Einstein'ın Rölativite Kuramlarına Bir Bakış

Einstein'ın Rölativite Kuramlarına Bir Bakış

Bu yüzyılın başlarında kuramsal fizikte altın çağ başladığı zaman, adı henüz bilim dünyasında duyulmamış bir fizikçi vardı Bu, Annalen der Physık’in 1905 tarihli sayısında fotoelektrik olayı, Brown hareketi ve özel görelilikle ilgili ünlü üç çalışmasını birden yayınlayarak üne kavuşan Albert Einstein’dır Onun fizikteki hayat boyu çalışmaları bilimin felsefesi ve yöntemleri üzerinde büyük etki yaptı Einstein’ın kendisi bilimci filozoftu

O, hayranlık uyandırıcı bir şekilde felsefeyi kullanarak bugün modern bilimin önemli bir kısmı olan buluşlarını yaptı ve bunlar insanlık aleminin evrene bakış açısını kökten değiştirdi Hiç şüphe yok ki, Einstein çok özel bir bilim adamıdır ve bir benzerini bilim tarihinde görmek, bulmak olası değildir O, Planck’ın enerjinin kuantumlanması buluşunun önemini ilk kavrayanlardan biridir ve bunu fotoelektrik olayının mekanizmasını açıklamada başarıyla kullanarak 1921 Nobel fizik ödülünü almaya hak kazanmıştır İstatistik mekaniğe de çok önemli katkılar yapmıştır Kuantum fiziğinin öncülerindendir fiziksel olayların özünü kavramakta olağanüstü yeteneğe sahipti Hiçbir kısa özet, onun, fiziğin temel problemlerine yaptığı çok sayıda derin katkıları anlatmaya yetmez Onun genel görelilik kuramı bütün zamanların en yeterli ve en akıllı yapıtlarından bir olarak durmaktadır

20 yy’ın ilk çeyreğinde Fizik alanında iki büyük devrim yaşanmıştır:
Bunlardan biri Einstein’ın görelilik kuramları, diğeri de kuantum kuramıdır Bunlar bilimde gerçek devrimlerdir; çünkü doğaya yeni bir gözle bakmayı sağlayarak yeni kavramlar, yeni ilkeler getirdiler Fen bilimlerinden felsefeye, sosyal bilimlere kadar tüm bilimler bunların etkisinde kaldı

Bundan yüz yıl önce ortaya çıkan özel rölativite kuramından bu yana geçen sürede bilimsel sonuçları ile, fizikçilerin yanı sıra matematikçilerin, kimyacıların ve mühendislerin de yoğun ilgisini çekmiş bulunan bu teori epistemolojik yönüyle de filozofların yakından ilgilendiği ve üzerinde yorumlar yaptığı bir konu haline gelmiştir

Bu makalede, Klasik Fizik kuramlarının yetersizliklerinin bir sonucu olarak doğan rölativite kuramlarının dayandığı temel ilkeleri ele alacağız

19 yy’ın son çeyreğinde fizikçiler, bir yandan klasik fiziğin fiziksel olayları başarılı bir biçimde açıklamalarına tanık olurken öte yandan da bu kuramın açıklayamadığı bazı olaylarla karşılaşmaya başlamışlardı Bu olaylar iki türdendi: Bir kısmı klasik fiziğin iç çelişkilerinden, bir kısmı da atomlara uygulanmasından kaynaklanıyordu

İşte, klasik fiziğin ister iç çelişkilerinden, ister atomlara uygulanmasından kaynaklanan bu güçlüklere fiziğin bunalımı adı verildi Bu bunalımın karşısında fizikçiler iki kampa ayrıldılar ve bunlar birbiriyle çelişen iki farklı felsefi görüşün savunucuları oldular Her iki kampın lideri, Avusturyalı iki fizikçi idi: Ludwing Boltzmann (1844-1906) ve Ernst Mach (1838-1916)

Fiziksel gerçekçilik okulunda Boltzmann’ın yanında 19 yy fiziğine önemli katkılar yapmış olan Krichhoff, Maxwell, Hertz, Helmholtz ve Lord Kelvin gibi fizikçiler yer aldı

Fiziksel simgecilik okulunda ise Mach’ın arkasında Poyting, Max Planck, Peardon, Duhem ve Poincare gibi sayılı birkaç fizikçi vardı

