Özel Görelilik Kuramı (İzafiyet Teorisi)

by Ahmet Sünbül - Haziran 05, 2019

Albert Einstein tarafından 1905'te Annalen der Physik dergisinde, "Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine" adlı 2. makalesinde açıklanan ve ardından 5. makalesi "Bir cismin atıllığı enerji içeriği ile bağlantılı olabilir mi?" başlıklı makaleyle pekiştirilen fizik kuramıdır. Görelilik Kuramına (İzafiyet Teorisi) göre, bütün varlıklar ve varlığın fizikî olayları izafidir yani görecelidir. Zaman, mekan, hareket, birbirlerinden bağımsız değildirler. Aksine bunların hepsi birbirine bağlı izafî (göreceli) olaylardır. Cisim zamanla, zaman cisimle, mekan hareketle, hareket mekanla ve dolayısıyla hepsi birbiriyle bağımlıdır. Bunlardan hiçbiri müstakil değildir, Kendisi bu konuda şöyle demektedir:

« Zaman ancak hareketle, cisim hareketle, hareket cisimle vardır. O halde; cisim, hareket ve zamandan birinin diğerine bir önceliği yoktur. Galileo'nin Görelilik Prensibi, zamanla değişmeyen hareketin göreceli olduğunu; mutlak ve tam olarak tanımlanmış bir hareketsiz halinin olamayacağını önermekteydi. Galileo'nin ortaya attığı fikre göre; dış gözlemci tarafından hareket ettiği söylenen bir gemi üzerindeki bir kimse geminin hareketsiz olduğunu söyleyebilir. »

Einstein herhangi bir kütle sahibi cismin erişebileceği en yüksek süratin ışık hızı olduğunu (boşlukta yaklaşık saniyede 300.000 km.) ve bunun, nasıl ölçülürse ölçülsün değişmez olduğu sonucuna varmıştı.Kısa bir örnekle açıklayalım;

Bir uzay gemisinin ışık hızından saniyede 10.000 km daha yavaş gittiğini yani 290.000 km hızla gittiğini varsayalım.Dünyadan uzay gemisine gönderilen ışık sizce bu uzay gemisinin yanından 10.000 km hızla yavaşça bir biçimde mi hareket eder?

Tabikide hayır.Uzay gemisinin yanından geçen ışık da kesinlikle saniyede 300.000 km hızla geçecektir.

Einstein ayrıca bir cisim hızlandıkça, bunun kütlesinin de artacağını önceden bildirmiştir. Bu durum parça hızlandırıcılarca görülmüştür. Bundan başka Einstein kütle (m) ve enerjinin (E) eşit olduklarını açıklamış ve bunu ünlü denklemiyle de özetlemiştir:<< E=mc² >>. Einstein yer çekiminin de ışığı etkileyeceğini önceden tahmin etmiş ve gerçekten de böyle olduğu ortaya çıkmıştır. Bu teorem sezgisel olarak algılanamayacak, ancak deneysel olarak kanıtlanmış birçok ilginç sonuca varmamızı sağlar. Özel görelilik teoremi, uzaklığın ve zamanın gözlemciye bağlı olarak değişebileceğini ifade ederek Newton'ın mutlak uzay zaman kavramını anlamsızlaştırır. Uzay ve zaman gözlemciye bağlı olarak farklı algılanabilir. Bu teorem, madde ile enerjinin ünlü E=mc² formülü ile birbirine bağlı olduğunu da gösterir . Özel görelilik teoremi, tüm hızların ışık hızına oranla çok küçük olduğu uygulama alanlarında Newton mekaniği ile aynı sonuçları verir.

Einstein yayınladığı bir makalede zamanın sabit olmadığı kanıtladı.Einstein İzafiyet Teorisi'nde 'Zaman evrendeki 4.boyuttur.' olarak zamanı tanımladı.Bildiğiniz gibi evrenimiz 3 boyuttan oluşmaktadır: yükseklik, genişlik, uzunluk Einstein zamanında bir boyut olduğunu ve evrende zamanı 4.boyut olarak ele aldı.Zamanın akışı göreceliydi ona göre Newton yanılmış durumdaydı zaman sabit değil tam aksine göreceli olarak değişen bir olguydu.Zaman Einstein için hıza ve kütle çekime göre değişen bir şeydi.

