Kütlenin Enerjiye Tümden Dönüşümü

Her ne kadar Einstein kütleyi, yalnızca enerjinin sayısız türünden biri olarak göstererek indirgemiş olsa da, kütle enerjisinin bir açıdan özel olduğu söylenebilir. Kütle enerjisi, bilinen enerji türleri içinde, en yoğun olanıdır. Aslına bakılacak olursa, E=mc2 de bu gerçeği özetleyen bir denklemdir. Fizikçilerin ışık hızı için kullandığı sembol olan c büyük bir sayıya tekabül eder: saniyede 300 milyon metre. Bu değerin karesini alarak çok daha büyük bir sayıya ulaşırız. Bu denklemin 1 kilogram maddeye uygulanması, 9 x 10^16 joule enerji anlamına gelmektedir ki, bu enerji tüm dünya nüfusunu uzaya fırlatmaya yeter.

Elbette ki, 1 kilogram maddeden bu düzeyde bir enerji elde etmek için, bu maddenin tümünün bir başka enerji türüne dönüştürülmesi gerekir. Bunun için, tüm kütlesinin yok olması gerekir. Güneşteki ya da bir nükleer bombadaki nükleer tepkime, maddenin içinde hapis olan enerjinin ancak yüzde birini ortaya çıkarır. Ancak doğa bundan çok daha iyisini yapabilir.

Kara delikler, kütleçekiminin, ışığın kaçmasına bile müsaade etmeyecek kadar kuvvetli olduğu uzay sahalarıdır. Zaten kara delik olarak anılmalarının nedeni de, ışık yaymıyor oluşlarıdır. Kara delikler, kütleli bir yıldız öldüğünde, geriye kalan kalıntıların tümüyle mevcudiyetten silinene dek büzülmeyi sürdürmesiyle oluşur. Madde, su giderine kapılan su gibi, kara deliğin anaforuna kapıldığında, kendi içindeki sürtünmeden dolayı akkor haline gelene dek ısınır. Bu süreçte enerji kendisini ışık ve ısı olarak dışa vurur. Kara deliğin olası en yüksek hızda dönmeye başladığı özel bir durumda, ortaya çıkan enerji dönmekte olan maddenin kütlesinin yüzde 43’üne eşdeğerdir. Bunun anlamı, maddenin kendi içine çökerek bir kara deliğe dönüşmesinin, güneşe ya da hidrojen bombasına güç veren süreçten 43 kat daha etkili olduğudur.

Devamını oku “Kütlenin Enerjiye Tümden Dönüşümü”

Kütle enerjiye dönüşür mü?

Yanmakta olan bir parça kömür düşünün. Kömürün dışa vermekte olduğu ısının bir ağırlığı olduğundan, kömür yandıkça kütle kaybeder. Eğer yanma sürecinde oluşan kül ve çıkan gazlar gibi tüm yan ürünlerin ağırlığını ölçebilseydik, kömürün ilk halinden daha düşük bir ağırlığa ulaşırdık.

Kömür yanarken, ısı enerjisine dönüşen kütle enerjisinin miktarı ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte doğada, önemli miktarda kütlenin diğer enerji türlerine dönüştüğü bir yer bulunuyor. Bu yeri, 1919 yılında İngiliz fizikçi Francis Astan atomları “tartarken” tespit etti.

Doğada bulunan 92 atomun her birinin, iki ayrı atomaltı parçacıktan -proton ve nötron- meydana gelen bir çekirdek içerdiğini hatırlayın.6 Bu nükleonların kütleleri aşağı yukarı aynı olduğundan, en azından ağırlığı mevzubahis olduğunda, çekirdeğin tek bir yapı taşından oluştuğu düşünülebilir. Bunu bir Lego taşı olarak düşünelim. Bu bağlamda, en hafif çekirdeğe sahip hidrojen tek bir Lego taşından oluşurken, en ağır element uranyum 238 Lego taşından oluşmaktadır.

19. yüzyılın başlarında, belki de evrenin başlangıcında yalnızca tek bir tür atomun (en basit atom olan hidrojenin) var olduğundan şüpheleniliyordu. Bu düşünceye göre, başlangıç anından itibaren diğer tüm atomlar, hidrojen Lego taşlarının birleşmesi yoluyla oluşmuştu. Bu düşüncenin, İngiliz fizikçi William Prout tarafından 1815 yılında öne sürülen kanıtı ise lityum gibi bir atomun hidrojenden tam olarak altı kat, karbon gibi bir atomun ise hidrojenden tam olarak 12 kat (ve diğer atomlar için de bu şekilde devam etmektedir) daha ağır olduğuydu.

