Yazımıza başlamadan önce uyarayım, eğer ilk iki yazıyı okumadıysanız geriye dönerek ilk yazımıza ve ikinci yazımıza buradan ulaşmanızı tavsiye ederim.
İşviçre Bern şehrinde geçim sıkıntılarıyla baş etmeye ve akademik camiada kendine ün sağlamaya çalışan genç bir patent ofisi memuru vardı. Bu genç, kafayı ışığın doğasına takmış vaziyetteydi. Bulduğu her fırsatta araştırmalar ve düşünce deneyleri yapıyor ve ışığın doğasının tam olarak ne olduğunu anlamaya çalışıyordu. Kimden bahsettiğimizi biliyorsunuz elbette.
Albert Einstein
Einstein kendi hayat şartlarını hiçe sayıyor ve her anında eşi Mileva Maric İle araştırma yapmaya ve makale yazmaya, böylece akademik camianın dikkatini çekmeye çalışıyordu. Üniversite yıllarındaki asi kişiliği ona öğretmenleri tarafından arzu ettiği referans imkanlarını sağlamamıştı ve bu sebeple bir üniversite yerine geçimini sağlayabilmek için bir arkadaşının zorla ayarladığı patent ofisinde memurluk yaparak geçiniyordu.
Einstein, Newton‘un teori ve kuramlarını çok iyi biliyordu ve Newton’un ışığı bir parçacık olarak kabul ettiğini de biliyordu. Einstein da Newton gibi ışığın bir parçacık olduğu ve tanecikli bir yapısı olduğu kanaatindeydi. Çünkü yaptığı çalışmalar Thomas Young’ın yapmış olduğu “Çift Yarık” deneyinin bulguları ile tam olarak örtüşmüyordu. Zira “Çift Yarık Deneyi” sonuçları ışığın parçacık değil aslında ses gibi bir dalga olduğunu göstermekteydi. Ancak ışığın dalga olarak kabul edilmesi Einstein bazı deney ve gözlemleri ile uyuşmamaktaydı. Çalışmalarının tamamını ışığın parçacık olduğu düşüncesi üstüne inşa etti. 1921 yılında Nobel Ödülü almasını sağlayan “Fotoelektrik Etki” çalışması ise bunun bir yansımasıydı.
Thomas Young Deneyine göre iki boş çizgiden geçirilen fotonlar arka perdede iki çizgi oluşturmaktansa girişim ve kırınım desenleri oluşturmaktadır ve bu da ışığın bir dalga olduğunun ispatı olarak görülmektedir. Bu arada isteyenler buradan çift yarık deneyi simülasyonuna ulaşabilirler, bilgisayar kullanmanızı tavsiye ederim.
İlerleyen zamanlarda bu deneyler tekrarlandığında ise ışığın ya da elektron ve foton gibi parçacıkların bazı durumlarda çift çizigi -yani parçacık- ve bazı durumlarda birden çok çizgi yani girişim ve kırınım deseni çıkardığı görülmüştür. Bu da aslında ışığın hem dalga hem de parçaçık olduğunun ispatıdır. Burada kısaca şunu belirtmeliyiz, ışığın doğası aslında bu fikirlerin çok daha üstündeydi, Ne Thomas Young ne de Einstein bu konu da tamamen haklıydı. İlerleyen zamanlarda ışığın hem dalga hem de parçacık olduğu ve bu iki özelliğe aynı anda sahip olduğu gerçeği anlaşılacaktı. Bunun anlaşılmasında özellikle Einstein’in yakın arkadaşı Max Planck’ın “Kara Cisim Işıması” teorisi büyük bir etkiye sahipti.
Her neyse bu bölümü uzatmayacağım çünkü ışık için ayrı bir yazı yazmak zorundayım. Işık tüm fizik alanı içerisinde belki de en önemli konudur ve maalesef bu yazıya sığmayacak kadar uzun ve kıymetlidir.
