Özel Görelilik Kuramından Önce..
Newton fiziği, asıl olarak cisimlerin mekaniğine ilişkindi.
Elektriksel ve manyetik olaylar ise, Newton mekaniğinin (klasik mekaniğin)
dışında kalıyordu; ampirik (deneysel) bir düzlemde kalıyordu.. Coulomb,
Volta, Oersted, Amper, Ohm, Faraday ve Henry ' nin çalışmaları bu döneme ait
ürünlerdir.
Bu dönemde yapılan çalışmaların en önemli sonuç, daha önce
birbiriyle tümden bağımsızmış gibi görünen elektrik ve manyetik olaylar
arasında derin bir bağın bulunmasıydı. En önemli gelişme, alan
kavramının ortaya atılmasıyla sağlandı. Her elektrik akımı, çevresinde bir
manyetik alan doğurmaktadır; böylece bu alanın içine yerleştirilen bir
pusula iğnesi de bir kuvvet etkisiyle sapmaktadır. Manyetik bir alanda
hareket ettirilen bir sarımda da elektrik akımı oluştuğu gözlenmektedir. Bu
olay nicel olarak Faraday yasası ile formüle edilmiştir. Ama bu yasa da
ampirik bir yasa olmaktan öteye gidememiştir.19. yüzyıla gelene dek
elektriksel olaylarla manyetik olaylar arasında bir ilişki kurulamamıştı.
Böyle bir ilişkinin varlığı ilk kez 19. yüzyılın başında
Michael Faraday' ın deneyleriyle kesin olarak
kanıtlandı. Faraday, olağanüstü bir deneysel bilimciydi; ama işin matematik
yanını Maxwell geliştirdi.
Gilbert’in çalışmaları manyetik
alanların varlığını göstermişti. Bir kağıt üzerindeki demir tozlarına
yaklaştırılan mıknatısın demir tozlarını hareketlendirerek kendisine
çektiğini çocuklar bile biliyordu. Sıralar halinde dökülen bu demir
tozlarını manyetik çizgiler olarak tanımlayan Faraday, bunları elektrik
yüklerinin ortaya çıkardığı elektriksel kuvvet çizgilerine benzetiyordu. Çok
büyük bir düş gücüyle yola çıkarak kuvvet çizgilerini yönlendiren ilkeleri
bulan ve tüm gözlemlerini bunlara dayandıran Faraday’ın hareket halindeki
manyetik alanların elektrik akımları ürettiğine ilişkin kuramının birbirini
kesen kuvvet çizgilerinin varlığı ile açıklaması mümkündür. Sürekli bur
mıknatısla kuvvet çizgileri zorunlu olarak elektrik yükleri üzerinde son
buluyordu.
Ampere ve
Gauss gibi diğer bazı fizikçilerin de elektriksel nicelikleri
ölçülmüş olmalarına karşılık kuramın bütünüyle anlam kazanması Faraday’ın
çizdiği tabloyu diferansiyel denklemler biçiminde matematik diline çeviren
Maxwell sağlamıştır. Elektromanyetik alanların özelliklerinin özetlenmesi
için belli başlı dört denklem yeterliydi, buna karşılık Maxwell’in
denklemleri bundan çok daha fazlasını başarmıştır. Elektromanyetik
nicelikler birim kutuplar ve birim yükler olarak mutlak terimlerle ifade
olunabilir. Bunlar gerçekte iki ayrı birimler sistemiydi ve aralarındaki
orantı 300.000 km/s lik bir hız olarak saptanmıştı (Bu şaşırtıcı hız, aynı
zamanda ışığın hızıdır). 1873'te açıklanan ve Maxwell’in genellemesinin
temelinde yatan elektromanyetik ışık kuramı optiği de elektrik ve manyetizma
ile birleştirmiş ve daha sonraları Hertz’in
araştırmaları ile ışık dalgalarının salınım durumundaki elektrik yükleri
tarafından ortaya çıkarıldığı kavramına yol açmıştı. Yirminci yüzyılın radyo
ve telsiz gibi araçlarının varlığını da bu kavrama borçluyuz. Buna karşılık termodinamiğin ikinci yasasına göre çok
büyük boyutlarda sıcak ve soğuk bölgeler içeren evrenin enerjisinin zamanla
evrensel bir ılıklığa dönüşmesi kaçınılmazdı. Giderek homojen bir durum alan
bir evren kavramı oldukça ürkütücüydü; çünkü bu kavram, zorunlu olarak
evrenin düşünülenden daha kısa bir süreden beri var olduğu ve bu nedenle
gelecekte de ancak aynı uzunlukta bir süre ile varlığını sürdürebileceği
olasılığını da içeriyordu. Bu karamsar görüş, hayvan ve bitki türlerinin
geçirmiş olduğu evrim için bundan çok daha uzun bir süreyi öngören Darwin'in
Evrim Kuramı ile tam bir çelişki oluşturuyordu.Öte yandan, Güneş'in ısısını
ve ışığını sağlayan nükleer dönüşümlerin içerdiği yeni enerji kaynaklarının
peşine düşülmesini gerektirecek olan fizik devriminin de habercisiydi. Enerjinin korunumunun evrenselliği görüşü o dönemde yani 19. yüzyılın ortalarında fiziğin izlemekte olduğu yolu önemli ölçüde etkilemiştir. O sırada enerji, kimyasal tepkimelerin atomla bağlantılı özelliklerine ilişkin varsayımdan uzak durmanın bir yolu olarak görülmekteydi. Bu noktada şunu da belirtmek gerekir ki 18. yüzyılın sonları ile 19. yüzyılın başlarında hızla gelişen kimya, tüm fizik alanına egemen olmuş durumdaydı. Priestley ve Lavoisier’in akışkanlara ilişkin bulguları gerçekçi (rasyonal ) bir kimyanın ortaya çıkmasına büyük ölçüde katkıda bulundu ve oksitlenmenin canlı organizmaların metabolizması için bir enerji kaynağı oluşturduğu görüşüne yol açtı. Daha sonraları fizikçi ve meteorolog John Dalton bazı gaz tepkimelerinin en iyi biçimde atom hipotezi ile açıklanableceğini ileri sürmüştü. Bu hipotezdeki atomlar temelde Yunanlıların a-tomos kavramından zok farklı değildi; ancak bu kez kesin bir biçimde tanımlanmaşlar ve birbirlerinden farklı özellikler gösterdikleri anlaşılmıştı. Her biri kendi özgül ağırlığına sahip olan bu atomlar, entegral oranlarda birbirleri ile birleşmekteydiler.
