Görelilikler

Bir durumun veya olayın göreli oluşu, o olayın kişiden kişiye farklı deneyimlenebileceğini, ölçülebileceğini ve yorumlanabileceğini belirtir. Bu duruma basitçe en güzel örnek “6” sayısına yukarıdan ve aşağıdan bakan iki farklı insanın sayıyı “6” ve “9” olarak görmesidir. Aslında her iki kişi de kendi referans çerçevesine göre gayet haklıdır. Burada belirtilen referans çerçevesi (veya bazen noktası), olayın gözlendiği ve ifade edildiği alan olarak tanımlanmaktadır.

Bilim insanları da uzun yıllar süren gözlemleri ve çalışmaları sonucunda evrende meydana gelen pek çok olayın (insan iç güdülerine göre mantıksız olmasına rağmen) göreli olduğunu bulmuştur. Bu görelilikler anlaşılmadan önce “evrenin insan iç güdülerine göre çalışmak zorunda olmadığı” anlaşılmalıdır. Bir bilim insanı evrende meydana gelen bir olayı gözlemlediğinde ve açıkladığında bu evrende meydana geldiği şekliyle olmalıdır. Yani olay bilim insanı aracılığıyla insani düşünceler tarafından değiştirilmemelidir. Bu duruma en güzel örnek Heisenberg Belirsizlik İlkesi karşısında Einstein’ın “Tanrı zar atmaz.” sözüne karşılık Bohr’un “Tanrı’ya ne yapması gerektiğini söylemeyi bırakınız.” ifadesidir.

Bilim insanlarının keşfettiği ilk göreli durum belki de hareketin göreli oluşudur. Örneğin bir topu bir metre yükseğe atıp tuttuğumuzda topun aldığı toplam yol herkes için iki metre olmak zorunda mıdır? İnsanlar geçmiş dönemde bu soruya bariz bir evet cevabı vermekten çekinmiyordu. Çünkü iki metre denilen uzaklık her yerde iki metreydi değil mi? Sorunun çözümü aslında olaya farklı referans çerçevelerinden bakıldığında elde edildi. Örneğin Dünya’da yer seviyesinde bulunan bir “a” gözlemcisinin ve Dünya’yı uzaydan (yeterli bir uzaklıktan) aşırı gelişmiş bir sistemle izleyen bir “b” gözlemcisinin varlığı durumunda sorunun cevabı açıkça gözüküyordu. A gözlemcisi topu yerden bir metre yukarıya attığında ve top eline geri düştüğünde alınan toplam yol hiç şüphesiz iki metreydi. Ancak duruma b gözlemcisinin bakış açısından bakıldığında sonuç aynı çıkmıyordu. Varsayılsın ki a gözlemcisinin attığı top tüm hareketini bir saniyede tamamlıyor. Dünya’nın Güneş etrafında ortalama yörünge hızı ise 30 km/s. Dolayısıyla b gözlemcisinin bakış açısından top a gözlemcisinin elinden çıkıp geri eline düşene kadar (yani bir saniyelik süreçte) Dünya uzayda 30 kilometrelik bir mesafe kat edecektir. Yani (eğer topun yükselmesi ve düşmesi yarım saniyelik eşit periyotlardaysa) b gözlemcisi için top yüksekliği bir metre ve tabanı 30 kilometre olan bir ikizkenar üçgenin ikizkenarları büyüklüğünce bir yol alacaktır. Basit bir Pisagor teoremi hesabıyla b gözlemcisi için topun aldığı yolun a gözlemcisi için topun aldığı yoldan daha büyük olduğu ve dolayısıyla hareketin göreli olduğu gözlenebilir. (basitçe)

Albert Einstein (1879-1955), 1905 ve 1915 yıllarında yayımladığı çalışmalarıyla tıpkı hareket kavramında olduğu gibi insanların mutlak olduğunu düşündüğü çok önemli bir kavramın da göreli olduğunu göstermiştir. Bu, zamandır. Bir saniye gerçekten herkes için bir saniye midir? Bir kişi tamamen aynı özellikteki birinden daha yavaş yaşlanamaz mı? Einstein bu önemli sorulara çözüm önerisi sunmak amacıyla bazı düşünce deneyleri gerçekleştirmiştir. Düşünce deneyi, yapılması teknolojik açıdan zor veya maliyetli deneylerin hayal gücü yardımıyla gerçekleştirilmesi ve sonuçlarının tahmin edilmesi yoluyla yapılan deneysel çalışmadır.