Neydi Bu Özel Görelilik
1905 yılında Einstein 4 çılgın makale yayınlamış ve her biriyle de bilim camiasını sarsmıştı. 1905 yılı Einstein’ın en üretken olduğu ve hayatının geri kalan kısmında bir çok fikrini üstüne bina ettiği temel yılı olmuştur. 1905’te Albert Einstein tarafından Annalen der Physik dergisinde, “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” isimli makalenin ikinci sayfasında açıklanan ve ardından beşinci sayfasındaki “bir cismin atıllığı enerji içeriği ile bağlantılı olabilir mi?” başlıklı makalesinin pekiştirilmesiyle ortaya çıkmıştır.
Teoriye göre bütün varlıklar ve varlığın fizikî olayları izafidir. Zaman, mekan, hareket, birbirlerinden bağımsız değildirler. Aksine bunların hepsi birbirine bağlı izafî olaylardır. Cisim zamanla, zaman cisimle, mekan hareketle, hareket mekanla ve dolayısıyla hepsinin birbiriyle bağlantılı olduğunu düşünür.
Peki Bu Ne Demek?
Artık görelilik sularındayız arkadaşlar. Einstein’e kadar evren 3 boyutlu kabul edilirdi. 3 fiziksel boyut mevcuttu ve zaman faktörü bu 3 boyutun tamamen dışındaydı. Çünkü Newton’dan beri zaman mutlaktı. Evrenin her yerinde zaman için aynı andalık mevcuttu. Yani bu şu demek, Einstein’e kadar evrenin bir hız sınırı olduğu düşünülmemekteydi. Zaman mutlaktı ve her gözlemci için ve her uzaklık için aynı zaman mevcut idi. Yani Mars‘taki Perseverance Roverına gönderdiğiniz bir sinyal 15 dk sonra değil hemen Marsa ulaşabilir ya da şu an Mars’ın 15 dk önce ki halini değil şu an ki halini görüyor olmamız gerekirdi. (Nasıl yani şu an Mars’ın 15 dk önceki halini mi görüyoruz? EVET, Alın size izafiyet)
Ancak Einstein, Evrenin bir hızı sınırının olduğunu ve bu sınırın ışık hızı olduğunu ortaya koydu. Bu da şu anlama geliyordu, evrende hiç bir şey ışık hızından daha hızlı iletilemez, daha hızlı paylaşılamaz ve görülemezdi. Dahası Einstein bunu sadece ışık için söylemiyordu, kütlesiz tüm parçacıklar için aynı şeyi söylüyordu. Kütlesiz tüm parçacıkların ışık hızıyla hareket ettiğini ortaya koyuyordu.
Kütle=Enerji / Enerji=Kütle
Nihayet Einstein evrenin en önemli sırlarından birini ortaya çıkardı. Demokritos her ne kadar ispat edemese de onun zamanından beri maddenin yapı taşı olarak gözle görülemeyen bir parçacık denizi içerisinde yaşadığımız ve bu parçacıkların kendi türlerine has gruplar oluşturarak varlığı meydana getirdiği düşünülmekteydi. Neyse ki taramalı tünelleme mikroskobu çıktı ve neyin ne olduğu anlaşıldı. Öğrendik ki her şey atom denen parçacıklardan meydana geliyor imiş. (Bugün atomlardan milyonlarca kat daha küçük parçacıkların varlığını biliyoruz, bir kısmını bulduk, bir kısmını ise aramaya devam ediyoruz.)
İşte bu atom dediğimiz parçacıkların yapılan deney ve incelemeler sonucunda çok ama çok muazzam oranlarda bir enerji içerdiği gerçeği ortaya çıktı. İşte o zaman Einstein şunu fark etti. Eğer atomlar bu enerjiyi içeriyorsa o halde maddenin tamamı, dağ, taş, insan, yıldız, uçak fark etmeksizin her şey bu muazzam gücü barındırıyor olmalıydı çünkü her şey atomlardan oluşuyordu. İşte o zaman Einstein Dünya‘yı sarsacak meşhur formülü yani E=mc2 formülünü buldu. Aslında formülün ilk hali c2/m=E şeklinde idi. Aslında bir önemi yoktu çünkü madde enerjiydi ve enerji de madde idi.