Her ne kadar atom kavramı tüm güçlüklere karşın maddenin
ayrılmaz bir bölümü olarak varlığını sürdürecekse de temel parçacıklardan
oluşan atomlara ilişkin çağdaş görüşün yerleşmesi için 19. yüzyılın sonunda
Becquerel, Curie’ler
ve Rutherford’un radyoaktiflikle ilgili
buluşlarının açıklanması gerekecekti. Süreklilik (kesiksizlik) kavramı ile maddenin atomlardan oluştuğu(kesikli, tanecikli yapı) görüşü arasındaki çelişki bir anlamda 17, yüzyılda Descartes ile Newton’un bu konuda düştükleri anlaşmazlığın devamı niteliğindeydi. Aslında bu tartışma günümüzde de sürmektedir; ama konu artık sadece matemaktiksel fizik düzeyinde ele alınır olmuştur.
(Henri Becquerel,1903 Nobel) Işık Hızı ve Newton'da Zaman ve Uzay Kavramı
Faraday' ın ve çağdaşlarının deney sonuçlarından
yola çıkan James Clerk Maxwell (1831-1879),
1865'te kendi adıyla anılan alan denklemlerini açıkladı. Bilim sözlüğüne
"elektromanyetik" terimini sokan odur. Elektrik ve manyetik alanlar,
"elektromanyetik dalgaları " oluşturmaktaydı. Öte yandan, Maxwell
denklemleri, elektromanyetik dalgaların(ışık da bunlardandır) boşluktaki
hızının sabit bir değer olduğunu gösteriyordu. Bu hız, ışığın deneysel
olarak ölçülen hızıyla aynıydı. Yani ışık, elektromanyetik dalgadan başka
bir şey değildi.
Elektromanyetik alanların temel nitelikleri şöyle
sıralanabilir:
1. Elektromanyetik kuvvetler evrensel değildir. Ancak
elektrik yüklü parçacıklar bu kuvvetten etkilenir.
2. Bir elektromanyetik alan, etkileşen parçacıkların
elektrik yüklerinin işaretlerine bağlı olarak itici ya da çekici kuvvetlere
neden olur.
3. Elektromanyetik alanlar da uzun erimlidir. Bu
alanların etkileri de ters kare yasasına bağlı olarak uzak mesafelere kadar
uzanır (Coulomb yasası) Maxwell kuramının en büyük başarılarından biri, kuramın varlığını öngördüğü ışık hızı ile yayılan elektromanyetik dalgaları Henrich Hertz' in 1887' de gözlemesi olmuştu. "Bu buluş sayesinde hem optik gibi geniş ve eski bir konu, elektromanyetik kuramdan türetilebilir olmuş hem de hepimizin yakından bildiği pek çok teknolojik uygulamanın yolu açılmıştır.Fakat hepsinden önemlisi, bu buluşun Maxwell kuramı ile Newton kuramının temeldeki uyuşmazlığını ortaya çıkarmış olmasıdır. Elektromanyetik alanların etkileri uzayda sonlu c ışık hızıyla yayılırlar. Halbuki Newton kuramında kütleçekim alanlarının etkisi anidir. Yani uzayın herhangi bir noktasındaki çekim alanında görülecek bir değişikliğin aynı anda uzayın tüm diğer noktalarında da fark edileceği varsayılmıştır. Newton kuramının zayıf bir tarafını oluşturan bu nitelik, diğer bir deyişle zamanın mutlak bir kavram olarak kabul edilmesinin sonucudur. Aristocu görüşte hem zaman, hem uzay kavramları mutlak kavramlardır. Yani, evrenin merkezi farz edilen yerküresindeki bir gözlemci tarafından ölçülen mesafe ve zaman aralıklarının, evrenin herhangi bir yerindeki başka bir gözlemci tarafından da aynen ölçülebileceği kabullenilmekteydi. Newton kuramında ise uzayın hiçbir noktasına diğer noktalara göre ayrıcalık tanınmamıştır. Dolaysıyla uzay mutlak anlamını yitirmiştir. Ancak zaman henüz mutlak anlamını korumaktadır. Yerküresindeki bir gözlemci tarafından ölçülen zaman aralıklarının evrendeki diğer gözlemciler tarafından da aynen ölçülebileceği kabullenilmektedir.
