İzafiyet Teorisi – Bağıllık Kuramı

İzafiyet Teorisi Nedir – Bağıllık Kuramı Nedir

Zaman ve uzay kavramlarının eleştirel bir çözümlemesine dayanan bağıllık kuramı, eski kuramların aydınlatamadığı deneysel olguları açıklamak amacıyla deneyden yola çıkılarak oluşturulmuştur; fiziğin bir bölümü değil, bütün fiziği ilgilendiren bir kuramdır.

KLASİK FİZİKTEN BAĞIL FİZİĞE

Klasik fiziğin yasalarından söz etmek için, önce referans sistemi kavramını açıklamak gerekir: Bir referans sistemi, uzayda bir referans ile bir zaman ölçeğinden oluşur. Sonra da, Galilei referans sistemlerinin var olduğu postulatı, ortaya atılır; söz konusu sistemlere göre, kuvvetlerin etkisi altında olmayan her cisim, başlangıçta hareketsizse hareketsizliğini sürdürür; ama başlangıçta hareket halindeyse, hızım değiştirmeden bir doğru çizer. Bütün Galilei referans sistemleri için aynı zaman ölçeği benimsenebilir. Bağıllıkla (görelilik de denir) ilgili ilk kavram da bu noktada ortaya çıkar; Dinamiğin ilkeleri (eylemsizlik yasası ve {=my temel bağlantısı), yalnızca varsayımsal mutlak bir sistemde değil, bu sisteme göre değişmez bir öteleme hareketi yapan her sistemde geçerlidir. Bir cismin bir Galilei sistemi içindeki hareketinin tanımından, bir başka Galilei sistemi içindeki hareketin tanımına, bileşenlerde Galilei dönüşümleri yapılarak geçilir (bir sistemde: x, y, z, t, öbüründe x’; y’; z’; f).
Bu, çizimde görüldüğü gibi söyle gösterilebilir:
x’ = x – vt, y’ = y, z’ = z, t’ = t.
Bir Galilei sisteminin değişmesinde mekaniğin yasaları değişmezse de, aynı şey elektromagnetizma yasaları için söylenemez.
Bu yasalar yalnızca, “evrensel esîr” diye adlandırılan bir ortama göre hareketsiz kalan bir sistem açısından geçerlidir. Söz konusu mutlak maddi ortam XIX.yy. fizikçilerine iki yönden “yararlı” olmuştu: Klasik elektromagnetizmada bağıllık ilkesi bulunmadığından, kuramsal açıdan yararlıydı; elektromagnetik dalgaların varlığı, ses dalgaları örneksenerek açıklanacağı için de, uygulama açısından yararlıydı. Gerçekten, bir ses dalgasının yayılması için maddi bir ortam gereklidir; oysa bir elektromagnetik dalga boşlukta yayılır; bu nedenle de esîr kavramı, o dönemin fizikçilerini rahatlatmıştır: Elekromagnetik dalgaların da böylece, esir denilen maddi bir ortamda yayıldığı ileri sürülüyordu.
Bununla birlikte esîr kavramı konusunda önemli bir sorun ortaya çıkıyordu: Esîr, Yer tarafından mı sürüklenmekteydi yoksa durum böyle değil miydi? Bir ışık kaynağı esirin içinde v hızıyla yer değiştirir ve ışığın esîr içindeki hızı c olursa, kaynağın yayınlamış olduğu ışığın hızı, kaynağın hareketi doğrultusunda, c + v, bunun tersi yöndeyse c – v olacaktır. Yer’in, Güneş çevresinde saniyede 30 km’lik bir hızla dönmesi, eskiden kuranım kanıtlanmasında kullanılmışta. Ancak elde edilen sonuçlar çelişkilidir: 1727’de Brad- ley’in açıklığa kavuşturmuş olduğu yıldızların sapınçı (aberasyon) olayından, esirin Yer tarafından sürüklenmediği, Michelson ve Morley’in 1887’de yaptıkları girişimölçme deneylerinden de, esirin Yer tarafın? dan sürüklendiği sonucu çıkarılmıştır.

İLK AÇIKLAMALAR

Lorentz ve Fitzgerald, birbirlerinden bağımsız olarak, Michelson deneyinin şaşırücı sonucunu açıklamak amacıyla olgubilimsel bir kuram önerdiler ve şu varsayımı ortaya attılar: “Esîr rüzgârı” maddeyi rüzgâr doğrultusunda sıkıştırmakta, bu sıkışma sırasında da bir
dx uzunluğu kısalarak dx’ = dx,/l değerine inmektedir (bu formülde v esîr rüzgârını, c ışığın hızını belirtir).