Devamını oku “Kütle enerjiye dönüşür mü?”

Enerjiden Kütle oluşur mu?

Eşdeğer bir kütlesi (veya ağırlığı) olan enerji üzerine yeterince konuştuk. Kütlenin bir enerji türü olduğu gerçeğinin daha derin sonuçları da var. Bir enerji türü bir başka enerji türüne çevrilebileceğinden, kütle enerjisi başka türlerdeki enerjilere ve tam tersi şekilde, diğer enerji türleri de kütle enerjisine çevrilebilir.

İkinci süreci ele alalım. Bir enerji türünden kütle enerjisi oluşturulabiliyorsa, herhangi bir kütlenin var olmadığı bir yerde, birdenbire kütle oluşabilir demektir. Dev parçacık hızlandırıcılarda olan şey tam olarak bu. Örneğin Cenevre’deki nükleer araştırma merkezi CERN’de, atomların yapı taşları olan atomaltı parçacıklar yeraltındaki bir alanda, ışık hızına yaklaşan hızlarda birbirleriyle çarpıştırılıyor. Bu şiddetli çarpışmada amaç, parçacıkların muazzam düzeydeki hareket enerjisinin kütle enerjisine (bir diğer ifadeyle, fizikçilerin üzerinde çalışmak istediği yeni parçacıkların kütlesine) dönüştürülmesi. Ve çarpışma noktasında, bu yeni parçacıklar (göründüğü kadarıyla) yoktan var oluyor – tıpkı şapkadan çıkan tavşanlar gibi.

Bu olay, bir enerji türünün kütle enerjisine çevrilmesine verilebilecek iyi bir örnek. Peki ama, diğer enerji türlerine dönüşen kütle enerjisi hakkında ne söyleyebiliriz? Böyle bir şey oluyor mu? Evet, hem de her zaman.

Işığın ağırlığı nedir?

Akla gelebilecek en büyük tartıydı bu. Ah, evet, aynı zamanda ısıya karşı da dayanıklıydı. Aslında bu tartı o kadar büyüktü ki, bir yıldızın ağırlığını bile taşıyabilirdi. Ve o gün, en yakınımızdaki yıldızı, güneşi tartıyordu. Dijital panel en sonunda sabitlendiğinde, 2 x 10^27 tonu gösterdi. Yani 2’yi takip eden 27 tane sıfır – 2000 milyon milyon milyon milyon ton! Ancak o da ne, yanlış olan bir şey vardı. Tartının ölçüleri aşırı hassastı. Boyutu ve ısıya karşı dayanıklılığının yanında, bir başka çarpıcı özelliği de buydu. Ancak bir saniye sonra paneldeki rakamlar yeniden sabitlendiğinde, bir önceki değere göre, güneşin ağırlığı 4 milyon ton daha düşük çıktı. Neler oluyordu böyle? Gerçekten, güneş her bir saniye içinde, üzerinden bir süper-tankerin ağırlığını atacak kadar hafifliyor olabilir miydi?

Evet, bu doğru! Güneş, sürekli olarak ısı enerjisi kaybediyor ve uzaya saçılan bu enerji bize ışık olarak ulaşıyor. Ve enerjinin gerçekten de bir ağırlığı var. Böylece güneş dışarı ne kadar ışık verirse, aynı ölçüde hafifliyor. Fakat güneşin gerçekten de devasa olduğunu ve her bir saniye içinde kütlesinin yalnızca 10 milyon milyon milyonda birini kaybettiğini de aklımızdan çıkarmayalım. Bunun anlamı, doğumundan bu yana kütlesinin ancak binde birini kaybettiğidir.

Enerjinin bir ağırlığı olduğu gerçeği, bir kuyrukluyıldızın davranışında açık şekilde görülebilir. Bir kuyrukluyıldızın kuyruğu her zaman güneşi gösterir; tıpkı bir rüzgar tulumunun havada oluşmakta olan fırtınayı göstermesi gibi. Peki bu ikisi arasındaki ortak nokta ne olabilir? Her ikisi de güçlü bir rüzgar tarafından itilmektedir. Rüzgar tulumu için konuşacak olursak, bu, havadan oluşan rüzgardır. Kuyrukluyıldızın kuyruğu içinse, güneşten gelmekte olan ışık rüzgarı.

Devamını oku “Işığın ağırlığı nedir?”

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”