Bilgi Arşivi ve Felsefe Forumunda genel izafiyet teorisi ve güneş tutulması Konusunu Okuyorsunuz..
13 Ağustos 2012 23:24
İZAFİYET TEORİSİ VE GÜNEŞ TUTULMASIYLA İGİLİ BİLGİ
Rölativite ,100.yy.ın en büyük fizik teorisidir.rölativite bilimde devrim yaptığı gibi,toplum arasında da en çok duyulan, en çok ilgi toplayan bir teoridir. rölativite bir gerçeğin çeşitli açılardan ele alınışına göre beliren çeşitli durumlar arasındaki bağı gösterir.bir olayın, bir gerçeğin neye göre o şekilde belirdiğini, o durumda bulunduğunu inceler.bir örnek alalım:denizde giden bir vapurun kamarasında oturuyoruz bu kamaranın dışarıya hiçbir penceresi olmasın.dışarıdan bakanlar vapurun gittiğini görür, çünkü kendileri vapura göre sabit olan karada durmaktadır.biz ise,penceresi kapalı kamarada oturduğumuz için, gittiğimizi anlamayız, çünkü kamaradaki her şey aynı hızla hareket etmektedir.hareket halinde olduğumuzu anlamak için,bir ‘görelik’ yani, bize göre duran bir şey ister.kamaranın penceresini açıp da karayı görünce,gittiğimizi anlarız, çünkü karşımızda hareketimize ’görelik’ verecek bir kaynak vardır.aynı şekilde, dünya da hareket halinde olduğu halde bunu ancak Dünya‘ ya göre duran güneş aracılığıyla fark edebiliriz.dünya’ ya göre sabit bir yıldız olan Güneş’in hareketi de ona göre sabit olan başka bir yıldızlar aracılığıyla anlaşılabilir.
Dümdüz uzayan bir demir yolu üzerinde,düzgün bir hızla giden bir trende olduğumuzu düşünelim.bu trende,elimizden bıraktığımız bir kitap dik olarak yere düşecektir.kitap bize göre dik olarak yere düşmüş,düştüğü yerde kalmıştır şimdi vagonun saydam olduğunu,dışarıda duran birinin bu olayı gördüğünü düşünelim.o adama göre, bırakılan kitap yere varmadan önce trenin gidiş yönünde de hiç olmazsa birkaç metre yol almıştır.
Bir satranç tahtası düşünelim.tahtanın üstünde bıraktığımız taşlar, kimse dokunmadıkça kendi kendine yer değiştiremez bir gün sonra gene aynı yerde durduklarını görürüz.yalnız,bu arada tahta taşların durumu bozulmadan,bir başka odaya taşınmış olabilir.bir trendeyse taşlar,tahta ile, trenle birlikte eski bulundukları yerden çok başka yerdedir.o halde taşların yeri tahtaya göre değişmemişse de, tahtanın bulunduğu yere göre değişmiştir.bu nokta klasik fizikte göz önünde tutulmuş, şu sonuca varılmıştır:’iki sistem birbirine göre aynı şekilde hareket ederse, bütün mekanik kanunları bu iki sisteme uygulanabilir.’.
Işığın hareketi, klasik fizikçileri en çok karasızlıkta bırakan şeydi.bilginler ışığın uzaydaki hareketini açıklayabilmek için bütün uzayı ‘esir’(ether)adını verdikleri bir madde ile dolu sayıyorlardı.onlara göre ışık titreşimleri ancak bu madde aracılığıyla bir yerden bir yere gidiyor.dünyada,başka gök cisimleri de bu esir denizinin içinde yüzüyorlardı.iki Amerikalı fizik bilgini A.A. Michelson ile E.W. Morley,1881 ve 1887 yıllarında uzayda ‘esir’ diye bir madde bulunup bulunmadığındı anlamak için deneyler yaptılar.bu deneylerin sonunda uzayda asla böyle bir madde olmadığı anlaşıldı.o halde ışığın hareketi nasıl açıklanabilecekti?bunu 1900 yılında Alman bilgini Max Planck Quantum teorisi ile halletti.
