Genel Görelilik Teorisi Nedir? Modern Fizikte Kütleçekimi, Neden Newton'un Teorisi ile Değil de İzafiyet Teorisi ile Açıklanır?

Genel Görelilik Teorisi (veya kısaca Genel Görelilik), Albert Einstein tarafından 1915 yılında geliştirilen geometrik bir kütleçekimi teorisidir ve modern fizik çerçevesinde kütleçekiminin nasıl çalıştığını açıkladığı kabul edilen teoridir. Bu hâliyle, okullardan aşina olunan Newton'un Kütleçekim Teorisi'nin gücünü ve kapsamını geliştirerek, bu eski teorinin yerini aldığı söylenebilir.

Genel Görelilik Teorisi, daha önceden izah ettiğimiz Özel Görelilik Teorisi'nin detaylarını genelleştirdiği için bu isme sahiptir. Teorinin özünde gösterdiği şey, uzay-zaman dokusunun kıvrımlarının, Evren'i oluşturan bu dokunun herhangi bir bölgesinde bulunan kütle ve enerji miktarıyla doğrudan ilişkili olduğudur. Bu ilişki, bir grup kısmî diferansiyel denklemden oluşan Einstein'ın Alan Denklemleri ile tarif edilir.

Genel göreliliğin özellikle de zamanın akışı, uzayın geometrisi, serbest düşme hâlindeki cisimlerin hareketi ve ışığın yayılımı ile ilişkili öngörüleri, kendisinden önce gelen klasik fiziğin öngörülerinden köklü bir şekilde farklıdır. Örneğin Genel Görelilik Teorisi; büyük kütleli cisimler etrafında zamanın daha yavaş aktığını (kütleçekimsel zaman genişlemesi), büyük kütleli cisimler etrafında ışığın rota değiştirebildiğini (kütleçekimsel lensleme), ışığın kütleçekimine bağlı olarak kırmızıya kayabildiğini, uzay-zaman dokusundaki büyük kütleli cisimler arası etkileşimlerin kütleçekim dalgaları yaratabildiğini ve uzay-zaman dokusunda "kara delik" adını verdiğimiz tekilliklerin var olduğunu öngörmektedir - ve bu öngörülerin her biri (ve çok daha fazlası), deneysel ve gözlemsel olarak tekrar tekrar doğrulanmıştır.

Genel Görelilik Teorisi'nin tam olarak neyi konu edindiğini ve öngörülerine nasıl ulaştığını anlayabilmek için, kütleçekiminin ne olduğunu hatırlayarak başlamamız gerekiyor.

Kütleçekim Nedir?

Günlük hayatta kütleçekiminin var olduğunu cisimlerin yere düşmesinden biliriz ve bunu genelde "yer çekimi" olarak adlandırırız. Son derece sezgisel ve normal olan bu olgu, bizi Dünya'nın merkezinde bir kuvvetin var olduğunu ve ayırt etmeksizin bütün cisimleri çektiğini düşünmeye iter.

Einstein ve Newton'a geçmeden önce, eskiden insanların yerçekimi ile ilgili düşüncelerine bir göz atalım: Aristoteles gibi Antik Çağ düşünürleri, cisimlerin her zaman "ait olmaları gereken yere" doğru hareket etme eğiliminde olduğunu iddia etmiştir. Örneğin ateş yakıldığı zaman yukarı doğru yükselmesinin nedeni, ateşin doğal konumunun aslında "yukarı" olması gerektiği düşüncesiyle açıklanırdı. Ağır cisimlerin yere düşmesinin nedeni ise, onların ait oldukları yerin Evren'in merkezi olduğu şeklinde ifade edilirdi. O zamanki inanca göre Dünya, Evren'in merkezinde olduğu için, hâliyle cisimler de Dünya'ya, yani Evren'in merkezine doğru hareket etmekteydi.

Aristoteles'e göre, sabit hızla hareket eden bir cismin hareketini sürdürebilmesi için bir kuvvete gereksinim vardı. Kuvvet olmadan cisimler önünde sonunda duracaktı. Fakat Galileo, bunun böyle olmadığını, cisimlerin hareketine devam etmesi için bir kuvvete gerek duyulmadığını kanıtladı. Newton, klasik mekaniğini dayandırdığı 3 hareket yasasından birincisi olan Eylemsizlik Yasası'nda bunu açıklamayı başardı ve Galileo'ya atıfta bulundu.

