İzafiyet Teorisi Nedir

İzafiyet Teorisi

• İzafiyet teorisi, evren bilgisine XX. yüzyılın temel katkısıdır. Albert Einstein bu düşünceye, Michelson’un 1880 yılına doğru Yer’in uzaydaki hareketini deneysel olarak açıklamasından sonra varmıştır.

• Michelson’un düşüncesi şuydu: Bir S ışık kaynağı, 45°’ lik bir gelme açısıyla,yarı saydam bir M aynası üstüne düşen tekrenkli bir ışık demeti yayar. Demetin bir parçası Mİ aynası yönünde yansır, öteki parçası M’nin içinden geçerek M2 aynasına gelir. Birbirine dikey kollar üstüne yerleştirilmiş Mİ ve M2 aynaları, normal yansımayla aldıkları ışınları geri gönderirler. Birbiriyle karışan iki yarım demet, tel ağıyla donatılmış bir L gözlem dürbününe gelerek girişim saçakları oluştururlar.

• Bu düzenekte merkez, saçak ağ tellerinin kesişme noktasına düşüyorsa, OM1 ve OM2 arasında ışık ışınları yayılma sürelerinin eşit olduğu sonucuna varılır; bu ölçme yöntemi son derece duyarlıdır.

Özellikle hızların toplanabilirliğine dayanan klasik mekanik yasalarına göre, Michelson’un tasarladığı aygıtta ışınların yol alma süresi, Yer’in Güneş çevresinde ve hızıyla yaptığı ötelenme hareketine ve gezegenimizin hareket yönüne göre aygıta verilen doğrultuya bağlıdır. Böylece Yer’le aynı yönde c hızıyla hareket eden bir ışık ışını, hızların toplanabilirlik ilkesi uyarınca (c-v) ye eşit, Yer’e göre bağıl bir hız gösterir. Yer’in, OMİ yönünde v hızıyla hareket ettiğini varsayalım; klasik mekaniğe göre, bir ışık ışını 0M,0 yolunu, OM, ve OM2 bir birine eşitse, OM2Ö için gerekli süreden daha uzun sürede alır.

• Yollara gereken süreleri eşitlemek için, merkez girişim saçağı ağın merkeziyle çakışacak biçimde aygıtı ayarlamak yeterlidir. Böylece birbirine eşit olmayan OM, ve OM, doğru parçaları elde edilir. Sonuç olarak, Michelson aygıtının tümü 90° döndürülürse, OM2 Yer’in ötelenme hareketinin yönünü alır ve merkez saçak ile tellerin merkezi artık çakışmaz.
• Oysa, deneyler her tür tahminin tersine, yol sürelerindeki eşitliğin korunması söz konusu olduğunu göstermektedir: Saçaklar kıpırdamamıştır. Herşey, sanki Yer Güneş’in çevresinde dönmüyormuş ve hareketsizmiş gibi olup bitmektedir. O halde olgular, klasik mekanikle çelişki içindedir; dolayısıyle, hızların toplanabilirliği yasası fizikte yanlıştır.

•Işığın hızı bütün yönlerde eşittir ve ışık kaynağının hareketinden bağımsızdır. Saniyede 299 776 km’ye eşit bu c hızı, ağırlıklı hiçbir hareketli cismin aşamayacağı sınır hızdır. Bu c sabitesi, Einstein’ın ortaya koyduğu «sınırlı izafiyet» denilen kuramın temelidir.

• Şimdi söz konusu buluşu açıklamak için, temel cebire başvuralım. Birbirine paralel iki Ox ve Ox’ ekseninden oluşan bir işaret noktası düşünelim. Ox’, Ox’e paralel olarak v hızıyla hareket etsin (bir trenin üstünde yol aldığı raylara göre hareketi gibi); iki eksen arasındaki «bağlantı», ışıklı işaretle yapılsın (çünkü varolan en hızlı işaret ışıktır); sürelerin başlangıcı, O ve O’’nün çakıştığı ana raslar. Lorentz, Ox sisteminde uzay ve zaman koordinatları x ve t ile 0’x’ sisteminde bağıl koordinatlar x’ ve t’ arasında aşağıdaki bağıntıları kurmuştur:• Biraz karmaşık olan bu iki formül bize, bir eksenden ötekine geçildiğinde, koordinatların aynı olmadığını gösterir.

x’, x’e eşit değildir ve t’, t’den farklıdır. Bir başka deyişle, aynı olay (yanan bir lamba, geçen bir tren, vb.), koordinat eksenlerinden biri ya da öteki üstünde bulunan gözlemciye farklı biçimde «görünür».