Einstein’ın 1905’te ortaya attığı özel izafiyet kuramı,genel olarak,bütün hareketleri olduğu gibi ışığın hareketini de içine alıyordu.
Eskiden hareketlerin birbirine eklenebileceği,ya da birbirinden çıkarılabileceği düşünülüyordu. Örneğin saatte 60 km hızla giden bir tren düşünelim.bu trenin içinde bulunan bir adam trene göre saatte 2 km’lik bir hızla yürümekte bulunsun. ‘adamın,yerde duran bize göre hızı ne olacaktır?’ sorusuna saatte 62 km diye cevap veririz.şimdi aynı trenin saniyede 40 m hızla bir geçide yaklaşmakta olduğunu düşünelim.geçitte tren gelirken bir zil çalınsın. Ses titreşimleri saniyede 340 m hızla yayılacaktır.tren saniyede 40 m hızla yaklaştığından sesin hızı trene göre saniyede 380 m,tren geçitten uzaklaşırken de trene göre hızı saniyede 300 m olur.şimdi bu trenin ışık hızıyla yol aldığını düşünelim. Trenin hem önüne hem arkasına aynı anda iki yıldırım düşsün.(şekil :1)
Yerde B noktasında duran bir kimse iki yıldırımı da görür. Trende B ile aynı hizadaki A noktasında duran adam ise, yalnız trenin önüne düşen yıldırımı görür,arkadakini göremez; çünkü,trenin hızı ışığın hızına eşit olduğundan, arkadaki yıldırımın ışığı trene yetişemez, A’daki adam yalnız bir yıldırım düştüğünü iddia eder.
Einstein Özel İzafiyet teorisinde zamanın da, uzaklığın da izafi olduğunu ileri sürdü. Ona göre,her koordinat sisteminin kendine özgü bir zamanı vardır. Zamanın hangi ‘koordinat sistemi’’ne bağlı olduğu söylenmedikçe bir olayın zamanından bahsetmek faydasızdır. Bir olayın süresi koordinat sisteminin hareket halinden ayrı olarak kabul edilemez. Uzaklık da bunun gibidir. Koordinat sisteminin hareket halinden ayrı olarak bir uzay parçası, bir mekan düşünülemez. Işık hızı durağan bir hızdır.ışık kaynağı ister uzaklaşsın, ister yaklaşsın, hiçbir şekilde değişmez, ışık hızı evrendeki hızların en son sınırıdır.
Işık hızının değişmez olduğunu gösteren bir deney: Hızla dönen çarka bağlı tabancalar aynı anda ateşlenmiştir. Tabancalardan birinin ileri, öbürünün geriye doğru olan hareketi yüzünden mermilerden biri önce,öbürü sonra hedefe varmıştır. Işık ise tabancaların bu hareketinden etkilenmemiş,ışınlar aynı anda hedefe düşmüştür.
Einstein’a göre zaman da ,uzaklık da mutlak değildir;zamanı ölçen aletlerin çalışma hızı,içinde bulundukları sistemin hareketine bağlıdır. Örneğin bir F sistemi içinde L laboratuarında bir deneme yapalım. Bu laboratuar duran F sistemi içinde ışık hızından daha aşağı bir v hızı ile hareket etmekte olsun. Laboratuarın içinde bir S ışık kaynağı bulunsun. Işık ,buradan M’ deki bir aynaya çarparak gene S ‘ye dönsün. Einstein , teorik olarak,L laboratuarındaki bir saatin ışığın S’den M’ ye gidiş- dönüş süresini t olarak gösteriyordu. Yalnız bu süre F sistemindeki bir saatle ölçülürse t’ olması gerekiyordu; yani , hareket halindeki sistemden başka bir süre gösterecekti.