Einstein, 1905 yılında yayımladığı Özel Görelilik Teorisi için kendine iki temel varsayım belirlemiştir. Bunlardan birincisi evrenin her yerinde fizik yasalarının aynı olduğu ve ikincisi ışık hızının evrenin her yerinde sabit ve saniyede yaklaşık 300 bin kilometre değerinde olduğudur. Bu varsayımlar doğrultusunda yapılan düşünce deneyi, aslında oldukça hareketin göreliliği kısmında yapılanla benzeşmektedir. Bu deneyde tavanında bir ayna ve tabanında bir lazer verici bulunan çok yüksek hızlarda seyredebilen bir tren bulunur. Trenin dışı içinin görülebilmesi amacıyla şeffaftır. A gözlemcisi trenin içinde ve b gözlemcisi trenin dışında bulunmaktadır. Trenin yüksekliği yeterli h olarak kabul edildiğinde (tren ışık hızına yakın hızlarda seyahat ederken) lazer açıldığında a gözlemcisi için ışık 2h kadar yol almış olur. Çünkü ışık tabandan tavana (h) ve tavandan tabana (h) yol kat etmiştir. Fakat durum b gözlemcisinin bakış açısından değerlendirildiğinde farklıdır. Işık, (tıpkı topun yaptığı gibi) yeterli h yüksekliğine ulaşırken ve geri dönerken bir zaman harcayacaktır (örneğin “t” saniye). Harcanan bu zamanda tren de yüksek hızından dolayı belli bir mesafe ilerlemiş olur (eğer trenin hızı “v m/s” ise vt metre). Böylece ışık, yüksekliği h olan bir ikizkenar üçgenin ikiz kenarları büyüklüğünce yol kat etmiş gibi gözükecektir (eğer ikizkenarlardan birine “d” dersek toplam “2d” kadar). Bu durumda yine Pisagor Teoremi kullanarak d’nin h’den büyük olacağını dolayısıyla 2d>2h ifadesinin de sağlanacağını görebiliriz. Fizikte alınan toplam yolun hız ile geçen zamanın çarpımıyla bulunabileceği bilinen bir gerçektir (yani x=vt). Bu durumda ışığın hızı sabit “c” harfi ile gösterilirse ışığın a gözlemcisi için 2h’lık yolu kat etme süresi “2h=ct_a” ile hesaplanabilir. Aynı mantıkta ışığın b gözlemcisi için 2d’lik yolu kat etme süresi de “2d=ct_b” olur. Burada c değerleri (ışığın hızı hep aynı kaldığı için) sabit olduğundan ve 2d>2h olduğundan t_a1 saniyede alacak ve kronometre yavaşlamış gibi gözükecektir (çünkü kronometre her bir saniye yerine daha büyük aralıklarla sayacına +1 değer koyacaktır). Eşdeğerlik ilkesi gereği ivmeli hareket varlığında zaman yavaşlıyorsa kütleçekim kuvveti varlığında da zaman yavaşlamalıdır. Dolayısıyla büyük kütlelerin varlığında zaman boş uzaydakinden daha yavaş akmaktadır. Ünlü bilimkurgu filmlerinden biri olan İnterstellar’da zamanın kara delik etrafında yavaşlaması da bu teori nedeniyle gerçekleşmektedir. Sonraları atom saatleriyle yapılan deneyler de teorinin ön gördüklerini kanıtlar niteliktedir. (Basitçe)