19. yüzyıl sonunda bile bilim, Newton' la çelişkiye düşmek
suçunu(!) işlemek istemiyordu.
19. yüzyıl fiziğinde diğer önemli gelişme de ısı teorisi ve
enerjinin spekturmdaki dağılışı konusunda gerçekleşmiştir. Daha önce yaygın
olan görüşe göre sıcak bir cismin ısı yitirmesi ile enerjinin büyük bir
bölümü yüksek frekansların dalga boylarında toplanmaktaydı. Bu görüş ısı
yitiminin düzenli bir biçimde gerçekleştiği yolundaki yanılgıdan
kaynaklanmıştı. Isının ancak birbirinden ayrı paketçikler (eylem kuantası)
halinde yitirilebileceğine ve bu nedenle de enerjinin çoğunun düşük
frekanslarda toplanacağığna ilişkin (sonradan kanıtlanacak olan) varsayımı
ilk kez ortaya atan Planck olmuştur. Bu görüş
sadece elektriğin değil, enerjinin kendisinin de kesiksizlik yerine atom
kuramına uyum gösterdiğini ileri sürmekle eşdeğerliydi. Böylece atom kavramı
kesiksizlik (süreklilik) kavramına karşı bir zafer daha kazanmış oluyordu.
Bu aşamada kimyasal tepkimelerin nedeni bilinmeyen etkilerinin (örneğin
atomsal işlevlerin kesikli enerji düzeyleri gibi) günışığına çıkmasını
sağlayan kuantum kuramına giden yolun başına gelinmişti. Bu görüşün son
şeklini alması atomların karakteristikspektral çizgilerinin anlaşılmasına
yönelik bir araştırma sonucunda gerçekleşecekti. Süreklilik yerine belirgin
frekansların varolduğu gerçeği, atomun kedisinin de çok karmaşık ve
parçacıklardan oluşan bir yapıya sahip olduğunu gösteriyordu. Buna karşılık
Balmer’in varmış olduğu bu sonuç ancak 1913'te Bohr’un atom kuramını
açıklamasından sonra anlaşılabilecek ve böylelikle evrendeki tüm diğer atom
spektrumlarının oluşturduğu akıl almaz boyutlardaki karmaşanın
çözümlenmesine giden yolda ilk adım atılmış olacaktı.
Buna karşılık yeni fiziğe ilişkin ilk gerçek ipucu x-
ışınlarının incelenmesinden elde edilmiştir. Röntgen ’in saptamış olduğu
gibi elektrik boşalımlarının ışıltı olgularına yol açtığının anlaşılması
başta uranyum içeren türler olmak üzere bazı mineraller tarafından üretilen
benzer ışıltıların(radyoaktifliğin) varlığının farkedilmesini sağlamıştı.
İlk kez Becquerel tarafından gözlenen bu olgu radyoaktifliğin bulunmasına ve
atomların sonluluğu görüşünün ortaya çıkmasına yol açacaktı. Atomun sonsuz
olmadığının anlaşılması ile varlığının kesin biçimde kabul edilmesinin aynı
zamanda gerçekleşmiş olması ilginç bir raslantıdır. Atomun sonluluğuna
ilişkin açıklama ilk kez Rutherford’dan gelmiş, daha sonra da Bohr
tarafından da doğrulanmıştır. Atomun parçalanması ve kararsızlık ilkesi de
dahil olmak üzere nükleer fizik biliminin tamamı bu kavramdan doğmuştur.
Atomun parçalanabilirliği kavramı fizikte yeni bir çığır açacak ve bunun
nükleer enerjinin kullanımının yanısıra atom bombası biçiminde uygulamaya
dönüştürülmesi insanlığın geleceğini (iyisiyle-kötüsüyle) derinden
etkileyecekti. 19. yüzyılın klasik fiziğinden çağımızın nükleer fiziğine geçişi oluşturan en belirgin aşamaları böylece özetlemiş bulunuyoruz. Fizikte Devrim
Bilim adamları 19. yüzyılın sonunda, fizik hakkında
bilinmesi gerekenlerin çoğunu öğrendiklerine inanıyorlardı. Newton’un
hareket yasaları ve evrensel çekim kuramı,Maxwell’in elektrik ve
manyetizmayı birleştiren kuramsal çalışması, termodinamik yasaları ve
kinetik kuram, pek çok olayı açıklamada oldukça başarılıydı.
" Fizik biliminin görece önemli temel yasalarının hepsi
bulunmuş durumda ve artık o derece sıkı kanıtlandılar ki, yeni buluşların
onları yerinden etmesi son derece uzak bir olasılık. Gelecekte buluşlarımızı
on'un altıncı kuvveti düzeylerinde aramalıyız."
