GÖRELİLİK KURAMI

Albert Einstein, Newton'un mutlak zaman ve mutlak uzay kavramlarını eleştirmiş ve zamanı ve uzayı insanlara ve referans sistemlerine bağımlı kılabilmek, yani onları göreli kavramlara dönüştürebilmek için özel görelilik kuramını geliştirmiştir. Çekim kuvvetini de göreli kılabilmek içinse genel görelilik kuramını ortaya koymuştur.

ÖZEL GÖRELİLİK KURAMI

Einstein, 1905'de esirin gereksiz ve fazla bir kavram olduğunun ilan ettikten sonra Mach'tan etkilenerek kurduğu özel görelilik kuramında zaman ve uzayın Tanrı ile olan ilişkilerini, kopardı ve onları insanlara ilişkin göreli birer kavrama dönüştürdü. Artık zaman ve uzay düşünce ürünü olmayıp ölçülebilen şeyler haline geldi.

Ondokuzuncu yüzyılın sonlarında ışığın elektromagnetik dalgalardan oluştuğu ve bu dalgaları uzak mesafelere taşıyan gözle görülemez, seyrek, esnek ve ağırlıksız bir ortamın (esir) var olduğu kabul ediliyordu. Eğer dünya böyle bir ortamda saniyede otuz km.lik bir hızla hareket ediyorsa zıt yönde bir esir rüzgarının oluşması ve ayrıca bu esir rüzgarıyla birlikte hareket eden ışığın bu rüzgara karşı hareket eden ışığa göre daha büyük bir hıza sahip olması gerekiyordu. Oysa ki 1887 yılında Albert Michelson ile Edward Morley, yaptıkları deneylerle ışık hangi yönde hareket ederse etsin, ışık hızının değişmediğini saptadılar. O halde, acaba esir diye bir şey yok muydu?

Esirin varolduğuna inanan bazı bilim adamları, Michelson ve Morley'in ulaştıkları sonucu yapay olarak etkisiz kılmaya çalıştılar. Örneğin, George Fitzgerald, dünyanın esir içinde hareket ederken hareket doğrultusunda büzüldüğünü ve bu büzüme ile ışığın hızında ortaya çıkacak olan farkın yok olduğunu ileri sürdü. Ne var ki, esirin varlığını savunmak için geliştirilen bu ve buna benzer açıklamalar bilim adamlarını tatmin etmiyordu.

İşte belirsizliğin sürdüğü böyle bir atmosferde, Einstein cesurca esir kavramının bir işe yaramadığını ve fizikten atılması gerektiğini vurguladıktan sonra özel görelilik kuramının iki temel ilkesini ortaya koydu:

1 - Bir deney yalnız göreli hareketi saptayabilir. Başka bir deyişle hiçbir deney mutlak durağanlığı veya düzenli hareketi saptayamaz. (Örneğin, bu ilkeye göre esirin varlığını saptamak olanaksızdır.)

2 - Işık, kaynağına bağlı olmaksızın, boşlukta sabit bir hızla hareket eder.

Einstein, bu iki temel ilkeyi, bazı düşünce deneyimlerini ve matematiği kullanarak Newton fiziğinin ana kavramlarını kökünden değiştirdi.

Newton'a göre zaman mutlaktır yani evrensel olarak farklılık göstermez ve geçmişten geleceğe doğru düzenli bir biçimde akar. Sağduyuya uygun olan bu evrensel zaman anlayışına göre eşzamanlılık da evrenseldir.

Mutlak zaman kavramına karşı çıkan Einstein'a göre zaman kavramını içeren önermeler eşzamanlı olaylar hakkında ortaya konan önermelerdir ve eşzamanlılık iki olayın aynı anda gerçekleşmesi anlamına gelmektedir. Örneğin, "Mavi Tren Ankara Garına saat yedide gelecektir" demek saatimin akrebinin yedi üzerine gelmesiyle Mavi Trenin Ankara Gar'ına girmesi olayının aynı anda gerçekleşmesi yani bu iki olayın zamandaş olması demektir.

