İzafiyet Teorisi (Görelilik Kuramı) Nedir?

İzafiyet (Görelilik) Teorisi, Özel ve Genel Görelilik olmak üzere iki kısımdan oluşur. İki başlık halinde açıklayacağız.

ÖZEL GÖRELİLİK KURAMI

Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi ışık hızına yakın hızlarda bazı beklenmeyen etkileri öngörür. 19. yy.'ın sonlarında gerçekleştirilen Michelson-Morley deneyi özel göreliliğin tohumunu atmıştır. Michelson interferrometresi adında bir aygıt kullanarak, Michelson ve Morley, dünyaya dik ve paralel doğrultuda ilerleyen güneş ışınlarının hızlarındaki farkı ölçmeye çalışmışlardır. Dünyanın yörünge hızı dolayısıyla ölçülen değerlerin farklılık göstereceğini düşünmüşler fakat deney sonucu beklendiği gibi olmamıştır. Ölçülen iki ışık ışınının hızları arasında herhangi fark gözlenmemiştir. Bu deneyin olumsuz sonucu Özel Teori'ye zemin hazırladığından Michelson-Morley deneyi bilim tarihindeki en önemli negatif deney olarak değerlendirilir.


Einstein'ın Varsayımı

Einstein Michelson-Morley deneyinin neden işe yaramadığını, nerede hata yapıldığını düşünmekten ziyade bu deneyin sonuçlarını başlangıç noktası olarak almıştır. Temel varsayım olarak ışık hızının evrende mutlak sabit olduğunu ve ivmesiz hiçbir sistemde bu değerden başka ölçüm yapılamayacağını kabul etmiştir. Yani sabit hızdaki herhangi bir sistemde ışık hızının ölçülen değerinin değişmez olması kabulü Özel Görelilik Teorisi'ni yaratmıştır. Temel olarak farklı hızlarda olan farklı gözlemcilere göre ışık hızı değişmiyorsa başka bazı şeyler, yani uzunluk ve zaman değişim göstermelidir. Einstein, bu varsayıma dayanarak birçok sonuç elde etmiştir.


Einstein'ın 1905'te yayınladığı Özel Görelilik Teorisi'nin öngörülerini sıralayalım:


Uzay-Zaman: Uzay ve zaman iki farklı kavram olmaktan ziyade birbirleriyle temelde ilişkilidir. Zaman aslında üç uzay boyutunu tamamlayan dördüncü bir boyuttur.

Eş-Zamanlı Olaylar: İki olayın eş zamanlı olup olmadığı tamamen gözlemciye bağlıdır. Bir gözlemci iki olayı eş-zamanlı görürken diğer gözlemci bu olaylardan birisinin önce olduğunu, bir diğeri ise diğerinin önce olduğunu görebilir.

Lorentz-Dönüşümü: Işık hızına yakın yolculuk eden bir cisim dışarıdaki durgun bir gözlemciye göre olduğundan daha kısa görünür. Kısalma miktarı hıza bağlı olup ışık hızına ulaşıldığında uzunluk sıfır olarak görünür. Fakat cismin üzerinde bulunan bir gözlemciye göreyse uzunluk hep normal görünür.

Zaman Genişlemesi: Dışardaki durgun gözlemcinin hissettiği zaman, ışık hızına yakın hareket eden cismin içinde bulunduğu zamandan daha hızlı akar. Dışarıdaki gözlemciye göre ışık hızına ulaşan bir cismin içinde bulunduğu zaman durur fakat cismin üstünde bulunan bir gözlemci için her şey normaldir.

Kütle Artışı: Durgun gözlemciye göre ışık hızına yakın hızla hareket eden cismin kütlesi artar. Işık hızına ulaştığında ise kütlesi sonsuz olur. Fakat gözlemci cismin üzerinde olsaydı kütlenin değişmediğini görecekti.