Yine Aristoteles, cisimlerin kütlesine bağlı olarak yere farklı hızlarda ve bu nedenle farklı sürelerde düşmesi gerektiğine inanıyordu. Örneğin ağır bir cisimle daha hafif olan bir cisim aynı anda yere bırakıldığı zaman ağır cisim önce düşmeliydi. Fakat bu görüş de İtalyan astronom Galileo Galilei tarafından geçersiz kılındı. Kimi kaynağa göre gerçekten yaptığı, kimisine göre de yapıp yapmadığı şüpheli olan ünlü Pisa Kulesi Deneyi'nde, Galileo'nun Pisa Kulesi'ne çıkıp 2 farklı kütleye sahip cismi bırakarak düşüşünü gözlemlediği rivayet edilir. Deneyin sonunda 2 cisim de yere aynı anda çarpmıştır. Daha sonradan bu deney, NASA astronotu David Scott tarafından Ay üzerinde tekrar edilmiş ve hava sürtünmesi olmayan ortamda çekiç ve tüyün aynı anda düştüğü gösterilmiştir:

Her ne kadar deneyin gerçekten yapılıp yapılmadığı tartışmaya açık olsa da Galileo, aynı hizadan bırakılan cisimlerin, kütleleri ne olursa olsun yere aynı anda düşeceğini biliyordu. Hatta cisimlerin ivmelenme hızlarını da hesaplamayı başararak kısaca şöyle formüle etmişti: "Yere düşen cisimlerin kat ettiği mesafeler, geçen zamanın karesine eşit oranda artar."

Cisimlerin ivmelenme hızını çok iyi bir şekilde formüle eden İtalyan astronom, ivmelenmeye yahut cisimlerin yere düşmesine neden olan bir "yer çekiminin" varlığını kabul ediyordu fakat bu olguya sebep olanın aslında ne olduğu hakkında bir fikre sahip değildi.

Kütleçekimin ne olduğunu daha iyi anlamak için buradaki yazımızı okuyabilirsiniz.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Newton ve Kütleçekimi Teorisi

Galileo'nun ölüm yılı olan 1643 yılında dünyaya gelen Sir Isaac Newton, Galileo ve öncekilerinin yapamadığını, Kütleçekimi Teorisi'ni ortaya atarak yapmış ve fizik alanında adeta bir devrim yaratmıştır. Sonraki 200 yıl boyunca bilim camiasında Newton'un teorisi, Evren'in fiziksel gerçekliğinin bir ifadesi olarak kabul görmüştü.

Newton'a göre kütleçekimi kuvveti, 2 cismin sahip olduğu kütlelerine doğru orantılı olarak artarken, aralarındaki mesafenin karesine ters orantılı olarak değişmektedir. Örneğin Ay, Dünya'dan 2 kat uzak olsaydı, Dünya'nın Ay üzerindeki kütleçekimi kuvveti 1/4 oranında azalacaktı. Öte yandan kütleçekimi, cisimlerin kütleleriyle doğru orantılı olarak arttığı için, 2 cisimden birisinin kütlesi 2 katına çıktığı takdirde, aralarındaki kütleçekimi de 2 kat artacaktır. 2 cismin kütlesi birden 2 katına çıktığı takdirde, kütleçekimi kuvveti 4 kat artacaktır.

Böylece, ilk defa kütleçekimi teorisi matematiksel olarak formüle edilmiş, Newton tarafından bilimsel bir nitelik kazandırılmıştı. Ancak hâlâ daha çözülemeyen sorunlar vardı: Örneğin, kütleçekimi kuvvetine sebep olan şey neydi? Uzay boşluğunda ve anında cisim üzerine etki eden bir kuvvet miydi? Newton'a göre 1. sorunun cevabı bilinmiyordu. Hatta Principia adlı eserinde, kütleçekimine gerçekte neyin sebep olduğunu bilmediğinden bahsetmiş; fakat bunun pek de önemli olmadığını, çünkü ortaya attığı Kütleçekimi Teorisi'nin başarılı bir şekilde gezegenlerin dönüşünü açıkladığını belirtmiştir.