• Bu formülden, görünüşte çelişkili birtakım olgular çıkarılır; zamandaşlık kavramı her iki eksen için de aynı anda geçerli değildir. Ox ekseninde (rayların kenarında) yeralan bir gözlemci için, zamandaş iki olay, 0’x’ ekseninde (yol alan tren) yeralan bir gözlemci için zamandaş değildir. Gerçekten t = 0 alırsak, ikinci formüle göre, t’’nün sıfır olmadığını görürüz. Böylece, birbirine göre bağıl hareket halinde olan iki gözlemci, aynı olay için farklı süreler ve farklı u-zunluklar ölçer.

• Sık sık sözü edilen tren örneği, bize bu şaşırtıcı doğrulamanın açıklamasını sağlar. Bir demiryolu kenarında, aralarındaki uzaklık bir tren boyuna eşit iki Lj ve L2 lambası olsun. 1 numaralı sabit bir gözlemci, yolun kenarında L,L2 arasında orta noktada bulunsun; 2 numaralı ikinci bir gözlemci, trenin ortasında ayakta dursun. Özel bir düzenek, lokomotifin önü L[ noktasına gelince L, lambasının, trenin kuyruğu L2 noktasına ulaşınca da L2 lambasının yanmasını sağlasın.

• Tren geçtiğinde 1 numaralı gözlemci, elindeki çift aynada Lj ve L’ nin aynı anda yandığını görür. Trenle L, lambası yönünde hızla yol alan ve dola-yısıyle L2’den uzaklaşan 2 numaralı gözlemci, elindeki çift ayna yardımıyla, lambaların yanmaları arasında bir süre farkı saptar. L, lambasının L2 den önce yandığını sanır. Bu yüzden trenin L,L2 uzaklığından daha büyük olduğunu söyleyecektir; çünkü, L, yandığında, trenin kuyruğunun L2 noktasını geçmemiş olduğunu ileri sürecektir.
• O halde, bağıl hareket halindeki iki gözlemcinin jraptığı uzunluk ve zaman değerlendirmeleri arasında uyuşmazlık vardır.

• Bu kavramlar şaşırtıcı sonuçlar verir ve ünlü «Lange-vin yolcusu» örneği, her ne kadar gerçekleşebilir olmaktan uzaksa da,İzafiyet teorisindan çıkan sonuçların çarpıcı bir görüntüsünü verir. Fizikçi Langevin,bir yolcunun, hareketli hiçbir cismin ulaşamadığı c ışık hızına yakın bir hız, yani saniyede 299 750 km yapan bir füzeyle Yer’den ayrıldığını tasarladı. Yolcu, füzesi içine yerleştirilen bir saatle yolculuğunun süresini ölçer.

• Langevin, gidiş yolculuğunun bir yıl sürdüğünü varsayar (füzedeki saatin gösterdiği süre); sonra füze yarım dönüş yapar ve Yer’e dönmek i-çin bir yıl daha harcar. Böylece yolcu, gökada dışı gezisinin iki yıl sürdüğünü söyleyecektir. Ancak Yer’e döndüğünde, büyük bir sürprizle karşılaşacak: ve dünyanın iki yüz yıl yaşlandığını görecektir; geleceğe iki yüz yıllık bir sıçrama yapmış olacak, ancak kendisinin iki yıl yaşlandığını sanacaktır. Langevin paradoksu, yani daha önce sözü geçen Lorentz denklemlerinin dolaysız sonucu, işte budur.

