E=mc² Nedir?

Özel görelilik teorisi, uzay ve zamana dair fikirlerimizi bütünüyle değiştirmekten fazlasını yaparak, birçok başka konuyu da gündeme getirdi. Bunun nedeni, fizikteki tüm temel niceliklerinin uzay ve zaman üzerine kurulu olmasıydı. Eğer ki, göreliliğin bize gösterdiği gibi, uzay ve zaman böylesine akışkan bir durumdaysa (bir diğer ifadeyle, ışık hızına yaklaşıldıkça birbirlerine karışıyorlarsa) , o halde diğer şeyler için de aynısı geçerli demektir. Örneğin momentum ve enerji, elektrik alanları ve manyetik alanlar gibi. Uzay-zamanın kusursuz ortamında birbirlerine karışan uzay ve zaman gibi, ışık hızının değişmezliğinin korunması için diğer kavramlar da birbirlerine ayrılmaz bir şekilde bağlıdır.

Örneğin elektrik ve manyetizma. Tıpkı bir kişinin uzayının bir başkasının zamanı olması gibi, bir kişinin manyetik alanı da bir diğer kişinin elektrik alanıdır. Elektrik ve manyetik alanları, elektrik akımlarını sağlayan jeneratörler ve elektrik akımlarını harekete çeviren motorlar açısından kati bir önem ifade eder. Fizikçi Leigh Page 1940’larda şöyle yazmıştır: “İçinde bulunduğumuz elektrik çağında her bir jeneratör ve motorun dönmekte olan bobinleri, duymak isteyen herkes için görelilik teorisinin gerçekliğini bağırıyor.” Yavaş-çekim bir dünyada yaşadığımızdan dolayı, elektrik ve manyetik alanların ayrı mevcudiyetlere sahip olduğunu düşünme yanılgısı içindeyiz. Ancak tıpkı uzay ve zaman gibi, elektrik ve manyetik alanlar da aynı madalyonun farklı yüzleridir. Gerçekte var olan tek bir mevcudiyet söz konusu: elektromanyetik alanlar.

Bir madalyonun iki yüzü durumunda olan diğer unsurlar ise enerji ve momentumdur. Bu şaşırtıcı bağlantının içinde ise göreliliğin belki de en büyük sürprizi yatmaktadır: kütlenin bir enerji türü olduğu. Bu keşif bilim tarihinin en ünlü ve en az anlaşılan denklemiyle özetlenmiştir: E = mc².

Uzay-Zaman nedir?

Zamanın yavaşlaması ve uzayın büzülmesi, hareket durumları ne olursa olsun evrendeki herkesin ışık hızını aynı ölçmesi için ödenen bedeldir. Ancak bu yalnızca başlangıç.

Diyelim ki, iki yıldız ve bu iki yıldızın arasındaki boşlukta -tam orta noktada- asılı duran bir astronot var. Astronotun, iki yıldızın aynı anda patlamasına tanık olduğunu düşünelim. Yani her iki tarafında da kör edici bir ışık çakması olduğunu. Şimdi de iki yıldızı birbirine bağlayan hat üzerinde muazzam bir hızla ilerleyen bir uzay mekiği olduğunu ve mekiğin, astronotun yanından, yıldızların patladığını gördüğü anda geçtiğini düşünelim. Peki bu durumda uzay mekiğinin pilotu ne görür?

Mekik bir yıldıza doğru ilerlerken diğer yıldızdan uzaklaşacağından ötürü, yaklaşmakta olduğu yıldızdan gelen ışık, uzaklaşmakta olduğu yıldızdan gelen ışıktan daha önce kendisine ulaşır. Dolayısıyla da, iki patlama aynı anda gerçekleşmemiş gibi görünür. Bu bağlamda, eşzamanlılık kavramı da ışık hızının değişmezliğinin gazabına uğramaktadır. Bir gözlemci için eşzamanlı olan bir olay, hareket halindeki bir başka gözlemci için eşzamanlı değildir.

Devamını oku “Uzay-Zaman nedir?”