Kütleçekiminin belli bir mesafeden anında etki ettiği fikri ise Newton tarafından kabul görmüştür. Buna göre, Güneş eğer şu an aniden ortadan kalksa, Dünya ve diğer gezegenler etkisini hemen hisseder, yörüngelerinden aniden saparak uzayın derinliklerine doğru yol alırdı. Kütleçekiminin mesafe fark etmeksizin eş zamanlı olarak etki etmesi nedeniyle gezegenler, kütleçekimi yokluğunun etkisine de aniden tepki verecektir.

Bir diğer önemli sorun ise, 2 cisim arasındaki kütleçekimi kuvvetinin boşlukta, yani bir ortam olmadan da etki edebilmesiydi. Günlük hayatımızda bir cisme bir kuvvet uygulamak için onunla temas kurmamız gerektiğini biliriz. Kütleçekimi kuvveti ise, 2 cisim arasında belirli bir uzaklıktan, temas kurmadan etki ediyor görünüyordu. Bu durum Newton'u pek tatmin etmemiş olacak ki bir cismin diğeri üzerine mesafe tanımaksızın kuvvet uygulayabilmesine ilişkin şöyle demiştir:

Kütleçekiminin kendiliğinden, yaratılıştan var olması ve madde için zorunlu olması gerektiği; böylece bir cismin, hiçbir ortamın olmadığı bir boşluktan diğerine uzaktan etki edebilmesi fikri, benim için o kadar anlamsız ki, felsefi konularda yetkin olan, üstün düşünme yetisine sahip hiç kimsenin bu konunun altından kalkabileceğine inanmıyorum.

Genel Göreliliğe Giden Yol: Einstein'ın "En Mutlu Düşüncesi"

Genel Görelilik Teorisi henüz geliştirilmemişken ve 1905 yılında ileri sürdüğü Özel Görelilik Teorisi'nin yarattığı devrim hâlen etkilerini sürdürürken, 1907 yılında Einstein, İsviçre'deki Patent Ofisi'nde çalışıyordu ve boş kalan zamanlarında "düşünce deneyi" denen zihin egzersizleri yapıyordu. Yine bu düşünce deneylerini yaptığı sırada, yere doğru düşen bir asansörü göz önüne getirdi (iddiaya göre aklına bu fikir, ofisinin karşısındaki yüksek bir binanın inşaatında çalışan işçilerin kullandığı asansörü izlerken gelmiştir). Einstein'a göre, düşen asansörün içinde olan biri, kendi ağırlığını hissetmeyecekti. Çünkü asansöre etki eden hiçbir kuvvet yoktu ve serbest düşüş halinde olduğu için, içindeki kişi de serbest düşüş halinde olacak ve böylece ağırlıksız hissedecekti.

The Curious Astronomer

Bu durumu çok kısa bir süre de olsa yaşayabiliriz. Asansörün hareket etmesi için düğmeye bastığımızda yukarıya doğru çıkmaya başlar ve kalkış esnasında geçici olarak fazladan bir ağırlık hissederiz. Tam tersi durum, asansör ineceğimiz katta durunca yaşanır: Asansörün durma esnasında, çok kısa bir süreliğine bir hafiflik hissederiz. Çünkü alttan uygulanan fazladan itme kuvveti artık son bulmuştur.

Asansör düşerkense, üzerine etki eden hiçbir kuvvet olmadığından, içindeki kişi de ağırlıksız hissedecek ve ayakları yerden kesilecektir. Hatta cebinden bir madeni para çıkarıp da havaya fırlatsa bile para asansörün zeminine düşmeyecek, havada kendisiyle birlikte yüzer halde görünecektir.

Eşitlik Prensibi Nedir?

Einstein, bundan yola çıkarak ve daha da ileri giderek, "bir cismin (örneğin asansörün) ivmelenmesi" ve "bir cismin kütleçekimi etkisi altında olma" durumunun sadece benzer durumlar olmadığını, tıpatıp aynı fiziksel durum olduğunu ileri sürdü. Eşitlik Prensibi adı verilen bu olguya göre, ivmelenmenin gerçekleştiği hareket halinin ve herhangi bir kütleçekimi etkisinin altında bulunan birisi, bu 2 durum arasındaki farkı ayırt edemez. Sadece bu da değil: Bu kişinin inşa edebileceği tek bir fizik deneyi yoktur ki, ivmelenme (örneğin serbest düşme) ile kütleçekimi etkisi altında olmayı ayırt kesin bir şekilde ayırt edebilsin.