Öngörüleri

Özel görelilik, kendi zamanı için inanılması güç pek çok öngörülerde bulunmuştur, bunlardan en önemlileri:

-Cisimler hızlandıkça zaman cisim için daha yavaş akmaya başlayacaktır, ışık hızına ulaşıldığında zaman durmalıdır.

-Cisimler hızlandıkça kütlelerinin bir kısmı kinetik enerjiye dönüşür, durağan kütleye sahip cisimler hiçbir zaman ışık hızına erişemeyeceklerdir.

-Cisimler hızlandıkça hareket doğrultusundaki boyları kısalmaya uğrayacaktır.(Işık Hızına ulaşıldığında ise cisim boyu tamamen yok olacaktır.Bir kütle sahibi cismin ışık hızına ulaşamamasının sebeplerinden biriside budur.)

-Hiçbir kütle sahibi cisim ışık hızından hızlı gidemez.

- Fizik yasaları bütün eylemsiz konaç sistemlerinde aynıdır. Bunun anlamı şudur, bir referans noktasına göre sabit duran bir gözlemci ile o referans noktasına göre düzgün doğrusal hareket eden başka bir gözlemci, bütün hareket yasalarını aynı algılarlar.

Özel görelilik, mantığımıza ve sağ duyumuza aykırı bir evren tanımladığından bilimciler 100 yılı aşkın bir süredir bunun doğruluğunu gözleri ile görmek ve bir açık bulmak umudu ile deneyler yapıp durmaktadırlar. Bu öngörülerin pek çoğu 1905'ten günümüze dek defalarca denenmiş ve doğru çıkmıştır:

İçlerinde çok hassas atom saatleri taşıyan uçaklar değişik yönlere doğru değişik hızlarla hareket ettirilmiş ve saatlerin kuramın hesaplarına yeterince uygun olarak yavaşladığı/hızlandığı gözlenmiştir.

Zamandaki yavaşlamanın sadece saatte meydana gelmediğini, gerçekte yaşandığının kanıtı ilk olarak nötrino ve mümezon deneylerinde ortaya çıkmıştır. Güneşten dünyamıza gelen nötrino ve müonların ışık hızına çok yaklaştıkları (%99.5) için ömürlerinin (yaşam sürelerinin) Dünya'da üretilen durağan olanlara göre çok daha uzun olduğu görülmektedir.

Parçacık hızlandırıcılarındaki hızlandırma deneylerinde bugüne kadar kütlesi olan hiçbir cisim, atom veya elektron, ışık hızına çıkarılamamıştır. Hız arttıkça kütlesi de arttığı için ivmelendirilmesi zorlaşmaktadır.

<<Bilim her zaman gelişir, her zaman yeni şeyler öğrenir. -Einstein'dan önce Newton bilim dünyası tarafından kuşkusuz en büyük fizikçi kabul ediliyordu.Çünkü Newton'ın kuralları ve teorileri her zaman en doğrusu olarak kabul ediliyordu.Bu sebeple Einstein'dan önce fizik kuralları temelini Newton ve onun teorileri oluşturuyordu.Newton ışık hızının ve zamanın sabit olduğunu ilk ortaya atan kişiydi.Evet ışık hızı sabitti , bu günümüzde bilim camiası tarafından kanıtlanan bir gerçek ancak Newton zamanın sabitliği konusunda hatalıydı.Einstein ise bu 200 yıllık yanlışı ortaya çıkartan kişi olmuştur.Sabit zaman kuramını hiçe sayan Einstein bu görüşünü insanlara açıkladığı zaman oldukça ağır tepkilerle de karşılaşmıştı.Ancak gerçekler her zaman hakettiği yere kavuşur.Belli bir süre ardından terisi kanıtlandı ve İzafiyet Teorisi'nin gerçeklerinin gerçek olduğu kanıtlanmış oldu.Einstein'ın günümüz fiziği için çok önemli bir kişi olmasının sebeplerinden birisi de budur.- Kim bilir belki de gelecekte şu an doğru kabul ettiğimiz/edilen her şeyin birer yanlış olduğu ortaya çıkacak.>>

İkizler Paradoksu:

İkizler paradoksunu anlamak için öncelikle Einstein’ın 1911 yılında yazdığı şu satırlara göz atalım:

“Bir kutunun içine canlı bir organizma yerleştirmişsek... Öyle bir ayarlama yapılabilir ki, keyfi derecede uzun bir yolculuktan sonra organizma neredeyse hiç değişmemiş bir şekilde başlangıç yerine geri dönebilir. Ancak bu sırada başlangıç noktasında duran organizmalardan yeni nesiller üremiş olacaktır. Eğer yolculuk neredeyse ışık hızıyla yapılmışsa, hareket eden organizma için tüm yolculuk çok kısa sürecektir.”

