Einstein ve Dünyayı Değiştiren Denklem >>Genel görelilik teorisi 100 yaşında

Einstein genel görelilik teorisini 100 yıl önce bu ay geliştirdi. Ben de dünyayı değiştiren denklemin anısına Kasım ayında size üç ayrı Einstein yazısı hazırlayacağım ve önce görelilik teorisinden başlıyorum. Fizik bilimini görsel sanatlar ve sıradan bir insanın inişli çıkışlı hayatıyla birleştiren dünyanın en büyük keşif öyküsünü okumaya hazır mısınız?

E = mc²

Ünlü teorik fizikçi Michio Kaku tarafından Evren’in trafik polisi olarak adlandırılan Albert Einstein, 20. yüzyılın başlarında uzayda hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceğini gösterdi ve aynı zamanda maddenin enerjiye enerjinin de maddeye dönüşebildiğini kanıtlayarak atom çağını başlattı.

Einstein 1905-1915 yıllarında görelilik teorisini geliştirdi. Böylece Dünya’nın Güneş ve Güneş’in de Samanyolu Galaksisi’nin merkezindeki süper kütleli kara deliğin çevresinde dönmesini sağlayan kütleçekim kuvvetini en kapsamlı şekilde açıkladı.

 

 

Kesin bilgi

İster yörüngedeki uydularla yapılan lazer ışını testleri olsun ister parçacık hızlandırıcılardaki yüksek enerjili proton testleri, görelilik teorisi o günden bugüne yapılan tüm deneylerde defalarca kanıtlanarak geçerliliğini korudu.

Ancak Einstein, Amerikalıların deyişiyle “Hayattan daha büyük bir şahsiyet” ve erişilmez bir bilim insanı olarak tanınmadan önce herkes gibi hayalleri olan sıradan bir araştırmacıydı.

 

 

Neden kimse beni anlamıyor?

Nitekim 1944 yılında New York Times’a verdiği demeçte şöyle demişti: “Neden kimse beni anlamıyor ama herkes beni seviyor?” Oysa Einstein’dan esinlenerek fiziğe atıldığını her fırsatta belirten Kaku’nun söylediği gibi bu çelişkiye, yani insanların Einstein’a hem hayranlıkla hem de şaşkınlıkla bakmasına yine onun kendi sözleri yol açıyordu.

Einstein bir gün “Tanrı’nın düşüncelerini bilmek istiyorum” demişti, “Gerisi detaydır”. Öte yandan, Evren’in fiziksel sırrını belki de sadece 2 santimetre uzunluğundaki E=mc² gibi kısa ve basit bir denklemle ifade etmek isteyen Einstein bir gün şunu da söylemişti:

“Kütleçekim insanların aşık olmasından sorumlu değildir.” Öyleyse kimdi Einstein? Nasıl düşünüyor ve nasıl hayal ediyordu? Görelilik teorisiyle sağduyunun kabullerini yıkarak Evren’in sırlarını nasıl aydınlattı?

 

 

Bilimsel dehanın peşinde

Bilim tarihçilerine göre işin püf noktası deneyler ve gözlemlerle test edilen akıl yürütmeyi hayal gücüyle birleştirmekte yatıyor. Bilimsel deha işte bu kavşakta ortaya çıkıyor, ama Einstein’ın keşiflerinin asıl sırrı onun sıra dışı hayal gücünde yatıyor.

Modern fiziğin kurucuları arasında sayılan Einstein’ın ölümünün ardından, nörologlar fizikçinin beynini uzun yıllar boyunca araştırdı ve etik açıdan tartışmalı sayılabilecek incelemelere tabi tuttu.

Patolog Thomas Harvey’in yıllarca sakladığı Einstein’ın beyni üzerinde birçok teori üretildi ve beyin kabuğundaki sinir ağlarının Einstein’ın normal insanlardan çok daha zeki olmasını sağladığı öne sürüldü.

 

 

Eınsteın’ın beyni

Bununla birlikte New York Pace Üniversitesi’nden Dr. Terence Hines, Einstein’ın beyninin diğer insanlardan daha zeki olmasını sağlayan hiçbir fiziksel özelliği olmadığını söyledi. Hines’a göre insan zekasını beyin kabuğunun kıvrımlarına indirgemek nöroloji temelli yeni bir tür ırkçılığı ve ayrımcılığı beraberinde getirebilirdi.

