Einstein’ın Zaman Kavramı ve Görelilik

Einstein’ın özel görelilik hakkında 1905 yılında yazdığı “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği” adlı makalesi, uyandırdığı geniş ilgiden dolayı, yirminci yüzyılın fizik konusunda yazılmış en ünlü makalesi olarak kabul görmüştür. Mutlak zaman kavramını ortadan kaldırmış olması, bu makaleyi taçlandıran özelliğidir. Genel olarak anlaşıldığı biçimiyle Einstein’ın kuramı, klasik mekaniğin eski, “uygulamalı” dünyasından öylesine kökten bir biçimde farklıdır ki, bu makale, maddi ve sezgisel dünyadan tümüyle kopuk, devrimci düşünceye bir model oluşturmuştur. Einstein’ in eşanlılık kavramını, kısmen felsefe, kısmen de fizikten yararlanarak yeni bir anlayışla ortaya koyması, modern fizik ile önceki uzay ve zaman düşüncesinin iskeleti arasında oluşan onarılamaz çatlağın bir simgesi hâline gelmiştir.

Dünyanın En Ünlü Fizik Makalesi

Einstein görelilik hakkındaki makalesine, elektrodinamiğin o günlerde geçerli olan yorumunda bir asimetri, yani doğada bulunmayan bir asimetri olduğunu iddia ederek başlamıştır. 1905 yılı civarında hemen hemen tüm fizikçiler, ışık dalgalarının yayılması için, su ya da ses dalgalarında olduğu gibi bir ortama gerek olduğu düşüncesini kabul etmekteydiler. Işık dalgaları (ya da ışığı oluşturan, salınım hâlindeki elektrik ve manyetik alanlar) için bu ortam her yeri kaplayan bir şey, yani eter olarak tanımlanıyordu. On dokuzuncu yüzyılın son dönemindeki çoğu fizikçi, eter düşüncesini çağının en ileri fikirlerinden biri olarak değerlendiriyor, tam olarak kavrandığı, sezgiselleştirilip matematiği çözümlendiğinde eterin, ısı ve ışıktan, manyetizma ve elektriğe kadar tüm fiziksel olayları birleştirici bir bakış açısı ortaya koyabileceğini düşünüyorlardı. Ancak, Einstein’ in kabul etmediği asimetriye neden olan da eterin ta kendisiydi.

Einstein, fiziğin olağan yorumuna göre, eter içinde duran bir elektrik devresine yaklaşan bir mıknatısın devrede üreteceği akımın, hareket hâlindeki elektrik devresinin eter içinde durağan bir mıknatısa yaklaştığında oluşan akımdan ayırt edilemeyeceğini yazmıştı. Eteri kimse gözlememişti, dolayısıyla Einstein’a göre aslında, gözlenebilen tek olay; elektrik devresi ile mıknatıs birbirine yaklaşırken bobin içinden bir akım geçmesidir (ki böyle bir akımın geçtiği, devreye bağlanan, lambanın ışık vermesi ile kanıtlanır). O dönemin yoruma göre elektrodinamik (elektrik ve manyetik alanların davranışını tanımlayan Maxwell denklemleri ve yüklü bir parçacığın bu alanlar içinde nasıl hareket edeceğini öngören bir kuvvet yasasını içeren kuram), neler olduğu konusunda iki farklı açıklama getiriyordu. Her şey, etere göre hareketli olanın elektrik devresi mi yoksa mıknatıs mı olduğuna bağlıydı. Eğer bobin eter içinde hareketli ve mıknatıs durağan ise Maxwell denklemleri, bobin içindeki elektrik manyetik alandan geçerken bobinin bir kuvvete maruz kaldığını belirtir. Bu kuvvet, devreyi oluşturan iletken içindeki elektrik yüklerini hareket ettirerek, yani akım oluşturarak, lambanın yanmasını sağlar. Mıknatısın hareketli (elektrik devresinin durağan) olması hâlinde olayın başka bir açıklaması vardır. Mıknatıs bobine yaklaşırken, kapalı devrenin içinden geçen manyetik alan şiddeti artmaktadır. Değişen manyetik alan şiddeti (Maxwell denklemlerine göre) bir elektrik alan üretir ve bu alan devreyi oluşturan iletken içindeki elektrik yüklerini hareket ettirerek akım oluşturur ve lamba yanar. Böylece geleneksel yaklaşım, olaya mıknatıstan veya elektrik devresinden bakıldığına göre değişen iki farkı açıklama getirir.

Einstein probleme, elektrik devresi ile mıknatıs birbirine yaklaşınca, lambanın yanması gibi gözlenen tek bir olayı esas alarak yaklaşmıştır. Ona göre, gözlenen tek bir olayın, tek bir açıklaması vardır. Einstein düşüncesi etere başvurmadan olayı açıklamaktır. Ona göre deneyde, birisi elektrik devresi ile, diğeri ise mıknatısla birlikte hareket etmekte olan iki gözlem çerçevesi vardır. Olaya bu iki farklı gözlem çerçevesinden bakmak gerekir. Einstein’a göre söz konusu olan fiziğin temel bir ilkesidir: Einstein Görelilik İlkesi.