Einstein’sa, 1905 yılında mutlak zaman ve evrensel esîr konusundaki klasik görüşleri eleştirdikten sonra, sınırlı bağıllığın postulatlarını ileri sürmüştür:
1. Bütün Galilei referans sistemleri eşdeğerdir; bunları birbirinden ayırt etmeye yarayacak fizik yasası yoktur;
2. ışık boşlukta izotrop (yönsemez] bir biçimde yayılmaktadır ve hızı, evrensel bir c değişmezidir;
3. hiçbir cisim ya da hiçbir fizikse: olay, c’den daha büyük bir hızla yayılamaz.
Bu postulatların klasik fiziğe oranla yeni olan başlıca sonuçları şunlar dır: Elektromagnetizma, bir bağıllıl ilkesine uyar; ışığın boşluktaki hızı bütün Galilei referans sistemlerin« göre aynıdır; ışığın boşluktaki hızı fizikteki bütün hızların üst sınırıdır Einstein, 1905 yılında, mutlak eşza manlılık kavramına dayanan mutlak zaman kavramımın yanlış olduğum ileri sürmüştür. Oysa, bu eşzamanlılık kavramı, referans sistemin bağlıdır: Herhangi bir referans sis teminde bulunan bir gözlemci için eşzamanlı iki olay, bu gözlemciye göre yer değiştiren ikinci bir gözlemci için artık eşzamanlı olmamakta dır. Bu sonuç, doğrudan doğruya hiçbir sinyalin ışıktan daha hızlı ye yılmamasından ileri gelir. Işık hızının değişmezliği postulatından, bi sistem değişikliğinde dx2 + dy2 dz2 – c*dt? diferansiyel denklemini değişmeyeceği sonucu çıkar (bun da x, y, z uzay koordinatları, t d zamandır). Einstein, bu denkler değişmez kılan tek çizgisel (lineer koordinat ‘ dönüşümünün, Loren dönüşümü olduğunu göstermiş. Bir R referans sistem indeki fiziksel olayların anlatımını, bu sisteme göre v hızıyla (örnekteki Ox eksenini izleyerek) hareket eden bir başka R’ sistemindeki anlatımına bağlayan da, işte bu dönüşümlerdir. Einstein’m yorumuna göre, uzunlukların “büzülmesi” olayı artık teknoloji işi değil (bir çubuk gerçek anlamda kısalmaz), gözlem işi olmaktadır: Bir uzunluğu ölçmek, aynı andaki (verilen bir sistemde) bir apsis farkım ölçmek demektir. Bir başka sistemde eşzamanlılık aynı değildir; dolayısıyle ölçüm de aym olmayacaktır. Ayrıca, bu kısalmanın mutlak denecek bir yam da yoktur: Ellerinde birer metre tutan iki gözlemci, birbirlerine göre hareket ederlerse, her biri öbürünün tuttuğu metrenin kendisininkinden daha kısa olduğunu sanacaktır.

BAĞILLIĞIN DENEYSEL AÇIDAN DOĞRULANMASI

1905 yılında güçlükle benimsenmiş olan temel bağıllık kavramları, günümüzde bütün fizikçiler tarafından kabul edilmiş ve bağıllık kuramı deneysel açıdan birçok kez doğrulanmıştır. Ayrıca, ışığın hızından çok küçük hızlar için, Lorentz dönüşümünün yeniden Galilei dönüşümünü verdiğini belirtmek gerekir. ( ^ ’nin değeri çok küçük olduğundan, ^1 = 1 olur). Böylece, klasik
fizik, çok küçük hızlar için, bağlı fiziğin bir yaklaşımı olmaktadır. Dolayısıyle, bağıllığın daha inandırıcı doğrulaması, büyük hızlar söz konusu olduğunda yapılabilmektedir.

TANECİKLERİN İVMESİ

Bağıl mekanikte bir taneciğin enerjisi E =mc2 bağıntısıyla verilir.
Taneciğin hızı ışık hızına yaklaşın – ca, enerjisinin de çok büyük olduğu görülür (v = o,99 c’yse, E = 7 m 0c2, v = 0,999 c’yse, E = 20m 0c2). Çok küçük bir hız değişikliği (1/100) için, enerjideki değişme çok büyük olmak tadır. Bir hızlandırıcı içinde, hızı c’ye çok yaklaşan taneciklere ulaşılabilir. Enerji tanecikleri taşınır ve taneciklerin hızı aşağı yukarı değişmez kalır .Değişmez hızlı ivme deyimi de buradan kaynaklanır Değişmez hız, hızları c’ye yaklaşan taneciklerin sınır hızıdır, c sınır hızının varlığı, böylece deneysel açıdan doğrulanmış olur.