Görelilik Neden Var Olmak Zorunda

Işık hızına yaklaşan hızlarda uzay ve zamanın davranışları gerçekten de tuhaflaşır. Ancak bu davranışların kimse için sürpriz olmasına da gerek yok. Her ne kadar doğanın yavaş kulvarındaki gündelik deneyimlerimiz bize, bir kişinin zaman aralığının bir başkasının zaman aralığı ve bir kişinin uzay aralığının da bir başkasının uzay aralığıyla aynı olduğunu öğretmiş olsa da, aslında bu konudaki inançlarımız oldukça temelsiz varsayımlara dayanmaktadır.

Zamanı ele alalım. Tüm yaşamınızı zamanı tanımlamak için boş yere harcayabilirsiniz. Öte yandan Einstein tek kullanışlı olanın, pratik bir tanım olduğunu fark etti. Zaman aralıklarını saatlerimizle ölçeriz. Dolayısıyla Einstein da, “Zaman, bir saatin ölçtüğü şeydir,” demiştir (işte, bazen apaçık ortada olan bir durumu ortaya koymak için dahi olmak gerekebiliyor)

Eğer herkes iki olay arasında aynı zaman aralığını ölçecek olursa, bunun anlamı herkesin saatinin aynı hızda işlediği olacaktır. Ancak bu hemen hiçbir zaman olmaz. Çalar saatiniz biraz yavaş çalışırken, kol saatiniz biraz hızlı olabilir. Günümüzde, saatlerimizi arada bir ayarlayarak gündelik problemlerin üstesinden gelmeye çalışıyoruz. Örneğin birine saatin kaç olduğunu soruyor ve saatimizi ayarlıyoruz. Ya da BBC’de her saat başı gelen bip’leri bekliyoruz. Ancak bu bip’leri kullanırken varsaydığımız nokta, BBC stüdyosundan gönderilen bip’lerin radyomuza ulaşmasının hiç zaman almadığı. Radyoda spikerin saatin altı olduğunu söylediğini duyduğumuzda, basit bir şekilde saatin altı olduğunu kabul ediyoruz.

Devamını oku “Görelilik Neden Var Olmak Zorunda”

Göreliliğin Anlamı

Ancak pratik anlamda görelilik ne demek oluyor? Diyelim ki dünyaya en yakın yıldıza ışık hızının yüzde 99,5’i gibi bir hızla gidip gelmenizin mümkün olduğu bir zamanda yaşıyorsunuz. Dünyaya en yakın yıldız olan Alfa Centauri’ye uzaklığımızın 4,3 ışık yılı olduğunu düşünecek olursak, gidip ortalığa bir göz attıktan sonra geri dönmeniz, dünyadaki birine göre 9 yıl sürecektir. Ancak sizin bakış açınızdan, Alfa Centauri’ye olan mesafe görelilik yüzünden 10 kat büzülecektir. Dolayısıyla yapacağınız ring sefer sizin için 11 ay kadar sürer. Yolculuğa çıktığınızda 21 yaşınızda olduğunuzu ve uzay üssünde sizi uğurlarken bıraktığınız bir de ikiz kardeşiniz olduğunu varsayalım. Bu durumda, Alfa Centauri’den geri döndüğünüzde, siz ancak 22 yaşına ulaşmışken, ikiziniz 30’una basmış olur!

Peki, siz henüz 22’ye basarken 30’una gelmiş ikiziniz bu durumdan nasıl bir anlam çıkarabilir? Seyahatiniz boyunca ağır çekimde yaşadığınızı düşünebilir. Ve gerçekten de uzay mekiğinizin içini gözlemlemesi bir şekilde mümkün olsaydı, sizi bir ağdanın içinde hareket etmeye çalışıyormuş gibi ve mekiğin tüm saatlerini de normalden 10 kat daha yavaş işlerken görebilirdi. Ve bu durumda ikiziniz, yerinde bir akıl yürütmeyle, tüm bu gördüklerini görelilik münasabetiyle zamanın genişlemesine atfedebilirdi. Ancak sizin için, mekiğinizdeki saatler ve panelinizi kaplayan göstergeler gayet normal görünürdü. İşte göreliliğin sihri burada.

