Newton ve Einstein, iki dev bilim insanı. Peki bu bilim insanları bilimi nasıl bilim yaptı? Einstein, Newton’un yasalarının devamını nasıl getirdi? Uzayı anladıkta zaman nasıl bükülüyor? Casimir etkisi nedir? Kemerlerinizi bağlayın, öğrenmeye gidiyoruz!
Newton yasaları neyi cevaplayamadı?
Kafanız çok bozulmuş. Çocukken arkadaşlarınızla elmaları aşırdığınız elma bahçesindeki ağaçların birinin önüne oturuyorsunuz. Doğa size cezanızı veriyor ve elmayı kafanıza düşürüyor. Sinirlenip elmayı fırlatıyorsunuz.
Newton yasaları, bir cismi hareket ettirebilmek için ona kuvvet uygulanması gerektiğini söyler. Çocukken oynayıp hayaller kurduğunuz oyuncak arabalarınızı hareket ettirmek için eliniz ile itersiniz. İşte bu durumu Newton yasaları çok güzel bir şekilde açıklar.
Ancak Newton yasaları üzerine görünen bir kuvvetin etki etmediği durumları açıklayamaz. Mesela yerçekimi sonucu yere düşen bir elmaya temas eden hiçbir şey yoktur. Peki bu nasıl düşüyor? Bu cevabı Newton yasaları ne yazık ki veremiyordu.
300 yıl hüküm sürmüş bu yasaların cevap veremediği durumları, mütevazi bir memur cevaplamıştır. 20’nci yüzyılda popülerleğini kazanan ve hala da popülerliği devam eden deli adam, Albert Einstein.
Işığın hızı Newton zamanında da ölçülmeye çalışıyordu. Bir dalga hareketinin var olabilmesi için ortama ihtiyaç vardı. (Su dalgalarını görebilmek için suya ihtiyaç olduğu gibi) Uzaya baktığımızda ışık ışınlarını görebildiğimize göre uzay boş değildi. Ether denilen bir madde ile dolu olduğunu düşündüler. Michelson’un tasarladığı ve yaptığı deney sonucunda böyle bir ortamın olmadığı kanıtlandı. Aynı zamanda bu deney, Newton’un mutlak zamanını da devre dışı bırakıyordu. Bunun sonucunda Einstein kendi evren modelini ortaya çıkardı. (Bu modeli ilerleyen zamanlarda, bir başka yazıda inceleyeceğiz. Dava büyük!)
Michelson-Morley deneyinde ışık hızının sabit olduğu ispatlandı. Dünya’nın döndüğünü bilmeyenimiz yoktur. O halde ışıkta Dünya ile birlikte hareket ettiğine göre hızının değişmesi gerekirdi. Ancak yapılan deneyler ışığın hızının Einstein’ın dediği gibi sabit olduğunu gösterdi. Ayrıca ışık hızında hareket ettiğimizde ışığın durması gerekirdi ve Maxwell teoremlerine göre dalga hareketi yapan ışığın durağan olması söz konusu değildi.
Görelilik
Newton yasalarına göre zaman, mutlak bir büyüklüktü. Uzaydan farklıydı. Bilimdeki önemli gelişmelerde farklı sanılan kavramların birleştirmesiyle ortaya çıkmıştır. İşte Einstein da farklı sanılan bu kavramları birleştirdi ve uzay-zaman dediğimiz kavramı ortaya çıkardı.
Yani Newton’a göre zamanın akış hızı hiçbir zaman değişmiyordu. Aynı şekilde herkes her şeyi aynı ölçüyordu. Elinizdeki bir çubuk var ve 50 cm ise bir başka gözlemciye göre de 50 cm’dir diyordu. Einstein ise bu düşünceyi gayet basit bir düşünce deneyi ile yıkmayı başardı.