Ancak Einstein'a göre zaman, daha doğrusu eşzamanlılık, mutlak ve everensel değildir, çünkü bir gözlemci için eşzamanlı olan bir olay genellikle başka bir gözlemci için eşzamanlı değildir. Einstein'ın bu sonuca nasıl ulaştığını anlayabilmek için şu düşünce deneyini gözden geçirebiliriz:

Bir trenin (devingen sistem) orta noktasında iki ışık ışınını ters yönlere aynı anda gönderelim. Tren içindeki gözlemci için ışığın hızı ( c ) sabit olduğundan onun sistemde bu iki ışık ışını ters yöndeki duvarlara aynı zamanda ulaşır; gene bu gözlemci için bu iki olay (ışık ışınlarının ters yönlerdeki iki duvara çarpması) zamandaş olacaktır. Peki, trenin dışındaki gözlemci ne diyecektir? Onun için de kendi sisteminde ışığın hızı sabittir; ancak trene baktığında duvarlardan birinin ışıktan uzaklaştığını, diğerinin ışığa doğru ilerlediğini görür. Böylece ona göre, ışık ışını kendisine yaklaşan duvara daha erken, kendisinden uzaklaşan duvar ise daha sonra çarpacaktır. Bundan çıkan kaçınılmaz sonuç şudur: Bir sistemdeki gözlemci için zamandaş olan iki olay, bu sisteme göresel düzgün devinen ikinci bir sistemdeki gözlemci içinse zamandaş değildir.

Acaba bu iki gözlemciden hangisi haklıdır? Einstein'a veya birinci temel ilkeye göre iki gözlemci de haklıdır. Eğer zaman kavramı göreli ise, fiziğin diğer temel kavramları da göreli olmak zorundadır. Örneğin, bir cismin uzunluğunu belirlemek için iki farklı gözlemci farklı zamanlarda ölçümler yapacaklarından (çünkü eşzamanlılık onlar için aynı değildir.) farklı değerler saptayacaklardır.

Özel görelilik kuramındaki olaylar ile Mach'ın algıları (elementleri) arasında bir fark yoktur. Örneğin, saatin akrebinin hareketiyle Mavi Trenin Ankara Garına girmesi aynı anda algılanan olaylardır. Aynı şekilde düşünce deneyimindeki gözlemcilerin gözlemleri de algılardan ibarettir. İşte Einstein'ın kuramında zaman ve uzay kavramaları ölçülebilen ve algılanabilen yani insanlara göre anlam kazanan kavramlar dönüştürüldükleri için Machçılığın Einstein üzerinde önemli bir rol oynadığını iddia edebiliriz. Nitekim Einstein bile Mach'ın etkisinde kaldığını arkadaşlarına yazdığı mektuplarda açıkça belirtti. Hatta bizzat Mach'a yolladığı mektuplarda onun bir öğrencisi ve izleyicisi olduğunu açıkça itiraf etti. Bununla birlikte Mach hiçbir zaman özel görelilik kuramını tam olarak desteklemedi.

Einstein, zamanın ve uzayın göreli kavramlar olduğunu deneyler yaparak göstermiş değildir, çünkü onun özel görelilik kuramına ilişkin olarak sözünü ettiği deneyler zihninde yaptığı deneylerdir. Ayrıca bu kuramın temel direkleri olan iki ilke tamamen usun ürünleri olduklarından onları deneyimsel yöntemle doğrulama ya da yanlışlama olanağı yoktur.

Özel görelilik kuramının bir sonucu da madde ile enerjinin eşdegerliğini ve birbirlerine dönüşebilirliğini gösteren " E = mc2 " nin formülüdür. Bu formülde E enerjiyi, m cismin kütlesini ve c de ışığın hızını temsil etmektedir.

Bu formül, çok küçük bir madde parçasının çok büyük miktarlarda enerji içerdiğini ortaya koydu ve böylece nükleer çağa girilmiş oldu.