Atomcu görüşün varisi olan gerçekçi okul, görünen olayı maddenin iç nedenlerine bağlıyordu Boltzmann’a göre doğaya hükmeden insanın düşüncesi değil düşünceyi oluşturan, insanı sürekli olarak çevreleyen şeylerdir Boltzmann, modeller yardımıyla bilimin fiziksel gerçeğinin doğru ve uygun imgesini arıyordu Fiziksel gerçeklik okulunun tarafları, bilmeden, materyalist felsefeyi savunuyordu

Simgeci okul, olay ve gözlemlerin sonuçlarıyla yetinmiyordu Bu okul, Auguste Comte’un, Emmanuel Kant’ın ve Berkeley’in varisiydi Bilerek Comte ve benzerlerinin pozitivizmini savunuyorlardı Bilindiği gibi pozitivizm (olguculuk) araştırmalarını olgulara, deneylere, gerçeklere dayanan, fizik ötesi açıklamaları kuramsal olarak olanaksız ve yararsız gören A Comte’un açtığı felsefe çığırıdır Olgucular yalnızca algılanabilir gerçeklerle ilgileniyorlardı

Mach ve yandaşları, olguculuğa uygun biçimde, maddenin atom modeline karşı çıktılar Mach önce Boltzmann’ın atomcu görüşünü sonra, Planck’ın enerjinin kuantumlanma kuramını eleştirerek, bilimin temel kurallarına uygun olmadığını öne sürmüştür Bu akım fiziği anlaşılmaz kurgulardan kurtarıp, eşyanın doğasına yöneltmeyi başardı Ancak olguculuk akımı, 19 yy’da birçok bakımdan fiziğin gelişimini de önledi Özellikle moleküller ve atomlar konusunda gerçeklerin öğrenilmesini geciktirdi, istatistiksel mekaniğin gelişimine engel oldu; çünkü bu mekanik, o dönemde gözle görülmeyen gerçekleri, yani sadece gaz moleküllerini göz önüne alıyordu

Kaynak
Prof Dr Süleyman BOZDEMİR
(Çukurova Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü ),
M Serdar ÇAVUŞ
(ÇÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı Yüksek Lisans Öğrencisi)

Bu iki akımdan diğeri ise, algılanabilir gerçekleri olduğu kadar, gözle görünmeyen gerçekleri de göz önüne alıyordu Fiziksel gerçek, her an iki yanıyla görülür; olay ve öz Bilgilenme süreci iki düzeyde gelişir: Denel (duyumsal) düzey ve kuramsal (ussal) düzey Eski Yunan atomcularının olayı atomlarla açıklama çabası, bu iki görünümü içeren bir kurgu idi Boltzmann’ın termodinamiğin denel yasalarını, maddenin varsaydığı atomsal yapısına dayanarak istatistiki yöntemle açıklaması, bilginin bu iki düzeyli gelişmesine güzel ilk örneği oluşturuyordu İlk kez fiziğin temel bir yasasını atomsal düzeyden hareket ederek anlamak mümkün oluyordu Bu buluş 19 yy’ın son çeyreğinin pek çok fizikçisini şaşırttı; çünkü atomlar henüz gözlenmemişti ve kimyacıların aksine, fizikçilerin çoğu maddenin atom modeline inanmıyordu Bunların arasında özellikle Mach’ın etkisi altında kalan Max Planck ve çok değerli bir fiziko kimyacı Wilhem Oswald, atomların varlığını 1908’e kadar inkâr etmişti; ta ki Albert Einstein’ın Brown hareketiyle ilgili atom kuramının doğruluğu Paris’te Jean Perin tarafından kanıtlanıncaya kadar Mach’ın atom kuramı hakkındaki değişmez olumsuz fikirlerine 19 yy boyunca en büyük destek Fransız fizikçilerden gelmiştir

İşte böyle bir ortamda, atom kuramının en ateşli savunucularından biri olan Boltzmann simgecilerin saldırıları karşısında yaptığının boşa çıkacağı korkusuna kapılarak 1906’da, atomların gözlenmesinden iki yıl önce intihar etti

