Einstein’ın Dolmakalemi

Einstein yalnızca klasik fiziğin açıklayamadığı birçok akıl karıştırıcı soruya yanıt getirmekle kalmayıp, bizi çevreleyen dünya hakkındaki düşünme biçimimizi de kökten değiştirmiştir.

Günümüzde yaşayan her fizikçi Einstein’ın çalışmalarının derinlemesine etkilediği bir eğitimden geçmiştir ve hiçbirinin Einstein’ın dünyanın gördüğü en büyük fizikçi olduğundan kuşkusu yoktur.

Yaşamı boyunca Einstein halk tarafından büyük saygı ve sevgi gören simgesel bir kişilik haline gelmişti. Bu denli sevilmesinin nedeni büyük olasılıkla hem sevecen, alçakgönüllü, bir idealistin politik ve ahlaki değerlerine sahip müthiş bir dahi olarak görülmesi, hem de bilimsel fikirleriyle evrenin işleyişi üzerine derin bir kavrayış getirmiş olmasıydı.

Einstein kuramsal bir fizikçiydi: Deneylerini zihninde yapıyordu. İnsan bu gibi “düşünsel deneylerin” bilime ve teknolojiye ne kadar çok katkıda bulunduğunu düşündüğünde, saf düşüncenin ve onun matematiksel dışavurumunun insanlığın gelişiminde en az deneysel bilim kadar önemli olduğunu anlıyor.

Bir keresinde kendisinden laboratuvarını göstermesi istendiğinde Einstein cebinden bir dolmakalem çıkarıp “İşte!” demişti. Bir başka sefer de bilimsel donanımının en önemli parçasının matematik hesaplarıyla dolu kağıtlarının birçoğunu attığı çöp sepeti olduğunu söylemişti.

Bazı insanlar arasında Einstein’ın fiilen Newton’un hareket yasalarının yanlış olduğunu gösterdiği şeklinde bir yanlış anlama yaygındır. Gerçek şudur ki, Newton yasaları gündelik koşullarda gayet güzel işler, ayrıca fiziğe ve teknolojiye çok büyük yarar sağlamışlardır. Einstein’ın yaptığı, cisimler ışık hızına yaklaştıklarında Newton’un hareket yasalarında değişiklik yapılması gerektiğini göstermektir.

Einstein’ın yaptığı aslında Newton’un hareket yasalarını her hızda geçerli olabilecek şekilde biraz değiştirmektir.

Einstein’dan Önce

Einstein’dan önce fizikte ışığın dalgalardan oluştuğu fikri baskınken, bilim insanları ışık dalgalarını içinde taşıyarak yayılmasını sağlayan bir ortam olması gerektiğini düşünüyorlardı. Ne de olsa, su dalgaları su tarafından, ses dalgaları da havadaki moleküller tarafından taşınıyordu. Bu nedenle ışık dalgalarının yayılmasını sağlayan ortama esir dendi.

Esirin ne olduğunu kimse tam olarak bilmiyordu, ama varlığını kabul etmek gerekiyordu. Zaman içinde, ışığın özellikleri giderek daha detaylı olarak ortaya çıkarıldıkça yapılan hesaplar, esirin içinden ışık geçtiğinde titreşen, sert bir katı madde olması gerektiğini gösterdi. Bu maddenin sert olduğu kadar son derece ince de olması ve her yerde yol alabildiğine göre boşlukta bile var olması gerekiyordu.

Pek çok bilim insanı esirin varlığına kanıt bulmak için çeşitli deneyler yaptı. Ama hiçbiri herhangi bir kanıt bulamadı.

Esir, aynı zamanda cisimlerin gerçek hareketlerinin belirlenmesine olanak sağlayan mutlak bir referans çerçevesiydi. Bir referans noktası olmadan herhangi bir şeyin hareketli mi yoksa hareketsiz mi olduğunu söyleyebilmek olanaksızdır.

Esirin varlığını tanımlayabilmek isteyen fizikçi George FitzGerald (1851-1901) hareket halindeki bir cismin boyunun, kendi mutlak hareket yönünde kısaldığını öne sürdü. FitzGerald’a göre Dünya’nın hareket yönüne paralel tutulan bir cetvelin boyu kısalacak, ama Dünya’nın hareketine dik açı yapacak şekilde tutulan cetvelin boyu kısalmayacaktı (ama bu sefer de, dar kenarı Dünya ile aynı yönde hareket ettiğinden, eni küçülecekti).

FitzGerald, Dünya’nın hareketiyle aynı yönde yol alan ışık için yapılan bütün hız ölçümlerinin, ölçüm aletinde meydana gelen kısalma ile dengeleneceğini ve dolayısıyla Dünya’nın hareket yönüne dik açıdaki ışığın hızıyla aynı çıkacağını gösteren bir matematik denklemi türetti.

