına göreli kuantum mekaniği ve kuantum alan teorisi gibi kavramlar geliştirdiler.