II. MODERN FİZİK’İN GENEL YAPISI
II.II. Genel Relativite Kuramı
Özel Relativite Kuramı’ndan bahsederken bütün sorunlarda varsaydığımız hareket, bir doğru çizgi üzerinde ve bir düzlem üzerindeki düzgün hareketten ibaretti. Bundan dolayıdır ki, relativite kuramının bu birinci kısmına ‘özel veya sınırlı relativite kuramı’ adı verilmişti. Halbuki, yerküre üzerinde yaşadığımız için, deneylerimizde, hesaplarımızda yalnız bir doğru çizgi üzerinden düzgün hareketle yetinemeyiz. Çünkü, hareketlerin çoğunda bir ‘ivme’ vardır. Hatta yerkürenin hareketi bile ivmeli bir harekettir.* O halde, özel relativite kuramı içine, eğri bir çizgi üzerindeki ivmeli hareketleri de almak gerekir. Einstein 1905’ten 1915 yılına kadar uğraşarak bunu yaptı ve koyduğu teoriye ‘genel relativite kuramı’ adı verildi. İşte Newton’un genel çekim yasasını değiştiren, veya en doğru deyimiyle, o yasadaki çekim gücünü açıklayan bu kuram oldu.394
Genel Relativite Kuramı’nın, I. kuramın aksine, bir referans sisteminin bir diğerine göre sabit hız ile değil de ivmeli bir hız ile hareket etmesini, dairesel hareket yapmakta olan bir cisim örneğiyle açıklayalım: Bir merkez etrafında dairesel hareket yapmakta olan bir cismin, bir ‘merkez-kaç kuvvet’ ile dışarıya doğru itildiği kabul edilir. Gerçekte bu kuvvet, cismin belirli bir merkez etrafında dönmesini temin eden, ‘merkez-çek kuvvet’, denen ve yönü merkeze doğru olan kuvvete karşı, bir tepki kuvvetidir. Yine, aynı harekette, cismin merkeze doğru yönelmiş olan ve ‘merkezcil ivme’ olarak anılan bir ivmesi vardır ki, bu merkezcil kuvvet, işte bu ivmenin sonucudur. Bir merkez etrafında dairesel bir hareket yapmakta olan cisim
* Yerkürenin ivmeli hareketi, hızın fazlalaşmasıyla değil, yönünü değiştirerek, yani güneşin çevresinde dönerek meydana çıkar. İvmeli hareket denilince, hızın hem yönünün hem de değerinin değiştiği anlaşılır. Bazı hareketlerde bu iki özelliklerden biri, bazılarında her ikisi de görülür. Örneğin, bir merkez etrafında düzgün dairesel harekette, hızın değeri sabit kalırken, hızın yönü sürekli olarak değişir. Düzgün doğru bir ray üzerinde, trenin giderek hızlanması, ivmeli hareketin ikinci özelliğini kanıtlar. Dünyanın güneş etrafında dönmesi ise, yörünge daireden çok elipse benzediğinden, dünyanın bu yörünge üzerindeki hızının sürekli olarak hem değeri, hem de yönü değişmektedir.
