Görelilik
Görelilik, Albert Einstein'ın kuramsal fizikteki en önemli gelişmelerden biri olarak değerlendirilen kuramı. Albert Einstein'ın görelilik (bağıllık, izafiyet de denir) kuramı, New-ton'ın 200 yıllık mekanik kuramının yerini alarak, evrende mutlak hareket olmadığını, bütün hareketlerin göreli olduklarını kanıtlamıştır. Albert Einstein, evren bilgisine bu temel katkısını, Michelson'un 1800'e doğru Yer'in uzaydaki hareketini deneysel olarak açıklamasından sonra gerçekleştirmiştir.
Michelson'un düşüncesine göre: Bir S ışık kaynağı, 45 °'lik bir gelme açısıyla, yarı saydam bir M aynası üstüne düşen tekrenkli bir ışık demeti yayar. Demetin bir parçası M, aynası yönünde yansır; öbür parçası M'nin içinden geçerek M2 aynasına gelir. Birbirine dikey kollar üstüne yerleştirilmiş M, ve m² aynaları, normal yansımayla aldıkları ışınları geri gönderirler. Birbiriyle karışan iki yarım demet, tel ağıyla donatılmış bir L gözlem dürbününe gelerek girişim saçakları oluştururlar. Bu düzenekte merkez, saçak ağ tellerinin kesişme noktasına düşüyorsa, OM, ve OM2 arasında ışık ışınları yayılma sürelerinin eşit olduğu sonucuna varılır; bu ölçme yöntemi son derece duyarlıdır.
Özellikle hızların toplanabilirliğine dayanan klasik mekanik yasalarına göre, Michelson'un tasarladığı aygıtta ışınların yol alma süresi, Yer'in Güneş çevresinde hızıyla yaptığı ötelenme hareketine ve gezegenimizin hareket yönüne göre aygıta verilen doğrultuya bağlıdır. Böylece Yer'le aynı yönde c hızıyla hareket eden bir ışık ışını, hızların toplanabilirlik ilkesi uyarınca c-v'ye eşit, Yer'e oranla göreli bir hız gösterir. Yer'in, OM, yönünde v hızıyla hareket ettiği varsayıldığında; klasik mekaniğe göre, bir ışık ışını Om,O yolunu, OM, ve OM2 birbirine eşitse, OAd2Oiçin gerekli süreden daha uzun sürede alır.
Yollara gereken süreleri eşitlemek için, merkez girişim saçağı ağın merkeziyle çakışacak biçimde aygıtı ayarlamak yeterlidir. Böylece birbirine eşit olmayan OM, ve OM2 doğru parçaları elde edilir. Sonuç olarak, Michelson aygıtının tümü 90° döndürülürse, OM2 Yer'in öteleme hareketinin yönünü alır ve merkez saçak ile tellerin merkezi artık çakışmaz.
Oysa, deneyler her tür tahminin tersine, yol sürelerindeki eşitliğin korunmasının söz konusu olduğunu göstermektedir: Saçaklar kıpırdamamıştır. Herşey, sanki Yer Güneş'in çevresinde dönmüyormuş ve hareketsizmiş gibi olup bitmektedir. O halde olgular, klasik mekanikle çelişki içindedir; dolayısıyla, hızların toplanabilirliği yasası fizikte yanlıştır. Işığın hızı bütün yönlerde eşittir ve ışık kaynağının hareketinden bağımsızdır. Saniyede 299 776 km'ye eşit bu c hızı, ağırlıklı hiçbir hareketli cismin aşamayacağı sınır hızdır. Bu c değişmesi, Einstein'ın ortaya koyduğu "özel görelilik" denilen kuramın temelidir.
Söz konusu buluş, temel cebirle açıklanabilir. Birbirine paralel iki Ox ve O'x'ekseninden oluşan bir işaret noktası düşünelim. 0'x', Ox'e paralel olarak v hızıyla hareket etsin (bir trenin üstünde yol aldığı raylara göre hareketi gibi); iki eksen arasındaki "bağlantı", ışıklı işaretle yapılsın (çünkü varolan en hızlı işaret ışıktır); sürelerin başlangıcı, O ile 0"nün çakıştığı ana rastlar.