Bu uzaklığı L’ deki bir cetvelle ölçersek d, gidiş- dönüş için de 2d bulacaktık. Aynı uzaklık F sistemindeki bir ölçü aletiyle ölçülünce bize 2d’ sonucunu
verecekti. Bu iki ölçünün oranını kısaca ‘k’ diye gösterecek olursak(d’/d=k), ışığın bu uzaklığı alması için iki ayrı sistemde ölçülen zaman da k’ye eşit olacaktı: t’/t=k. Bu basit formülden t’=k.t sonucu çıkar ki t’,t’den farklıdır,bu fark k’ye bağlıdır; k de v ye göre değişir.
Einstein bu iddiasının deneyle ispatlanabileceğini iddia etti. Bu deneyde atomlar saat yerine kullanılabilirdi;çünkü belirli frekansta elektromağnetik dalgalar yayıyorlardı. O halde laboratuarda duran atomların frekansıyla,büyük bir hızla hareket eden atomların frekansında bir fark olacak;hareket edenlerin frekansında bir yavaşlama görülecektir. Einstein bu yavaşlama gerçekten varsa hareket eden atomların tayfında alçak frekanslı renge, yani kırmızıya doğru hafif bir kayma olması gerektiğini bildirdi. New York’ta 1936’da Bell laboratuarında yapılan deney gerçekten büyük bilgini haklı çıkardı.
İNSAN KALBİ VE ZAMAN:
Einstein insan kalbinin de bir saat demek olduğunu onunda hızından etkileneceğini ileri sürdü. F sistemindeki bir insanın kalbi 70 atıyorsa v hızıyla giden L laboratuarındakinin kalbi bundan dakikada 70/k kadar daha az atacaktır. Ancak, bu yavaşlama F sistemindeki bir saatle ölçülürse tespit edilebilirdi. L’ deki saatle ölçülmeye kalkılsa sonuç yine 70 bulunu, çünkü saat de v hızıyla gittiği için yavaşlamayacak,kalbin atışı yine 70 olarak bulunacaktı. Bu gecikme yalnız kalbe değil, bütün metabolizmaya etki yaptığında,L sistemiyle hareket eden bir insan F’ dekine göre daha geç yaşlanacak demektir.
Demek ki; zaman izafi bir mefhumdur, hareketle değişmektedir. Şüphesiz bu hareketin Işık hızına yaklaşacak şekilde çok büyük bir hareket olması gerektiğini hesaba katmalıdır. Einstein o zaman kadar olduğu gibi ‘bir olayın süresi’ yerine ‘belli bir koordinat sistemine göre süresi’ demek gerektiğini ileri sürdü. Rölativiteye göre gerçek zaman belirli bir koordinat sistemindeki saatle ölçülen zamandır. Bunun dışında ölçülen zamanlar hayalden ibarettir.
İZAFİYET VE GÜNEŞ TUTULMASI
Zamandaşlık izafiliği Einstein teorilerinin en güç kavramlarından biridir.Rölativite kavramına göre , dayandırıldığı sistemden bağımsız olarak zamandaşlık olamaz. ‘Şimdi‘ sözünün hiçbir anlamı yoktur. Biri Londra’da biri İstanbul’da iki arkadaşın telefonla konuştuklarını düşünelim. Bunların ‘şimdi , aynı zamanda’ konuştuklarını söyleyebiliriz. Gerçekte ise , biz ‘aynı zamanda ‘ derken Londra’nın saati 8’i ,Türkiye’nin saati 10 ‘ u (yaz saati ile 11’i) göstermektedir.
Konu uzay çapında ele alınınca iş daha da karışır. Örneğin Kuzey Yarımküresi’nde görülen yıldızların en parlakları arasında olan Arcturus bizden 40 ışık yılı uzaktadır. Büyükayı burcunun tam kuyruğu doğrultusunda olan bu yıldızı ’şu anda‘ gördüğümüzü sanırız. Gerçekte ise gördüğümüz ışınlar 40 yıl kadar önce yola çıkmıştır. Arcturus belki de şu anda yok olmuştur, biz ancak o yıldızdan 1934’te yola çıkan ışınları görmekteyiz ; yani gördüğümüz hayalden başka bir şey değildir. Yıldızın şu anda yerinde olup olmadığını anlamak için de 2014 yılına kadar beklememiz gerekir.