Elbette ki, Alfa Centauri’ye ne denli hızlı yol alırsanız, siz ve ikizinizin yaşları arasındaki fark da aynı ölçüde artacaktır. Evrende yeterince hızlı ve yeterince uzağa gittiğiniz takdirde, geri döndüğünüz zaman siz halen genç bir insanken, ikiziniz çoktan gömülmüş olur. Daha da hızlandığınızda, ayrıldığınız dünya da hiçliğe karışmış olabilir. Hatta ışık hızına çıktığınızı düşünecek olursak, zaman sizin için öylesine yavaşlar ki, evrenin geleceğinde tüm olan bitenler sizi ileri sarılmış bir film gibi yalayıp geçer. Rus fizikçi Igor Novikov’un dediği gibi: “Geleceği ziyaret etme olasılığı, bu fikri ilk kez duyan herkese muhteşem gelir.”

Devamını oku “Göreliliğin Anlamı”

Büzülen Uzay, Esnek Zaman

Uzay ve zaman konusuna neden geldik? Işık dahil olmak üzere her şeyin hızı, belirli bir zaman diliminde katedilen mesafedir. Mesafeler genelde cetvelle, zaman ise saatle ölçülür. Dolayısıyla, “Nasıl oluyor da herkes, hareket durumları ne olursa olsun, aynı ışık hızını ölçebiliyor?” Sorusunu bir başka şekilde ortaya koyabiliriz: İnsanların, belli bir zamanda katettiği mesafeyi ölçtüklerinde, ışığın hızını her zaman tam olarak saniyede 300.000 kilometre bulmaları için, cetvel ve saatlere ne olması gerekiyor?

Evrendeki herkesin ışığın hızı üzerinde hemfikir olabilmesi için, uzay ve zamana ne olması gerektiğine dair bir denklemden bahsediyoruz. İşte, özel görelilik kısaca budur.

Uzayda zaman kuramı!

Üzerine doğru ışık hızının 0,75 katı hızla gelen bir uzay çöpüne lazerle ateş açan bir uzay gemisi düşünelim. Lazer ışını uzay çöpüne ışık hızının 1 ,75 katı hızla çarpamaz, çünkü bu imkansızdır; tam olarak ışık hızında çarpması gerekir. Bunun gerçekleşebilmesinin tek yolu, olayları gözlemleyen ve yaklaşmakta olan ışığın belli bir zamanda katettiği mesafeyi tahmin eden birisinin, mesafeyi olduğundan az ya da zamanı olduğundan fazla saptamasıdır.

Aslında Einstein her ikisinin de olduğunu keşfetmiştir. Uzay gemisini dışarıdan gözlemleyen birisi için, hareket halindeki cetveller büzülür ve hareket halindeki saatler yavaşlar. Yani uzay “büzülür” ve zaman “genişler.” Dahası bunu tam olarak, ışık hızının evrendeki herkes tarafından saniyede 300.000 kilometre olarak ölçüleceği şekilde yaparlar. Bu durum dev bir kozmik komployu andırmıyor mu? Evrenimizdeki sabit olan unsur, uzay ya da zamanın akışı değil, ışığın hızıdır. Ve evrendeki her şeyin, kendisini ışığın egemen durumuna göre ayarlamak dışında hiçbir şansı yoktur.

Devamını oku “Büzülen Uzay, Esnek Zaman”

Görelilik nedir? Temel taşları

Işığın yakalanamazlığı başka bir şekilde de ortaya konabilir. Kozmik hız sınırının gerçekten de sonsuzluk olduğunu düşünelim. Ve de, savaş uçağından atılan bir roketin sonsuz hızla yol aldığını varsayalım. Yerden bakan birisi için roketin hızı, sonsuzluk artı uçağın hızı mı olur? Eğer öyleyse, roketin hızı, yere bağlı olarak, sonsuzluktan daha büyük olacaktır. Ancak sonsuzluk tasavvur edebileceğimiz en büyük sayı olduğundan, bu imkansızdır. Anlamlı olan tek şey, roketin halen sonsuz bir hızı olduğudur. Diğer bir ifadeyle, roketin hızı, kaynağının, yani uçağın hızına bağlı değildir.