Ancak Harvard Üniversitesi’nden Profesör Gerald James Holton, Einstein’ı Einstein yapan şeyin ne olduğunu bulduğu kanısında: Görselleştirme, yani görsel hayal gücü. Einstein matematik formüllerini gözünde canlandırmayı seviyor, her şeyi görselleştiriyordu.

“Hayal gücü bilgiden daha önemlidir. Bilgi sınırlıdır, hayal gücü ise dünyayı kuşatır.” Albert eınsteın, 26 Ekim 1929.

 

 

Resimlerle düşünüyordu

Örneğin çocukken babası ona bir pusula hediye ettiğinde geceler boyu oturup kuzeyi gösteren ibreyi izlemiş ve daha sonra tanıdıklarına bu deneyimin onu heyecanlandırarak tüylerini diken diken ettiğini söylemişti.

Einstein, bir kağıdın üstüne koyduğu çubuk mıknatısın üzerine demir tozu serperek görünmez manyetik alan çizgilerini göstermeyi başaran ve sanata yatkınlığı sayesinde bunların kusursuza yakın resimlerini çizen İngiliz bilim insanı Michael Faraday’dan sonra gelen en büyük görsel dehalardan biriydi.

Dil çıkardığı popüler fotoğrafıyla çocuklara da ilham kaynağı olan ve sanki bu tavrıyla yetişkinlere hayatı fazla ciddiye almamayı öğütleyen Einstein gerçek dehasını yerçekiminin sırrını çözerek gösterdi. Ancak, Stephen Hawking’in aynı adı taşıyan kitabında anlattığı gibi o da “kendinden önce gelen devlerin omuzlarında yükselmişti”.

Einstein görsel olarak düşünüyor, formüllerin karşılık geldiği geometriyi gözünde canlandırıyordu. Görelilik teorisini de evren’in kumaşı olan uzay–zaman dokusunu hayal ederek geliştirdi.

 

 

Meraklı çocuk

Einstein 1884 yılında beş yaşında bir çocukken pusulanın iğnesini oynatan görünmez kuvveti hayranlıkla izliyordu. Merakını gidermek amacıyla İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell’in geliştirdiği denklemleri incelemeye başladı.

Maxwell’in sade denklemlerini gözden geçirdiğinde, bir radyasyon türü olan ışığa elektromanyetik kuvvetin ürettiği güç alanlarındaki salınımların yol açtığını gördü.

Maxwell’in denkleminde ışık hızının evrensel bir sabit olduğu gösteriliyordu, yani elektromanyetik bir radyasyon türü olan görülebilir ışığın hareketi gözlemciden bağımsızdı. Einstein’ın özel görelilik teorisinin temeli işte bu bağlantıyla atıldı: Genç fizikçi, “Bir ışık ışınının sırtına binseydim dünya nasıl görünürdü?” diye sordu.

 

 

Işığa binen adam

Bu soruyu yanıtlamak için bir insanın saatte 100 km hızla giden bir otomobilde yolculuk ettiği ve arabanın önüne doğru saatte 50 km hızla bir top attığı varsayılabilir.

Bu durumda yolda yanından geçen arabaya bakan biri için araba ile topun hızları birbirine eklenecek ve deneye konu olan top, yol kenarındaki seyircilerin yanından saatte 150 km hızla geçip gidecektir. Aynı şekilde bir kişi saatte 80 km hızla gidiyor ve arkaya doğru saatte 60 km hızla bir top atıyorsa, topun hızı yol kenarında bekleyen gözlemci için 80 — 60 = saatte 20 km olacaktır.

 

 

Görelilik neye göre? Işığa göre!

Bunlar Einstein’ın Galileo ve Newton’dan öğrendiği hareket kanunlarıydı. Peki ya uzay gemisinde ışık hızının üçte biriyle, yani saniyede 100 bin km hızla yol alan bir astronot söz konusu olduğunda durum değişir miydi?

Bu astronot öne doğru saniyede 300 bin km hızla giden bir ışık ışını yollasa, örneğin önüne bir el feneri tutsa ışığın toplam hızı geminin yanından hızla geçtiği sabit bir uzay yolcusuna göre saniyede 400 bin km mi olurdu?

 

Fotonun Güneş Sistemi’nde yolculuğu

 

Sağduyuya aykırı ama gerçek

Einstein’ın sağduyusu öne tutulan el fenerinin ışığının saniyede 400 bin km ve arkaya tutulan el fenerinin ışığının saniyede 200 bin km hızla gideceğini söylüyordu ama bu bir paradokstu.

