20. yüzyıla kadar fizikçiler evreni anlamak için klasik fizik yasalarından yararlanıyordu ancak bu yasalarda bazı problemler olduğu da Einstein’dan on yıllar önce biliniyordu. 1865 yılında James Clerk Maxwell ışığın hem elektriksel hem de manyetik özelliklere sahip bir dalga olduğunu ortaya koydu. Bu süreçte ışık hızının tüm bilinen parçacıklar için üst limit hız olduğu, 19. yüzyılın sonlarında fizikçiler tarafından anlaşılmıştı. 1887’de A. A. Michelson ve E. W. Morley gerçekleştirdikleri ve kendi adlarıyla anılan meşhur deneyle ışığın bir başka özelliğini ortaya çıkardılar. Bu deneye göre ışık hızı ne kaynağa ne de gözlemciye bağlıydı, koşullar ne olursa olsun her zaman aynı değerde ölçülüyordu: c = 199,792.458 km/s. İlk bakışta bu durum sağduyuya aykırı gelebilir. Örneğin 100 km/s hızla giden bir arabadan 1000 km/s hızla ateşlenen bir merminin hızı, yol kenarından bakan bir gözlemciye göre 1100 km/s olarak ölçülür. Ancak Michelson-Morley deneyine göre söz konusu ışık olduğunda, ışık hızının onda birinde (0,1c) giden bir uzay aracından çıkan ışığın hızı c + 0,1c = 1,1c değil sadece c olarak ölçülür. Fizikçiler ışığın bu durumunu yıllar boyunca açıklığa kavuşturamadılar. Ta ki Albert Einstein 1905 yılında Özel Görelilik Teorisi’ni ortaya atana kadar.
Özel Görelilik Teorisi’ne göre ışık hızının sabit kalabilmesi için hareket eden cisimde uzay ve zaman, dışarıdaki bir gözlemciye göre değişir. Bu değişimlerden ilki zaman genişlemesi adı verilen, hareket eden cisimlerde zamanın daha yavaş akmasıdır. Bunu daha iyi anlayabilmek için şöyle bir örnek verilebilir:
Işık hızıyla karşılaştırılabilecek kadar yüksek hızlarda giden bir tren ve bu trenin içinde bulunan bir saat hayal edelim. Ancak bu saat bildiğimiz saatlerden farklı olarak dikey konumda duran iki ayna arasında gidip gelen bir ışık demetinden oluşsun ve bu saatteki zaman birimimiz ışık demeti bir aynadan diğer aynaya ulaşana kadar geçen süre olsun. Bu süreye bir “tik” adını vereceğiz. Trenin içindeki bir yolcuya göre trende bulunan saatin içindeki ışık demeti yukarı aşağı tiklemektedir. Dışarıdaki durgun gözlemciye göre ise ışık demeti trenin içinde bulunan saatin alt aynasından yukarı doğru yola çıkıp üstteki aynaya ulaşmasına kadar geçen sürede tren bir miktar yol alır. Dolayısıyla ışık demeti üstteki aynaya ulaşana kadar üst ayna yer değiştirmiş olur. Bu nedenle ışık demetinin düz bir şekilde yukarı doğru değil, hem yukarı hem de sağa doğru hareket etmesi gerekir. Yani kat ettiği mesafe iki ayna arası dik mesafe değil, bu mesafe ile trenin bir tikte aldığı yolun oluşturduğu dik üçgenin hipotenüsüdür. Nasıl olabilir de aynı saatin içindeki aynı ışık demeti aynı sürede dışarıdan bakıldığında daha uzun yol alırken içeriden bakıldığında daha kısa bir mesafe kat edebilir? Ortaokuldan beri bildiğimiz x=v*t denkleminde x (mesafe) artıyorsa ve v (ışık hızı, c) sabitse tek çözüm t’yi (zaman) artırmaktır. İşte buna zaman genişlemesi adı verilir. Yani trenin içindeki ve dışındaki gözlemcilerin ikisi için de ışık demetinin aynı hızda yol alabilmesi için trenin içinde zaman genişlemeli başka bir deyişle daha yavaş akmalıdır. Bu durum sağduyuya aykırı gelse de ışık hızının sabit oluşunu açıklayabilmek için gereklidir. Aynı zamanda Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi’nde bunu ortaya atmasının ardından bu fenomen defalarca ispatlanmıştır.
Uzay ve zamanın harekete bağlı olarak ikinci değişimi ise uzunluk kısalmasıdır. Işık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerin hareket doğrultularındaki uzunlukları bir miktar kısalır. Bunun sebebi ise zaman genişlemesine benzer olarak her zaman sabit bir hıza sahip olan ışığın cismin farklı kısımlarından farklı zamanlarda gözlemciye ulaşmasıdır. Gözlemci cismin bütün kısımlarını aynı anda göremediği için hareket halindeki cismin uzunluğunu durgun haldeki uzunluğundan farklı algılar.
Kısaca iki önemli özelliğinden bahsettiğimiz Özel Görelilik Teorisi özetle ışık hızına yakın hızlardaki nesnelerin fiziğini açıklar ve üç temel çıktısı şunlardır:
- Işık hızı evrende mümkün olan en büyük hızdır ve bütün gözlemciler hareketlerinden bağımsız olarak ışığın hızını aynı ölçerler. Einstein bu ifadeyi görelilik prensibi olarak şu şekilde ifade etmiştir: Bütün temel fizik kanunları ivmelenmeyen gözlemciler için aynıdır.
- Evrende bütün hızların ona göre ölçülebileceği sabit bir referans noktası yoktur. Başka bir deyişle evrende neyin hareket edip neyin durduğunu söylemenin herhangi bir yolu bulunmamaktadır. Sadece cisimlerin birbirlerine göre göreli hızlarından bahsedilebilir.
- Uzay ve zaman birbirlerinden bağımsız olarak ele alınamaz. İkisi uzay-zaman adındaki tek bir yapıdır. Ayrıca evrensel bir zaman kavramından da bahsetmemiz mümkün değildir. Gözlemcilerin birbirlerine göre göreli hızlarına bağlı olarak zamanın akış hızı değişir.
Özel Görelilik ışık hızıyla karşılaştırılamayacak kadar küçük hızlarda Newton fiziği ile aynı sonucu verir. Ancak ışık hızına yakın hızlarda sonuçları birbirinden çok farklıdır ve bu hızlarda sadece Özel Görelilik Teorisi geçerlidir. Özel Görelilik Teorisi her ne kadar günlük yaşantımıza aykırı gelse de bütün iddiaları defalarca ispatlanarak günümüz modern biliminin en temel taşlarından biri haline gelmiştir.
Hazırlayan: Fatmanur Himmet & Mustafa Demirer
İTÜ Astronomi Kulübü Üyeleri
Kaynaklar
- Chaisson, E., McMillan, S. (2008), Astronomy Today, San Francisco CA: Pearson Addison-Wesley.
- https://www.britannica.com/science/relativity/Special-relativity
- https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/index.html