Oysa devrim,bu yazıdan yalnızca iki yıl sonra, 1896'da
patlak verdi:Röntgen’in x-ışınlarını bulmasıyla...
Çok geçmeden, Planck
1900'de kuantum kuramına götüren temel düşünceleri ortaya attı. Einstein
1905'te göz alıcı, özel görelilik kuramını formüle etti. Einstein, o
günlerin heyecanını şu sözcüklerle ifade etti: "Yaşamak
için olağanüstü bir zamandı. ”
IŞIK
BOŞLUKTA YAYILIR MI? Eter var mı
Michelson-Morley Deneyi.
Eterin Yokluğunun Kanıtlanması
Şimdi sıra eterin(esirin) varlığını ispatlamaya gelmişti.
Işığın dalga şeklinde yayıldığı artık belliydi. Ancak bir sorun vardı. Su
dalgaları suda, ses dalgaları havada yayılabiliyordu. Su ve hava maddi
ortamlardı. Peki , ışık dalga olarak hangi ortamda yayılıyordu?
Işığın hızı, o derece büyüktür ki insanlar uzun süre onun
birden bire yayıldığını sandı. Daha 10. yüzyılda Doğu' nun bilgeler bilgesi diye anılan İbni Sina ( 980-1037) ışık hızıyla ses hızının farklı olduğunu belirtiyordu :
" Yıldırımın sesi ile ışığını farklı anlarda algılarız. Önce
ışık görülür, sonra kulağa ses gelir".
Hemen her cismin hızını değiştirmek, artırmak ve azaltmak
mümkün. Mermileri hızlandırmak, uydu çıkışlarını hızlandırmak mümkün. Mermi
yolu üzerine bir kum torbası koyarsanız, torbayı geçen merminin hızı düşer.
Işık, sudan, bir cam levhadan geçerken hızı azalır. Işığın ayrıcalığı var:
Işık, tüm hızlılardan daha hızlıdır; hiçbir sürtünme kuvveti onun hızını
etkilemiyor. Hiçbir cisim, ortam değiştirmede ışık gibi davranamıyor. Bir ışık ışının yolu üzerine cam bir levha koyalım. Cam levhayı geçerken ışığın hızı azalır; ama levhayı geçen ışık ışını yeniden saniyede 300.000 km değerine ulaşır. Işığın boşlukta yayılmasının, diğer bütün hareketlerden farklı temel bir özelliği vardır. Onu hızlandırmak ya da yavaşlatmak mümkün değildir.Bir maddeden geçişi sırasında nasıl bir değişikliğe uğrarsa uğrasın yeniden boşluğa girdiğinde ışık başlangıçtaki hızıyla yayılmaya devam eder.
Ses, daima maddesel bir ortamda yayılır.Ses, içinde
yayıldığı ortamın titreşim hareketini temsil eder. Yayılma hızı ortamın
yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin, ses yolu üzerine madeni bir levha koysak,
levhayı geçerken sesin hızı değişir. Ses, ancak maddi bir ortamda
yayılabilir. Işık ise boşluk tarafından bile durduralamıyor.Bir elektrik
ampulü ile bir zili boşluk elde etmeye yarayan boşluk tulumsbasına bağlı
çansı bir aygıtın altına yerleştirelim ve boşluk tulubasını çalıştıralım.
Zilin çıkardığı ses bize gittikçe zayıflayarak ulaşır ve sonunda kaybolur.
Oysa ampulün yaydığı ışığı devamlı olarak görebilirz. Bu deney açıkça
gösteriyor ki ses, ancak maddi bir ortam içinde yayılabilmekte ışık ise
boşluk tarafından durdurulamamaktadır. Bu birini diğerinden ayıran temel bir farktır.
Esir (eter)
Işığın her doğrultuda saniyede 300.000 km hızla yayıldığı
bir laboratuvar durgun bir laboratuvardır. Ses ile ışığın benzerliğinden
yola çıkan fizikçiler, tıpkı sesin havada yayıldığı gibi, ışığın da esir
denen bir ortamda yayıldığını düşlemişlerdi.Eterin her yerde,hatta boş
uzayda bile bulunduğu varsayıldı ve ışık dalgalarına eter salınımları olarak
bakıldı. Bundan başka,eterin kütlesiz ama rijid bir ortam olmak gibi
alışılmamış özellikleri olmalıydı ve gezgenlerin ve diğer cisimlerin
hareketlerini etkilememeliydi. Cisimler, esir içinde hareket ediyorlar; ama
esiri sürüklemiyorlardı. Sesin atmosfer içindeki yalmasıyla ilgili basit
gözlemimiz olmasa bile havanın özellikleri çeşitli fiziksel ve kimyasal
yöntemerle incelenebilir. Esir ise her türlü gözlemden esrarengiz bir
şekilde kaçıyor ve ışık dışırndaki hiç bid olayda varlığını belirtmiyor!
Havanın yoğunluğ, yapısı, basıncı kolaylıkla saptanabiliyor; oysa esirle
ilgili bilgi edinme çabaları hiçbir sonuç vermiyor. Esir hipotezinrin
yapaylığı ortada.