Ya ışığın hızı Maxwell’in elektromanyetik kuvvet denklemlerinin söylediği gibi sabitti ya da ışığın hızı Newton’ın belirttiği gibi el fenerinin hızına ve yönüne göre artıyor ya da azalıyordu.

Evren’in sağduyuya aykırı olsa da bir mantığı olması gerektiğini düşünen Einstein, bu noktada en can alıcı soruyu sordu: Işık hızının peşinden koşarsam ışığı yakalayabilir miyim?

 

 

Fotonla yarışmak

Einstein ışık hızını yakalayabilseydi Newton haklı çıkacaktı ama bunun bir bedeli vardı. Zamanın ve uzayın mutlak olması durumunda, elektromanyetik kuvvetin doğasını açıklayan kusursuz Maxwell denklemlerinin yanlış olduğu ortaya çıkacaktı.

Yok Maxwell haklıysa ve Newton yanılıyorsa bu kez de ışık hızının boşlukta neden sabit olduğunu ve neden ışık hızının el fenerinin hızına göre değişmediğini gösteren bir formül geliştirmek gerekiyordu. Einstein özel görelilik teorisini bu çelişkiyi çözmek için geliştirdi ve sorduğu sorunun cevabının hayır olduğunu öğrendi.

 

 

Kimse ışığı yakalayamaz

Çünkü kimse ışıktan hızlı gidemezdi: Einstein deney ve gözlemlere baktığında ışık hızının sabit olduğunu görüyordu:

1860’larda Amerikalı fizikçi Albert Michelson ile kimyacı Edward Morley, uzaktaki bir yıldızdan Dünya’ya gelen ışığın hızını saniyede 300 bin km olarak ölçmüştü ve bu hız hiç değişmiyordu.

Dünya’nın Güneş çevresindeki 1 yıllık turu sırasında Güneş’e yakınlaşması ya da uzaklaşması da ışık hızını değiştirmiyordu. Dünya Güneş’e yakın da olsa uzak da olsa Güneş ışığı hep aynı sürede Dünya’ya ulaşıyordu.

 

 

Neden ışık hızı boşlukta sabit?

Işık hızının herkes için sabit olmasının Evren açısından çok önemli bir sonucu vardı: Fizik yasaları gözlemcinin hareketine göre değişmiyordu. Konumu ve hızı ne olursa olsun fizik yasaları herkes için aynıydı.

Bu durumda uzayın ve zamanın birbirinden ayrı olduğunu, yani uzayla zamanın mutlak ve değişmez olduğunu söyleyen Newton mekaniği yanılıyordu. Işık hızı ancak uzay ve zaman ışığa göre eğilip bükülerek şekil değiştiriyorsa sabit olabilirdi. Böylelikle Einstein özel göreliliği geliştirmişti: Neye göre? Işığa göre.

“Oyunun kurallarını öğrenmeli ve ardından herkesten daha iyi oynamalısınız.”

 

 

Göreliliğin şaşırtıcı sonuçları

Einstein özel göreliliğin şaşırtıcı sonuçlarını incelemek için Almanların Gedanken deneyleri dediği bir dizi düşünce deneyi yaptı ve zamanın yavaşlaması konusunu anlamaya çalıştı. Doğrusu bu deneyi masa başında yaptığı da söylenemez.

Eintein’ın hayal gücü İsviçre’nin fiili başkenti Bern’de tramvaya binip evine dönerken çalışmaya başlamıştı. Genç patent memuru yolda giderken şehrin saat kulesine baktı ve kulenin tramvayın gerisinde kalışını seyretti.

 

 

Göreliliği sezdiği o an

Bu sırada tramvay ışık hızına yaklaşırken arkasında ne göreceğini merak ediyordu. Hızla geride bıraktığı saatin yelkovanı gözüne nasıl görünecekti? Sonuçta tramvay vagonu saniyede 300 bin km ile ışık hızına ulaştığında saat kulesi de tramvaydan ışık hızında uzaklaşıyor olacaktı.

Bu durumda zamanın donması ve saat kulesinin yelkovanının durması gerekiyordu. Çünkü tramvay ile saat kulesinden Eintein’ın gözüne gelen ışık ışınları aynı hızda gidiyor olacaktı. Bu tuhaf olayı açıklamanın tek yolu ışığın tüm gözlemciler için aynı hızda gittiğini kabul etmekti.

 

 

İlham şehri Bern

Bu durum günlük hayatta ışıktan çok daha yavaş giden otomobiller için de geçerliydi. Bir araba yol kenarındaki tarlada çalışan bir çiftçinin yanından saatte 100 km hızla giderken, çiftçinin zamanı otomobilin sürücüsüne göre biraz hızlı akacak ve sürücünün zamanı da çiftçiye göre biraz yavaşlayacaktı.