İşte bu formül sayesinde bugün Nükleer santrallerde enerji üretiminden tutun, bir yıldızın nükleer füzyon sonrası ömrünü ne zaman tamamlayacağına, ya da bir gram uranyumdan ne kadar elektirik üretileceğine ya da Hiroşima ve Nagazike’ye atılacak bir nükleer bombanın kaç kilotonluk bir patlama etkisi yaratacağına kadar her şeyi hesaplamaya ve bunları icra etmeye yarıyordu.
Hadi Biraz Hesap Yapalım
E=Enerji, m=mass yani kütle ve c2 ise ışık hızının karesini ifade eder. Enerji ve kütleyi anladık ama bu ışık hızının karesi nedir? Sonuçta ışıktan hızlı bir şey yok, bu durumda ışığı kendinden hızlı bir değere çıkarmanın anlamı nedir ki diye düşünebilirsiniz. Ama aslında bu sadece bir dönüşüm fonksiyonudur. E=mc2 formülü bize bir maddeden elde edilecek enerji müktarını “Joule” türünden ifade etmeye yarar.
Joule bir enerji birimidir tıpkı km ya da kg gibi standart bir SI birimidir. 10 metreyi cm’ye çevirirken nasıl 10 üzeri 3 yani 1000 cm dönüşümünü kullanıyorsak maddeden çıkan enerjiyi Joule çevirirken de c2 sabitini kullanıyoruz. Yoksa c2 için öyle garip senaryolar yazmaya gerek yok.
Aşağıdaki hesabı boş boş takıldığım bir gün yapmıştım. Biliyorsunuz ki insan vücudu da bir madde ve dolayısıyla bir kütledir. 70 kiloluk bir insan vücudu eğer kayıpsız bir şekilde enerjiye dönüştürülebilseydi şöyle bir hesap ve sonuç ile karşılaşacaktık. Hadi beraber hesaplayalım. Neydi formül? E=mc2 formülünü kullanarak yazmaya çalışalım.
70kg x 299792458 x 299792458= 629128625115772300 joule eder sonucumuz. Şimdi bu joule birimi olan miktarı watt cinsinden terrawatt şeklinde yazarsak bu da 1747,5 tw/h yapar. Türkiye’nin 2017 yılı enerji tüketimi 0,29 tw/h. Gördüğünüz gibi elde devasa bir enerji miktarı mevcut. Tabi bu o kadar kolay bir iş değil. Amaç burada sadece bir örnekleme yapmaktı. İnsan vücudunu enerjiye dönüştürmek ürkünç geldiyse 70 kiloluk bir kaya parçası da düşünebilirsiniz ya da uranyum, hiç fark etmez. Peki o zaman neden nükleer santrallerde uranyum yerine insan vücudu ya da kaya kullanılmıyor. Çünkü uranyum gibi kararsız, ağır ve atom numarası yüksek bir atomu parçalamak çok ama çok daha kolay.
Nükleer Fisyon (Füzyon ile karıştırmayın lütfen) ile ilgili ileride bir yazı yazacağım. Ama şimdilik uranyum gibi atom numarası daha büyük atomların parçalanmaya ve enerji elde etmeye daha müsait olduklarını bilin yeter.
Minkowski Uzayı
Zaman ancak hareketle, cisim hareketle, hareket cisimle vardır. O halde; cisim, hareket ve zamandan birinin diğerine bir önceliği ya da üstünlüğü yoktur. Bu ifadeler Einstein’ın kendisine aittir. Buna göre evren “Minkowski Uzayın”da olduğu gibi 3 değil 4 boyutlu olmalıdır. 3 boyutun yanına 4. olarak zaman da bir boyut şeklinde eklenmelidir. Çünkü boyutlar zamandan bağımsız düşünülemez.