Örneğin, Dünya üzerindeki birisinin hissettiği kütleçekimi kuvveti, hızlanma halindeki bir roketin içinde bulunan birisinin hissettiği alttan itme kuvvetiyle nitelik ve nicelik olarak birebir aynıdır. Roketin içinde bulunan bu gözlemci Dünya'daki kütleçekimi kuvvetine eş bir kuvvet hissettiği için, dışarıyı gözlemleyemediği sürece Dünya üzerinde mi yoksa hızlanan bir roketin içinde mi bulunduğuna karar veremez.

Kütleçekimine Yeni Bir Bakış: Bükülü Uzay-Zaman

1915 yılında yayımladığı makaleyle Genel Görelilik Teorisi'ni bilim camiasına tanıtan Einstein, daha önce hiç bahsedilmeyen bir olgudan söz ediyordu: Sanılanın aksine, kütleçekimi diye bir kuvvet yoktu. Gerçekte, kütleçekimi olarak nitelendirdiğimiz olaya sebep olan, uzay-zaman dokusunda meydana gelen geometrik bir bükülmeydi. Uzayda bulunan kütleler, etrafındaki uzay-zaman dokusunu bükerek, eğri bir ortam oluşturuyordu. Dolayısıyla o eğri ortamda hareket etmeye çalışan cisimlerin yönü, ister istemez değişiyordu. Bunu bir örnekle açıklayalım:

Curious Astro

Yukarıda düzleme aktarılmış bir dünya haritası görüyorsunuz. Birisinin seyahat amacıyla uçakla Ithaca'dan Roma'ya gitmek istediğini düşünelim. Bu uçağın düz bir yol izleyerek Roma'ya varacağını düşünebiliriz. Aslına bakılırsa, Ithaca'dan hareket eden bir uçak, eğer dümdüz bir rota izlerse varacağı yer Roma değil, mavi okun gösterdiği Batı Afrika'da bir yer olacaktır. Dünya küre olduğu için, gezegenin kavisli geometrisini hesaba katmayacak şekilde düzleme aktarılan bir haritada, 3 boyutlu Dünya'da iki nokta arasındaki düz rotalar eğri görülecektir (mavi ok gibi). Eğer gerçekten düz bir çizginin 2 boyutlu düzlemde de düz bir çizgi olmasını (veya en azından buna en yakın geometri olmasını) istiyorsak, yaygın kullanılan ve yukarıda da gösterilen Mercator Projeksiyonu yerine, Gnomonik Projeksiyon türü bir Dünya haritası kullanmamız gerekirdi:

Agora Bilim Pazarı

ENERJİ AYT KİMYA 20 DENEME SINAVI

(12.SINIF 1.DÖNEM KONULARINI İÇERİR.)

Devamını Göster

₺280.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Ancak bu tür bir projeksiyon kullanmıyorsak, 2 boyutlu olan bir canlı, 3. boyuttaki kavisli bir yol olan 2 nokta arasındaki en kısa mesafeyi 2. boyutta meydana gelen eğri (düz olmayan) yollar olarak algılayacaktır. Bu durumu daha da sağlamlaştırmak adına, bir örnek daha verelim:

Pittsburgh Üniversitesi

Farz edelim ki 4 ayrı gözlemci ekvatordan başlayıp Kuzey Kutbu'na doğru bir yolculuğa çıksın (yukarıdaki görseldeki oklar tam tersi yöndeki hareketi göstermektedir). Kutba doğru ilerledikleri sırada, gözlemcilerin aralarındaki mesafe gittikçe birbirine yaklaşır ve kutup noktasında yolları kesişir. Bu kişilerin üzerine etki eden, onların kutuplara yaklaştıkça birbirlerine yaklaşmalarına neden olan hiçbir kuvvet yoktur; sadece yürüdükleri dokunun geometrik şeklinden ötürü birbirlerine yaklaşırlar. Benzer şekilde, sonrasında tekrar ekvatora doğru yol alırlarsa, aralarındaki mesafe yine artarak başladıkları konuma geri döner. Burada da, onları birbirinden uzaklaştıran hiçbir kuvvet yoktur; sadece Dünya'nın geometrik şekli, sanki kişileri birbirine yaklaştıran ve uzaklaştıran bir kuvvet varmış gibi bir izlenime sebep olmaktadır.