Ancak, otomobil çiftçiden onu tam arkasına alarak ışık hızında uzaklaşmadığı için çiftçinin zamanı sürücüye göre asla tümüyle durmayacaktı.

Einstein böylece 1915 yılında geliştireceği genel görelilik teorisinin de temelini atmış oluyordu. Zamanın yavaşlaması sadece iki kişi arasındaki hız farkına değil, aynı zamanda hızlanmaya (ivmelenme) ve yön değişikliğine, yani vektörel süreçlere bağlıydı.

 

 

İkizler paradoksuna giriş

Günlük hayatta saat farkları ihmal edilebilecek kadar küçüktü. Örneğin uçakta ayda 100 saat yolculuk eden bir işadamı dünyanın geri kalanına göre yılda sadece 1/1000 saniye kazanacak ve dolayısıyla saniyenin binde biri kadar yavaş yaşlanacaktı.

Einstein ikizler paradoksunun ancak uzay gemisi ile ışık hızının yüzde 90’ı gibi çok yüksek hızlarda giden astronotlar için geçerli olacağını anladı. Işık hızının yüzde 90’ı ile giden ve Dünya’yı geride bırakan astronotlar Yeryüzü’ndeki ikizlerine göre yüzde 50 daha yavaş yaşlanacaktı.

Peki zamanın yavaşlaması ne demekti? Sonuçta bir cismin hızı o cismin uzayda belirli bir yönde ve belirli bir sürede aldığı yoldu. İvmelenme gibi vektörel süreçler de bu şekilde ortaya çıkıyordu.

 

İkizler paradoksu

 

Uzay-zaman kardeşliği

Einstein bu noktada uzay-zamanın bir bütün olduğunu ve zamanın akışını da matematiksel bir grafikle, yani bir tür “zaman uzayı” ile gösterebileceğini fark etti. Kısacası ışık hızına yaklaşan cisimlerin boyu hareket yönünde kısalıyordu.

Çünkü uzay-zamanda ışık hızının herkes için aynı olmasının tek yolu, hızlanan cisimlerin boyunun kısalması ve saatlerinin yavaşlamasıydı. Örneğin ışık hızına yakın hızda giden bir beysbol topu, topun karşıdan hızla üstüne gelişini seyreden rakip oyuncu için yufka yaprağı gibi yassılaşacak ve derinliğini kaybederek iki boyutlu bir cisme dönüşecekti.

Einstein bunu Lorentz dönüşümleri denilen matematik formülleriyle gösterdi ve uzay-zamanın bükülebildiğini göstermek için de eğri Riemann geometrisini kullandı.

 

 

Kısalma, yavaşlama ve kütle artışı

Einstein uzay-zamanda kısalma ve yavaşlamaya yol açan göreliliğin üçüncü bir etkisi daha olduğunu gördü: Işık hızına yaklaşan cisimlerin kütlesi artıyordu. Nitekim uzay-zamanı birlikte tanımlayan formülleri geliştirdiği zaman E=mc² denklemi ile enerjinin kütleye ve kütlenin de enerjiye dönüşebildiğini gösterdi.

Nasıl ki uzayda ışık hızına yaklaşan cisimlerin boyu hareket yönünde kısalıyordu, bunları daha fazla hızlandırmak için eklenen enerjinin büyük kısmı da cisimleri hızlandırmak yerine kütlesini artırmaya yarıyordu.

İşte bu yüzden kütleli cisimlerin ışık hızında gitmesi olanaksızdı. Çünkü ışık hızında gitmek için gereken enerjinin tamamı cismin kütlesini artırmakta kullanılacak ve dolayısıyla ışık hızına ulaşmak için sonsuz enerji gerekecekti.

 

 

Evren’in trafik polisi

Einstein uzayda ışık hızının sabit olması için bütün cisimlerin hızının ışık hızına göre ölçülmesi gerektiğini ortaya koymuştu. Bunu yapabilmek için de hiçbir cismin ışık hızında veya ışıktan hızlı gidemeyeceğini göstermek gerekiyordu.

Einstein bunu Newton mekaniğinden kalma bir olguyu formüle ederek kanıtladı: Kütleli bütün cisimler hızlanmaya direnç gösteriyor ve fizikte buna eylemsizlik deniyordu.