Lütfen gözlerinizi kapatın ve benimle birlikte hayal edin. Dört duvarı camdan yapılmış 3 metre küplük bir odamız var. Bu odanın içinde uçan bir kuş mevcut. Sinan YAVUZ, yani ben odanın dışından cam duvarların ardından kuşu gözlemliyorum. Tam bu esnada siz de telefon ile beni arayarak kuşun odanın tam olarak neresinde olduğu gibi saçma bir soru soruyorsunuz. Ben de işsizim ya size x,y ve z koordinatlarında kuşun bulunduğu konumu söylüyorum. Kuş x=150cm y=150 cm ve z= 250 cm noktasında diye koordinat vererek kuşun tam olarak bulunduğu konumu veriyorum. Peki sizce bu anlatımda bir sorun yok mu? Evet en önemli sorunun cevabı eksik. Kuş ne zaman x=150 y=150 ve z=250 koordinatlarında idi ve şu anda hangi koordinatlarda. Gördüğünüz gibi zaman bilgisini vermeden koordinat bilgisi vermek bir şey ifade etmiyor. Çünkü zaman da evrenin yapısal olarak bağlı olduğu bir boyuttur. İşte bu sebeple Einstein: “Zaman ancak hareketle, cisim hareketle, hareket cisimle vardır. O halde; cisim, hareket ve zamandan birinin diğerine bir önceliği yoktur.” ifadelerini kullanır.
Görelilik Bunun Neresinde?
İşte Einstein bu teori ile uzay-zaman yapısının 4 boyutlu bir yapı olduğunu ortaya koydu ve bu yapı içindeki en yüksek hız ışık hızı idi. Işık hızı sınırlı idi. Işık hızı sınırlı olduğu için de zaman her yerde aynı anda olamazdı. Ve şu prensipler ortaya çıktı.
- Cisimler hızlandıkça zaman cisim için daha yavaş akmaya başlayacaktır, ışık hızına ulaşıldığında zaman durmalıdır.
- Cisimler hızlandıkça kütlelerinin bir kısmı kinetik enerjiye dönüşür, durağan kütleye sahip cisimler hiçbir zaman ışık hızına erişemeyeceklerdir.
- Cisimler hızlandıkça hareket doğrultusundaki boyları kısalmaya uğrayacaktır.
- Hiçbir cisim ışık hızından hızlı gidemez.
Özel görelilik teoremi, uzaklığın ve zamanın gözlemciye bağlı olarak değişebileceğini ifade ederek Newton’ın mutlak uzay-zaman kavramını anlamsızlaştırır. Uzay ve zaman gözlemciye bağlı olarak farklı algılanabilir. Ama Einstein’ın da tıpkı Newton‘un Merkür sorunu gibi koca bir sorunu vardı. Einstein’ın bu formüllerinin hepsi eylemsizlik koşullarında geçerliydi. Eylemsizlikten daha önce bahsettik. Ancak Evren her zaman eylemsiz değildi doğada ivmeli hareket de vardı ve Einstein’ın bu formülü Eylemsizlik durumlarında çalışmaktaydı. Zaten bu sebeple teori hep “Özel Görelilik” diye anıldı çünkü genel ve kapsamlı bir çözüm ve yaklaşım ortaya koyamıyordu sadece belli ve özel bir durumda (eylemsizlik) anlamlıydı. Bu durum Einstein’ı deli ediyordu. Doğru soru şuydu hani Newton‘un sürekli sorduğu ama bir türlü cevap bulamadığı. “Gezegenlerin arasında görünmez halat gibi olup onları bir birine bağlayan şey nedir?” Bu sorunun cevabı tam 10 yıl sonra 1915 yılında bulunacak ve yer yerinden oynayacaktı.
Devam edecek…
Bu yazı Astraphysic.com sitesine ait özgün bir içeriktir ve bu sebeple mülkiyeti yazara ve temsil ettiği siteye aittir. Astraphysic.com ve yazar Sinan YAVUZ referans gösterilmek koşuluyla kullanımına izin verilmiştir. Yazar: Sinan YAVUZ