Yıldızlı bir gecede gökyüzünü incelerken , zaman içinde geriye doğru baktığımızı düşünebiliriz. Çıplak gözle bile görülebilen Andromeda nebulasının ışığı bize 2 milyon yılda gelir. Şuanda gördüğümüz ışınlar daha dünyada hiç insan yokken , dev etoburların yaşadığı Pliyosen devrinde yola çıkmıştır. Öte yandan, büyük teleskoplarla 500.000.000 ışık yılı uzaklıktaki nebulalar görülür. Bu nebulaların ışığı yeryüzünde omurgasız deniz hayvanlarının yaşadığı Kambriyum devrinde yola çıkmıştır. Bu nebulalar ‘ şimdi ‘ nerededir? Hala var mıdırlar,bilinemez. Biz Arcturus ile Andromeda’yı aynı anda görürüz. Oysa birinin ışığı 40 yıl, öbürünün ışığı 2.000.000 yıl önce yola çıkmıştır.
KÜTLE ve UZUNLUK
Klasik fizikte ‘ağırlık değiştiği halde kütlenin değişmez olduğu ‘ kabul edilirdi. Ağırlık her maddeye düşen yerçekimi gücü olduğundan çeşitli yerlerde başka başka olabilir. Kütle ise maddenin hareket değişmesine direncini gösterir. Rölativiteye göre ise ‘süredurum kütleye etki yapar,cisimlerin kütlesi hıza doğru değişir.’ Cisimlerin kütlesi hızlarıyla orantılı olarak artar. Hız ne kadar çoğalırsa , kütle de o kadar çoğalır. Cismin hızı ışık hızına yaklaşınca büsbütün artar,ışık hızını bulunca kütlesi sonsuza eşit olur. Sonsuz kütleye sahip olan bir cisim harekete karşı sonsuz bir direnç göstereceğinden hiçbir cisim ışık hızı ile gidemez.
Öte yandan , hızla hareket eden cisimlerin uzunluklarında eksilme olur. Ancak, buradaki hızdan,ışık hızına yaklaşan bir hız kastedildiği unutulmamalıdır. O halde ,durağan bir F sistemi içinde hareket eden 1 metre uzunluğundaki bir cetvelin hızı ışık hızına yaklaşınca, F sistemindeki ölçü aletiyle boyu ölçülürse bir metreden kısa olduğu görülür. Cetvelin hızı ışık hızının % 90’ını bulunca da sıfıra düşer. Bu da hiçbir cismin ışık hızı ile gidemeyeceğini göstermektedir. (Şekil :4)
Hareket bir enerjidir, ’kinetik‘ (devrimsel) enerjidir. Hareket etmek cisimlerin kütlesini artırdığına göre , bu kütle artışı doğrudan doğruya enerjinin artışından ileri gelmektedir. Mademki enerji kütleyi arttırıyor, o halde enerjinin de kütlesi vardır.
Einstein’ın kurduğu izafiyet kuramının E=mc2 formüllü kütle-enerji dengesini ortaya koydu. Bu formül sayesinde, o zamana kadar görünmeyen, kütlesiz bir kuvvet olarak kabul edilen enerjinin de kütlesi olduğu anlaşıldı. Gene bu formül sayesinde ilk defa güneş enerjisinin sırrı çözüldü. Rölativite kuramına göre kütle,yoğunlaştırılmış enerjiden ibaretti; maddeyi yapan atomlar korkunç birer enerjinin kütleşmesinden ibarettir. Atomları parçalamakla kütleyi enerjiye çevirmek mümkündür. Gerçekten de atom çağının babası sayılan Einstein’ın rölativite kuramını ortaya atmasından sonra E=mc2 esasına dayanarak çalışan bilginler atomu parçalamayı,maddede gizli enerjiyi serbest bırakmayı başardılar.