Örneğin bir arabayı hızlandırmak için motoru daha hızlı çalıştırmak, daha çok yakıt yakmak ve daha fazla enerji tüketmek gerekiyordu. Kütleli bir cisim ışık hızında gidemezdi, çünkü hızlanmaya sonsuz direnç gösterirdi.

“Güzel bir kıza kur yaparken bir saat bir saniyede geçer. Kızgın küllerde otururken ise her saniye bir saat gibidir. Görelilik budur.”

 

 

Yerçekimi ve genel görelilik

Bilim insanları Uluslararası Uzay İstasyonu’nda (ISS) çalışan astronotların ağırlıksız ortamda olduğunu söylüyor, ancak dikkat edilecek olursa yerçekimsiz ortamda olduklarını söylemiyor. Yerçekimi Dünya’nın yüzeyinin hemen yakınındaki cisimlere uyguladığı kütleçekim gücü olarak tanımlanıyor.

Küçük g ile ifade edilen bu çekim gücü astronotlar ve uzay istasyonları gibi cisimlerin Dünya’ya düşmesine neden oluyor. Ancak bu noktada hem evrensel kütleçekim kuvveti (büyük G) hem de merkezkaç kuvveti devreye giriyor.

Örneğin Dünya yörüngesinde dönen ISS sürekli olarak yeryüzüne düşüyor, ama yerden 420 km yüksekte çok hızlı döndüğü ve Dünya da yuvarlak olduğu için ISS ile Dünya arasındaki mesafe hiç kısalmıyor.

 

 

Serbest düşüş

Fizikçiler bu durumu serbest düşüş olarak adlandırıyor. Serbest düşüş halindeki bir cisimde düşüş yönü ve hızı değişmiyor. Cisimlerin ağırlık kazanması ise sadece Dünya’ya göre hız veya yön değiştirdikleri zaman, yani hızlandıkları ya da yavaşladıkları zaman ortaya çıkıyor.

Serbest düşüş halindeki ISS astronotları bu sebeple ağırlıksız ortamda bulunuyor (elbette manevra roketleri ateşlenirken mikro yerçekimi ortamında).

 

 

Hızlanan kütle

Buna karşın ağırlıksız ortamdaki cisimler kütlesini kaybetmiyor. Sonuç olarak evrensel kütleçekim kuvveti uzayda aynen geçerliliğini koruyor.

Öyle ki ağırlıksız ortam yerçekimsiz ortama eşit olsaydı ne Dünya 150 milyon km uzaktan Güneş’in kütleçekimine kapılarak onun çevresinde dönebilir ne de Ay Dünya’nın kütleçekim etkisine kapılarak gezegenin etrafında tur atabilirdi.

Genel görelilik bu ilişkileri açıklayarak kütleçekim serbest düşüş, yerçekimi ve ağırlıksız ortam arasındaki bağıntıyı ortaya koydu.

 

 

Zamanın yavaşlaması

Genel görelilik teorisi aynı zamanda güçlü bir yerçekimine sahip olan cisimlerin üzerinde zamanın daha yavaş aktığını gösteriyor.

Yerçekimi özünde cisimlerin hızlanmasıyla ilgili olduğundan ve kütleçekim de bir gökcisminin diğer cisimleri kendine doğru çekmesi anlamına geldiğinden, özel görelilikte geçen “hızlanan cisimlerde zaman yavaşlar” önermesi genel görelilikte “yerçekimi güçlü olan gökcisimlerinde zaman yavaşlar” şeklinde ifade edilebiliyor.

Interstellar filmindeki Gargantua adlı kara deliğinin yörüngesinde zamanın Dünya’ya göre daha yavaş geçmesi de bundan kaynaklanıyor.

İlgili yazı: Kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Eınsteın Interstellar’ı izlemedi

Elbette dahi fizikçi Interstellar’ı izlemedi ama genel görelilik için şu düşünce deneyini yaparak filme esin kaynağı oldu:

Einstein ışık hızına yakın hızda giden bir uzay gemisinde zamanın yavaşlayacağını biliyordu. Üstelik dışarıdan bakan biri için bu gemi ışık hızına yaklaşmasına rağmen gökte süper yavaş hareket edecekti ve birisi gemide yere su bardağı düşürse dışarıdan bakanlar için bardağın yere düşüp parçalanması saatler alacaktı.

Oysa yapay yerçekimi yaratan gemideki astronotlar için bardak bir saniyede düşüp kırılacaktı. Peki hangi gözlem doğruydu? Bardak ne zaman kırılıyordu? Dünya’ya göre iki saat sonra mı? Yoksa astronota göre 1 saniye içinde mi?

