Özel Görelilik Ve Uzay-Zaman Yapısı | KreatifBiri

Özel Görelilik ve Uzay-Zaman Yapısı

Astronominin gelişimindeki tarihsel süreçleri anlattığım yazımda 18. yüzyıla kadar ki dönemde gerçekleştirilen keşiflerden bahsetmiştik. Bu hafta ise uzay fiziğinde devrim yaratan Einstein’in görelilik teoreminden bahsediyor olacağız. 20. yüzyıl bütün savaş ve yıkımlara rağmen bilimsel bir reform çağı olarak da bilinir. Albert Einstein tarafından geliştirilen görelilik teoremi de bu reform çağının ürünlerinden bir tanesidir. Aslında Einstein tarafından geliştirilmiş iki tane görelilik kuramı vardır. Bunlar eylemsiz sistemlerde geçerli olan özel görelilik ve eylemli sistemlerde geçerli olan genel görelilik kuramlarıdır. Ancak ortaya atılan ilk görelilik kuramı Einstein’dan 300 yıl kadar önce Galileo tarafından geliştirilmiştir.

Galileo’nun Görelilik Kuramı

Einstein özel görelilik kuramını açıkladığı makalesinde denklemlerini iki postulat üzerinden ortaya çıkarmıştı. Bunlardan ilki Galieo’nun 1632 yılında “İki Büyük Dünya Sistemi Üzerine Diyalog” adlı yapıtında açıkladığı görelilik prensibidir. Bu prensibe göre, birbirlerine göre doğrusal hareket halindeki tüm gözlemciler için fizik kanunları aynıdır. Diğer bir deyişle, birbirlerine göre sabit hız ve doğrultuda hareket eden iki gözlemci yapılabilecek bütün mekanik deneylerde aynı sonucu elde edeceklerdir. Bunun bir sonucu olarak da sabit referans sistemindeki gözlemciler için hız, mutlak değildir.

Örneğin, biri trende diğeri ise istasyonda bekleyen iki gözlemci düşünelim ve ilk durumda tren hareket etmiyor olsun. Trendeki gözlemci elindeki bir cismi ileri doğru atarsa cisim hızına (bu hızın her atışta sabit olduğunu varsayıyoruz) bağlı olarak bir noktaya düşecektir, öyle değil mi? Peki tren doğrusal olarak hareket etmeye başlarsa ne olur? Galieo’nun ilkesine göre cismin hızında hiçbir değişiklik olmayacaktır ve cisim yine aynı noktaya düşecektir. Diğer taraftan istasyondaki gözlemci için trenin hareketiyle birlikte cismin hızında değişiklik görülecektir. Bu gözlemciye göre cismin yeni hızı c1=c + t olacaktır; burada c, cismin ilk hızı ve t, trenin hızını ifade eder.

Peki Galieo’nun bir görelilik prensibi zaten mevcut durumdayken Einstein neden kendi kuramını geliştirme ihtiyacı duymuştu ? Galileo dönüşümleri, Newton’ın hareket yasalarıyla uyumlu olmasına karşın James C. Maxwell’in elektrik ve manyetizmayı birleştirdiği denklemleriyle uyuşmuyordu. Bu uyuşmazlık özel görelilik kuramının ikinci postulatıyla ilgilidir: Işık hızı bütün eylemsiz sistemlerde aynıdır, gözlemcinin ya da ışık kaynağının hızına göre değişmez. (Michelson-Morley deneyi)

ışık hızı görelilik

Einstein’ın Görelilik Kuramı

Einstein’ın özel görelilik kuramının iki önemli postulatından yukarıda bahsettikten sonra şimdi de kuramın yararlandığı bazı önemli konseptleri inceleyelim.

Lorentz dönüşümleri: Hendrik Lorentz’in Galileo dönüşümleriyle, Maxwell denklemleri arasındaki uyuşmazlığı çözmek için ortaya çıkardığı çalışmasıdır. Dönüşümler, iki gözlemci tarafından ölçülen uzay ve zaman ölçümlerinin nasıl bir ilişki içinde olduğunu açıklar. Işık hızına yakın hızlarda hareket eden gözlemcilerin farklı uzunluklar, zamanlar ve hatta olayların sıralamalarını faklı ölçebilecekleri gerçeğini yansıtır. Einstein, görelilik prensibi ve ışık hızının sabit olduğu varsayımı altında Lorentz dönüşümlerini genişleterek özel görelilik kuramını yayımladı.