Zamana dair bir başka görelilik ise eş zamanların göreliliğidir. Evrende meydana gelen bir “x” olayı herkes için tam olarak aynı anda meydana gelmek zorunda mıdır? Bu sorunun cevabını vermek için yapılan düşünce deneyinde kenarlarında özdeş ışık kaynakları ve ortasında bir ışık dedektörü bulunan bir platform kullanılmaktadır. Işık kaynaklarının dedektöre eşit mesafede olduğu ve deneyin vakum ortamında yapıldığı kabul edilmektedir. Işık dedektörü bir bombaya bağlıdır ve ışıklar dedektöre aynı anda çarparsa bomba patlamayacaktır (farklı zamanlarda çarparsa patlayacaktır). Platformun üzerinde bir a gözlemcisi ve dışarıda bir b gözlemcisinin bulunduğu durumda (platform yüksek hızda hareket ederken) ışıklar açılırsa bomba patlar mı patlamaz mı? A gözlemcisinin bakış açısından her şey yolunda gözükmektedir. Çünkü bağıl hız kavramı gereği platform a gözlemcisine göre durmaktadır. Bu durumda ışıklar açıldığında ışınlar (ışık hızı sabit olduğu için) tam olarak aynı anda dedektöre ulaşır ve bomba patlamaz. Fakat b gözlemcisinin bakış açısından sonuç değişkenlik göstermektedir. Örneğin platform b gözlemcisine göre sağa doğru ışık hızına yakın yüksek hızlarda ilerliyorsa sağ tarafta bulunan lambanın ışığı dedektöre soldakine göre daha erken varacaktır. Çünkü ışınlar kaynaklardan çıktığı anda (ışınlar dedektöre ulaşana kadar geçen süreçte) dedektör sağa doğru gideceği için sağdaki ışık avantajlı konuma geçer ve bomba patlar. Bu durumda bombanın patlamaması (ve paradoksun çözülmesi) için b gözlemcisinin bakış açısından soldaki kaynak daha önce ışık yaymalıdır. Ancak a gözlemcisi için iki kaynak da aynı anda ışın yayar. Bu durum eş zamanların dahi göreli olabileceğini ve insanların “mutlak” sandığı pek çok şeyin aslında öyle olmadığını bizlere göstermektedir. (basitçe)

Bilim insanları yapılan daha pek çok çalışmayla kütlenin göreliliği, uzunluğun göreliliği, kırmızıya kayma gibi pek çok farklı türde göreli olay tespit etmiştir. Bu olaylar sayesinde güncel teknoloji önemli ölçüde gelişmiş ve evrene olan anlayışımız derinleşmiştir.

* Bağıl hız da aslında görelilikle ilişkili olan ve hareketli cisimlerin kendi hareketini deneyimlerken kullandığı bir kavramdır. Örneğin iki hareketli düz bir yolda aynı yöne aynı hızla gidiyorsa birbirlerini duruyor olarak görecektir (tıpkı yolda aynı hızda giden iki aracın birbirine duruyormuş gibi gözükmesi gibi). Çünkü bağıl hızları 0’dır. Bağıl hız kavramı gereği hareketini değerlendiren hareketli kendini duruyormuş gibi algılar. Örneğin arabadaki bir gözlemci x hızında giden aracını duruyormuş gibi düşünür. Onun yerine altındaki yol hızının tersi yönünde x hızında gitmektedir. Veya karşıdan birbirine doğru x’er kilometre hızla gelen arabalardan biri kendini duruyormuş gibi düşünür. Onun yerine karşıdaki araç 2x hızla kendisine doğru gelmektedir. Diğer araç içinse tam tersi geçerlidir. Son olarak aynı yöne x ve 2x hızlarıyla giden araçlardan x hızlıyla gideni kendini duruyormuş ve diğer aracı x hızıyla kendisinden uzaklaşıyormuş gibi görecektir.