İlgili yazı: Interstellar fiziği ne kadar gerçek?

 

Işık hızına yaklaşan uzay gemisi

Özel görelilik, ışık hızına yaklaşan gemide zamanın Dünya’ya göre yavaşlayacağını gösteriyor ve Einstein’ın sezgileri de hem Dünya’daki gözlemcinin hem de astronotların haklı olacağını söylüyordu.

Evet, bardağın yere düşüp kırılması 2 saat sürmüştü ve evet bardağın yere düşüp kırılması bir saniye almıştı. Görelilik prensibine göre herkes haklıydı. Oysa Einstein her iki gözlemcinin de haklı olduğunu ayrı bir fizik formülüyle göstermek istiyordu.

Bu formül sadece malumun ilanı olmayacaktı. Aynı zamanda göreliliğin hızlanan ve yavaşlayan cisimler üzerindeki etkisini gösterecekti.

İlgili yazı: Bilimkurgu sinemasının en gerçekçi yıldız gemisi ISV Venture Star

 

Bardak ne zaman kırıldı?

Örneğin, astronotlardan biri ışık hızına yakın hızda giden geminin kapısını açıp su bardağını uzaya attığı zaman yavaşlayarak Dünya’ya doğru düşmeye başlayan bardağın zamanıyla Dünya’nın zamanının birbirine nasıl eşitlendiğini matematiksel olarak açıklayacaktı.

Böylece Einstein hızlanmayı, yerçekimini ve kütleçekimi bir araya getiren tam kapsamlı bir teori geliştirmeye başladı. E = mc² denklemiyle özetlenen bu genel teori enerjinin kütle çarpı ışık hızının karesine eşit olduğuna işaret ediyordu.

Işık hızına karşılık gelen c’den türetilen c² ifadesi ivmelenmeye karşılık geldiği için, genel görelilik teorisi sadece sabit hız farklarıyla ilgilenen özel göreliliğin hızlanmayı ve yavaşlamayı da hesaba katmasını sağlıyordu.

Görelilik ancak ışık hızının sabit olması ve evren’deki tüm hareketin ışık hızına göre ölçülmesiyle mümkün oluyor.

 

 

Swarm ve görelilik teorisi

Einstein’dan sonra gelen fizikçiler, parçacık hızlandırıcılarda ışık hızına yaklaşan protonların hareket yönünde gruplandığını ve kütlesinin arttığını gözlemlediler.

Ayrıca jet uçaklarında hızla uçan atom saatlerinin Dünya’ya göre geri kaldığını da gördüler ve özel görelilik teorisinin Newton mekaniğini kapsamasına rağmen, günlük hayattaki düşük hızlarda cisimlerin hareketinin yalnızca Newton’ın hareket yasalarıyla açıklanabildiğini gösterdiler.

 

 

Hem yavaşlıyor hem hızlanıyor

Ancak Einstein’ın genel görelilik teorisi olmasaydı, bilim insanları Dünya’dan 20 bin km uzakta dönen küresel konumlandırma (GPS) uydularındaki saatlerin, yerçekiminin aradaki mesafe yüzünden zayıflaması sebebiyle nasıl daha hızlı çalıştığını açıklayamazdı.

Nitekim bugün mühendisler GPS uydularında zamanın Dünya’ya göre daha hızlı aktığını hesaba katmak zorunda. Yoksa akıllı telefonlarla yapılan Swarm check-in’leri hiçbir zaman doğru mekanı göstermez ve kullanıcılar Facebook’ta hiç gitmedikleri yerlerde check-in yapmış görünür.

Öte yandan GPS uyduları bize göre daha hızlı hareket ediyor ve bu nedenle uydularda zaman bize göre daha yavaş geçiyordu. Günümüzde doğru konum tespiti için hem uyduların hızına bağlı olarak zamanın yavaşlamasını hem de mikro yerçekimi ortamı nedeniyle zamanın hızlanmasını hesaba katıyoruz: Bileşkeli hesap.

 

 

Peki ya eylemsizlik kütlesi?

Einstein genel görelilik teorisi için eylemsizlik kütlesinden yola çıktı. Eylemsizlik kütlesi, yukarıda belirtildiği gibi bir cismin hareketindeki herhangi bir değişikliğe direnç göstermesi olarak tanımlanıyordu.