görelilik kuramı

Einstein bu ifadeleri daha anlaşılır kılabilmek adına bir düşünce deneyi tasarlamıştır. Tekrardan iki gözlemci hayal edelim, ilk gözlemci bir tren rayına yukarıdan bakıyor olsun. İkinci gözlemcinin ise çok hızlı, nerdeyse ışık hızına yakın bir trende yolculuk yapıyor olduğunu varsayalım. Şimdi tren geçip giderken rayların ilerisinde belirli bir mesafe arayla aynı anda düşen iki yıldırım hayal edelim. Bu olay raylara yukarıdan bakan gözlemci için eş zamanlı olarak gerçekleşmiştir, peki trendeki gözlemci içinde bu olay eş zamanlı olur muydu? Cevap, hayır çünkü yıldırımlardan birine yaklaşırken, diğerinden uzaklaşıyorduk ve ışık hızı sabittir. Bu düşünce deneyiyle Einstein zamanın mutlak olmadığını, sabit ve hareket halindeki gözlemcilere göre farklı hızlarda aktığını göstermiş oluyordu.

Minkowski Uzay-Zamanı: Özel göreliliğin 4 boyutlu yapısını tasvir eden geometri modelidir, uzay ve zamanın birbirinden bağımsız olmadığını göstererek Einstein’ın kuramını ve uzay-zaman kavramını desteklemiştir.

Yukarıdaki ışık konisi olarak adlandırılan görsel Minkowski uzay-zamanın karakteristik bir özelliği olarak ortaya atılmıştır. Üst koni (gelecek ışık konisi olarak adlandırılır) gözlemcinin bulunduğu noktadan yayılan bir fotonun gelecekte bulunabileceği durumları temsil eder. Alt koni ise gözlemcinin bulunduğu noktaya gelmiş olan fotonların bulunmuş olabileceği tüm yönlerin temsilidir. Geçmiş ile gelecek konileri arasındaki keşişim noktası ise şimdiki zaman olarak anılır, gözlemcinin uzay-zamanda bulunduğu nokta da burasıdır.

Özel Göreliliğin Sonuçları      

  1. Zaman mutlak değildir. Cisimler hızlandıkça, zaman daha yavaş akmaya başlar. Hareket eden bir saat, durağan olan saatten daha yavaş ilerler (İkizler Paradoksu).
  2. Hızlı hareket eden bir nesne, kendisine göre daha yavaş hareket eden gözlemciye gittiği yön doğrultusu boyunca kısalmış gibi görünür. Bu etki ışık hızına yaklaşılmadığı sürece son derece hafif olur.
  3. Uzay ve zaman, birbirlerinden ayrı olarak düşünülemez. Uzay-zaman adı verilen tek bir sürekliliğin parçalarıdır.
  4. Eş zamanlılık göreli bir kavramdır, iki olayın oluş sırası gözlemciler arasında farklılıklar gösterebilir.
  5. Kütle ve enerji aynı şeylerin farklı görünümleridir: E =  mc^2. Enerji, kütle çarpı ışık hızının karesine eşittir.
E=mc2

Özel görelilik kuramı tüm başarısına karşın eylemli yani ivmeli sistemlerde uyumsuzdu. Einstein bu uyumsuzluğu çözmek için tam 10 yıl çalıştıktan sonra 1915 yılında genel görelilik kuramını yayımladı. Genel görelilik kuramını da bir sonraki yazımızla beraber öğreniyor olacağız. Son olarak bu yazıyı Einstein’ın sözleriyle noktalıyorum: “Bir delikanlı ile sevgilisini düşününüz. Delikanlıya göre, elini ateş üstünde tutması için gereken saliseler saatler geçmiş gibi gelir. Ama bir bahar akşamında ay ışığı altında, göl kıyısında sevgilisiyle el ele geçireceği saatler çok kısadır. İşte görelilik budur.”

Yararlanılan Kaynaklar:

  1. İzafiyet Teorisi-Albert Einstein
  2. Einstein’ın Görelilik Kuramı-Thomas Bührke
  3. Einstein’ın Görelilik Kuramı-Timur Karaçay
Bilgiyi Yay
Written by Alper Çakır
Askeri Lise mezunu, YTÜ Gemi Müh. öğrencisiyim. Bilim özellikle fizik ve astronomi tutkunu olmakla beraber bilgisayar bilimleri & yazılımla da oldukça ilgiliyimdir. Hiçbir şeyden kesin olarak emin olmayan, sorgulamaktan vazgeçmeyen kreatif biriyim.

Leave a Reply