Klasik fiziğin iç çelişkisini, Galilei’nin görelilik ilkesinin, Maxwell’in elektromanyetik yasalarına uymaması oluşturuyordu Bilindiği gibi Galilei’nin görelilik ilkesi zamanın uzaydan tamamen ayrı ve bütün gözlemciler için aynı, yani mutlak olduğu ilkelerine dayanıyordu Aynı zamanda, mutlak zaman kavramı, Newton mekaniğinde etkileşmelerin sonsuz hızla yayılmasını öngörüyordu Bu nedenle birçok yönüyle son derece başarılı olan Galilei görelilik ilkesi ve Newton mekaniği, 1865 yılında İngiliz fizikçi James Clark Maxwell tarafından ortaya konulan ışığın yayılma teorisiyle çelişki içindeydi Maxwell teorisine göre ışık, elektromanyetik bir dalgaydı ve çok büyük de olsa, sonlu hızla yayılıyordu Bu teoride dalga denklemlerinin en temel özelliği, ışığın boşluktaki yayılma hızının mutlak sabit olmasıydı Bilim adamları ışık dalgalarının ‘esir’ adını verdikleri kolayca saptanamayan görünmez, her tarafa yayılmış bir tür madde içinde hareket ettiğini düşünüyorlardı Bu esir kokusuz, renksiz ve yoğunluksuz olacaktı ama diğer yandan da ışık dalgalarının bir yerden başka bir yere aktarılmasına olanak sağlayacaktı 1887 yılında Amerikalı fizikçi Albert Michelson ve İngiliz fizikçi Edward Morley, saptanması olanaksız görülen esiri saptayabilmek umuduyla olağanüstü bir dizi deney yaptılar Deneylerde, ışığın hızını, dünyanın kendi yörüngesinde dönme yönünde ve ona dik yönde ölçerek her iki halde de sonucun tamamen aynı olduğunu gördüler Böylelikle, esir denen bir şeyin olmadığı anlaşıldı ve ışığın boşluktaki hızının hangi gözlemci tarafından ölçülürse ölçülsün her zaman sabit ve gözlemcinin hızına bağlı olmadığı da deneysel olarak kanıtlanmış oldu

Einstein’a göre ışığın boşluktaki hızının sabit olması gerçeği, Newton mekaniğindeki mutlak zaman kavramının sonu demekti ve Galilei görelilik ilkesinden özel rölativite ilkesine geçişi gerektiriyordu Bu çelişkinin çözümü, Newton mekaniğinin ve göreliliğinin, Einstein’ın özel rölativite mekaniği ve göreliliğiyle düzeltilmesi sonucu, 1905’te gerçekleştirildi Böylece klasik fizik, Newton artı Maxwell yasaları yerine Einstein artı Maxwell yasalarından oluştu

Maxwell denklemlerince sağlanan özel görelilik ilkesi, kavranması oldukça zor bir ilke olup, ilk bakışta içinde yaşadığımız dünyanın gerçek nitelikleri olarak kabullenilmesi güç, önseziden uzak pek çok nitelik taşımaktadır Bu kuram tamamıyla Einstein’ın olağanüstü hayal gücünün ve yaratıcı zekasının bir ürünüdür

Aslında özel göreliliğe, Rus asıllı Alman geometrici Herman Minkowski‘nin (1864-1909), 1908’de bulduğu ek bir öğe olmaksızın tam bir anlam verilemez Minskowski’nin temel nitelikteki yeni görüşü, uzay ve zamanı birbirinden ayrılmaz bir bütün olarak alması ve dört boyutlu bir uzay-zaman olarak nitelemesiydi

Özel rölativite teorisinde birbirine göre serbest hareket eden gözlemcilerin uzay-zaman koordinatları arasında matematiksel bağıntılar vardır Hollandalı fizikçi Lorentz’in kendi adıyla anılan ve Lorentz dönüşümleri denilen bu bağıntıların fiziksel anlamı, olayların serbest hareket eden gözlemciler tarafından nasıl algılandığını göstermekten ibarettir Örneğin, hareket halinde olan gözlemcinin saati, durgun olan gözlemciye göre geri kalıyor ve bu olay, gözlemcinin hızı ışık hızına yaklaştıkça daha çok fark ediliyor Aynı zamanda, Lorentz dönüşümlerinden, uzunlukların da farklı serbest gözlemciler için farklı olduğu ortaya çıkıyor

