İzafiyet (Görelilik) Teorisi Nedir?

Dünyaca ünlü fizikçi Albert Einstein (1879-1955) tarafından 20. Yüzyılın başlarında ortaya atılan İzafiyet (Görelilik) Teorisi, zamanımızın en büyük bilimsel gelişmelerinden biri olarak kabul edilmektedir. İzafiyet Teorisi Einstein’a ait olan iki farklı teoriden oluşmaktadır: 1905 yılında “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği” (The Electrodynamics of Moving Bodies) adlı makale ile tanıtılan Özel İzafiyet teorisi ve 1916 yılında Genel İzafiyet Teorisi’nin Temelleri (The Foundation of the General Theory of Relativity) adlı makale ile tanıtılan Genel İzafiyet Teorisi. Einstein inşa ettiği teori ile Newton fiziğinin açıklamakta başarısız olabileceği bazı olguları açıklığa kavuşturmayı amaçlamış, böylece insanlığın zaman, mekân ve yerçekimine yönelik algılarını değiştirmiştir. Kuantum Teorisi ile birlikte İzafiyet, modern fiziğin üzerine inşa edildiği iki temel dayanaktan birisi olarak kabul edilir.

Işık Hızı ve Görelilik İlkesi

Mantıksal olarak düşünüldüğünde insan, evrendeki hayal edilebilecek en yüksek kozmik hızın, var olan bir limit olmadan “sonsuzluk” olmasını bekleyebilir. Fakat ışığın hızı olan saniyede 300.000 km evrende ulaşabilmesi mümkün olan maksimum hız olarak kabul edilir ve pratikte hiçbir şey ışık huzmesinin hızına yetişemez. 19 Yüzyıl’ın sonlarında ilk kez henüz 16 yaşında olan Albert Einstein bunun neden böyle olduğu üzerine düşünmüştür.

1887 yılında yapılan ünlü Michelson-Morley deneyleri beklenmedik bir şekilde uzay vakumunda hareket eden ışığın dünyanın hareket yönüne bakılmaksızın hep aynı hızda gittiğini göstermiştir. Yani ışık, kaynağının gözlemciye yaklaşmasından ya da uzaklaşmasından bağımsız olarak hep aynı hızda (300.000 km/s) hareket etmektedir ki, bu klasik fiziğe ve sağduyuya aykırı görünmektedir. Işığın değişmez bir hızda hareket ediyor olması Einstein’ın inşa edeceği Özel İzafiyet (Görelilik) Teorisinin ilk dayanağı olacaktır. İkinci dayanak ise ilk kez İtalyan Fizikçi Galilei Galileo tarafından 1632’de ortaya atılan Değişmezlik Kanunu olarak da bilinen Görelilik İlkesidir. (Dikkat – Görelilik Teorisi ile karıştırılmamalıdır!) Bu ilkeye göre fiziğin mekanik yasaları her eylemsiz gözlemci için aynıdır yani sadece mekanik bir gözlemin sonucuna bakarak hareket halini, durağanlık halinden ayırmak mümkün değildir. Bu ilkeyi bizzat Galileo’nun verdiği bir örnekle açıklamak istersek. Sabit bir hızda, sakin bir denizde sallanmadan giden bir geminin içinde, alt güvertede karanlık bir odada deney yapan bir insan, geminin hareket halinde olup olmadığını anlayamaz. Daha modern bir örnek ise saatte 800 km hızla giden bir uçağın içinde ileriye doğru fırlattığınız bir topla, yerde hareketsiz duran bir uçağın içinde fırlattığınız top aynı yolu izleyecektir ve birbirinden ayırt edilemeyecektir. Einstein ışığın sabit hızı ve Galileo’nun görelilik ilkesini birleştirerek, ışığın gözlemcisinden ve kaynağından bağımsız olarak, her ikisi de hangi hızda hareket ediyor olursa olsun, aynı hızda gideceği sonucuna varmıştır. 

Özel İzafiyet Teorisi

Einstein 1905 yılında (Bu yıla “Einstein’ın Mucizevi” yılı da denir.) ışığın belli bir zamanda gittiği yol hesaplanıp cevap her seferinde 300.000 km/s çıktığında sahip olduğumuz uzay ve zaman nosyonlarının bunu nasıl açıklayabileceğini sormuştur. Farz edelim ki ışığın yarı hızında ilerleyen bir uzay gemisi bir hedefe lazer kullanarak ateş ediyor. Gemiden ayrılan ışık huzmesi beklenen şekilde geminin hızını da kendisine ekleyerek ışığın bir buçuk katında değil, yine ışık hızında hareket edecektir. Fakat gemideki bir gözlemci (kendi hareket ettiği hıza rağmen) lazerin kendisinden ışık hızında uzaklaştığını gözlemleyecektir. Einstein bu durumda ya aradaki mesafenin daha kısa olacağı ya da sürenin daha uzun olacağını fark etmiştir. Yani ya zaman yavaşlamak ya da uzay daralmak zorundadır. Bu mekandaki hareketin bir kısmının zamandaki harekete aktarılması gibi yorumlanabilir. Bu zaman ve mekân “boyutlarının” birbirlerinin etkiledikleri anlamına gelir, yani iki kavramda görecelidir. Bu devrimsel fikir, uzun zamandır doğru olduğu kabul edilen Eşanlılık (Bir kişi için aynı anda olan iki olay evrendeki herkes için aynı anda gerçekleşir.) nosyonuna karşıdır.