GENEL RELATİVİTE ve ÇEKİM
Einstein’a göre Newton fiziğinin açıkladığı anlamda bir çekim yoktu.
Düzgün bir hızla dosdoğru giden bir trende olduğumuzu düşünelim. Tren bu hareketine devam ettiği sürece herhangi bir yana doğru itilme hissetmeyiz,çünkü trenin süredurumunda bir değişiklik yoktur. Ancak tren birdenbire yavaşlar, hızlanırsa, ya da keskin bir dönüş yaparsa , trenin içindeki her şeyin, eşyaların,insanların dengesinde bir bozulma olur;bir yana doğru çekiliyor gibi olurlar. Bunun sebebi herhangi bir çekim değil ,trenin süredurumundaki değişiklikten dolayı içindekilerin süredurumunun bozulmasıdır. Öyleyse Newton fiziğinin ‘çekim’ dediği şeyle ‘süredurum’ un yakın bir ilgisi vardır.
Durağan F sistemi içinde bir L laboratuarı düşünelim. Bu laboratuarın içinde bir vagon bulunsun. İster hareket halinde olsun ister ,dursun , süredurumunda bir değişiklik olmadıkça ,vagon olduğu yerde kalır. Ama L’nin süredurumunda ani bir bozulma olduğunu, hızla ileri gittiğini düşünelim. Bu durumda vagonun da süredurumu hemen bozulacak , o da geriye doğru gidecektir. L’nin bu süredurum bozulması sırasındaki ivmesi ‘a’ ise ,vagonun geriye doğru olan ivmesi de ‘ao ‘ olacak , L’nin ivmesi aynı oranda kaldığı sürece vagon sanki bir çekimle tutuluyormuş gibi aynı yerde kalacaktır. Birbirine sebep olan ivmelerin toplamı sıfıra eşit olacağına göre a0 +a = 0 olarak gösterilebilir,buradan da
a0 = -a sonucuna varırız. Demek ki vagonda L’ ye göre müşahede ettiğimiz a0 ivmesi doğrudan doğruya L’ nin F ye göre olan a ivmesinden ileri gelmiştir.(Şekil :5)
Şimdi de aynı laboratuarın boşlukta hızla yukarıya doğru yükselmeye başladığını düşünelim. Bu defa, içerideki bilginler, ayaklarının yere hızla bastığını, bıraktıkları eşyanın yere düştüğünü göreceklerdir. Dış dünya ile hiçbir ilgileri olmadığından kendilerini bir çekim alanı içinde sanacak, hatta doğrudan doğruya yeryüzünde bulunduklarına inanacaklardır, çünkü her şey Newton’un çekim kanunlarına uygun olarak geçmektedir.
Aynı laboratuarı bu defa bir merkezkaç makinasına bağlı olarak düşünelim. Bilginler laboratuarın bir duvarına doğru itildiklerini hissedecek, çok geçmeden de o duvarı taban sayacaklardır. Dışarıda laboratuarın bir merkezkaç makinasına bağlı olarak döndüğünü görenler içeridekilerin durumunu anlayacak, bunun merkezkaç kuvvetten ileri geldiğini bilecektir ; içeridekiler için ise tavanın neresi tabanın neresi olduğunu gösterecek bir şey yoktur. Bunun için , onlar yan duvarı taban sanacak , kendilerini o yana doğru çeken bir çekimle karşı karşıya olduklarını düşüneceklerdir. Zaten uzayda ‘yukarı’ ‘aşağı’ ‘sağ’ ‘sol’ gibi kavramlar yoktur. Uzaydan bakan bir kimseye Dünya’nın Güney Yarımküresi’ndekiler baş aşağı asılı duruyor gibi gelir.
İşte Einstein süredurum değişikliklerini , merkezkaç etkisini dikkate alarak , süredurum kuvveti ile çekim kuvvetleri arasında bir denge olduğunu ileri sürdü. Ona göre bütün cisimlerin birbirlerini çekmesi fikri hayalden ibarettir; çekim süredurumla ilgilidir.