Oysa Einstein genel görelilik teorisi ile başka bir şeyi açıklamak istiyordu: Madem yerçekimi kütlesiyle tanımlanan ağırlık ve eylemsizlikle tanımlanan durağan kütle iki farklı şeydi, neden yeryüzünde deniz seviyesinde duran bir kişinin kütlesi ağırlığına eşitti?

 

 

Newton ve Galıleo’nun sustuğu an

Klasik mekaniğin kurucusu olan Galileo ve Newton bu sorunun cevabını veremiyordu. Einstein ise bunun bir rastlantı olduğuna inanmıyordu. Hızlanmaya bağlı yerçekimi ile eylemsizlik kütlesi arasında bir bağ olması gerektiğini düşünüyordu. Ağırlık ile kütle birbiriyle ilişkili olmalıydı.

Einstein ileriki yıllarda Bern’de bir patent memuru olarak geçirdiği günlerin hayatının en mutlu dönemlerinden olduğunu söyleyecekti. Bunun sebebi de ömrünün en yaratıcı dönemini Bern’de geçirmiş olmasıydı.

 

 

Dahi patent memuru

Einstein genel görelilik teorisini patent ofisinde düşüncelere dalarken geliştirmeye başlamıştı ve bu günlerden birinde, serbest düşüş halindeki bir kişinin ağırlığını hissetmeyeceğini anladı.

Çünkü o kişi için yerçekiminin yol açtığı ivmelenme ile kütlesinin harekete gösterdiği direnç aynı olacaktı. Bu durumda deniz seviyesinde kütleçekimi yerçekiminden ayırt etmek mümkün değildi ve artık yeni bir düşünce deneyinin sırası gelmişti.

 

 

Efsane asansör

Einstein bu kez ayaklarının yere sağlam bastığı hareketsiz bir asansörde olduğunu ve normal ağırlığını hissettiğini düşündü. Bu durumda, uzayda Dünya’ya doğru saniyede 9,8 metrelik yerçekimi ivmelenmesiyle düştüğünü söylemek ile asansörde ayakta durduğunu söylemek arasında bir fark var mıydı? Hayır, her durumda asansördeki kişi normal ağırlığını hissedecekti.

Ardından Newton’ın elmasını farklı bir bağlamda kullanmak isteyen Einstein yere bir elma atmayı denedi.

Genel görelilik teorisine göre, bir elmanın yere doğru düşmesiyle asansörün zemininin yükselerek uzayda sabit duran bir elmaya yerçekimine bağlı serbest düşüş hızıyla alttan çarpması aynı şeydi.

 

 

Newton’ın elması

Einstein hızlanma, yavaşlama ve yön değiştirme gibi değişiklikler söz konusu olmadığı sürece uzay boşluğunda sabit hızda gitmek ile Dünya’ya doğru serbest düşüş halinde olmak arasında hiçbir fark olmadığını anladı.

Bu mantığı görelilik teorisine uyguladığında ise yalnızca güçlü bir kütleçekim alanında, örneğin süper kütleli bir kara deliğin olay ufkunun yakınında zamanın neden yavaş aktığını anlamakla kalmadı. Aynı zamanda ışık hızına yaklaşan cisimlerin boyunun neden hareket yönünde kısaldığını da çözmüş oldu.

İlgili yazı: Kara delik yıldızı nasıl yuttu?

Uzay kısalıyor ve zaman yavaşlıyor

Çünkü uzay hızla giden cismin hareket yönünde kumaş gibi katlanarak sıkışıyordu. Uzay sıkıştığı için uzay gemisi de sıkışıp yassılaşıyordu.

Öte yandan uzay sıkıştığı için, yani dar alana daha fazla uzay sığdığı için zamanın da uzayda izlediği yol uzuyor ve uzay gemisine dışarıdan bakan birine göre gemide zaman daha yavaş geçiyordu. Kumaş gibi katlanarak buruşan uzay, ışığı oluşturan fotonların gecikmesine, yani zamanın yolunun uzamasına ve gemideki saatlerin Evren’e göre geri kalmasına yol açıyordu!

 

 

Son ışık bükücü

Uzay ve zamanı değişmez birer sabit olarak kabul eden Newton mekaniği yerine fiziğin temeline göreliliği yerleştiren Einstein, hızlanan cisimlerde ve güçlü kütleçekim alanında zamanın neden yavaşladığını genel görelilik teorisi ile göstermiş oldu.

Bilim insanları genel görelilikten yola çıktıkları zaman, Güneş’in kütleçekim alanının uzay-zamanı az da olsa bükerek Evren’in kumaşında koltuğa oturan bir insan gibi yassı bir çukur oluşturduğunu gördüler.