3. boyut algısı olan bizler, yürüyüş yapan bu kişilerin kutup ve ekvator arasındaki en kısa mesafeyi kat ederek yaptıkları yolculuğun, Dünya'nın yuvarlak olmasından dolayı kavisli bir rota çizdiğini görürüz (uzaydan bakılması halinde). Yani bizden, gözlemcilerin yaptığı yolculuğun bir rotasının çıkartılması istense, yukarıdaki resmi göstermemiz uygun olurdu. Fakat 2 boyut içinde yaşayan, derinlik-yükseklik algısından yoksun birisi için aynı şeyi söyleyemeyiz. Aşağıdaki görselde de sadece 2 boyut algısına sahip birisi için yukarıdaki gözlemcilerin yaptığı yolculuğun nasıl gözükmesi gerektiğini inceleyelim:

Pittsburgh Üniversitesi

Yukarıdaki görselde ortada çizgilerin kesiştiği yer kutup noktasıdır. Kutup noktasında duran 2 boyutlu bir gözlemci, 3 boyutlu bir küre üzerinde 2 nokta arasındaki (Ekvator-Kuzey Kutbu) en kısa mesafeyi 3. boyut algısı olmadığı için düz olmayan eğri bir yol olarak algılayacaktır. Hâlbuki ekvatordan kutuplara yolculuk yapan ve tekrar geri dönen gözlemciler dümdüz bir yol izlemiştir.

Einstein da uzay-zaman bükülmesi denilince tam olarak bundan bahseder. Bir cismin etrafında yarattığı uzay zaman bükülmesinde, 2 nokta arasında en kısa mesafe artık düz bir yol değil; daha ziyade kavisli bir yol olup 2 nokta arasındaki en kısa mesafedir. Bu geometriye Riemann Geometrisi denir ve bu eğri jeodezik eğri olarak adlandırılır.

Aralarında Mesafe Olan İki Cisim Arasında Etkiyen "Kütleçekimi" Kuvveti

Yukarıda da bahsettiğimiz üzere, "kuvvet" olarak tanımladığımız, cisimleri birbirine çeken şey, aslında uzaydaki cisimlerin yarattığı uzay-zaman bükülmesinin bir sonucudur. Ağırlığı fazla olan bir cisim (örneğin Güneş), uzay-zamanda daha çok bükülmeye yol açacağından, ağırlığı az olan çevresindeki cisimler (gezegenler) Güneş'in uzay-zamanda oluşturduğu bükülü bir geometride hareket eder.

Burada, Evren'in dokusuyla ilgili bir farkındalığa erişiyoruz: Tüm bu anlatımlardan görüleceği üzere uzay-zaman, Newton'un sandığı gibi mutlak ve değişmez bir sahne değildir; kendisi de bir şekle ve niteliğe sahip bir ortamdır. Newton'un bahsettiği "boşluk" olan bir uzayda, ortam olmadan etki eden kütleçekimi kuvvetinin ne olduğu sorusu, uzay-zamanın aslında kendi başına bir varlık olup, onunda bükülüp değişebileceği gerçeğinden sonra açıklığa kavuşmaktadır. Böylelikle uzay-zamanda meydana gelen kütleçekimi kuvvetini ileten dalgalar da yayılabilmektedir - ve bu dalgaların hızı, ışık hızıyla sınırlıdır.

Maxwell'in kısmi diferansiyel denklemleri üzerine çalışan Einstein, hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceği sonucunun çıktığını biliyordu. Bu durumda Newton'un varsayım olarak kabul ettiği kütleçekimi kuvvetinin mesafe fark etmeksizin anında etki etmesi görüşünün artık yanlış olduğu ortaya çıkmış oldu. Hiçbir şey evrendeki hız limiti olan ışık hızından hızlı yol kat edemeyeceği için, kütleçekimi kuvveti de belli bir hıza sahip olmalıydı. İşte bu hız, ışık hızına eşittir.