• 1971’de iki A.B.D ’li fizikçi J. Hafele ve R. Keating şu deneyi yaptılar.- Son derece duyarlı ve tam anlamıyla, aynı zamanı gösteren iki sezyum a-tom saati aldılar. Birincisini Yer çevresinde değişmez hızla dönen bir uçağa yerleştirdiler, İkincisini de uçağın kalkış a-nında havaalanı zeminine koydular. Uçak geri döndüğünde, her iki saatin gösterdiği zamanlar kontrol edilince, 273 nanosaniye kadar bir fark görüldü (nanosaniye, saniyenin milyarda birine eşittir ve bu zaman aralığı atom saatleriyle kolayca ölçülebilmektedir). U-çaktaki saat, Yer’de kalana göre ileriydi, yani daha az «yaşlanmıştı».
• Uzaklık ve zaman kavramlarından sonra, kütle kavramı daİzafiyet teorisi sayesinde yeni özellikler kazandı: Hareketli bir cismin kütlesi hızıyla birlikte artar. Deney, bu savı da doğrulamaktadır. Bir boşalınalı tübün katotundan çıkan ve hızları tübün kutuplarına uygu lanmış gerilimle doğru orantılı olan elektronlar, kolayca saniyede 200 000 km’ye ulaşır. Bu hızda, elektron kütlelerinin hareketsiz durumdaki değerine göre yaklaşık yüzde 40 arttığı görülür. Hız c ışık hızına yaklaştığı ölçüde, kütle de artar. Bu c hızı, ağırlıklı hiçbir hareketli cismin aşamadığı sınır hızdır; gerçekten hareketli cisim bu hıza ulaşabil-se, kütlesi sonsuzlaşırdı.

• Bu olgudan, enerjinin kütleye bağlı olduğu sonucu çıkarılır. Her kütlenin bir enerjisi vardır; bu durumda enerjinin eylemsizliğinden sözedilebilir. Einstein’ın bu buluşu, insanoğlunun nükleer tepkimeleri gerçekleştirmesini sağladı.

• 1912’de Einstein, genel İzafiyet çevresi içinde, sınırlı izafiyet teorisini bütün gözlemcilere yaydı. Genel çekim kuramını, çok karmaşık matematik tekniği olan tansör hesabı kullanarak bütünüyle tümdengelimli bir anlayışla hazırladı. Ancak genel izafiyet teorisinin, gökbilimsel ölçüm ve deneylerle doğrulanması daha sonra oldu.

• Cisimlerin oluşturduğu fiziksel nesnelerin (bilye, kaya, mercek, Güneş, yıldız…) yanında alanlar bulunur. Bu a-lanların özellikleri, ancak içinde yeralan cisimlerin davranışı incelenerek bilinebilir. İki tip alan vardır: Elektrikte incelenen elektromagnetik alan; çok az bilinen genelçekim alanı. Her fiziksel nesne bir genelçekim alanı doğurur; ama bu alan, sözkonusu fiziksel nesne (Güneş ya da bir yıldızgibi) evrensel boyutlarda olursa önemlidir. Genelçekim alanlarının temel özelliği, kütleleri ya da yükleri ne olursa olsun, bütün cisimlerin alan içinde aynı biçimde hareket etmesidir.

• Yerçekimi alanında, serbest düşme yasası, kurşun bir ağırlık ya da cam bilye için aynıdır. Einstein, maddesel bir kütlenin doğurduğu bir genelçekim alanında, ışığın saptığını, ortaya koymuştur: Yörüngesi Güneş’e teğet geçen bir ışık ışını, yaklaşık 1,70 saniyelik bir sapma yapar. Bu sapma, deneysel olarak doğrulanmıştır.

• Bu nedenle, bir genelçekim alanı karşısında uzay eğrileşir ve klasik mekanikte benimsenen Eukleides yapısından uzaklaşır. Artık Riemann geometrisine.uyduğu söylenir (Riemann bir matematikçinin adıdır). Genelçekim alanından, ilk bakışta şaşırtıcı gibi görünen bir dizi sonuç çıkar: Zaman aralıkları alana bağlıdır; zaman, uzayın değişik noktalarında aynı biçimde «akmaz». Evrenin geometrik özellikleri zamanla birlikte değişir; evrenin sürekli genleşme halinde olduğu sanılmaktadır.
Öncülerinden biri olduğu kuvantalar kuramı veİzafiyet teorisi ile Albert Einstein, çağdaş bilime üst düzeyde egemen olan anahtar-düşünce-lerin yaratıcısıdır. Yeni bir fizik anlayışı geliştirmiş, araştırmacılar için yeni ufuklar açmış ve atomun bileşenlerinden tutun da gökadaların sonsuz kaçışına kadar bilgi alanımızı genişleterek, dünyaya bakış açımızı değiştirmiştir.

—* ALANLAR FİZİĞİ / FOTOELEKTRİK / HAREKET / IŞIK / KUVANTA

Advertisement

Etiketler: , , , , , ,

Yorum yazın