GENEL GÖRELİLİK KURAMI

Einstein, özel görelilik kuramını daha doğrusu görelilik ilkesini ivmeli referans sistemlerine uygulamak istedi. O nasıl zaman ve uzay kavramlarını göreli yaptıysa, aynı şekilde çekim kuvvetini de göreli yapmak için ivmeli referans sistemlerine ilişkin zihninde bir deney tasarladı:

Dünyadan uzakta bulunan bir asansörün içinde bir gözlemci olduğunu düşünelim. Bu asansör ivmeli olarak ışık hızına yakın bir hızda hareket etse ve asansörün içine duvardaki delikten bir ışık girse, gözlemci ışığın aşağı doğru eğildiğini ve karşı duvardaki daha aşağı bir noktadan asansörü terk ettiğini görecektir, çünkü ışık asansör içinde hareket ederken asansör yukarı doğru çıkmaktadır. İvmeden dolayı ayaklarının yere bastığını ya da aşağı doğru çekildiğini hisseden yani yerçekiminin olduğunu düşünen gözlemci yerçekiminin ışığı da aşağı doğru çektiğini yani eğdiğini sanacaktır. Dolayısıyla bu deneyden çıkan sonuç yerçekimi kuvvetinin ışığı izlediği doğru yoldan saptırarak eğdiğidir.

Gözlemci doğal olarak uzayda ivmeli bir hareket mi yaptığını veya yerçekimi kuvvetinin mi var olduğunu ayırt edemez. Demek ki yerçekimi kuvveti mutlak değildir, çünkü ivme ile yerçekimi arasında bir eşdeğerlik söz konusudur. Bu eşdeğerliğe de Eşdeğerlik İlkesi adı verilir.

Eğer ivme ile yerçekimi arasında bir ayrım yok ise, yerçekimi kuvveti de ışığı saptırmalıdır. İşte Einstein geliştirdiği alan denklemleriyle bir yıldızdan gelen ışığın güneşin yakınından geçerken belli bir ölçüde (1.75 saniyelik eğri ile) sapacağını hesapladı ve 29 Mayıs 1919'da tam bir güneş tutulması esnasında Arthur Eddington güneşin yakınından geçen bir yıldız ışığının sapma ölçüsü (miktarı) ile Einstein tarafından öngörülen ölçünü aynı olduğunu gözlemsel olarak belirledi. Genel görelilik kuramının bu nokta bakımından doğrulanması ile de Einstein dünya çapında üne kavuştu.

Einstein evrenin biçimi, tarihi ve ilk durumu ile ilgilenen kozmolojiye de önemli katkılarda bulundu. Onun alan denklemleri başlangıçta dinamik ve genişleyen evreni betimlemekte idi. Ancak değişen (dinamik) evren anlayışı astronomların görüşleriyle çelişmekte idi. Bu nedenle o, denklemlerindeki lambda sabitinin değerini değiştirdi ve onları durağan evren anlayışıyla uyumlu kıldı.

Ne var ki oniki yıl sonra (yani 1929'da) Amerikalı astronom Edwin Hubble uzak galaksilerin birbirlerinden uzaklaştıklarını saptayarak evrenin genişleyen yani dinamik bir evren olduğunu kanıtladı. Bunun üzerine Einstein kozmolojik sabiti yani lambdayı tekrar eski değeriyle ( yani sıfır olarak) kabul etti. İşte bu hata onun bilimsel hayatında yaptığı en büyük hataydı.

Genel görelilik kuramının en önemli sonuçlarından birisine göre de bütün fiziksel nesneler çekim kuvvetinin veya çekim alanının etkisinde kaldıkları taktirde eğri yollar izlerler ve iki nokta arasındaki en kısa yol bir doğru olmayıp bir eğridir. Ayrıca evren bile dört boyutlu [uzay(en, boy ve derinlik) ve zaman] bir eğriliğe sahiptir.

Einstein karmaşık matematiksel teknikler sayesinde genel görelilik kuramını geliştirebildiği için pozitivizmi bilinçli olarak yadsımak zorunda kaldı. Ona göre fizik gelişmesini gözlemlere değil, kuramlara borçluydu. Gerçi bir kuramın sonuçları deneyimsel yolla sınanabilirdi, ama kuramın temel ilkeleri (aksiyomlar) insan zihninin serbest yaratıları oldukları için gözlemlerden çıkarsanamazlardı.