için örnek olarak, bir iple bir noktaya tespit edilmiş ve bu nokta etrafında, ipe bağlı olarak dönen bir taş ve güneş etrafında dönen dünya verilebilir. Merkez-çek kuvvet birinci örnekte, ip üzerindeki gerilme kuvveti olup bu kuvvetin kaynağı, onu çeviren nesnedir; ikinci örnekte ise, dünyayı güneş etrafında çeviren kuvvet, klasik fizik tarafından, ‘dünya ile güneş arasında, kütlelerinden doğan ve Newton tarafından ifadesi verilen gravitasyon kuvveti’ olarak tanımlanmaktadır; yine bu örnekte, birincidekinin aksine, dünyayı güneşe bağlayan ip gibi bir materyal ortam da yoktur ve dolayısıyla, merkez-çek kuvvet ip gibi materyal bir nesne üzerinden iletilmez. Einstein, bu kuvvetlerin, tamamen cisimlerin eğrisel bir yörünge üzerindeki hareketinden ileri geldiğini görerek, bu ‘eğrisel yörünge üzerindeki hareket’ fikrini bir nevi eğrisel uzay fikri haline dönüştürdü.395
Einstein, yapmış olduğu çalışmada şunu göstermeye muvaffak olmuştu: mutlak ve kendinde bir varlığı olan, nesnelerden bağımsız, her yerde ve her zaman aynı ve mevcut olan bir ‘uzay’ ve ‘zaman’ kavramları, ontik bir realiteye sahip değildir. Uzay, ancak cisimlerle birlikte vardır. Bunun yanında uzay, homojen, üniform ve izotrop değildir; maddesel nesnelerin kütleleri, uzay’ın yapısı üzerinde tesir göstermekte, onu, az veya çok deforme edebilmektedir. Genel Relativite’ye göre, kütleler, etraflarındaki uzayda oluşturdukları Kütlesel Çekim Alanı ile, uzay’ı ‘eğerler’ ve zaman’ı ‘büzerler’.396 Yani, her yerde aynı şekilde uzayıp giden, cisimlerden bağımsız bir mutlak mekan ve her zaman var-olmuş ve olacak olan, cisimlerden ve hareketlerden bağımsız bir mutlak zaman söz konusu değildir. Einstein, mutlak zaman ve mutlak uzayın yerine dört boyutlu bir uzay-zaman sürekliliğini getirerek, mutlakları ortadan kaldırmıştır.397
Klasik fizik tarafından hem uzay, cisimlerden ve hem de zaman hareketten bağımsız olarak, ‘bizatihi mevcut’ kabul edildiği için, aynı
395 Jauncey, Modern Fizik, s. 475. 396 Capra, Fiziğin Taosu, s. 94.
397 Standen, Anthony, Bilim Kutsal Bir İnektir, (Çev. Burçak Dağıstanlı), Şule Yay., İstanbul, 1997, s. 52.
zamanda birbirinden de bağımsız olarak kabul ediliyorlardı. Halbuki şimdi genel izafiyet kuramı, uzay, zaman ve cisimler arasında öyle bir bağ kurmuş bulunuyordu ki, uzay, zaman ve cisimler birbirlerinden asla bağımsız olarak ele alınamazlardı.
Öyleyse, her cisim, sahip bulunduğu kütleyle orantılı olarak etrafındaki uzay ve zaman’ı çarpıttığına, deforme ettiğine göre, bunun sınanabilmesi gerekiyordu. Kuramın öngörmüş olduğu bu olguların birincisi 1919’da yapılan bir gözlem ile fiilen kanıtlandı. Kuram, aynı zamanda, Newtoncu bakış açısıyla tam olarak açıklanamayan önemli bir olguyu daha açıkladı ki bu, ‘Utarid (Merkür) gezegeninin perihelinin ilerlemesi’398 olarak da bilinen ‘prezesyon’ idi. Genel Relativite Kuramı’na dayanarak güneş etrafındaki her gezegenin elipsinin zorunlu olarak dönmesi gerektiği bulunmuştur. Utarit hariç bütün gezegenler için bu dönme, bugünkü gözlem olanaklarıyla görülemeyecek kadar küçüktür. Ama Utarit’in durumunda bu miktarın bir asırda 43 saniye olması gözlemlere tamamen uyan bir sonuçtur. Bunun yanısıra gözlemlerle doğrulanmış olan iki sonuç daha çıkartılabilmiştir bu kuramdan. Bunlar, güneşin çekim alanı tarafından ışık ışınlarının eğrilmesi* ve dünya yüzünde benzer bir biçimde elde edilen (örneğin aynı türde bir atomdan)** ışık çizgileriyle karşılaştırıldığında büyük yıldızlardan bize gelen ışığın spektral çizgilerinin kayması. Kuramdan çıkarılan bu her iki sonuç da doğrulanmıştır.399
Genel Relativite Kuramının içerdiği temel düşünceler şu üç noktada toplanır:
398 Merdin, Tanrıya Koşan Fizik, s. 209.
* Önce Eddington, sonra da diğerleri tarafından 1919’da gözlenmişti. ** 1924’de Adams tarafından doğrulanmıştır.