GENEL BAĞILLIK

Sınırlı bağıllığın evrensel önemi günümüzde apaçık ortadadır. Bu bağıllıkla bağdaşmayan hiçbir olay görülmemiştir. Einstein, söz konusu kuramı açıldığa kavuşturduktan sonra, çekim kuvvetlerini eylemsizlik kuvvetlerine benzetmek için araştırmalarım sürdürmüş ve bu düşünce 1917 yılında genel bağıllık kuramına yol açmıştır. Newton, ölçülebilir etkiler yaratan gerçek kuvvetler üe sözgelimi ivmeli hareketlerdeki gerçek olmayan eylemsizlik kuvvetleri arasında büyük bir ayrılık bulunduğunu kabul etmiştir. Einstein’sa, eylemsizlik kuvvetleri ile çekim kuvvetlerinin ayırt edilemeyeceğini, bunların aslında eşdeğer kuvvetler olduklarım varsayıyordu. Söz konusu varsayım, Einstein’ın, fizik yasalarını Galilei referans sistemleri dışındaki sistemler açısından genelleştirmesini sağladı; çünkü ortaya çıkan eylemsizlik kuvvetleri, çekim kuvvetlerine benzetilebiliyordu. Eşdeğerlik ilkesi, çekim kütlesi (ya da ağırlık kütlesi) ile eylemsizlik kütlesinin özdeş olmasıyla kanıtlanmaktadır.
Kuranım ikinci evresi, uzay-zaman geometrisinin düzeltilmesini içermektedir; bu geometri bilinen üç boyutlu uzaydan oluşur; zaman da buna dördüncü boyut olarak eklenmiştir. Çekim kütleleri yakınındaki dört boyutlu bir uzay eğriliğinin çekim alanına eklenmesiyle, tam anlamıyla tutarlı bir kuram gerçekleştirilmiştir.

DENEYSEL AÇIDAN DOĞRULAMA
1) Merkür gezegeninin günberi noktasında bir ilerleme bulunduğu ve bu noktanın öngörülenden daha hızlı döndüğü, uzun süredir bilinmektedir. Genel bağıllık kuramı, söz konusu ilerlemenin gözlenene bütünüyle uyan bir değerini vermektedir. 2) Genel bağıllık kuramına göre, büyük bir kütlenin yakımndan geçen bir ışık ışınının sapması gerekir. Bir yıldızdan çıkıp, Güneş’in yakınından geçerek bize ulaşan bir ışık ışınında da, aynı olaya raslanır. Bu etki ancak Güneş’in yüzeyi örtüldüğü zaman gözlenebilir. Olayın, 1919’ daki Güneş tutulması sırasında yapılan ilk ölçümü, yeni kuramın deneysel açıdan doğrulanmasını sağlamıştır. Ama, karşı çıkılamayan sınırlı bağıllık kuramının tersine, genel bağıllık kuramı öbür kuramlara karşıdır ve henüz hiçbir deneyle kesin bir çözüme bağlanamamıştır.

SONUÇ

Görüldüğü gibi bağıllık kuramı, klasik kuramın çelişkilerinden doğmuştur; ne var ki, sorunları çözmek için yaratılmış olan bu kuram da yeni deneylere ve yeni sorunlara yol açmıştır. Bilimsel düşüncenin alışılmış evrimi de zaten böyledir. Bu arada, sınırlı bağıllık kuramı tamamlanmışsa da (bu kuram bağü kuvanta mekaniğinin doğmasına neden olmuştur), genel bağıllık kuramı
için aym şey söylenemez (bu kuramın kuvanta mekaniğiyle ilgisi yoktur). Daha şimdiden sorunlar ortaya çıkmakta, çelişkiler görülmektedir. XIX. yy’ın sonunda, klasik mekaniğin ve elektromagnetizmanm başarılarına ve birçok sorunun çözümlenmesine karşın, yeni sorunlar ortaya çıkmıştır. Günümüzde de durum aynıdır: Bağıllık ve kuvanta kuramlarının büyük başarı sağlamasma karşın, temel taneciklerin sınıflandırılması sorunu ortaya çıkmış ve henüz çözülememiştir (Gell-Mann kuramlarının günümüzde konuya yeni bir açıklık getireceği düşünülmektedir). Aynı biçimde, fiziksel olayların bakışımhlık bozukluğu sorunu da ortaya atümıştır. Günümüzde birçok fizikçiye göre fizik karanlık bir“tü- nel”e girmiştir; bu “tünel”den ne çıkacağını ve günümüzdeki fiziğe göre getireceği değişikliklerin ne olacağını kestirmek olanaksızdır. Ama ne olursa olsun, bağıllık kuramı güncelliğim korumaktadır; sonuçlarında hiçbir zaman yanılmamıştır ve “sağduyu”ya dayandığı için yerinden oynatılamayacağı sanılan kavramların yenilenmesinde eksiksiz bir örnek oluşturmuştur. Her kuram gibi bağıllık kuramı da, eskiden anlaşılmaz olanı açıklığa kavuşturmakta ve yeni deneylerin önceden kestirilmesine yardımcı olmaktadır. Bağıllık kuramı, ayrıca elektronun magnetik momentini, atom çekirdeklerinin dönüşüm enerjisini, gezegenlerin hareketini ve güneş enerjisinin kökenini de önceden açıklar. Bununla birlikte, bağıllık da ancak bir kuramdır; fiziksel evreni oluşturma savında olamaz;

Yorum yazın