Işık Hızı Limiti: Bir cisim ışık hızına ulaştığında kütlesi sonsuz olur. Fakat kütleli bir cismi ışık hızına ulaştırabilmek için sonsuz kütleden dolayı sonsuz bir kuvvet gerekir. Bununla birlikte ışık kütlesizdir ve ışık hızında yolculuk edebilir. Fakat kütleli cisimler asla ışık hızına ulaşamazlar. En iyi ihtimalle ışık hızına yakın bir hıza getirilebilirler. Boşlukta ilerleyen ışığın hızı hiçbir şekilde geçilemez. Işığın boşluktaki hızı evrendeki son hız limitidir.

E=mc²: Bu denklemde E enerjiyi, m kütleyi ve c² ışık hızının karesini temsil eder. Bu popüler denkleme göre kütle ve enerji dönüşümlüdür. Yani madde enerjiye, enerji de maddeye dönüşebilir. Bu denklem bize kütlenin ne kadar enerjiye denk geldiğini söyleyebilen bir dönüşüm faktörüdür. Örneğin denkleme göre nükleer reaksiyonlarda kütlenin bir kısmı enerjiye dönüşür.

Bu görecel etkiler bize garip gelebilir fakat saniyede 300.000 km olan ışık hızının en az yüzde 10'luk kısmına ulaşıldığında geçerliliğini gösterirler. Günlük hayatta asla bu hıza ulaşamadığımız için bu etkileri hissedemeyiz. Fakat atom altı parçacıkların çok yüksek hızlara ulaştırıldığı deneyler Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi'nin tüm öngörülerini doğrulamıştır. Bu teoriden sadece on yıl sonra Einstein Genel Görelilik Teorisi'ni de yayınlamıştır.

Einstein'ın özel görelilik teorisinin açılımı olan Genel Görelilik Teorisi, gravitasyonu açıklaması, kara delikler ve genişleyen evren modelini öngörmesi açısından önemli bir teoridir.


GENEL GÖRELİLİK KURAMI 

Einstein genel görelilik teorisini 1916'da yayınlamıştır. Özel görelilik teorisi ivmesiz olmak şartıyla ışık hızına yakın sistemlerle ilgilenir. Genel görelilik teorisi ise ivmenin ve güçlü kütleçekim (gravitasyonel) kuvvetinin var olduğu sistemlerle ilgilenir. Ayrıca gravitasyon, bu teoride dört boyutlu uzay-zaman bükülmesi olarak açıklanır.


Denklik İlkesi

Genel görelilik, denklik ilkesi üzerinde temellenir. Bu ilkenin iki ifadesi mantık olarak birbirine eşittir ve her birisi diğerini ispatlamada kullanılır.

Birinci ifade, kütle kavramıyla alakalıdır. Newton'un İkinci Kanunu'na göre bir cismin ivmesi uygulanan kuvvetle doğru orantılı, sahip olduğu kütleyle ters orantılı olmalıdır. Bu kütleye cismin hızındaki değişime direnen eylemsizlik kütlesi denir. Kütle aynı zamanda Newton'un Kütle Çekim Kanunu'na da bağlıdır. İki cisim arasında oluşan gravitasyonel kuvvet cisimlerin kütleleriyle orantılıdır. Bu kütleye de gravitasyonel kütle denir.

Newton eylemsizlik kütlesi ile gravitasyonel kütlenin aynı şeyler olduğunu varsaymıştır. Denklik ilkesine göre de bu ikisi denktir.

Bu birinci ifadeyi kullanarak şu ikinci ifadeyi ispatlayabiliriz: Eylemsizlik kuvvetleri gravitasyonel kuvvetlerden ayırt edilemez.

Eylemsizlik kuvveti ivmelenen bir referans sisteminde açıkça hissedilen bir kuvvettir. Bir araba hızlandığında yolcular koltuğa doğru itildiğini hisseder. Gerçek bir kuvvet tarafından itilmemesine rağmen referans sistemleri ivmelenmekte olduğundan dolayı üzerlerinde koltuğa doğru iten bir eylemsizlik kuvveti hissederler.

