Evrensel Yasalar 05 : Görelilik Yasası - Sercan Çetin / SESLİ KİTAP
Görelilik yasası Albert Einstein tarafından ortaya atılmıştır. Teori iki bölümden oluşuyor: 1905'te yayınladığı Özel Görelilik Teorisi ve 1916'da yayınladığı Genel Görelilik Teorisi. Einstein'a göre görelilik yasası, tüm hareketin, bir referans çerçevesi alarak görece tanımlanmış olması gerektiğini söylüyor. Bu, uzay ve zamanın mutlak bir kavramdan ziyade göreceli olduğunu gösterir.
Einstein'ın ortaya attığı teorilerde karadeliklerin varlığından, yerçekimi dalgalarından ve zamanda yolculuk olasılığından bahsediyor. Dünyanın nasıl oluştuğunu ve Big Bang'in bunda nasıl bir rol oynadığını anlatıyor. Görelilik yasaları fizikte tamamen devrim yarattı. Görelilik yasası, fiziğin bugün nasıl göründüğünü değiştiren devrim niteliğinde bir teoridir.
İlk teori, 1905'te formüle edilen ve yayınlanan özel göreliliktir. Einstein'ın genel görelilik kuramını yayınlaması on yıldan fazla sürdü. Einstein'ın çalışmaları, Galileo ve Newton tarafından yapılan çalışmalarla ilişkilidir. Bununla birlikte, çığır açan teorileri, bugüne kadar hala izlenen fiziğin en yıkıcı sonuçlarından bazılarını belirlemekten tek başına sorumludur.
Özel görelilik teorisi, tekdüze hareket eden cisimlerden bahseder. Teori, esasen zaman ve mekan arasındaki ilişkiyi açıklar. Bu teorinin işlev gördüğü iki ana varsayımı vardır. Bu değişmez ışık ilkesi ve görelilik ilkesidir. Tüm bu teorinin ana konsepti, referans çerçeveleri ve göreli hareketin nasıl çalıştığı ve bir gözlemcinin bir olayı görme yeteneğini nasıl etkilediğidir.
Özel görelilik kuramının başlıca sonuçlarından bazıları zaman genişlemesi, uzunluk kısalması, göreli kütle, maksimum hızın sonsuz olması, eşzamanlılığın göreliliği ve kütle-enerji denkliğidir. Teori çoğunlukla aynı anda farklı referans çerçevelerinde meydana gelen olayları hesaplamak için kullanılır.
Bununla birlikte, teori ilk günlerde nadiren kullanıldı. Belirli teorilerde ve deneysel amaçlarla küçük ayarlamalar yapmak için bir araç olarak kullanıldı. Ayrıca bu kanunlarda kullanılan matematik zordu ve ancak birkaç kişi tarafından anlaşılıp kullanılabiliyordu. Zaman geçtikçe bu durum değişti ve insanlar bu teoriyi kullanarak cevaplar ve çözümler bulmaya başladı.
Genel görelilik teorisi, hızlanan nesnelerle ilgilenir ve yerçekiminin onları nasıl etkilediğinden bahseder. Atalet kuvvetleriyle birlikte yerçekimi kuvvetlerinin doğada nasıl benzer olduğunu tartışır. Einstein, kara delikler gibi büyük nesnelerin neden olduğu evrendeki en enerjik ve şiddetli süreçlerden bazılarının yerçekimi dalgalarına nasıl neden olduğunu tartıştı.
Birbirlerinin yörüngesinde dönüyorlar, dalgaların kaynaktan her yöne hareket etmesine yol açan uzay-zamanı bozuyorlar. Genel görelilik kuramının öne çıkan birkaç sonucu, yerçekimsel zaman genişlemesi, devinim, uzayın Metrik genişlemesi ve ışık sapmasıdır. Bu sonuçlardan bazıları olay anında gerçekleşmişken, sonrakinin kesin sonuçlar elde etmek için yıllarca araştırılması gerekiyordu.
Einstein, genel görelilik teorisinde zamanda yolculuğun ve solucan deliklerinin varlığını tahmin ediyor. Bununla birlikte, bugün bildiğimiz dünyada bu mümkün değildir, ancak bazı öngörülemeyen durumlar varsa, bu olayların gerçekleşme olasılığı vardır. Ayrıca, kimsenin varlığından haberdar olmadığı çok önce kara deliklerin varlığından da bahsediyor.