Özetle, birbirine göre serbest hareket eden iki gözlemci hiçbir zaman ölçtükleri zaman veya uzay aralıklarının değeri konusunda anlaşamazlar Bu anlaşmazlık ancak onların dört boyutlu uzay-zamana geçmeleriyle sona erecektir; çünkü onların her ikisine göre de aynı olan tek nitelik, dört boyutlu uzay-zamanda vardır Bu nitelik, iki olay arasındaki dört boyutlu uzay-zaman aralığıdır Yalnız bu aralık mutlak anlam taşıyor ve Lorentz dönüşümleri altında değişmez, yani herkes için aynı kalıyor Bunun altında yatan gerçek ise ışığın boşluktaki hızının mutlak sabit olmasıdır

Einstein’ın özel görelik kuramı, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden parçacıkların davranışını başarıyla öngörmesi, kütlenin yoğunlaşmış bir enerji olduğunu ve hızla birlikte değiştiğini göstermesi gibi başarılarına rağmen, evrendeki en etkin kuvveti-gravitasyonu (evrensel kütle çekim kuvveti) açıklamakta yetersiz kalıyordu Hatta özel rölativite, mevcut olan Newton’un gravitasyon teorisiyle de çelişki içindeydi; çünkü Newton’a göre bir cismin diğerine göre gravitasyonel etkisi ani olarak, yani sonsuz hızla gerçekleşiyordu

200 yıldan fazla bir zaman içinde Güneş Sistemi’nde gezegenlerin hareket yasalarını başarıyla açıklayan, birçok yeni gezegenin varlığını öngören Newton gravitasyon teorisinin başka ‘dertleri’ de vardı Örneğin, 19 yy sonlarına doğru Güneşe en yakın gezegen olan Merkür’ün yörüngelerinde gözlenen anormallik, Newton gravitasyonuyla açıklanamıyordu Yeni bir gravitasyon teorisine ihtiyaç duyulmaya başlanmıştı 1915 yılının Kasım ayında Prusya Bilimler Akademisi’nin dört oturumdan oluşan toplantısında Albert Einstein’ın sunduğu “Rölativitenin Genel Teorisi” ile yeni bir gravitasyon yasası gerçekleşmiş oldu

Genel görelilik kuramı, Newton’un durağan ve sonsuza kadar uzanan değişmez bir evrende bulunan nesnelerin aralarındaki etkileşmeleri veren “evrensel gravitasyonel çekim yasası”nın yerine, değişen ve genişleyen, mutlak olmayan bir uzayda, ivmeli hareket eden bir evrende geçerli olan çekim yasasıdır

Bu kuramda Einstein’ın motivasyonu iki ilkeye dayanıyordu:
1 Kütlelerin eşdeğerlik ilkesi: Eşdeğerlik ilkesi, eylemsizlik kütlesinin çekim kütlesine eşit olmasına dayanır Bütün cisimlerin gravitasyon alanındaki serbest düşme hareketi aynı olup, cisimlerin türüne bağlı değildir Bu durumda, serbest düşen cisimlerin uzay-zamandaki yolları seçkin eğriler olarak düşünülebilir Dolayısıyla, cisimlerin serbest düşmesi, yani gravitasyon alanının özellikleri, uzay-zaman yasasına bağlanmış olur Özel görelilikte de serbest hareket eden cisimlerin yolları seçkin eğrilerdir ve geometrik anlamda onlar, uzay-zaman metriğinin jeodezikleridir Özel görelilikte metrik düz ve sabit olduğu için jeodezikler doğrusal çizgilerdir Einstein’a göre gravitasyonel alanda serbest düşen cisimlerin seçkin yolları da uzay-zaman metriğinin jeodezikleridir ama bu metrik eğri bir metriktir Eğri metriğin jeodezikleri bir anlamda “doğruya en yakın” olan eğriler olarak düşünülebilir

1 Mach ilkesi (ama kısmen): Özel görelilikte ‘uzay-zaman’ yasası değişmez olarak düşünülür Ernst Mach ve başka birçok filozof ve bilimciler bu düşünceyi yetersiz buluyordu Mach, evrendeki madde dağılımının fizikte yerel olarak tanımlanan kavramları etkileyebileceğini düşünüyordu Einstein, bu fikri kısmen kabul ediyordu O, uzay-zaman yasasının her zaman sabit kalmayıp, evrendeki maddenin etkisiyle değişebileceğini içeren kuramın, gravitasyonu da betimleyebileceğine inanıyordu