Michelson-Marley deneyi (A) bir zamanlar ışık dalgalarını taşıdığı düşünülen "esir" ortamını denemek amacıyla tasarlanmıştı. Bir ışın (1), bir ayna tarafından ayrılıp (2), iki değişik ışık yolu izler (3,4) ve yeniden birleşip (5), girişim saçakları şeridi oluşturur (6). "Esir" varsa, ışığın (7) dünyanın hareketi yönünde turunu tamamlaması doksan derecelik açılarda tamamlamasından daha uzun sürer. Zaman farkı olmaması, "esir"de olmadığını gösterir. Newton'un hareket kurallarına göre (S), V hızıyla hareket eden bir tanktan v hızıyla atılan bir merminin hızı, dışardan izleyen birine göre V+v olur. Einstein bu hızın (V+v) -bölü- (1+Vv/c2) olması gerektiğini göstermiştir (c- ışık hızı). Buna göre (C) c hızıyla hareket eden bir gezegenden 1/2c hızıyla atılan bir merminin, olayı dışardan izleyen birine göre, hızı 0,8 c olur.
Biraz karmaşık olan bu iki formül, bir eksenden öbürüne geçildiğinde, koordinatların aynı olmadığını gösterir. x' ile x eşit değildir ve t', t' den farklıdır. Bir başka deyişle, aynı olay (yanan bir lamba, geçen bir tren, vb.), koordinat eksenlerinden biri ya da öbürü üstünde bulunan gözlemciye farklı biçimde "görünür".
Bu formülden, görünüşte çelişkili bazı olgular çıkarılır; zamandaşlık kavramı her iki eksen için de aynı anda geçerli değildir. Ox ekseninde (rayların kenarında) yer alan bir gözlemci için, zamandaş iki olay, OV ekseninde (yol alan tren) yer alan bir gözlemci için zamandaş değildir. Gerçekten t=0 alınırsa, ikinci formüle göre, t"nün sıfır olmadığı görülür. Böylece, birbirine oranla göreli hareket halinde olan iki gözlemci, aynı olay için farklı süreler ve farklı uzunluklar ölçer.
Sık sık sözü edilen tren örneği, bu şaşırtıcı doğrulamanın açıklamasını sağlar. Bir demiryolu kenarında, aralarındaki uzaklık bir tren boyuna eşit iki L1 ve L2 lambası olsun. 1 numaralı hareketsiz bir gözlemci, yolun kenarında L1 L2 arasında orta noktada bulunsun; 2 numaralı ikinci bir gözlemci, trenin ortasında ayakta dursun. Özel bir düzenek, lokomotifin önü L1 noktasına gelince L1 lambasının, trenin kuyruğu L2 noktasına ulaşınca da L2 lambasının yanmasını sağlasın.
Tren geçtiğinde 1 numaralı gözlemci, elindeki çift aynada L1 ve L2 nin aynı anda yandığını görür. Trenle L1 lambası yönünde hızla yol alan ve dolayısıyla L2'den uzaklaşan 2 numaralı gözlemci, elindeki çift ayna yardımıyla, lambaların yanmaları arasında bir süre farkı saptar. L1 lambasının L2'den önce yandığını sanır. Bu yüzden trenin L1L2 uzaklığından daha büyük olduğunu söyleyecektir; çünkü, L1 yandığında, trenin kuyruğunun L2 noktasını geçmemiş olduğunu ileri sürecektir. O halde, göreli hareket halindeki iki gözlemcinin yaptığı uzunluk ve zaman değerlendirmeleri arasında uyuşmazlık vardır.
Bu kavramlar şaşırtıcı sonuçlar verir ve ünlü "Langevin yolcusu" örneği, her ne kadar gerçekleşebilir olmaktan uzaksa da, görelilik kuramından çıkan sonuçların çarpıcı bir görüntüsünü ortaya koyar. Fizikçi Langevin, bir yolcunun, hareketli hiçbir cismin ulaşamadığı c ışık hızına yakın bir hızla, yani saniyede 299 750 km yol alan bir füzeyle Yer'den ayrıldığını, yolcunun, füze içine yerleştirilen bir saatle yolculuğunun süresini ölçtüğünü tasarlamıştır.
Langevin, gidiş yolculuğunun bir yıl sürdüğünü varsayar (füzedeki saatin gösterdiği süre); sonra füze yarım dönüş yapar ve Yer'e dönmek için bir yıl daha harcar. Böylece yolcu, Gökadamız dışı gezisinin iki yıl sürdüğünü söyleyecektir. Ancak Yer'e döndüğünde, büyük bir sürprizle karşılaşacak ve dünyanın iki yüz yıl yaşlandığını görecektir; geleceğe iki yüz yıllık bir sıçrama yapmış olacak, ancak kendisinin iki yıl yaşlandığını sanacaktır. Langevin paradoksu, yani daha önce sözü geçen Lorentz denklemlerinin dolaysız sonucu, budur.