Neredeyse üç yüz yıl önce Galileo da gözlem çerçevelerini benzer şekilde sorgulamıştı. Deniz üzerinde sakin biçimde ilerleyen bir geminin, güverte altındaki bir penceresiz kamarasında yapılacak olan mekanik deneylerle geminin hareket hâlinde olduğunun fark edilemeyeceğini öne sürmüştü. Gemideki akvaryumun içindeki balığın tıpkı karadaki bir akvaryumun içinde yüzer gibi yüzeceğini, su damlalarının yere düşerken izlediği düz çizgiden sapmayacağını fark etmişti. Kamaranın gerçekten hareketsiz mi yoksa “gerçekten” hareket hâlinde mi olduğunu söylemek için elinde herhangi bir mekanik kural yoktu. Galileo bu durumun, kendisinin tasarladığı düşen cisimlerin mekaniğinin temel bir özelliği olduğunda ısrarlıydı.

Einstein Görelilik İlkesi Kuramı Nedir?

Einstein Görelilik İlkesi kuramını mekanik içindeki bu geleneksel kullanımı üzerine inşa eden Einstein, 1905 yılındaki makalesinde, fiziksel süreçlerin, içinde meydana geldikleri düzgün doğrusal hareket hâlindeki referans çerçevelerinden bağımsız olduğunu öne sürerek, göreliliği bir ilke hâline getirdi. Einstein görelilik ilkesinin, sadece düşen damlaların, zıplayan topların ve sıçrayan yayların mekaniğini değil; aynı zamanda elektrik, manyetizma ve optik olaylarını da kapsayacağını düşünüyordu.

Bu görelilik varsayımı (postulası) ivmesiz referans çerçevelerinden hangisinin gerçekte durağan olduğunu söylemenin bir yolu yoktur”) çok daha şaşırtıcı başka bir varsayımı doğurmuştur. Einstein yapılan deneylerin, ışığın saniyede 300.000 kilometreden başka bir hızla yol aldığını göstermediğine dikkati çekmişti. Daha sonra bunun her zaman böyle olduğunu varsaymıştı. Einstein, ışık kaynağı ne kadar hızlı hareket ederse etsin ışığın daima aynı, ölçülen hızda -saniyede 300.000 kilometre hızla- yol aldığını iddia ediyordu. Bu durum elbette günlük hayattaki cisimlerin davranış özelliklerinden farklıydı. Bir istasyona yaklaşmakta olan bir trenden, kondüktör istasyona doğru bir posta çuvalı fırlattığını düşünelim. Peronda duran birinin posta çuvalının trenin hızı ve kondüktörün çuvalı savurma hızının toplamı kadar bir hızla yaklaştığını göreceği herkes tarafından bilinir. Ancak Einstein ışığın farklı davrandığı konusunda ısrarlıydı: Benden belli bir uzaklıkta, elinde bana doğrulttuğun bir el feneri ile ayakta durduğun zaman, ışığın bana doğru saniyede 300.000 kilometre yol aldığını görürüm. Bir trenin içinde bana doğru hızla geldiğinde, hatta saniyede 150.000 kilometre (ışık hızının yarısı) hızla yol aldığında bile fenerinden çıkan ışığın hâlâ bana saniyede 300.000 kilometre hızla geldiğini görürüm. Einstein’ın ikinci postulasına göre, kaynağın hızı, ışık hızı için önemli değildi.

Bu postulatlarına ikisi de (en azından kısmen) Einstein’ in çağdaşlarına mantıklı görünmüş olmalı. Mekanik bilimin de görelilik kuramı Galileo’dan beri biliniyordu. Bu dönemde uzunca bir süre Poincaré de (başkalarıyla birlikte) Einstein Görelilik İlkesinin elektrodinamikteki yansımalarını ve olasılıklarını incelemişti. Dahası, eğer ışık, katı ve her yeri kaplayan eter içindeki dalgaların hareketinden başka bir şey değilse, o zaman eterin durağan olduğu referans çerçevesinde ışık hızının, ışık kaynağının hızına bağlı olmaması akla yatkın bir varsayımdır. Ne de olsa, makul kaynak hızlarında ses hızı, kaynağın hızına bağlı değildir: Bir ses dalgası yayılmaya başladığında, havada sabit bir hızla ilerler.

Einstein’ın bu iki postulası üzerinde nasıl bir uzlaşmaya varılabilir? Eter içindeki durağan bir çerçevede bir ışığın parladığını düşünelim. Etere göre hareket hâlindeki bir gözlemci için, gözlemcinin ışığa yaklaştığı ya da ışıktan uzaklaştığına bağlı olarak ısığın normalden daha hızlı ya da daha yavaş yol alıyormuş gibi görünmesi gerekmez mi? Ve eğer ışık hızındaki farklılık gözlenebilirse, yapılan gözlem, bunlardan birinin etere göre hareketli olduğunu gösterecek olması Einstein Görelilik İlkesini ihlal etmez mi? Ama böyle bir fark henüz ölçülebilmiş değildir. En hassas optik deneylerle bile, eter içindeki harekete ilişkin en küçük bir ipucu dahi tespit edilememiştir.

AKILÇELEN KİTAPLAR

Peter Galison –  “Einstein Saatleri Poincare Haritaları” adlı kitabından derlenmiştir.