Sonsuz hızın rolünü ışık hızının oynadığı evrende de, ışığın hızı, yayıldığı kaynağın hızına bağlı değildir. Işık kaynağı ne denli hızlı yol alıyor olursa olsun, saniyede 300.000 kilometre olan ışık hızı değişmez.

Işık hızının, çıktığı kaynağın hareketinden bağımsızlığı, “mucizevi yılı” olan 1905’te Einstein’ın, uzay ve zamanın devrimsel bir analizini yaptığı “özel” görelilik teorisinin iki önemli dayanak noktasından biridir. Diğer dayanak noktası ise aynı ölçüde önemli olan, görelilik ilkesidir.

Devamını oku “Görelilik nedir? Temel taşları”

Işık hızı ve Elektromanyetik Dalgalar

Işığın, Evrenin Üzerinde Kurulu Olduğu Kaya, Zaman ve Uzayın ise Hareket Halindeki Kum Tanecikleri Olduğunu Nasıl Keşfettik

Herkes için gelmiş geçmiş en tuhaf 100 metre yarışıydı bu. Atletler çıkış takozlarından fırlayıp kulvarlarında koşmaya başladığında, tribündeki seyircilere sanki incelmiş gibi göründüler. Coşkulu kalabalığın önünden geçerlerken, krep kadar düzleşmişlerdi.
Ancak olan en tuhaf şey bu değildi.

Atletlerin kolları ve bacakları, sanki havanın değil de ağdalı bir sıvının içinde koşuyorlarmış gibi, ultra-yavaş hareketler sergiliyordu. Kalabalığın alkış ve tezahüratları gittikçe yavaşladı. Seyircilerden bazıları biletlerini yırtıp öfkeyle havaya fırlatıyordu.

Bu zavallı tempoyla, atletlerin finiş ipini göğüslemesi bir saati bulabilirdi.
Sonunda canından bezen seyirciler yerlerinden kalkarak, teker teker stadyumu terk etti.

Böyle bir sahne size tümüyle saçma gelmiş olabilir. Fakat burada hatalı olan tek unsur atletlerin hızıdır. Eğer ki 10 milyon kat daha hızlı koşabilselerdi, stadyumdaki herkes yukarıdaki gibi bir sahne yaşardı. Nesneler ultra-yüksek hızlara çıktığında, zaman yavaşlarken uzay da büzülür. Bu durum önemli bir gerçeğin kaçınılmaz bir sonucudur: ışığı yakalamanın imkansızlığı.

Yakalanamayacak olan tek şeyin ancak sonsuz hızla yol alan bir cisim olabileceğini düşünebilirsiniz. Ne de olsa sonsuzluk, tasavvur edilebilen en büyük sayı olarak tanımlanmaktadır. Hangi sayıyı düşünürseniz düşünün, sonsuzluk ondan daha büyüktür. Bu nedenle, sonsuz hızla yol alabilecek bir şey olsaydı bile onu asla yakalayamayacağımız açık bir şekilde ortadadır. Böyle olsaydı, evrendeki nihai kozmik hız sınırını temsil eden, sonsuz hız olurdu.

Işık muazzam bir hızla yol alır -boşlukta saniyede 300.000 kilometre- fakat bu hız da, sonsuz olarak nitelendirdiğimiz hızın yanında anlamsız kaçmaktadır. Yine de ne denli hızlı olursanız olun, bir ışık huzmesini yakalayamazsınız. Evrende, kimsenin tam olarak anlamlandıramadığı nedenlerden ötürü, ışık hızı sonsuz hızın yerini almıştır. Fiili durumdaki kozmik hız sınırımız ışık hızıdır.

Bu tuhaf gerçeği fark eden ilk kişi, 16 yaşındayken kendine şu soruyu soran Albert Einstein oldu: Yakalayabilecek olsaydınız, ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Einstein’ın böyle bir soru sorarak cevaplandırabilmeyi umması ancak İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in bir keşfi sayesinde mümkün olmuştur. 1868 yılında Maxwell, elektrik motorlarının çalışmasından mıknatısların davranışlarına kadar, bilinen tüm elektrik ve manyetik olaylarını, bir dizi harikulade matematiksel denklemle bir araya getirdi. Maxwell’in denklemlerinin sürprizi ise o güne dek bilinmeyen bir dalganın varlığını öngörüyor olmalarıydı: elektrik ve manyetizma dalgasının.