İkizler paradoksu İzafiyet teorisi denilince direkt olarak akla gelen paradokstur.İkizler paradoksu adını da aldığı üzere ikizlerin yaşadığı hayali bir paradoks olayıdır.Örnek olarak açıklamak gerekirse Ahmet ve Furkan adından ikizlerimiz olsun bunlar dünyada aynı saniyede doğdular ve Ahmet ve Muhammet 20 yaşındalarken Ahmet ışık hızıyla seyehat edebileceği bir uzay aracına biniyor ve uzaya seyehat ediyor ve yıllar sonra dünyaya geldiğinde bu kardeşlerin yaş durumu farkı nasıl olur ? Tüm paradoks burada başlıyor.Ahmet ışık hızında seyehat ettiği için İzafiyet'e göre daha geç yaşlanmalı.Ancak zaman görecelidir.Eğer Muhammet'in gözüyle bakarsak uzay gemisi seyehat ediyordur bu nedenle Ahmet geç yaşlanmalı.Ancak eğer Ahmet'in gözüyle bakarsak Dünya hızla ondan uzaklaşıyordur bu nedenle Muhammet daha geç yaşlanmalı.Einstein, bu durumu bir paradoks olarak değil özel görelilik kuramının doğal bir sonucu olarak görmüştü.

Peki öyleyse, neden Ahmet daha genç kalır?

İkizler paradoksu birkaç farklı yolla çözülebilir. Bu yollardan biri her kardeşin kendi zamanına odaklanmaktır. Uzayzamanda farklı iki nokta olsun. Bu iki nokta arasında birbirinden çok farklı rotalar takip ederek seyahat etmek mümkündür. Ancak farklı rotalar takip eden gözlemcilerin ölçtükleri zamanlar da tabii ki farklı olacaktır. Örneğin farklı gözlemcilerin farklı rotalar takip ederek, bir dış gözlemciye göre, (0 s, 0 m, 0 m, 0 m) noktasından (10 s, 20 m, 0 m, 0 m) noktasına gittiğini düşünelim. Başka bir deyişle t=0 anında orijinden hareket eden gözlemciler 10 saniye sonra x yönünde 20 metre yol almış olacaklardır. Bu yolculuğu yapmanın sonsuz farklı yolu vardır (bkz.aşağıdaki çizim). Örneğin gözlemcilerden biri x yönünde saniyede 2 metre sabit hızla yol alarak yolculuğunu tamamlayabilir. Başka bir gözlemci önce y yönünde hareket ettikten sonra doğrultusunu değiştirip t=10 anında istenilen noktaya varabilir. Daha başka bir gözlemciyse tüm yolculuğu bir yay çizerek yapabilir. Tüm gözlemciler, bir dış gözlemciye göre, aynı uzay-zaman noktasından harekete başlayıp yine aynı uzay-zaman noktasında yolculuklarını sonlandırsalar da farklı rotaları takip ettikleri için kendi referans sistemlerinde ölçtükleri zamanlar birbirlerinden farklı olacaktır. Özel görelilik kuramı, en büyük zaman farkını ölçecek gözlemcinin iki uzay-zaman noktası arasında eylemsiz hareket eden (sabit hızla hareket eden) cisim olacağını söyler. Dolayısıyla bu örnekte, en büyük zaman farkını x yönünde saniyede 2 metre sabit hızla hareket eden gözlemci ölçer. Diğer tüm gözlemcilerse, iki nokta arasında eylemsiz hareket etmedikleri (hareketleri sırasında ivmelendikleri) için, iki olay arasındaki zaman farkını daha kısa olarak ölçeceklerdir. Resimle açıklamak gerekirse: