İzafiyet Teorisi Hakkında Bilgi: Görelilik Kuramı Nedir?

Genel ve özel olarak ikiye ayrılan İzafiyet Teorisi, Albert Einstein’in en ünlü çalışmalarından birisidir. Yerçekimi kuvveti üzerine kurulu olan teori, hala geçerliliğini korumasına karşın birçok tartışmaya da yol açmıştır. Zaman ve uzaydan yola çıkılan teori, dört boyutlu bir evren modeli sunmaktadır.

Hareketin göreceli ve evrendeki en yüksek hızın ışık hızı olduğu temellerine dayalı olan Görelilik Kuramı, uzay ve zaman ile ilgilenen fiziksel olayları bu bakış açısıyla açıklamaktadır. Ünlü fizik bilimci Newton ise kendi ifade ettiği hareket kanunlarından, hareketsiz olmanın herhangi bir özel anlamı olmadığını ortaya koymuştur.

Kurama göre; tam hareketsiz olma diye bir şey yoktur. Düzgün hareketlerin hepsi bağlı olduğu şeye göre değişkenlik göstermektedir. Yani izafidir. Einstein ortaya koyduğu bu teori ile insanlığa uzaklığın ve zamanın göreceli olduğunu göstermiştir. Birçok hesap yapan Einstein, tahminlerde bulundu ve ardından deneyler yaptı. Bu deneyler ise teorisini destekler nitelikteydi.

İzafiyet Teorisi Nedir?

İzafiyet Teorisi diğer bir ifadeyle Görelilik Kuramı ünlü fizikçi Albert Einstein tarafından ortaya konan ve daha sonra diğer bilim insanları tarafından doğruluğu kabul edilen bir fizik kuramıdır. Görelilik denmesindeki amaç şudur.

Bir olayın eşzamanlılığı yani birkaç kişi için aynı zamanda yaşanması değişkendir. Başka bir ifadeyle, zaman evrenin her yerinde aynı hızda ilerler ancak farklı şekilde hissedilebilmektedir.

Albert Einstein dünyanın genişlik, derinlik ve yükseklikten oluşan üç boyutlu yapısına dördüncü boyutu zamanı eklemiştir. İzafiyet Teorisi Özel ve Genel Görelilik olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır.

Einstein Genel Görelilik Teorisi’nde yerçekimi kuvvetinin etkisini de göz önünde bulundurmuştur. Özel Görelilik’te ise yerçekimi kuvvetini hesaba katmamıştır.

Görelilik kuramı, temel olarak iki ilkeye dayanmaktadır.

Birincisi, elinizde sadece iki cisim varsa hangi cismin hareketli, hangisinin sabit olduğunu söylemek mümkün değildir. Diyelim ki; bir uzay gemisi ve içinde bir astronot var. Astronota göre; gemi sabit ve hareket eden gezegendir.

Uzay gemisini izleyen gözlemciye göre gemi hareketlidir ve gezegen sabittir. Üçüncü bir gözlemciye göre sabit olan Güneş’tir ve gezegen ile uzay gemisi hareketlidir. Dördüncü gözlemci göre de Güneş, gezegen ve uzay gemisi ile birlikte galaksi boyunca bir hareket söz konusudur.

Bu nedenle de Einstein, zaman – mekan – hareket hepsi izafidir. Çünkü her bir gözlemci kendisinin sabit durduğuna ve etrafında hareket edenin evren geri kalanı olduğuna inanabilir. Hepsi haklıdır ve hangi cismin hareket ettiğini söylemek mümkün değildir.

İkinci ilke ise ışık hızı her gözlemci için aynıdır. Bu durum yine Einstein’in İkizler Paradoksu ile açıklanabilir. Aynı gün doğan ikiz kardeşlerin dünyadaki zamanları aynıdır. Kardeşlerden birinin ışık hızına yakın hızda hareket eden bir uzay gemisi ile uzaya gönderildiğini varsayalım.

Uzaya gönderilen kardeş, geri döndüğü zaman dünyadaki ikiz kardeşini yaşlanmış bulacaktır. Çünkü ışık hızına yaklaştıkça zaman yavaşlayacaktır. Uzaydaki ikiz kardeş için çok kısa olan bir süre, dünyadaki için çok uzun bir zamandır.

Bundan çıkacak sonuç ise zamanın mutlak olmadığıdır. Zaman, farklı gözlemciler için farklı hızlarda akmıştır. Klasik fizikçilere göre bu durum bir paradokstur. Ama Einstein’a göre bu durum bir paradoks değil, içinde bulunduğumuz evrenin en temel özelliklerinden birisidir.

Özel İzafiyet (Görelilik) Teorisi

1905 yılında Albert Einstein tarafından ortaya konulmuştur. Bu kuramını ilk olarak Annalen der Physik adlı dergide “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” isimli makalesinde açıklamıştır. Daha sonra “Bir cismin atıllığı enerji içeriğiyle bağlantılı olabilir mi?” başlıklı makalesiyle de pekiştirmiştir. Einstein’a göre zaman, mekan, hareket gibi olaylar birbirinden bağımsız değildir.

Özel İzafiyet Teorisi’ne göre; cisim zamanla, zaman cisimle, mekan hareketle, hareket mekanla, dolayısıyla da hepsi birbiriyle bağlantılıdır. Özel Göreliliğe göre birbirlerine göre hareketleri nasıl olursa olsun, ışık hızı her yerde aynıdır. Bu teori sezgisel olarak algılayamayacağımız ancak deneylerle ispatlanmış birçok sonuç doğurmuştur.

Galileo’nun Görelilik Prensibi zamanla değişmeyen hareketin göreceli olduğunu savunur. Ona göre hareket halindeki bir gemi dış gözlemci tarafından hareket ediyor görünür. Ancak, geminin içindeki kişi hareketin olmadığını söyleyebilir.

Einstein bu prensibe bir de ışık hızı etkisini eklemiş ve sabit hızdaki herhangi bir cismin ışık hızının ölçülen değerinin değişmez olduğunu savunmuştur. Bu da Özel İzafiyet Teori’sinin doğmasına sebep olmuştur.

Bu teoriyi daha iyi anlamanıza yardımcı olacak bazı öngörüleri şu şekildedir;

• Uzay – Zaman: Uzay ve zaman birbirine bağlı kavramlardır. Zaman, üç uzay boyutunu tamamlayan dördüncü bir boyuttur.
• Zaman Genişlemesi: Işık hızına yakın bir hızla hareket eden bir cisim düşünelim. Dışarıdaki gözlemci bu hızı hisseder, fakat cismin içerisindeki gözlemci için zaman duruyor gibi gelir. Aslında öyle değildir, ışık hızı her iki tarafta da aynıdır.
• Eş Zamanlı Olaylar: Tamamen gözlemciye bağlı bir olaydır. İki gözlemci ve iki olay olduğunu varsayalım. Birinci gözlemci iki olayın aynı anda gerçekleştiğini görebildiği gibi; ikinci gözlemci için biri önce biri sonra gerçekleşiyor gibi görünebilir.
• Kütle Artışı: Işık hızında hareket eden bir cismin kütlesi durgun bir gözlemci için artıyor gibi görünür. Ancak cismin üzerinde olan bir gözlemci için kütle hep aynıdır.
• Lorentz Dönüşümü: Işık hızına yakın bir hızda yolculuk eden cisim, dışarıdan bakan durgun gözlemci tarafından olduğundan daha kısa görünür. Oysaki cismin üzerinde bulunan kişi için gidilen mesafe hep aynıdır.
• Işık Hızı Limiti: Kütleli bir cismin ışık hızına ulaşması için sonsuz bir kuvvet gerekmektedir. Işık kütlesizdir ve ışık hızında yolculuk edebilir. Işığın boşluktaki hızı evrendeki son hız limitidir.
• E=mc²: Bu denklemde; E: Enerji, m: Kütle, c: Işık hızını ifade etmektedir. Denkleme göre madde enerjiye, enerji maddeye dönüşebilir.

Genel İzafiyet (Görelilik) Teorisi

Özel İzafiyet Teorisi’nden farklı olarak ivmenin ve güçlü kütle çekim kuvvetinin var olduğu sistemlerle ilgilenmektedir. 1916 yılında Albert Einstein tarafından tanımlanmıştır. Genel Görelilik Newton’un evrensel kütle çekim yasası ile Özel Göreliliğin genişletilerek, kütleçekimin uzay, zaman veya uzay – zamanda etkilerinden bahsetmektedir.

Bu teoriye göre uzay, zamanı da içine alan, yoğun kütle tarafından eğilmiş, dört boyutlu bir yapıdır.