Özel izafiyet teorisi hakkında unutulmaması gereken bir nokta, anlatılan durumun (tıpkı isimde anlatılmaya çalışıldığı gibi) özel olmasıdır. Teori düz bir rotada, sabit bir hızda hareket ederken geçerlidir. Hızlandığınızda, rotanızı değiştirdiğinizde veya hareketin doğasını değiştiren herhangi bir şey yaptığınızda Özel İzafiyet geçerliliğini kaybeder. Einstein’ın Genel İzafiyet Teorisi ise burada devreye girmektedir ve izafiyetin daha genel bir şeklini bize göstermektedir: Yer çekimi.

Genel İzafiyet Teorisi

Genel İzafiyet Teorisi, Einstein’ın Özel izafiyet Teorisi ve Sir Isaac Newton’un Evrensel Kütle Çekimi Yasasını geliştirmesidir.

İki nesne arasındaki çekme kuvvetine yerçekimi adı verilir. Bu çekim kuvveti her bir nesnenin büyüklüğü ve bu nesneler arasındaki mesafeye bağlıdır. Dünyanın merkezi sizi çekerken, sizin kütle merkeziniz de Dünya’yı çekmektedir. Fakat büyük olan kütle bu çekimden neredeyse hiç etkilenmezken, daha küçük kütle çekime karşı koyamaz. Newton’un yasaları bu çekim gücünü doğal kabul ederek ölçümünü yapmış fakat sebebini açıklayamamıştır.

Albert Einstein, Özel İzafiyet ile Zaman ve Mekânın birbiri içine geçmiş bir bütün olduğunu keşfetmişti (Uzay-Zaman). Genel izafiyet üzerine yaptığı çalışmalar sırasında ise devasa nesnelerin Uzay-Zaman’ı büktüğünü fark etti. Çok büyük bir objeyi bir trambolinin (sıçrama tahtası) merkezine yerleştirdiğinizi düşünün. Kütle kumaşın çökmesine neden olacak ve bir “çukur” oluşacaktır. Trambolinin kenarından bırakılan bir bilye, tıpkı bir gezegenin daha küçük bir objeyi çektiğindekine benzer bir şekilde, daha büyük kütleye doğru hareket edecektir. Yani yer “çekiminin” sebebi, büyük kütlelerin uzay-zamanı bükmesidir.

Deneysel Kanıtlar

Yer Çekimsel Kırılma: Galaksi ve karadelik gibi devasa kütlelere sahip varlıkların çevresindeki ışık bükülmektedir. Böylece bu devasa kütleler ışığı kırarak arkalarında kalan uzay nesneleri için adete bir mercek görevi görür. Dünya’dan sekiz milyar ışık yılı uzaktaki Einstein Haçı adlı quasar (yıldızsı gökcismi) buna mükemmel bir örnektir. Bu quasar bir galaksinin dört yüz milyon ışık yılı arkasında kalır, galaksi quasardan gelen ışığı kırdığı için, etrafında quasarın dört farklı yansıması gözlemlenmiştir.

Merkür’ün Yörüngesinde Değişiklik: Merkür’ün yörüngesi Güneşin çekimi le bükülen uzay-zaman sebebi ile yavaş yavaş değişmektedir. Hatta bundan birkaç milyar yıl sonra Merkür ve Dünya’nın çarpışması olası görünmektedir. 

Yerçekimi Dalgaları: İki karadeliğin çarpışması gibi devasa olayların uzay-zaman üzerinde dalgalar yarattığı düşünülmektedir. 2014 yılında bilim adamları Antarktika’da ki BICEP2 adlı teleskop ile Big Bang’den kalan dalgaları bulduklarını iddia ettiler. Fakat daha sonraki araştırmalar elde edilen verinin, görüş alanındaki toz sebebi ile bozulmuş olduğunu gösterdi. 2016 yılında ise LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory ) adlı gözlem evi dalgaların kanıtını bulduğunu ilan etti. LIGO günümüze kadar iki karadeliğin çarpışmasında doğan yerçekimi dalgalarına ait iki sinyal keşfetmiştir ve gelecekte daha fazlasının keşfedilmesi beklenmektedir.

Keşfedilişinden yaklaşık bir asır sonra İzafiyet Teorisi hala modern fiziğin en etkili teorisi olmaya devam etmektedir. Fiziğin geleceği de yine bu teori üzerine inşa edilecek gibi görünmektedir. Dünya genelinde bilim insanları Kuantum Teorisi ve İzafiyet Teorisini birleştirerek Fiziği bir sonraki aşamaya taşıyacak ve Evrene dair anlayışımızı geliştirecek yeni bir model (“Her şeyin Teorisi”) kurmaya çalışmaktadır. Kuantum çekim döngüsü ve Sicim Teorisi, çözülmesi gereken büyük problemlere sahip olmakla beraber, buna adaydır.