Ortam, cisimin hareket ettiği ortam harekete karşı bir
direnç gösterir. Bundan dolayı cisimlerin esir içindeki hareket mutlaka bir
sürtünme doğurmalıdır. Buna göre cisimlerin hareketleri gittikçe
yavaşlayacak ve giderek duracaktır. Oysa Dünya, milyonlarca yıldan beri
hızında sürtünmeden dolayı bir eksilme kaydedilmeksizin Güneş' inçevresinde
dönüyor.. Uzay,Eterle mi Dolu?
Doğayı yalnızca el yordamıyla, akıl yürütmelerle kavramamız
olanaklı değil. Artık ilkçağ filozoflarından ileri çağlarda yaşıyoruz. Bir
kuramın değeri üzerine en son sözü deneyler söyler. Öyleyse söz sırasını
deneye verelim. Dünya, bizim düş trenimizin yerine geçebilir. Gerçi şöyle
diyeceksiniz: Trenin hareketi düzgün ve doğrusal bir harekettir. Oysa Dünya'
nın Güneş etrafındaki hareketi ise, yönü her an değişen dairesel
diyebileceğimiz bir harekettir. Buna karşın ışığın laboratuvar aletlerini
katettiği saniyenin oldukça küçük bir bölümü sırasında Dünya' nın düzgün ve
doğrusal bir harekette bulunduğunu kabul edebiliriz. Bundan doğan hata
öylesine önemsizdir ki ölçülmesi bile olanaksızdır.
Dünya' mız saniyede 30 km hızla Güneş etrafında hareket
ediyor. Bu hız, hatırı sayılır bir hızdır ve bize iyi bir laboratuvar
görevi görüyor ( Dünya' nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü saniyede 500
metredir ve biz bunu önemsemiyoruz) 1887' de Michelson çok ustalıklı bir deney düzenledi. Elde edilen sonuç o kadar açıktı ki, önceden tahminh erilenden çok daha küçük bir fark bile ölçülebilecekti. Michelson, hareket halinde olan Dünya üzerinde ışığın bütün yönlerde aynı hızda yayıldığını gösterdi. Bu deney, hareketin göreliliği ilkesinin sadece olağan cisimlerin hareketlire için değil, fakat ışığın yayılması olayları için de doğru olduğunu gösteriyor. Yukarıda gördüğümüz gibi hareketin göreliliği ilkesini hızlanrın göreliliği ilkesine iundirgeyebiliriz. Bir hızın değeri, birbirine göre yer değiştiren iki laboratuvara göre farklı olmalıdır. Oysa ışığın hızı (300. 000 km/ s) daima bütün laboratuvarlar için aynıdır. Yani ışık hızı göreli değildir. Işık hızı mutlak bir hızdır. İlginçti; ışık boşlukta bile yayılabiliyordu. Ama boşluk neydi?Aristo “doğa boşluğu sevmez” dememiş miydi?Bunun üzerine eski yılların esir kavramına geri dönüldü. Esir, uzayı dolduran peltemsi bir şey gibi düşünülüyordu. Esir, kımıldamaz bir uzaydı. Peki esir denen şey gerçekten var mıydı? Işık, esir denen peltemsi ortamda yayılıyorsa, Dünya' nın hareketi çevresinde esir dalgası oluşturacak bu da ışığın hızının değişik doğrultularda farklı hızlarda ilerlemesine yolaçacaktı. Tıpkı bir nehirdeki akıntı yönünde yüzen bir yüzücü ile akıntıya karşı yüzen bir yüzücünün hızlarının farklı olduğu gibi.Öyleyse hareketsiz bir ışık kaynağına hızla yaklaşan bir gözlemci ile aynı ışın kaynağından sabit hızla uzaklaşanh diğer bir gözlemci, kaynaktan çıkan elektromanyetik dalgaların yayılma hızlarını farklı olarak ölçmelidirler(Doppler etkisi). Bunu anlamak üzere Amerakalı iki fizikçi A.A. Michelson(1852-1931)ve E. W. Morley( 1838-1923), 1887' de bir deney düzenlediler. Newton' un işaret ettiği gibi, durgun sudaki geminin hareketini, geminin içinde yapılan mekanik deneylerle anlamak mümkün değildi. Eskiden denizciler bir geminin hızını belirlemek için halata bağlanmış bir kütüğü denize atar; kütüğe bağlı halat üzerindeki düğümlerin açılışına bakarmış. Michelson -Morley Deneyi de böyle bir ilkeye dayalıydı. Onların kütüğü ışık demetiydi. Işık çok yüksek bir hızla ilerler. Işığın esirden ortamdaki hız farkını ortaya çıkarabilmek için hiç olmazsa yüksek hızda hareket eden bir deney sistemi gereklidir. Doğa, bize böyle bir sistem sunmuştur: Dünya. Dünya' mız Güneş çevresindeki yılılk turu sırasında saniyede yaklaşık 32 000 