Einstein tarafından ortaya atılan bu teori, yerçekimi etkileşimlerini tahmin etmek için en iyi yöntemleri tasvir ediyor. Her şeyde olduğu gibi, bu teorinin de bazı sakıncaları var. En belirginlerinden biri, bilim adamlarının bu teoriyi tam olarak keşfetmeye yardımcı olabilecek kuantum teorileri geliştirememesidir. İnsanlar Einstein'ın görelilik yasasını elektronik aletler üretmek, altını diğer metallerden ayırmak, fosillerin kökenini öğrenmek, elektrik üretmek için kullandılar ve en önemlisi küresel bir konumlandırma sistemi (GPS) kurdular.
Günlük ürünlerimizin çoğu onun üretim süreçlerinden elde edilir. Einstein'ın görelilik yasası olmasaydı üretimleri mümkün olmazdı. Basit bir ifadeyle Einstein, insanların lüks bir yaşam sürmesinin nedenlerinden biridir.
Görelilik Yasasının Prensibi
Görelilik kuramı, kuantum kuramıyla birlikte modern fiziğin temel direkleri olmuştur. 1632'de Galileo, fizik kanununun tüm cisimler için tekdüze harekette aynı olduğunu belirtti. Aynı teori, 17. yüzyılda Isaac Newton tarafından, hareket yasalarıyla, eğer hareket yasaları bir atalet çerçevesine yerleştirildiyse, o zaman ilk çerçeveye göre sabit hızla hareket eden bir referans çerçevesinde de tutulacakları sonucuna vardı.
Albert Einstein'ın teorileri, Newton ve Galileo'nun çalışmalarıyla aynı referans noktasına sahipti. Bununla birlikte, ışık hızı, ivme ve yerçekimi eşdeğerliği ve uzay ve zamanın yapısı hakkındaki teorileri, günümüz fiziğinin parametrelerini belirler.
Teorileri, astronotların dünyadaki diğer insanlardan nasıl daha yavaş yaşlandıkları ve katı nesnelerin şekillerini nasıl değiştirebildikleri gibi bazı garip olayları açıkladı. Bu teori, bilim adamlarının ve fizikçilerin zaman ve mekan hakkında farklı bir bakış açısı kazanmalarına yardımcı oldu.
Zaman Uzaması
Zaman genişlemesi, gözlemci tarafından görülen bir saatin yavaşlamasını anlatan özel bir görelilik türüdür. Teorik olarak, gözlemci saat ile göreli hareket halindedir. Özel görelilikten bahsederken, hızlanmayan gözlemci, belirli bir olayı göz önünde bulundurarak hangi olayların aynı anda gerçekleştiğine dair bir fikre sahiptir. İlk gözlemciyle göreli hareket halinde olan farklı bir gözlemciyi ele alalım.
İkinci gözlemci, eşzamanlı olarak birlikte meydana gelen olaylar konusunda birinci gözlemciyle aynı fikirde olmayacaktır. Gözlemcilerin hiçbiri yanlış değil, ancak bu yalnızca her olayın zamanlamasının gözlemcinin bakış açısına bağlı olduğu sonucuna varıyor ve özel görelilikte bağımlılık kavramını gösteriyor. Eşzamanlılığı anlamak için iki ayrı kişinin taşıdığı saatleri karşılaştırmak gerekir.
Birinci gözlemci, ikinci gözlemciye baktığında, ikinci gözlemcinin saatinin yavaş çalıştığı sonucuna varacaktır. Benzer şekilde, ikinci gözlemci birinci şahıs saatini gözlemlerse, birinci şahıs saatinin yavaş olduğu sonucuna varacaktır. Bu, her gözlemcinin kendisine göre her saati kendi saatinden daha yavaş çalıştığını düşündüğünü gösterir.
Uzunluk Kısalması
Uzunluk kısalması, göreliliğin başka bir olgusudur. Bu fenomen, bir nesnenin hareket halindeyken ölçülen uzunluğunun, dururken ölçüldüğündeki uzunluğundan nasıl daha küçük olduğunu anlatır. Bunun nedeni hatalı gözlemler veya ölçüm hataları içermesidir. Sabit çerçevesindeki nesne, uzunluk olarak büzülür. Nesnenin gözlemciye olan hızı, nesnenin uzunluğuyla doğrudan çelişir.
Büzülme, yalnızca hareket eden bir nesne göreli hızlarda veya ışık hızına yakın bir hızda hareket ettiğinde gerçekçidir. Kısalmaların yalnızca nesnenin hareketinin boyutlarındaysa görünür olduğuna dikkat etmek önemlidir. Örneğin, yatay olarak hareket eden bir nesne düşünün. Nesnenin yatay kısmı büzülecek ve nesnenin yüksekliği herhangi bir daralma göstermeyecektir.