Genel göreliliğin bugüne kadar sunduğu tüm önermeleri deneylerle doğrulanmıştır. Büyük bir yıldızın ömrünün sonuna gelmesi durumunda içine çökerek karadelikler oluşturması, genel görelilik prensibine dayalı bir olaydır.

Bu teoride Einstein, Dünya gibi büyük gök cisimlerinin kendi eksenleri etrafında dönerken uzayı ve zamanı büktüğünü söylemiştir. NASA bilim adamlarının bundan yola çıkarak yaptıkları araştırma sonucunda Dünya’nın bir yılda dönüş yönünde 2 metrelik bir sapma gerçekleştirdiği tespit edilmiştir.

İkizler Paradoksu Nedir?

İkizler Paradoksu, zamanın göreceli olduğunu en iyi şekilde özetleyen bir kavramdır. Bu konunun anlaşılmasını sağlayan isimlerden birisi de Richard Gott olarak bilinmektedir. Gott, ikiz kız kardeşler olarak Dünya ve Evren’i ele alır. Bu ise paradoksun en klasik örneğidir.

Dünya isimli kız kardeş, Dünya’da kalırken; Evren bir roketle ışık hızının yüzde 80 hızıyla Alpha Centauri yıldızına gider. Bu yıldız Dünya’dan 4 ışık yılı uzaktadır. Buna göre; Evren’in oraya varması 5 ışık yılı sürer.

Evren, yıldızda sadece 3 yıl yaşlanırken, Dünya kardeşinin yıldıza varışını 5 yıl olarak ölçer. Evren ise yıldıza ulaştığı anda yön değiştirir. Yine ışık hızının yüzde 80’i bir hızla geri döner. Dönüş yolculuğu yine aynı şekilde Dünya tarafından 5 yıl, Evren tarafından 3 yıl olarak ölçülür.

Evren, Dünya’ya ulaştığı zaman, kendisinin toplam 6 yıl, Dünya’nın ise 10 yıl yaşlandığını görür. Yani Evren, Dünya zamanına göre 4 yıl ileri gitmiştir. İkizler Paradoksu da tam burada ortaya çıkar.

Evren ışık hızının yüzde 80’i hızla yıldıza doğru giderken, roketin camından baktığında aslında Dünya’nın ışık hızının yüzde 80 olduğunu ve kendisinin sabit durduğunu ileri sürebilir. Bu düşüncedeki yanlış şudur; ikiz kardeşler aynı deneyimleri yaşamadılar.

Dünya, yön değiştirmeksizin sabit bir hızla hareket eden bir gözlemci olduğu zaman, Einstein’in ilk postülasını sağlar. Evren ise yön değiştirmeden sabit hızla hareket eden bir gözlemci değildir. Evren, yıldıza vardığı zaman yön değiştirir.

Bu şekilde üzerinde durulması gereken en kritik nokta, yön değiştirme olgusu olur.

Evren bu yolculuk sırasında şunları düşünmüştür; yıldıza doğru giderken camdan bakar ve Dünya’nın ışık hızıyla hareket ettiğini görür. Yıldıza vardığında saatine bakar ve 3 yıl geçtiğini görür.

Bunun üzerine ışık hızının yüzde 80’i hızla hareket eden Dünya’daki kardeşi, kaç yıl yaşlandığını bulmak için işlem yapar ve çıkardığı sonuç 1,8 yıl olur.

Yani Evren’e göre, kendisi 3 yıl, Dünya ise 1,8 yıl yaşlanmıştır. Yıldıza ulaştığında konumunu yeniden Dünya’ya çevirir. Bu hareketi yaptığı anda, hareket edenin kendisi olduğunu anlar. Dönüş yolunu yine ışık hızının yüzde 80’i hızla hareket eder. Dünya’ya ulaşan Evren, yaptığı hesaplara göre dönüş yolu boyunca Dünya’nın 8,2 yıl daha olmak üzere 10 yıl yaşlandığını kendisinin de 6 yıl yaşlandığını hesaplar.

Buna göre bir paradoks yoktur. Evren’in Dünya’daki olayların eş zamanlı olduğuna dair fikri, dönüş yolunda değişmiştir. Bu şekilde hesaplaması doğru çıkar. Burada çok net bir şekilde zamanın göreceli bir kavram olduğu anlaşılmaktadır.