kilometre yol alır. Bu hız, ışığın hızının onda biri kadardı. Varsayım doğruysa, Dünya' nın hareketi yönündeki ışık hızı ile başka yönlerdeki ışık hızı farklı olacaktı. Çünkü Dünya' nın hareketi yönündeki esir 'sıkışık', karşıt yöndeki ise 'seyrek' tir. Öyleyse akıl yürütmeyi sürdürelim. Esir akıntısı yönündeki ışığın hızı saniyede 32 km fazla, akıntıya kaşı gönderilen ışığın hızı ise saniyede 32 km az ölçülmelidir. Aynı ortamda (aynı hızla) yayılan iki ışık demeti, farklı uzunlukta yol katedip yeniden birleştiklerinde ayrı fazlarda olacaklarından girişim düzeni fotoğraf plağında bir dizi karanlık ve aydınlık bant şeklinde ortaya çıkar. Michelson ve Morley, bir ayna düzeniyle ışığın bir kısmını Dünya' nın dönüşü yönünde, diğer kısmını da buna dik doğrultuda gönderdiler. Kaynaklarından eşit uzaklıktaki iki aynadan yansıtılan ışınların kaynaklarla aynı konumda bulunan gözlemcilere ulaşmasını sağladılar.Eğer eter denen ortam varsa Dünya' nın hareketinden kaynaklanan eter sürüklenmesi vardır. Buna göre Dünya' nın hareketi yönünde gönderilen ışığın gidip geldiği süreyle, Dünya' nın hareketine dik yönde gönderilen ışığın gidip geldiği süre farklı olacaktır . Bu fark, esirin sürüklenme hızı ve aynı zamanda Dünya' nın esir içindeki dönme hızı için bir ölçü sayılacaktı. Deney, özenle ve yeterli duyarlılıkta planlanmıştı. Bir çok kere yinelendi ama hep aynı sonuç alındı: Faz farkını ortaya çıkaran bir girişim görülmedi. Yani ışık hızı ile yön arasında bir bağlantı saptanamadı. Yönleri ne olursa olsun ışık ışınlarının hızları değişmiyordu. Dünya' nın esir içindeki hızı, görünürdeki hızı sıfıra eşitti. Bu deney başkalarınca da yinelendi ama sonuç değişmedi. Poincare'nin Atamadığı AdımPoincare'nin Atamadığı Adım
Einstein' in yeni evren anlayışına giriş,
James Clerk Maxwell' in ' esir' kuramının
yıkılmasıyla başlar. Maxwell şöyle diyordu 1865' te: " Işık ve ısı ile
ilgili olaylara göre, tüm uzayı dolduran ve cisimlerin içinden geçen esir
gibi bir ortamın varlığına inanmamız için akla uygun sebepler vardır. Bu
esir, harekete geçirilebir ve hareketi bir kısımdan diğerine aktarılabilir,
bu hareketi bir maddeye intikal ettirerek onu ısıtabilir, ona çeşitli
yollardan etki edebilir." Maxwell, 1879
yılında öldüğü zaman, bir çok fizikçi, şu esir denen ortamın varlığını
bulmak için çırpınıyordu.
Newtonsal uzay-zaman
kavramı ile Maxwell kuramı çelişiyordu. Çözümün Maxwell kuramını
değiştirmekle değil, aksine Newton mekaniğindeki mutlak zaman kavramını
terketmekle bulunacağını ilk farkeden aslında
H. Poincare oldu. Zamanın
büyük Fransız matematikçisi Poincare, mutlak zaman ve mutlak uzay (mekan)
kavramları üzerinde, daha 19. yüzyıl sona ermeden şüpheye düşmüştü. Onun
çarpıcı bir düşsel deneyi vardı: eğer bir gece
herkes uykudayken evrenin boyutları birden bire bin kat artsaydı, bizim için
yine tümüyle aynı evren olurdu.
Neler olduğunu nasıl bilebilirdik? Boyutlardaki bu
farklılaşmayı nasıl ölçebilirdik?
Işığın boşluktaki hızının, ışık kaynağının veya gözlemcinin
hareketli olup olmamasından etkilenmediğini ve sabit olduğunu ileri sürdü.
Aynı zamanda, mutlak hareket diye bir şeyin olduğunı da ileri sürüyordu. Bu,
mutlak harektsizlik de yoktur anlamına geliyordu. Bir tek ışık hızı, neye
göre ölçülürse ölçülsün hep aynı idi. Ama başka her şeyin hızı, neye göre
ölçüldüğüne bağlıydı. Esir Kuramını Kurtarma Çabaları
Michelson-Morley Deneyi, esir kuramına indirilmiş önemli bir
darbeydi. Ama 1893 yılında Dublin' deki Trinity Kollejinde görevli
Fitzgerald , yeni bir öneriyle esir kuramını kurtarmayı denedi.
Bundan ayrı olarak bir başka görüşü de Leiden Üniversitesinden
H.A. Lorentz ortaya attı. Fitzgerald ve
Lorentz' e göre, esir içinde hareket eden cisim hareket yönünde kısalıyordu.