Tren istasyonundasınız. Çok ünlü bir tasarımcı tamamen şeffaf bir tren tasarlamış. İçireyi görebiliyorsunuz. Tabii VIP kısmı şeffaf değil, onu belirtelim. Arkada da VIP kısmına parası yetmemiş gariban bir fizikçi oturuyor. Adı Oğulcan. Kemal diye bir arkadaşı da onu yolcu etmek için istasyona gelmiş. Ne hikmetse ikisinin de elinde bir cetvel var. Kemal bir gözünü kısıp cetvel ile trenin boyunu ölçüyor. Tam da 50 cm çıkıyor. Siz de bu tür durumlar yaşamışsınızdır. Çok uzaktaki bir 5 katlı apartman (yüksek girişli bir apartman, altını kiraya vermişler market açmış birisi) küçücük görünür gözünüze. Elinizde bir cetvel olsa ve ölçmeyi deneseniz, koca apartman 1-2 cm çıkar. Oğulcan da trenin boyunu cetveli defalarca kullanarak ölçüyor ve 2,5 metre çıkıyor. Diğer örnekte de aynı şekilde bir durum var. Apartmanın çatısından koca bir cetveli aşağıya doğru tutsak metrelerce bir uzunluk olduğunu görürüz.
İşte bu duruma görelilik adını veriyoruz. Görüldüğü gibi farklı gözlemciler aynı nesneleri farklı ölçebiliyorlar.
Peki zaman nasıl bükülüyor?
Yıllardır zaman mutlak bir büyüklük olarak ele alınmıştı ve uzaydan bağımsızdı. Bunun aslında böyle olmadığını kabullendirmek gerçekten zordu ama Einstein, akıllıca düşünsel deneyler ile bunu kabullendirmeyi başardı.
Aynı cismin farklı gözlemcilere göre farklı ölçüldüğünü gördük. Peki nasıl ölçtük biz bu cisimleri? Cetvelimiz ile. Zamanı nasıl ölçüyoruz? Saatimiz ile.
Zamanı doğru bir şekilde ölçmek için ışığı kullanmamız gerekir. Çünkü, hızı sabit olan ve hiçbir şekilde değişmeyen bir büyüklüğü bize gösterir. Bu noktadan yola çıkarak gelin Einstein’ın düşünce deneyine göz atalım ve olaya bakalım.
Gariban fizikçi Oğulcan şeffaf treni ile gittiği yerden günler sonra geri döner. Trendeki kabinine kimseyi almamıştır. Kendine bir ışık saati yapmış ve yolda canı sıkılmasın diye deneyler yapmayı düşünmüştür.
Trenin tepesine bir lamba asmış öncelikle. Tam altına ise bir ayna koymuş. Bizim 1 saniye dediğimiz büyüklük sarkaçlı bir saatin salınımına denktir. Yani sarkaç bir uçtan diğer bir uca gittiğinde bir saniye geçti deriz. Oğulcan da, ayna ile lamba arasındaki mesafeyi ve ışık hızını bildiğinden, tavandaki ışığın aynaya ulaşması için geçen zamana 1 oa demiş. Ona göre tavandan gelen ışık aynaya çarpıyor, sonra aynadan ışık yansıyıp tavana gidiyor ve 2 oa oluyordu. Zamanı bu şekilde ölçerek yolda zaman geçirmeye çalıştı.
Sabah bindiği tren akşam saatlerinde ıssız ve karanlık istasyona yaklaştı. Kemal de onu bekliyordu. Trendeki ışığı görünce şaşırdı. Olayı anladı tabii hemen. Einstein’ın düşünce deneyini gerçekten yapıp vakit geçirmeye çalışıyordu Oğulcan.
Kemal’e göre ise tren hareket ediyordu. Trenle birlikte zemindeki ayna da aynı şekilde. Işık tavandan çıkıp aynaya doğru hareket ederken aynı zamanda aynada hareket etmektedir. Anlaşıldığı gibi ışığın yolu uzuyor. Bu da dışarıdaki gözlemcinin daha uzun bir vakit algılamasına yol açıyor. Olay öklidyen geometrisi ile rahatlıkla anlaşılabilir.