Kütle Enerji Eşdeğerliği
Kütle-enerji eşdeğerliği ilkesi fiziğin farklı yönlerinde önemlidir. Bu, parçacık ve nükleer fizik gibi bazı önemli alanları içerir. Genel olarak, fizikte, tüm kütle bir enerji formudur. Bu kütle dinlenme aşamasındayken, kütle ve enerji benzerdir ve yalnızca bir sabit farklılık gösterir. Bu, Einstein'ın ünlü formülü E = mc2'de açıklanmaktadır.
Einstein tarafından önerilen formüle göre E, duran bir parçacığı, m nesnenin kütlesini ve c2 ışığın hızını temsil eder. Formül, az miktarda kütlenin, maddenin nasıl yapıldığına bağlı olmayan büyük miktarlarda enerji ile ilişkili olduğunu ima eder. Durgun kütle olarak da bilinen değişmez kütle, sistem hareketsizken gözlenir.
Maksimum Hız Sonsuzdur
Bu teori, ışık hızının en hızlı hareket ettiğini belirtir. Başka hiçbir mesaj, eylem veya nesne ondan daha hızlı hareket edemez. Hız çoğunlukla ışıkla hesaplanıp ilişkilendirilse de, belirli parçacıkların, yerçekimi dalgalarının ve elektromanyetik radyasyonun boşlukta hareket ederkenki hızlarını hesaplamak için de kullanılabilir. 1905'te Einstein ışık hızını inceledi ve ışığın boşlukta yol aldığında gözlemcinin ve dalga kaynağının hareketinden bağımsız olduğu sonucuna varabildi.
Yasa, zaman ve uzayın birlikte tanımlandığını ve uzay-zaman olarak adlandırıldığını açıklayabilmiştir. Eşzamanlı olarak meydana gelen olayların bir gözlemciden diğerine farklı görülebileceği eğilimi ile teori özeldir, ayrıca yalnızca uzay-zamanın düz olduğu yerler için geçerli olduğundan ve yalnızca yerçekimi alanlarının zayıf olduğu ve serbest düşüşe benzer koşullara sahip olduğu koşullarda kapsanabileceği için genel göreliliğe yaklaşır.
Eşzamanlılığın Göreliliği
Einstein, bir gözlemciye aynı anda meydana gelen iki olayın, gözlemciler birbiriyle göreli hareket halindeyken başka bir gözlemci için aynı olmayabileceğini belirtir.
Göreceli Kütle
Görelilik yasasındaki göreli kütle, onu referans çerçevesinde gözlemleyen tüm gözlemciler için benzer bir dinlenme aşamasında olan değişmez kütle olabilir. Göreli kütle, tamamen gözlemcinin hareket hızına bağlıdır.
Genel Görelilik Teorisi
Genel görelilik teorisi, Einstein tarafından 1907-1915 yılları arasında geliştirildi. 1916'da yayınlandı. Einstein'a göre bu, on yıl önce ortaya koyduğu özel görelilik üzerine bir yükseltmeydi. Genel görelilik teorisi, hızlanan nesneler ve yerçekimi ile ilgili kavramlarla ilgilenir. İlk dönemlerde pek çok bilim adamı tarafından ciddiye alınmayan bu teori, zaman geçtikçe fiziğin ve özellikle yerçekimi ile ilgili çalışmaların şekillenmesinde etkili bir hale geldi.
Diğer teoriler yerçekiminin nasıl çalıştığını açıklar, ancak genel görelilik teorisinin anlaşılması oldukça basit ve uygulanması çok kolaydır. Genel teorinin bazı ilkeleri ve tahminleri, klasik fizikle kökten farklıdır. Özel görelilik teorisi, zaman ve uzay arasında bir bağlantı kurulmasına yardımcı olur. Bununla birlikte, genel görelilik teorisi, evren 3 boyuttan oluşur ve zaman şeklinde 4. bir boyuta sahiptir ve 4'ün birleşimi uzay-zamanı oluşturur diyerek, uzay-zaman ve madde arasındaki etkileşimleri tartışır.
Işık Sapması
Genel görelilik kuramına göre ışık bir yıldızın yakınından geçerken eğrilik yönünü takip edecektir.
Astrofizikteki Uygulamalar
Kara deliklerin ve diğer gök cisimlerinin oluşumu Bazı olaylarda, bir cismin kütlesi yarıçapından büyük hale geldiğinde, kelimenin tam anlamıyla hiçbir şeyi olmayan ve ışığın bile kaçamadığı bir bölgenin oluşmasıyla sonuçlanır. Bu bölge, genel görelilik kuramına göre kara delik olarak adlandırılır. Karadeliğin merkezinde genellikle en az birkaç milyon ila trilyon güneş kütlesi bulunur.