Bunun çok ilginç sonuçları vardır: Şu anda 3. seviye intergalaktik bir medeniyet, Güneş'imizi ve sadece Güneş'imizi bir anda yok etseydi, Dünyalılar olarak biz, 8 dakika 20 saniye boyunca hiçbir şey fark etmezdik. Bu 8 dakika 20 saniye, Güneş'ten çıkan ışık ışınlarının Dünya'ya ulaşması için gereken süreye eşittir. Yani Güneş yok olmadan hemen önce yola çıkan fotonlar, Güneş yok olduktan sonra da 8 dakika 20 saniye boyunca Dünya'ya ulaşmaya devam ederdi. Daha önemlisi Dünya, sanki Güneş halen oradaymış gibi eliptik yörüngesinde dönmeye devam ederdi! Çünkü Güneş yok olduğu anda, uzay-zaman dokusunda bir çalkalanma olurdu ve bu çalkalanma, bir kütleçekim dalgası olarak dışarı doğru yayılırdı. Bizim Güneş'in yok olduğunu fark etmemiz tam 8 dakika 20 saniye sürerdi.

Daha uzakta bu etki daha da geç hissedilirdi. Örneğin Plüton'un bunu fark etmesi ve dolayısıyla eliptik yörüngesinden çıkması tam 5.5 saat sürerdi! Yani 5.5 saat boyunca sanki Güneş'in kütleçekimi halen oradaymış gibi yörünge hareketine devam ederdi. Oort Bulutu'nun en iç kısımlarındaki cisimlerin Güneş'in yok olduğunu fark etmesi 11.5 gün, en dış kısımlarının bunu fark etmesi 1.5 yıl sürerdi - ve Güneş'in bir anda yok olmasından kaynaklı büyük kütleçekimsel dalgalanmadan yayılan dalgalar, tıpkı suya atılan bir kayanın yaratacağı dalgalar gibi, dışarı doğru giderek sönümlenerek yayılırdı.

Örneğin LIGO gibi interferometrelerde yaptığımız, yüz milyonlarca ışık yılı uzaktaki karadelik birleşmelerinden falan gelen aşırı sönümlenmiş bu kütleçekim dalgalarını tespit etmektir. Çünkü dalgalar yayıldıkça zayıflar; ama büyüklükleri, teorik olarak asla sıfıra inmez. Çok hassas aletlerle bu dalgaları ölçmek mümkündür. 2015 yılında tespit edilen dalgalar, 1.3 milyar ışık yılı uzaktan gelen kütleçekim dalgalarıydı!

Genel Görelilik Teorisi'nin Öngörüleri

Kütleçekimin Işığın Yolunu Saptırması

Einstein'ın 1915 yılında yayımladığı Genel Görelilik Teorisi'nin öngörülerinden biri, büyük bir cismin oluşturduğu kütleçekimi kuvveti (uzay-zaman bükülmesi) nedeniyle bu cismin yakınına yaklaşan ışığın yolunun sapacağı, diğer bir deyişle büküleceğidir. 1919 yılında İngiliz astronom Arthur Eddington, Einstein'in görelilik teorisini kanıtlamak amacıyla giriştiği ünlü Güneş tutulması gözleminde, tıpkı Einstein'in tahmin ettiği gibi büyük bir kütleye sahip Güneş'in çevresinde oluşturduğu uzay-zaman bükülmesi sayesinde arka planda kalan yıldızlardan gelen ışığın Güneş'in oluşturduğu bükülü uzaydan geçerken gerçekten de yolunun değiştiğini gözlemlemiştir. Bu gözlem, Genel Görelilik Teorisi'ni kanıtladığı için çok kısa sürede Einstein'ın bir üne kavuşmasına sebep olmuştur.

Işığın yolunun nasıl değiştiğini daha iyi anlamak için yukarıda bahsettiğimiz eşitlik prensibinden yararlanacağız. Az önce Eşitlik Prensibi hakkında şöyle demiştik: Güneş veya Dünya gibi kütleçekimi kuvveti uygulayan bir cismin üzerinde bulunan birisi ile ivmelenen bir roketin içinde bulunan birisinin hissettikleri kütleçekimi kuvveti aslında aynıdır. Bu da demek oluyor ki, hızlanan bir referans çerçevesi ve kütleçekimine sahip bir referans çerçevesi birbirlerinden ayırt edilemez.