1971'de iki ABD'li fizikçi J. Hafele ve R. Keating bir başka deney yaptılar: Son derece duyarlı ve tam anlamıyla aynı zamanı gösteren iki sezyum atom saati alıp, birincisini Yer çevresinde değişmez hızla dönen bir uçağa yerleştirdiler; İkincisini de uçağın kalkış anında havaalanı zeminine koydular. Uçak geri döndüğünde, her iki saatin gösterdiği zamanlar kontrol edilince, 173 nanosaniye kadar bir fark görüldü (nanosaniye, saniyenin milyarda birine eşittir ve bu zaman aralığı atom saatleriyle kolayca ölçülebilmektedir). Uçaktaki saat, Yer'de kalana göre ileriydi, yani daha az "yaşlanmıştı".
Uzaklık ve zaman kavramlarından sonra, kütle kavramı da görelilik kuramı sayesinde yeni özellikler kazanmıştır. Hareketli bir cismin kütlesi hızıyla birlikte artar. Deney, bu savı da doğrulamaktadır. Bir boşalmalı tüpün katotundan çıkan ve hızları tüpün kutuplarına uygulanmış gerilimle doğru orantılı olan elektronlar, kolayca saniyede 200 000 km hıza ulaşır. Bu hızda, elektron kütlelerinin hareketsiz durumdaki değerine göre yaklaşık % 40 arttığı görülür. Hız c ışık hızına yaklaştığı ölçüde, kütle de artar. Bu c hızı, ağırlıklı hiçbir hareketli cismin aşamadığı sınır hızdır; gerçekten hareketli cisim bu hıza ulaşabilse, kütlesi sonsuzlaşırdı.
Bu olgudan, enerjinin kütleye bağlı olduğu sonucu çıkarılır. Her kütlenin bir enerjisi vardır; bu durumda enerjinin eylemsizliğinden sözedilebilir. Einstein'ın bu buluşu, insanoğlunun nükleer tepkimeleri gerçekleştirmesini sağlamıştır.
1912'de Einstein, genel görelilik çevresi içinde, sınırlı görelilik kuramını bütün gözlemcilere yaydı. Genel çekim kuramını, çok karmaşık matematik tekniği olan tansör hesabı kullanarak bütünüyle tümdengelimli bir anlayışla hazırladı. Ancak genel göreliliğin astronomi ölçüm ve deneyleriyle doğrulanması daha sonra oldu.
Cisimlerin oluşturduğu fiziksel nesnelerin (bilye, kaya, mercek,Güneş,yıldız,vb.) yanında alanlar bulunur. Bu alanların özellikleri, ancak içinde yer alan cisimlerin davranışı incelenerek bilinebilir. İki tip alan vardır: Elektrikte incelenen elektromagnetik alan; çok az bilinen genelçekim alanı. Her fiziksel nesne bir genelçekim alanı doğurur; ama bu alan, söz konusu fiziksel nesne (Güneş ya da bir yıldız gibi) evrensel boyutlarda olursa önemlidir. Genelçekim alanlarının temel özelliği, kütleleri ya da yükleri ne olursa olsun, bütün cisimlerin alan içinde aynı biçimde hareket etmeleridir.
Yerçekimi alanında, serbest düşme yasası, kurşun bir ağırlık ya da cam bilye için aynıdır. Einstein, maddesel bir kütlenin doğurduğu bir genelçekim alanında, ışığın saptığını ortaya koymuştur: Yörüngesi Güneş'e teğet geçen bir ışık ışını, yaklaşık 1,70 saniyelik bir sapma yapar. Bu sapma, deneysel olarak doğrulanmıştır.
Bu nedenle, bir genelçekim alanı karşısında uzay eğrileşir ve klasik mekanikte benimsenen Eukleides yapısından uzaklaşır: Artık euklidesçi olmayan Riemann geometrisine uyduğu söylenir. Genelçekim alanından, ilk bakışta şaşırtıcı gibi görünen bir dizi sonuç çıkar: Zaman aralıkları alana bağlıdır; zaman, uzayın değişik noktalarında aynı biçimde "akmaz". Evrenin geometrik özellikleri zamanla birlikte değişir; evrenin sürekli genleşme halinde olduğu sanılmaktadır.
Öncülerinden biri olduğu kuvantalar kuramı ve görelilik kuramıyla Albert Einstein, çağdaş bilime üst düzeyde egemen olan anahtar-düşüncelerin yaratıcısıdır. Yeni bir fizik anlayışı geliştirmiş, araştırmacılar için yeni ufaklar açmış ve atomun bileşenlerinden, gökadaların sonsuz kaçışına kadar, bilgi alanımızı genişleterek, dünyaya bakış açımızı değiştirmiştir.