Bu kısalmanın miktarı, cismin hızının ışık hızına yakınlığına bağlıydı. "Lorentz-
Fitzgerald kısalması" denen bu değişme, basit bir matematik formülle
açıklanmıştı. Buna göre, Dünya' nın Güneş çevresindeki hareketi Michelson-Morley
aletinde 200 milyonda bir oranında kısalmaya neden oluyordu. Ne kadar küçük
olursa olsun bu değişme, deneyin neden başarısız olduğunu açıklamaya
yeterdi. Aletteki kısalma, aletin gerçek fiziksel büzülmesi, esirden
geçerken yavaşlayan ışık demetinin hızındaki herhangi bir azalmayı örtecek
düzeydeydi. Lorentz ve Fitzgerald, o an için doğru sonuç veren bir
matematiksel hipotez ortaya attılar; ama bunun başarılı bir açıklamasını
yapamadılar. Yine de katı maddenin hareketten dolayı kısalması
herkesin dikkatini çekti.
1905
DEVRİMİ
Einstein,1905 yılında henüz 26 yaşındaydı. Birden ve harika
bir sona ulaştı... Einstein "atomun varlığı"nı Yeniden Kanıtlıyor: Polenlerin Sıvı İçindeki Dansı Bilindiği gibi John Dalton,19. yüzyılın başında kimyadaki kütlenin korunumu, sabit kütle oranları ve katlı oranlar yasasını temel alarak "atomun varlığını" göstermişti. Ama önyargıların kırılması yüz yılları alıyor çok kere. Yirminci yüzyılın başında bile katı pozitifisit Erns Mach gibi filozof fizikçiler, Ostwald gibi kimyacılar ve bir çok fizikçi " atomun varlığını " kabul etmiyordu.
Einstein, 1905' te Durağan Bir Sıvı İçindeki Asılı
Parçacıkların Moleküler Kinetik Kuram Çerçevesindeki Hareketleri Üzerine
başlıklı bir makale yayınladı. Bu makale, Brown hareketleri üzerineydi.
Gazların ve sıvıların (bu ikisine akışkanlar denir) kinetik kuramını ele
alıyordu. Daha 1827' de İskoçyalı botanikçi Robert
Brown, su içinde asılı haldeki çiçek tozlarının hareketini
mikroskopla izledi. Sıvı durgundu ama çiçek tozları sürekli ve rasgele
olarak hareketini sürdürüyordu..
Einstein, Brown hareketi denen bu fizik yasalarına meydan
okuyuşa eğildi ve sonuçta orjinal bir çözüme ulaştı. Kinetik kurama göre,
sıvıyı oluşturan ve gözle ya da mikroskopla göremediğimiz moleküller hareket
halindeydi ve sıcaklık arttıkça moleküllerin hareketi de artıyordu. 1905
yılında Albert Einstein, bu düzensiz hareketlerin nedenlerini termodinamik
prensipleri kullanarak açıklayan bir kuram geliştirdi. Bugün bu hareketler,
Brown hareketleri olarak adlandırılmaktadır. Einstein bu olayı, çiçek
tozlarına(polenlere), sıvı içinde düzensiz hareket eden "görülmeyen"
moleküllerin çarpmaları sonucunda sürekli düzensiz hareketler yaptıkları
şeklinde açıklamıştır. Bu önemli deney ve Einstein' in görüşü, bilim
adamlarına, moleküllerin hareketlerinin keşfi hakkında çok önemli bilgiler
vermiştir. Böylece bilim adamları, maddenin atomik bileşenleri kavramıyla
tanışmışlardır.
Bir sıvı ya da gazdaki her molekül, sürekli hareket
halindedir. Raslantı sonucu diyelim ki bir moleküle tüm yönlerden çarpan
molekül sayısı aynı olursa molekül hareket edemez. Ama bir yönde çarpan
molekül sayısı fazla olursa çarpılan bir yönde hareket eder. Einstein işte
bu etkiyi tanımlamak çin bir formül ortaya attı. Bu formüle göre, görünen
parçacıkların herhangi bir yöndeki ortalama hareketi, hareketin gözlendiği
sürenin karekökü kadar artıyordu. Eğer parçacıkların bu süre içinde
aldıkları yol ölçülürse, belli miktardaki sıvı veya gazın içindeki
görünmeyen moleküllerin sayısı da hesaplanabilirdi. Einstein, bu yolla bir
gram hidrojen gazının içinde 3.03x 10 üzeri 23 molekül( 0.5 mol) olduğunu
hesapladı
Bu kuram,James Clerk Maxwell (
1831-1879), Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzman
( 1844-1906) ve Amerikalı J. Willard Gibbs
tarafından geliştirilen istatistiksel mekanik üzerineydi. İstatistiksel
mekaniğe göre, hava gibi bir gaz, uçan tenis toplarıyla dolu bir oda gibi
hızlı rasgele hareketlerle zıplayarak birbirinden ayrılan çok sayıda molekül
veya atomlardan oluşmuktadır. Tenis topları duvarlara, birbirlerine ve odada
bulunan şeylere çarpar. Bu model bir gazın özelliklerini taklit eder Fakat
bir gaz aslında, hepsi ortalıkta uçuşan, görülemeyecek kadar küçük atomlar
ve moleküllerden yapılmış olduğunu belirten atomik önerme doğrudan bir
teste tabi tutulamaz görünmektedir.