Şimdi bu durumu, ışık açısından değerlendirelim. Farz edelim ki bir roketin sol tarafındaki bir delikten içeriye yatay bir şekilde el feneri tutuluyor. Bir an için bu roketin hızlanarak kalktığını düşünelim. Roket yukarı doğru bir hareket sergilediği için, roketin sol tarafından tutulan ışık, roketin durağan olması durumunda sağ tarafındaki karşılık gelen noktaya yansımayacaktır. Onun yerine sol taraftan giren ışık, roketin yukarı doğru bir hareketi sonucunda karşı tarafta daha aşağı bir yere yansıyacaktır. Bunu, aşağıda görebiliriz:

The Curious Astronomer

Buradan bir çıkarım yaparak şöyle söyleyebiliriz: Eşitlik ilkesine göre hızlanan bir referans çerçevesi ile kütleçekimi alanı birbirine denktir. Eğer ışığın bir kütleçekimi alanında yolunu değiştirmesi (bükülmesi) söz konusuysa, aynı şekilde hızlanan bir referans çerçevesinde de ışığın yolu değişmelidir. Nitekim yukarıda tam da bundan bahsettik.

Kütleçekimsel Zaman Genişlemesi

Kütleçekimi etkisi altında bulunan zamanın normalden daha da yavaş aktığı çıkarımı Einstein'ın, hızlanan referans çerçevesinde zamanın daha yavaş akması gerektiğini öne sürdüğü Özel Görelilik Teorisi'nin bir sonucudur. Bu durumda yine eşitlik prensibinden yola çıkılarak, hızlanan bir referans çerçevesinde zaman daha yavaş akıyorsa, kütleçekim alanında bulunan zamanın da bu yolla yavaş akması gerektiği sonucuna varılır.

Örneğin, Dünya'nın çekirdeği, Dünya'nın kütleçekimi merkezine çok yakın olduğu için daha büyük bir kütleçekimi kuvveti hisseder. Kütleçekimi kuvvetine daha fazla maruz kalan cisimler için zamanın daha yavaş geçmesi gerektiği düşünülürse, bu durumda çekirdeğin Dünya yüzeyinden daha genç olmasını bekleriz. Nitekim yapılan hesaplamalarla, Dünya'nın 4.5 milyar yıllık yaşı göz önüne alındığı zaman, çekirdeğin Dünya yüzeyinden 2.5 yıl daha genç kaldığı ortaya çıkmıştır.

1971 yılında Amerikalı iki bilim insanı Joseph Hafele ve Richard Keating tarafından yapılan bir deneyde ise, kütleçekimsel zaman genişlemesinin doğruluğu kanıtlanmıştır. Birbiriyle senkronize olan 4 sezyum atom saati, Dünya'nın çevresini 2 kez dolaşacak olan ticari jet uçaklarına konur. Bu saatler belli bir süre uçurulup, Washington’da bulunan gözlemevindeki saatlerle kıyaslandığında, tam da Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi'ne uygun bir şekilde uçuş sırasında daha hızlı çalıştığı kanıtlanmıştır. Bu sonuç ise, kütleçekimi alanına daha yakın bir cisim için zamanın daha yavaş geçtiği öngörüsünü doğrular niteliktedir.

Merkür'ün Yörünge Devinimi

Newton'un kütleçekimi teorisinin açıklayamadığı durumlardan birisi Merkür'ün hesaplanan yörüngesindeki tutarsızlıktı. 1859 yılında Fransız matematikçi ve astronom Urbain Le Verrier, Merkür'ün Güneş etrafındaki yörüngesinde yaptığı yavaş devinimin sadece gezegenlerin kütleçekimi etkisiyle ve Newton'un teorisi ile açıklanamayacağını söyledi.

Normalde gezegenler, Güneş etrafındaki 1 tam dönüşünü tamamladıktan sonra başladığı yere gelmeleri gerekir. Fakat Merkür'ün yörüngesi gözlemlendiği zaman bu gezegen 1 tam dönüşünden sonra başladığı yere gelmiyor; çok az bir miktar ilerliyordu. (Aşağıdaki videoda Merkür'ün Güneş etrafındaki yörüngesinin zaman içinde ilerlemesini temsili olarak görebilirsiniz.) Sonradan diğer gezegenlerde de gözlenen bu durumun Merkür ile anılmasının nedeni, Merkür'ün diğerlerine göre daha fazla yörünge devinimi gerçekleştirmesiydi.