399 Einstein, Albert, İzafiyet Teorisi, (Çev. Gülen Aktaş), Say Yay., İstanbul, 2001, s. 89.
1- Eşdeğerlilik - Değişmezlik İlkesi: Doğa yasalarının her sistemde geçerli olması demektir.400
2- Gravitasyon - Kütlesel Yerçekimi: Newton’un Evrensel Çekim Yasası’na göre çekim; iki cismin birbirine uyguladıkları kuvvettir. Bu yasa, evrendeki her madde parçacığının öbür madde parçacıklarını, kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı biçimde değişen bir kuvvetle çektiğini ifade eder. Oysa Einstein, Newton’u haklı bulmuyordu. Ona göre çekim; gerçekte bir kuvvet değil, manyetik alan gibi bir alandı. Manyetik alanı oluşturan mıknatısın çekim eşdeğeri, çevresindeki uzayı bozarak çekim alanı oluşturan maddenin kendisinden başka bir şey değildir. Alan teorisi; etkinin yayılmasının zaman alacağını, ayrıyeten; uzay ve zaman içindeki bu değişikliklerin alan yasalarına göre oluşacağını söyler. İşte bu tür alan yasalarını ihtiva etmeyen Newton gravitasyon teorisi yetersiz ve yapmacıktır. Gravitasyon problemini Newton’dan daha iyi çözebilen bu yeni teori; iç yapısı daha tutarlı ve mantıksal açıdan daha basittir.401
3- Geometri ile fiziğin birleştirilmesi: Newton fiziği, öklid geometrisine dayanıyordu. Genel Relativite ise; Alman matematikçisi G. F. Bernhard Riemann (1826-1886)’ın geometrisine dayanmaktadır.402 Einstein, fiziğe öklid geometrisi ile açıklanamayan dördüncü bir boyut, ‘uzay-zaman’ boyutunu ilave etmişti ve ihtiyaç duyduğu matematiksel malzemeleri Reimann’ın eğri uzay geometrisinde bulmuştu.403
Sonuç olarak, Özel ve Genel Relativite Kuramları birlikte göz önüne alındığında, kozmos hakkında şu yeniliklere yol açtığı ortaya çıkmaktadır:
1. Zaman ve Uzay’ın mutlak varlıkları reddedilmiştir.
400 Merdin, Tanrıya Koşan Fizik, s. 203, 204. 401 Heisenberg - Öner, Fizik ve Felsefe, s. 107. 402 Merdin, Tanrıya Koşan Fizik, s. 212.
2. Cisimlerin zaman, uzam ve kütleleri hızlarına ve referans sistemlerine bağlıdır.
3. Evrende ışık hızı limit hızdır.
4. Zaman, mekan ve cisimler arasında kesin ve sıkı bir irtibat vardır.
5. Uzay ve zaman, cisimlerden bağımsız olmadığı gibi onların etkilerinden arınmış da değildir.
6. Kozmolojinin gündemine zamanda ve mekanda sınırlı kozmos fikri girmiştir.
Relativite kuramları üç çeyrek yüzyılı aşkın bir süredir yüzlerce kez testten geçirilmiş ve kuram, gözlemlerle çok büyük ölçüde uyum sağlamıştır. Relativite kuramları günümüzde birçok buluşların ve fikirlerin temel kaynağıdır. En başta, atom bombası relativitenin dramatik bir kanıtıdır. Astrofizikçiler evrenin başlangıcına ve sonuna ilişkin tahminlerde bulunan Big-Bang/Büyük Patlama Teorilerini genel relativiteye göre hesaplamaktadırlar.404 Tüm deneylerin onayladığı gibi Einstein’ın evreni; eğilmiş bir uzay ile geometrik düzeni değiştiren bir çekimi, farklı hızlarda hareket eden kimseler için zamanın aynı hızla akmadığını, değişen bir boyut ve kütleyi içermekte ve kısaca, hiçbirşeyin göründüğü gibi olmadığını göstermektedir.405
Genel Relativite, büyük çapta maddenin özellikleriyle ilgili olarak oldukça doyurucu olurken, kuantum kuramı küçük boyutlar içindeki maddenin özellikleri konusunda oldukça doyurucudur. Einstein’la birlikte, genel relativitenin, kuantum kuramının açıkladığı bütün sonuçları, açıklayabilecek bir yolda genişletilebileceğini düşünen birkaç kişi vardır.406
404 Merdin, Tanrıya Koşan Fizik, s. 211. 405 Merdin, Tanrıya Koşan Fizik, s. 212.
406 Russell, Bertrand, Rölativitenin Abc’si, (Çev. Vahap Erdoğdu), Sarmal Yay., İstanbul, 1995, s. 145.