Einstein da görelilik kuramında aynı fikri kullandı.

FitzGerald’a göre, ışık hızına yaklaşıldığında küçülme belirgin hale geliyordu. Buna göre, 30 santimetrelik bir cetvel ışık hızının yarısı hızda yol alırken uzunluğu yaklaşık 27 santimetreye düşüyor, ışık hızında ise artık ortada cetvelin boyu diye bir şey kalmıyordu!

Ardından, Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928) yalnızca bir cismin mutlak hızı yönündeki boyunun kısalması gerektiğini değil aynı zamanda kütlesinin de artması gerektiğini matematiksel olarak ispatladı.

Örneğin bir kilogram ağırlığındaki hareketsiz bir cismin kütlesi, cisim ışık hızının yarısı hızda yol alırken 1,15 kilogram, ışık hızının dörtte üçü hıza ulaştığında 1,5 kilogram, ışık hızında ise sonsuz olacaktı!

Lorentz bu etkinin tanımını elektrik yüklü parçacıklar için yapmıştı, ama sonradan Einstein hareket eden tüm cisimlerde kütle artışı meydana geldiğini gösterdi. Bu fikir sağduyuya ters gibi görünebilir. Ne var ki sağduyu gündelik olaylar söz konusu olduğunda geçerlidir; gündelik dünyadaki hızlar ise ışık hızıyla karşılaştırıldığında çok ama çok düşüktürler.

Albert Einstein özel görelilik kuramını esiri göz önüne almadan oluşturdu: Ona göre esire gerek yoktu. Cisimlerin hareketinin bu biçimdeki yorumu, klasik fiziğin açıklamayı başaramadığı problemlerin birçoğuna da çözüm getirdi.

Klasik fiziğe göre, yüklü parçacıklar hareket ederken manyetik bir alanla ilişkidedirler. Burada bir soru ortaya çıkar: Neye göre hareket ederken?

Dünya’daki bir yüklü parçacık, yani Dünya’ya göre hareketsiz olan bir parçacık yine de hareket etmektedir, çünkü Dünya hareket etmektedir. Yüklü parçacıklarla ilişkilendirilen manyetik alanları tanımlayan matematiksel denklemlerin, bir parçacığın hareket edip etmediğini söyleyebilmek için mutlak bir referans sistemine ihtiyaçları vardı. İşte Einstein bu mutlak çerçeve gereksinimini ortadan kaldırdı; sabit hızda hareket eden cisimlerin kuramsal incelemesi olan özel görelilik kuramı da klasik fiziğin görünürdeki birçok başka çelişkisini ortadan kaldırdı.

Einstein’ın hareket ve elektromanyetizma analizinde mutlak bir referans sistemine gerek yoktur: Fizik yasaları, kişinin hareketinden bağımsız olarak, her gözlemci için aynıdır.

E = mc² denklemi

Newton’un hareket yasaları bir cismin herhangi bir hızda gidebilmesine izin veriyordu. Buna karşın Einstein’ın en önemli önermelerinden biri, düzgün hareket eden bir cismin ölçülen hızının, hiçbir zaman ışık hızından büyük olamayacağı şeklindeydi. Işık hızından daha yüksek hızlarda ise cismin kütlesi ve uzunluğu anlamını kaybediyordu.

Eğer bir cisim ışık hızına yaklaştığında ölçülen kütlesi artıyorsa, o zaman Einstein’ın özel görelilik kuramını formüle ettiği dönemde bir olgu olarak genel kabul gören kütlenin korunumu yasası ne olacaktı?

Einstein ünlü denklemi E = mc² yi oluşturduğunda bu problemin yanıtına da ulaşmıştı.

Bu denklem, bir cismin enerjisinin (E), kendi kütlesine (m) ve ışığın hızına (c) bağlı olduğunun ifadesidir. Madde ve enerji yoktan var edilemez ve vardan yok edilemezler, ama birbirlerine dönüştürülebilirler.

Einstein’ın özel görelilik kuramının açıklanmasının ardından fizikçiler, radyoaktif enerji üretilmesi sürecinde radyoaktif çekirdeklerin kütlesinde oluşması gereken azalmayı arayıp buldular.

E = mc² denklemi, çok az miktarda maddenin, çok büyük miktarda enerjiye dönüşebileceği anlamına gelir. Nükleer enerjinin ve atom bombalarının ardındaki temel ilke de budur.

Einstein’ın bir idealist ve barış yanlısı olduğu göz önüne alındığında, maddenin enerjye dönüşmesinin yıkıcı amaçlarla kullanılmasının onun kuramlarına kanıt oluşturması, sanki onunla alay eden kötü bir rastlantı gibidir.

Görelilik Kuramları

Einstein’ın özel görelilik kuramı, zaman kavramına da alışılmışın dışında yeni birtakım yorumlar getirmiştir.