Urbain Le Verrier bu durumu açıklayabilmek için, Güneş'e Merkür'den daha yakın onuncu bir gezegenin varlığını ortaya attı. Verrier'e göre bu 10. gezegenin varlığı, Merkür'ün Güneş etrafındaki yörüngesine etki ediyor ve Merkür'ün yörünge devinimine yol açıyordu. Bu açıklamanın kabul edilmesinin nedeni aynı durumun Uranüs'ün yörüngesinde de gözlemlenmesiydi.

19. yüzyılın başlarında henüz Neptün'ün varlığı bilinmezken, Verrier dahil bazı astronomlar Uranüs'ün hareketinin, tabletlerde tutulan yörünge kayıtlarıyla uyuşmadığını fark ettiler. Newton'un teorisi o güne kadar kusursuz bir şekilde gezegenlerin hareketlerini açıklıyordu. Fakat Uranüs için bu durum geçerli değildi. Bu olayı açıklamak için ise 8. bir gezegenin varlığını ortaya atarak Uranüs'ün yörünge ilerlemesini açıklamaya çalıştılar. Nitekim çok geçmeden Neptün'ün varlığı keşfedildi ve Uranüs'ün yörüngesindeki tutarsızlık açıklanmış oldu. Böylelikle Newton'un kütleçekimi teorisi bir süre daha geçerliliğini korumaya devam etti.

Fakat Merkür için aynı durum söz konusu değildi. Diğer tüm gezegenlerin kütleçekimi etkisi hesaba katılsa dahi yörünge devinimi açıklanamıyordu. 20. yüzyılın başlarında, Einstein Genel Görelilik Teorisi'nden yola çıkarak kütle çekiminin aslında bir uzay-zaman bükülmesinden ibaret olduğunu söylemesiyle durum değişmişti. Einstein’ın eşitliklerinden çıkan sonuçlarla Merkür'de dâhil gezegenlerin yörünge devinimi artık açıklanabiliyordu.

Merkür yörüngesinde her yüzyılda 42,98 yay saniyelik bir sapma gösteriyordu. Yani her yüzyılda Merkür, 1 derecenin 42/3600'ü kadar yörüngesinde ilerleme kaydediyordu. Venüs için bu değer yüzyılda 8,62 yay saniye, Dünya için 3,84 ve Mars için 1,35 yay saniyedir.

Sonuç

İşte bu örnekler ve bunun gibi sayılabilecek diğer onlarca deney, Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi'nin elimizdeki en geçerli kütleçekim teorisi olmasına neden olmuş, Newton'un Kütleçekim Teorisi'nin yerini almıştır. Elbette, ışık hızından çok yavaş veya bir yıldız veya karadelikten çok hafif kütlelerin etrafındaki fiziksel olayları incelerken, Newton Fiziği (Klasik Fizik) bize hâlen harika bir yakınsama vermektedir - ve bu nedenle köprülerimiz, arabalarımız, binalarımız, uçaklarımız ve daha nice teknolojimiz, Newton fiziği ile inşa edilmeye devam etmektedir.

Bir diğer deyişle, Einstein'ın Kütleçekim Teorisi olan genel göreliliğin bize katacağı isabetlilik oranı, araba veya uçak gibi araçlar için dikkate değer bir fark yaratmamaktadır. Öte yandan, GPS uyduları gibi Dünya yörüngesinde çok yüksek hızlarda dönen ve dolayısıyla bu hız farkının relativistik etkilerinden etkilenen (ve işi, çok hassas tespitlerde bulunmak olan) cihazlar, Görelilik Teorisi gözetilerek inşa edilmek zorundadır.

Tüm bunlara rağmen, Genel Görelilik Teorisi'nin eksik bir teori olduğu kesindir. Zira Görelilik Teorisi, kendisi kadar çok sayıda deneyle ispatlanmış bir diğer fizik teorisi olan Kuantum Mekaniği ile uyumsuz çalışmaktadır. Bu ikisini birbirine uydurabilecek olan yöntemin Her Şeyin Teorisi olması beklenmektedir. Bugüne kadar, bu teoriyi ikna edici bir şekilde ortaya koyabilen ve Kuantum Mekaniği ile Görelilik Teorisi'ni tek bir noktada buluşturabilen hiç kimse olmamıştır.

doi: 10.47023/ea.bilim.7669