Uzayda, göletteki küçük bir dalga gibi yayılan Maxwell dalgasının çok çarpıcı bir özelliği olduğu anlaşıldı. Bu dalga saniyede 300.000 kilometre hızla yol alıyordu; yani ışıkla aynı hızda. Bunu yalnızca bir tesadüf saymak imkansızdı. Maxwell, elektrik ve manyetizma dalgasının bir ışık dalgasından farksız olduğunu düşündü. Maxwell’ e dek hiç kimse (belki elektriğin öncülerinden Michael Faraday’ı bir kenara koyabiliriz bu noktada) , ışığın elektrik ve manyetizmayla bağlantılı olduğuna dair en ufak fikre sahip değildi. Ancak öyleydi; tam da Maxwell’in denklemlerinde yazdığı gibi: Işık elektromanyetik bir dalgaydı.

Manyetizma, mıknatısın çevresindeki uzayı kaplayan görünmez bir güç alanıdır. Bir mıknatıs çubuğunun manyetik alanı, yakınında bulunan metal objeleri kendine çeker. Bir de elektriksel alan vardır; elektrikle yüklü bir kütlenin etrafındaki uzayı sarmış olan, görünmez bir güç alanıdır bu. Örneğin naylon bir süvetere sürtülen plastik bir tarak, küçük kağıt parçalarını kendisine çekebilir.

Maxwell denklemlerine göre ışık, suda yayılan dalgaları andıracak şekilde, bu görünmez güç alanlarında yayılan bir dalgadır. Su dalgası için konuşacak olursak, dalga geçip giderken değişen unsur suyun düzeyidir – bu düzey artar ve azalır, azalır ve artar. Işıkta ise değişkenlik gösteren unsur manyetik ve elektrik güç alanlarının düzeyidir – güç seviyeleri artar ve azalır (aslında bir alan büyürken diğeri sönümlenir, ancak bunun şu an için bir önemi yok).

Peki ama, elektromanyetik dalganın ne olduğu konusuna neden böylesine girdik? Bunun nedeni, Einstein’ın sorusunu tam olarak anlayabilmemiz için hunun gerekli olması: Yakalayabilecek olsaydınız ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Otoyolda ilerlerken, saatte 1 00 kilometre hızla yol alan bir otomobili yakaladığınızı düşünelim. Yan yana geldiğiniz esnada diğer otomobil nasıl görünecektir? Elbette ki, durağan bir görüntüsü olacaktır. Camınızı açacak olursanız, motor gürültülerinin üzerinden diğer otomobilin şoförüne bağırabilirsiniz bile. Aynı şekilde, bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, bu huzme durağan bir görüntü kazanırdı; tıpkı gölet üzerinde donup kalmış bir dizi dalga gibi.

Öte yandan (ve 16 yaşındaki Einstein tarafından fark edilen esas nokta da budur), Maxwell denklemlerinin donmuş bir elektromanyetik dalga, bir diğer deyişle, elektrik ve manyetik alanları ne büyüyen ne de sönümlenen, sonsuza dek hareketsiz duran bir dalga üzerine önemli bir çıkarımı bulunuyor: Böyle bir şey yok! Durağan bir elektromanyetik dalga, imkansızdır.

Einstein böylece yaşına göre çok erken sorulmuş bu önemli sorusuyla, parmağını fiziğin kurallarında önemli bir paradoksun -ya da tutarsızlığın- üzerine koymuş oldu. Bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, varlığı imkansız olan durağan bir elektromanyetik dalga görecek olurdunuz. Ve imkansız şeyleri görmek de imkansız olduğundan, bunun anlamı hiçbir zaman bir ışık huzmesini yakalayamayacağınızdır! Diğer bir ifadeyle, evrende sonsuz hızın yerini almış olan, asla yakalanamayacak şey, ışıktır.