Zamanın göreliliği böyleydi. Uzay-zamanın bükülmesi ise yeterince kütleye sahip cisimler sayesinde oluyor. Mesela Güneş, dev bir kütledir ve uzay-zaman bölgelerini büker. Bunu daha iyi anlamak için bir arkadaşınız ile çarşafı karşılıklı olarak uçlarından tutun ve iyice gerin. Sonrasında ise diğer bir arkadaşınız oluşturduğunuz zemine ağır bir küre bıraksın. Basketbol topu bu iş için elverişli olacaktır.
Aynı çarşafa kağıttan yapılmış bir küre bıraksanız hiçbir etkisi olmaz. Çünkü, yeterince kütleye sahip değildir. İşte böyle bölgeler de, yani evrende uzay-zaman bölgelerini eğmek için yeterince kütleye sahip olmayan kuytu köşelerde uzayı birbirine dik 3 eksen ile ifade ederiz. Öklidyen geometrisi ile mutluyuzdur. Ancak işin içerisine dev kütleler girdiğinde mutluluğumuz bozulur. Bu bölgelerde ise Riemannian geometrisini kullanırız. Uzay-zaman bölgelerinin yeterince kütle ile büküldüğünü ifade eden genel görelilik, deneylerle ispatlanmıştır ve sağlam bir matematiği vardır.
Zaman kavramı somut bir şey değil diye onu dışlamak olmaz. Zamanın da göreli olduğu bu düşünce deneyi ile ispatlanmış oldu. 300 yıl hüküm sürmüş ve geçerliliğinden emin olunan yasalar, Einstein’ın tutkusu sayesinde biranda yıkılıvermişti.
Casimir Etkisi
Einstein’ın kapalı evren modelinde bir kozmolojik sabit vardı. Hani matematikte integral alırken bir sabit eklenir ya aynen onun gibi. Amacı durağan evren modelini sağlamaktı. Sonradan Hubble evrenin genişlediğini kanıtlayınca Einstein yıkıldı. “En büyük hatam!” dedi bu sabite.
Süpernova gözlemleri sağolsun bu sabite sonradan büyük bir ilgi ortaya çıkarttı. Aslına bakılırsa karanlık enerji dedikleri şeyin temelini oluşturuyordu. Einstein, yüksek basınçlı gazların daha büyük bir kütleçekimine sahip olduğunu göstermişti. Karanlık enerjinin de basıncının negatif olduğu düşünülürse evrenin genişleme hızını artırır ve bu enerjinin yoğunluğu asla azalmaz.
Peki kanıtı? 1984 yılında Hollanda Leiden Üniversitesinden Hank Casimir bir deney yaptı. Vakum ortamına elektrik yükü sıfırlanmış iki metal yaprak koydu. Sonrasında ise bu yapraklar da birbirini çektiğini gözledi. Bu nasıl oluyordu derseniz şöyle derim, evrenin her köşesinde vakum enerjisi olduğunu varsayarak işler anlaşılır hale gelir. Yaprakların elektriksel yükü olmadığından, yapraklar arasındaki vakum enerjisi dışına göre daha zayıf olur. Bu da yaprakların birbirini çekmesini sağlar.
İşte bu enerji de vakum enerjisinin varlığını tam olarak ispatlıyor. Karanlık enerjiye olan inancımızı güçlendiriyor.
Referanslar:
Dave Goldberg, Jeff Blomquist, Evren Kullanma Kılavuzu, Metis Bilim Yayınları, s. 200-204, Haziran 2011
Prof. Dr. Cengiz Yalçın, Evren ve Yaratılışı, Arkadaş Yayınevi, s.87–114, 2008
Sadi Turgut, “Özel Görelilik”, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, s. 38-45, Şubat 2005
Oğulcan Açıkgöz 
ynsemre için bir cevap yazın Cevabı iptal et