Çekim alanını magnetik alana benzetebiliriz. Bir mıknatısın magnetik alanı vardır. Mıknatısın üstüne bir tabaka kağıt koyar da kağıdın üstüne demir tozu dökersek tozların mıknatısın magnetik alanını gösterir. İğneyi çeken bir mıknatıs ona ‘uzaktan uzağa’ etki yaparak çekmez ; mıknatısın manyetik alanına giren iğne bu magnetik alanda hareket etmek zorunda kalır.
Einstein’a göre bütün evrende tıpkı bu şekilde çekim alanları vardır. Bu çekim alanlarına giren cisimler o alanda hareket ederler. Einstein’ın çekim kuramı alan kanunlarına dayanır. Bu kanunlara göre bütün cisimler çekim alanlarının çizdiği yol üzerinde hareket etmektedir.
Genel rölativitenin bu bölümünün ilk ispatı Merkür gezegenin hareketindeki düzensizliğin açıklanması oldu. Newton zamanından beri bu gezegenin hareketlerinde bir düzensizlik olduğu biliniyorsa da ,neden ileri geldiği bir türlü anlaşılamıyordu. Bu gezegen eliptik yörüngesinde öteki gezegenler gibi düzgün dönmüyor,her yıl pek küçük de olsa yörüngesinden ayrılıyordu. Newton fiziğinin açıklayamadığı bu sırrı Einstein’ın alan kanunları açıklayabildi. Einstein Güneş’e en yakın olan bu gezegenin yörüngesinin , Güneş’in şiddetli çekim alanı yüzünden,Güneş’in çevresinde dönmekte olduğunu, 3.000.000 yılda bütün yörüngenin Güneş çevresinde tam bir devir yapacağını ispat etti.(Şekil : 6)
IŞIK BİR MADDEDİR
Einstein’ın çekim alanı kanunlarının en parlak ispatı çekim alanının ışık üzerindeki etkisinin gösterilmesiyle mümkün olmuştur. Özel Rölativite ile enerji-kütle dengesini ispat eden Einstein , bir enerji çeşidi olan ışığın da kütlesi olduğunu, yani fotonlardan meydana gelen ışığın madde olduğunu kabul etmişti. Öyleyse ,ışığın da çekim alanı kanunlarına uyması gerekiyordu; yani , ışık da başka maddeler gibi bir çekim alanında yönünü değiştirecekti.
Işığın korkunç hızı yüzünden bunu yeryüzündeki olanaklarla ispat etmek de imkansızdı. Bu imkansızlığı düşünen Einstein , Güneş’in çekim alanının,bir yıldızın ışınlarına yapacağı saptırmanın pek ala ölçülebileceğini iddia etti. Genel rölativitenin çekim alanı denklemlerini kullanarak ,ışınları Güneş’in yüzünü yalayacak şekilde gelen bir yıldızın ışığının , Güneş’in çekim alanından etkilenerek, yolundan 1,74 yay saniyesi şaşacağını ileri sürdü. Bu iddia bütün dünyada büyük ilgi uyandırdı. Bilginler böyle bir denemenin ancak güneşin tam tutulma anında yapılabileceğini söylediler. Einstein’ın iddiası doğruysa Güneş’in arkasında kalan, bu yüzden de görülmemesi gereken bir yıldız,ışınlarının eğilmesi sonunda ,görünür hale gelecekti.(Şekil:7)
İngiltere’deki Greenwich Rasathanesi 29 Mart 1919’da tam bir güneş tutulması olacağını bildirdi. Bunun üzerine ,İngiliz Astronomi Kurumu tutulmanın en iyi görüleceği yerlere iki keşif heyeti gönderdi. Bu heyetlerden biri Brezilya’ya, öbürü Batı Afrika’nın Gine Körfezi’ndeki Prens Adaları’na gitti
genel izafiyet teorisi ve güneş tutulması Konusunu değerlendirin.
güneş tutulması ve izafiyet teorisi
« - | felsefe ve hikmet arasındaki ilişkiyi açıklayınız »