Denklik ilkesi eylemsizlik kuvvetiyle gravitasyonel kuvvetin birbirinden ayrı tutulmasının imkansız olduğunu belirtir.


Gravitasyon ve Işık

Denklik ilkesini kullanarak Einstein, ışığın gravitasyonel kuvvetten etkilendiğini gösterdi. Bunu anlamak için  iki oda düşünelim. Birisi dünyanın yüzeyinde olsun, diğeri ise uzay boşluğunda bulunup herhangi gravitasyonel kuvvetten etkilenmesin fakat cisimlerin dünya üstünde serbest düşme ivmesine denk ve yukarıya doğru bir ivmeye sahip olsun. Dünyanın gravitasyon kuvveti cisimlerin ağırlık kazanmasına ve odada bırakılan cisimlerin düşmesine sebep olur. İvmeli odanın hız değişiminden dolayı da cisimler düşme yaşayacak ve görünürde ağırlık kazanacaklardır. İvmeli bir referans sistemi olduğu için odadaki cisimler eylemsizlik kuvveti hissedecekler. Denklik ilkesinden dolayı dünyadaki odada cisimlere etkiyen gravitasyonel kuvvet ile uzaydaki odada bulunan cisimlerin eylemsizlik kuvvetini birbirinden ayırt edemeyiz.

Bir ışık ışınının ivmeli olan bu odada bir duvardan diğer duvara gönderildiğini düşünelim. Odanın yukarıya doğru olan ivmesinden dolayı ışık ışını karşı duvarın daha alçak bir noktasına çarpacaktır. Çünkü eylemsizlik kuvveti ışık ışınına etki eder. Gravitasyonel kuvvetten ayırt edilemediği için de ışık ışını dünyadaki odada kullanılsa aynı etkiyi yaşar.


Gravitasyonun Geometrik Doğası

Işık kütlesiz olduğundan Newtonyen Gravitasyon ışığın gravitasyondan etkilenmeyeceğini öngörür. Fakat Einstein ışığın gravitasyondan etkilendiğini ortaya koymuş ve yeni bir gravitasyon teorisi üretmiştir.

Einstein gravitasyonun bükülmüş uzay-zaman (üç uzay boyutu bir de zaman boyutu) olduğunu öne sürmüştür. Çoğumuz uzay-zamanın bu bükülmesini gözümüzde canlandıramayız. İki boyutlu  A4 kağıdı şeklinde kauçuk bir yaprak düşünelim. Bu yaprağa bir kütle koyduğumuzda, kütle etkisiyle aşağıya doğru bir eğrilme/bükülme yaşar. Böyle kauçuk bir yaprakta kütle hareket ettikçe bulunduğu zemini büker. Güneş, gezegenler ve yıldızlar da bu şekilde uzay-zaman bükülmesi yaratır.

Einstein'ın genel görelilik teorisi 20. yy.'ın en büyük zihinsel başarısıdır ve şimdiye kadar yapılan bütün deneysel testleri büyük bir tutarlılıkla geçmiştir.


Benzer Yazılar
FİZİK MAKALELERİ şimdi Google Play Kitaplar'da

5 yorum :

akın dedi ki...

zamanın simülasyonu bilgisayarın işletim sistemi ve veri akışı tam olarak gösterebilir.Bunun üzerinden herkesin anlayabileceği (yani bilgisayar işletim sistemini biraz bilen herkes) bir izah tarzı olabilir.

Unknown dedi ki...

İzafiyet teorisi zor gorunen ama hicde zor olamyan bir teoridir

Adsız dedi ki...

cok uzun

Adsız dedi ki...

Harika , bilime bakış açımı değiştirdi

Unknown dedi ki...

okuyorum ama pek anlayamıyorum

Yorum Gönder

Yorum Yap