Einstein’ın genel görelilik kuramı özetle aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

1 Genel görelilik, uzay-zamanın iç özelliklerini dört boyutlu uzay-zaman metriğiyle verir

1 Bu metrik her zaman düz olmak zorunda değildir, eğri bir metriktir

1 Uzay-zaman metriğinin “düzlükten” sapması, uzay-zamanın eğriliği ile orantılıdır Dolaysıyla düzlükten sapma, eğriliğin bir ölçeğidir Bu eğrilik ise gravitasyonun bir ölçeğidir, yani gravitasyonel olayların nedenidir

1 Uzay-zamanın eğriliği ve eğriliğindeki madde dağılımının özellikleri arasındaki bağıntı keyfi olmayıp, somut matematiksel denklemlerle ifade edilebilir

Özetle, Einstein, özel görelilik kuramında yalnız uzay-zaman metriğinin mutlak anlam taşıyabileceğini ama gravitasyonel alanda mutlak olamayacağını anlıyor ve böylece genel rölativite doğuyor

Genel görelilik, geometrik bir teoridir; çünkü o, uzay-zaman metriğine dinamik rol verir Bu geometrinin oluşturduğu eğrilik, kendini, evrende gravitasyonel alanlar olarak gösteriyor Genel görelilik denklemleri, uzay-zaman geometrisinin “ne kadar” ve “nasıl” eğrildiğini ifade eder Bu denklemler çözülerek, bütün cisimlerin etrafındaki uzay zaman geometrisi ve gravitasyon alanları bulunur Bu kurama göre; kuvvet kavramının yerini uzay-zaman eğriliği alır Maddenin bulunduğu ortam, uzay-zaman eğriliğini değiştirir

Genel rölativite, ışığın gravitasyon alanında bükülmesini, gravitasyonel kırmızıya kayma olayını, Newton teorisinin açılayamadığı Merkür’ün yörünge hareketini, gravitasyonel dalgaların var olabileceğini ve daha birçok gözlemsel olayı öngörür Görünüşte bu olaylar deneysel olarak ölçülmüştür ve genel göreliliğin öngörülerinden herhangi bir sapma görünmemektedir Yalnız gravitasyonel dalgalar henüz gözlenememiştir

Genel rölativite kuramı, bir başka devrimsel kavramı, karadelikler kavramını ortaya koydu Ayrıca, evren bilim (kozmoloji) alanına da büyük katkılar yaptı

Bununla birlikte, Einstein’ın klasik fizikte yaptığı bu düzeltmeler, klasik fiziğin atomlara uygulanmasından kaynaklanan güçlüklere bir çözüm getiremiyordu Bu tür güçlüklerin çözümü için yeni bir fizik kuramının gerekliliği ancak olayların zorlamasıyla anlaşıldı Bu kuramın adına “Kuantum Kuramı” denir Kuantum kuramı, kuantum mekaniğinin temellerini ifade eden kuramdır Bu kurama dayanılarak geliştirilen fiziğe de kuantum fiziği denir

Bilindiği gibi Einstein’ın başlattığı ve henüz çözümü bulunamayan, fiziğin en önemli problemlerinden biri, Genel Görelilik ve Kuantum Kuramının birleştirilmesidir Kuantum Alanlar kuramı, kütle çekim kuvveti dışındaki üç temel kuvvet olan kuvvetli ve zayıf çekirdek kuvvetleri ile elektromanyetik kuvveti içine almaktadır Bu birleştirme yapılabilirse dört temel etkileşme uzay-zamanın dinamik geometrisinin ortak kavramlarıyla betimlenebilecektir Einstein, bu sorunu çözebilmek için bütün ömrünü verdi fakat başaramadan arkasında bir yığın çalışma bırakarak 1955’te öldü

Kuantum mekaniğini yetersiz ve geçici sayan, çağımızın (belki de tüm çağların) en büyük bilim dehası, kendi yolunda “yalnız” bir yolcuydu; çocukluğa özgü saf ve yalın merakı, evren karşısında derin hayret ve tükenmez coşkusuyla ilerleyen bir yolcu!

Kaynak
Prof Dr Süleyman BOZDEMİR
(Çukurova Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü ),
M Serdar ÇAVUŞ
(ÇÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı Yüksek Lisans Öğrencisi)