Einstein’ın matematiksel denklemlerine göre, bir cisim ışık hızına yaklaştıkça zaman uzar gibi görünüyordu. Örneğin, ışık hızının yüzde doksan sekizi hızla giden bir cisme göre, bir saniye beş saniyeye çıkar. Bu olguya zaman genleşmesi adı verilir. Ölçülen uzunlukta ve kütlede meydana gelen değişimlerde olduğu gibi, hızın zaman üzerindeki etkileri de günlük yaşamda karşılaştığımız hızlar için önemsiz düzeydedir, ama ışık hızına yaklaşıldığında önem kazanırlar.

Özel görelilik kuramı, düzgün hareketin bir cismin uzunluğu, kütlesi ve zaman üzerindeki etkileriyle ilgilidir. Einstein sonradan, düzgün olmayan hareketle ilgili olan ve kütleçekimine yeni bir bakış açısı öneren genel görelilik kuramını geliştirmiştir.

Newton’a göre kütleçekimi, iki cisim arasındaki bir çekim kuvvetiydi. Einstein bu fikri çürüttü. Einstein’a göre kütleçekimi cisimler arasındaki bir kuvvet değil, kütlenin varlığı nedeniyle meydana gelen bir uzay-zaman eğriliğiydi.

Bir cisim yere Dünya’nın kütleçekimi kuvveti tarafınden çekildiği için düşmez: Dünya’nın kütlesi tarafından yaratılan uzay-zaman eğriliği üzerindeki en kolay yolu seçtiği için düşer.

Her iyi kuram gibi genel görelilik kuramı da sınanabilir nitelikteydi. Örneğin, ışığın kütleçekimi tarafından eğileceğini öngörmekteydi. Einstein’a göre Güneş’in yakınından geçen ışık, Güneş’in yarattığı uzay-zaman eğriliği nedeniyle eğilecekti.

Işığın Güneş tarafından eğilmesini gözlemek için en uygun fırsat tam güneş tutulmasıdır. 1919’da böyle bir tutulma meydana geldi ve bir grup Britanyalı bilim adamı, Güneş’e komşu yıldızların konumlarını ölçüp öngörülen eğilmeyi arayarak Einstein’ın kuramını sınamak amacıyla bir keşif yolculuğu düzenlediler. Sonuçlar Einstein’ın kuramına uyuyordu.

Genel göreliliğin doğrulandığı kendisine haber verildiğinde sükunetini hiç bozmamıştı. O anda yanında bulunan öğrencilerinden biri olayın ne kadar heyecan verici olduğuna dair bir yorum yapınca, Einstein neredeyse duygusuzca karşılık vererek “Ama kuramın doğru olduğunu ben zaten biliyordum.” demişti.

Sonradan birçok fizikçi yapılan ölçümlerin doğruluğundan kuşkuya düşmüşse de, o zamandan beri Einstein’ın kütleçekimine ilişkin fikrini destekleyen çok sayıda başka gözlem yapılmıştır.

Einstein’ın genel kuramı doğaya bakış ve evrenin özelliklerini açıklama konularına yepyeni bir bakış getirmekle kalmayıp, aynı zamanda evrenin kökenini ve özelliklerini inceleyen çağdaş evrenbilimin de temelini atmıştı. Einstein’ın genel görelilik denklemleri evrenin durağan olmadığını, ya genleşmekte ya da büzülmekte olduğunu öngörmekteydi.

Devamında fizikçiler onun denklemlerini kullanarak genleşen evren modelleri ürettiler; böylece evrenin kökenini Büyük Patlama’yla açıklayan kuramın yolu açılmış oldu.

Einstein’ın “düşünsel deneyleri” varoluşa dair anlayışımızı kökünden değiştirmişti, bundan sonra da değiştirmeye devam edecek gibi gözükmekte…

Kaynak: Frank Ashall, Olağanüstü Buluşlar 

Matematiksel

Sibel Çağlar

Kadıköy Anadolu Lisesi, Marmara Üniversitesi, ardından uzun süre özel sektörde matematik öğretmenliği, eğitim koordinatörlüğü diye uzar gider özgeçmişim…Önemli olan katedilen değil, biriktirdiklerimiz ve aktarabildiklerimizdir bizden sonra gelenlere...Eğitim sisteminin içinde bulunduğu çıkmazı yıllarca iliklerimde hissettikten sonra, peki ama ne yapabilirim düşüncesiyle bu web sitesini kurmaya karar verdim.Amacım bilime ilgiyi arttırmak, bilimin özellikle matematiğin zihin açıcı yönünü açığa koymaktı.Yolumuz daha uzun ve zorlu ancak en azından deniyoruz.

İlgili Makaleler

Bir Yorum

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Başa dön tuşu
Kapalı