Bu karadeliklerin evrendeki galaksilerin ve diğer göksel yapıların oluşumunda büyük rol oynadığına inanılıyor.
Zaman Yolculuğu
Einstein'ın denklemlerinin bazı kısımlarında, zaman içinde belirli döngüler gösteren kapalı zaman benzeri eğrilerin varlığını gösterir. Bununla birlikte, bu durumların meydana gelmesi pek olası değildir ve gerçekleşmesi için aşırı koşulların gerçekleşmesi gerekir. Gelecekteki fiziğin zaman yolculuğu iddialarını tamamen ortadan kaldırıp kaldırmayacağı tartışmaya açıktır.
Solucan Delikleri
Solucan delikleri, Einstein'ın genel görelilik yasasının bir başka matematiksel sunumudur. Solucan delikleri, uzay-zaman boyunca evrenin farklı bölgelerine uzun geçişler için kısayollardır. Ancak solucan delikleri yüksek radyasyon ve tehlikeli madde ile temas nedeniyle çökmeye maruz kalmaktadır. Bugüne kadar hiç kimse solucan deliklerinin varlığını kanıtlayamadı.
Her kara deliğin ağzı gibi solucan deliklerinin oluşabileceği durumlar olabilir. Ancak ölen bir yıldızın kendisi bir solucan deliği oluşturmayacaktır, bu nedenle bu teori de solucan deliklerinin varlığının somut bir kanıtı değildir.
Küresel Konumlandırma Sistemleri (GPS)
Düzgün çalışması gerekiyorsa, GPS'in gerçekçi etkileri hesaba katması gerekir. Uydular ışık kadar hızlı hareket etmezler ama hareketi takip edecek kadar hızlı hareket ederler. Durum böyle olmasaydı, insanlar sistemin yanlışlığı nedeniyle seyahat ediyor ve yanlış yerlere gidiyor olacaktı. GPS uyduları yer istasyonlarına bilgi ve sinyaller gönderir. Bu GPS taşıyıcıları, yörüngedeki diğer uydulara kıyasla daha yüksek hızlanma yaşarlar.
Uydular yerden 12.000 milin üzerinde olduklarından ve saatte 6.000 milin üzerinde hızlarda hareket ettiklerinden, her gün her dört milisaniyede bir zaman genişlemesi gerçekleşir. Yerçekimi hesaba katılırsa, her gün toplam 7 milisaniye alınır. Uydular, zamanı bir nanosaniyenin birkaç milyarda biri kadar doğru bir şekilde algılamaya yardımcı olan saatler kullanır.
GPS bu yasayı hesaba katmasaydı, talimatlar yanlış olurdu.
Güneş Işığı ve Nükleer Enerji
Bir nükleer santralden evinizdeki küçük bir ampule. Görelilik ilkesi Einstein tarafından tanımlanmamış olsaydı, bu özelliklerin varlığı mümkün olmayabilirdi.
Elektronik Ekipmanlar
Fotonların tanımlanması, bugün kullandığımız tüm elektronik ekipmanların geliştirilmesine yol açtı. Einstein'ın kuantum etkileri hakkındaki fikirleri, cep telefonlarının, alarmların, süpermarketlerde otomatik açılan kapıların ve daha birçok icadın geliştirilmesinin yolunu açtı. Einstein'ın fotoelektrik ve fotovoltaik etkiler üzerindeki çalışmaları, DVD oynatıcılar ve lazerler geliştirmenin temellerini attı. Einstein'ın yaptığı çalışmalar olmasaydı, bilgisayarların ve yarı iletkenlerin varlığı mümkün olmazdı.
Karbon Tarihlendirmesi
Einstein sayesinde eski fosiller tarihlendirilebilir. Ünlü E = mc2 teorisi, kütle ve enerjinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu açıklar. Organik maddenin çekirdeğindeki bozunma için atomları kontrol ederek, fosilin dünyada ne kadar süredir var olduğunu söyleyebiliriz.
İnsan Türünün Varlığı
Güneşin varlığından önce, güneş sistemindeki kütlelerin çoğu bir süpernova tarafından oluşturulmuştu. Süpernova atomlarının içinde oluşan daha ağır atomlarla birlikte Süpernovalar genellikle kuantum etkileri görelilik tarafından aşıldığında meydana gelir. Bu, yıldızın çekirdeğe doğru patlamasına ve ardından demirden daha ağır elementler oluşmasına neden olur. Bugün yeryüzünde bulunan tüm ağır metaller bu olgudan kaynaklanmaktadır.