Atomlar çok küçük olduğu ve çok fazla sayıda oldukları için
atomik önermeyi değerlendirmek zordur. Örneğin son nefesinizde, Julius
Ceasar’ın “Sen de mi Brutus?” derken ölmek üzere aldığı son nefesinin en az
bir atomunu içinize çekmiş olduğunuz kesindir. Bu bilimsel olarak
önemsizdir.Fakat insan nefesinin yaklaşık bir milyon milyar milyar (10 üzeri
24) atom taşıdığı gerçektir. Yeryüzünün tüm atmosferi ile karışsalar da
bunlardan birini içinize çekme şansımız yüksektir.
Kütle ve Enerji
İlişkisi
Çeşitli cisimlere bir hız kazandırmak isteyelim. Bunun için
gereken iş aynı olsa bile gereken zaman farklı olur. Uzayda biri kurşundan,
diğeri tahtadan yapılma aynı geometrik şekil ve büyüklükte iki cisim
düşünelim. Her cisme diyelim ki, saatte 10 km' lik bir hız vermek için
eşit bir iş yapalım. Bu sonucu elde etmek için hangi cisme daha uzun süre iş
yapmalıyız? Elbette kurşundan olana. Böylece deriz ki, kurşunun kütlesi,
tahtanın kütlesinden büyüktür. Bu durumda hız zamanla artmaktadır. Uygulanan
kuvvet(iş) sabit olduğundan, kütle, durgun halinden verilen hıza erişmek
için gerekli zamanla bu istenen hız arasındaki oranla ifade edilir.
Bu, hız artışının sabit kuvvetin uygulanma süresiyle doğru
oranltılı olduğunu öneren hipotezin bir sonucu oluyor. Oysa bu hipotez
hızların bileşimi (toplanabilirliği) ilkesine dayanıyor. Ama bu ilkenin
evrensel bir değeri olmadığını gördük. Anımsayalım: Üzerini ik saniye
süreyle bir kuvvet uyguladığımız cismin hızı nasıl değişir? Cismin birinci
saniye sonundaki hızı, ikinci saniye sırasındaki hız artışına eklenir,
hızların toplanabilrliği ilkesine göre. Ama bu yöntem, ancak ışık hızına
göre çok düşük olan hızlar için geçerlidir. Hız arttıkça, hele ışık hızına
yaklaştıkça bu ilke bütün anlamını yitirir. Hızları görelilik kuramına göre
topladığımızda sonuç, eski bileşim ilkesine göre yapılan hesapla bulduğumuz
sonuçtan daima daha düşüktür. Bundan dolayı, çok büyük hızlar sözkonusu
olduğunda, artık hız, kuvvetin uygulanma süresiyle doğru orantılı olmuyor ve
artış yavaşlıyor. Bunu sınır bir hızın varlığını gözönünde tuttuğumuzda
anlamak güç değildir.
Bir cismin hızı, ışığınkine yaklaştıkça, etkiyen aynı bir
kuvvet için ivme gittikçe azalır ve hız hiçbir zaman sınır hızı aşamaz.
Hızın, kuvvetin uygulanma süresiyle orantılı olaraka arttığı
varsayıldığı sürece kütlenin hızdan bağımsız olduğu söylenebilirdi. Fakat
cismin hızı, ışık hızına yaklaştıkça zaman ve hız arasındaki oran bozulur;
kütle hıza bağımlı olmaya başlar. İvme sınırsız olarak sürebildiği halde,
hız sınır değerini aşamadığı için ktütlehızla birlikte artar ve cismin hızı
ışık hızına yaklaştığı zaman sonsuz derece büyük bir değere ulaşır.
Hesaplar, hareket halindeki bir cismin kütlesinin uzunluğundaki kısalmayla
orantılı olarak arttığını gösteriyor: Saniyede 240. 000 km hızla giden
Einstein Treni' nin kütlesi, durgun kutlesinden 10/ 6 kez daha büyüktür.
Doğal olarak,ışık hızından çok küçük hızlar söz konusu
olduğunda,hızın cisimlerin boyutları üzerine olan etkisini ya da
gözlemcilerin hızlarına bağlı olarak iki olayı birbirlerinden ayıran
süredeki değişmeyi hesaba katmamızı mümkün kılan aynı nedenden dolayı bu
olayı da önemsemeyebiliriz.
Kütlenin hıza olan göreli bağımlılığı deney
deneylerle,örneğin hızlı elektronların hızlarını incelediğimizde doğruluğunu
göstermektedir.
Var olan deneysel koşullarda ışık kadar hızlı elektronlar
elde etmek hiç de olağanüstü bir şey değildir. Özel akselatörlerde
elektronlara ışık hızından sadece saniyede 30.000 km küçük hızlar
verilebilmektedir.
Dolaysıyla,modern fizik çok hızlı bir elektronun kütlesini
dinlenme halindeki bir elektronun kütlesiyle karşılaştırabilecek olanaklara
sahiptir. Denel sonuçlar kütlenin hıza, görelilik kuramının formüllerinin
gösterdiği biçimde bağlı olarak değiştiğini doğrulamaktadır.
(L.Landau- Y. Roumer.İzafiyet Teorisi Nedir?, Çeviren:S.
Gemici Say Yayınları,Istanbul 1996
Yıldızlardan
Gelen Bir İpucu
|