Güneş’in kütleçekim alanının etkisiyle çarpılan uzayda giden bir ışık sinyalinin izlediği yol da uzuyor ve ışığın hızı Dünya’ya göre saniyenin 250 milyonda biri oranında yavaşlıyordu.

İlgili yazı: Yıldız gemisi Atılgan ne zaman?

 

Teoriyi Merkür kanıtladı

Genel görelilik GPS uydularından jet uçaklarındaki atom saatlerine kadar sayısız testten başarıyla geçti. Hatta astronomlar genel görelilikten yararlanarak Merkür’ün Güneş çevresindeki yörüngesi üzerinde, Güneş’e en yakın olduğu noktaya yılda yarım yay saniye daha önce ulaştığını tespit ettiler.

Newton mekaniği geçerli olsaydı bu durum gözlemlenmeyecekti, ama görelilik teorisi gezegenlerin hareketini Newton’dan daha kesin bir şekilde hesaplıyordu.

 

 

Fotonları eğiyor

Ancak genel göreliliğin en çarpıcı sonucu, durağan kütlesi sıfır olan ve bu nedenle de boşlukta ışık hızında giden fotonların bile E = mc² denklemi uyarınca yerçekiminden etkilenmesi gerektiğiydi.

Enerji kütleye ve kütle de enerjiye dönüşebildiği için ışık ışınları bile uzay-zamanı büken kütleçekim alanından etkileniyordu. Örneğin Güneş’ten uzaklaşan fotonlar Güneş’in uzay-zamandaki kütleçekim kuyusunun yamacından yukarı tırmanarak boş uzaya yönelirken enerji kaybediyor ve yüzde 0,0002 oranında kırmızıya kayıyordu.

 

 

Işığın uzaydaki yolu uzuyor

Aynı sebeple Güneş gibi büyük kütleli bir gökcisminin yanından geçerek Dünya’ya ulaşan yıldız ışığı da bükülüyordu.

Einstein’ın genel görelilik teorisi 1919 yılında gözlemlenen güneş tutulması sırasında test edildi ve deneyin sonucunu heyecanla bekleyen bilim insanları ışığın onun dediği gibi büküldüğünü gördükleri zaman Albert Einstein da tarihin en büyük bilim insanları arasında yerini almış oldu.

 

 

Mercek etkisi

Daha sonra astronomlar kara deliklerin ışığı balıkgözü bir mercek gibi büktüğünü ve normalde göremeyeceğimiz kadar uzakta olan soluk yıldızların ışığını Dünya’ya odakladığını gözlemlediler. Uzaktaki büyük galaksiler de daha uzaktaki galaksilerin ışığını odaklayarak Evren’in derinliklerine balıkgözü mercek efektiyle bakmamızı sağlıyordu.

Zamanla bu etki atom saatlerinden daha kesin ritimleri olan atarcaların (kendi çevresinde saniyede yüzlerce kez dönen nötron yıldızları) radyo sinyalleriyle de test edildi. Böylece fizikçi Joseph Taylor ve Russell Hulse genel göreliliği atarcalarla kanıtlayarak 1993 yılında Nobel ödülü kazandı.

E=mc² denklemi maddenin enerjiye ve enerjinin maddeye dönüşebildiğini göstererek nükleer santraller ile nükleer silahların geliştirilmesini sağladı.

İlgili yazı: 4 kere patlayan yıldız

 

Tanrı’nın düşüncelerini anlamak

Einstein 1920 yılından 18 Nisan 1955’te hayata gözünü yumduğu ana kadar asla kamuoyu gündeminden düşmedi ve zamanının ilerisindeki devrimsel görüşleriyle daha hayattayken ölümsüzlüğü yakalayan nadir insanlar arasında yer aldı.

Bu süre zarfında sayısız gazete ve dergiye manşet olan Einstein’a yeni kurulan İsrail devletinin cumhurbaşkanlığı bile teklif edildi ama o bu teklifi geri çevirdi.

Einstein E = mc² ile atom çağının önünü açmış olmasına karşın, nükleer silahlara ömrünün sonuna kadar karşı çıktı ve en mutlu zamanlarının Zürih kafelerinde gündüz düşleri kurduğu günler olduğunu söyledi.

Yakışıklı kemancı

1900’lerin başlarında düzenlenen partilerde keman çalarak dönemin genç kızları arasında küçük bir ün kazanan Einstein yaratıcılığının en belirgin özelliği olan şakacılığını ve merak duygusunu hiç kaybetmedi.

 

 

Özel göreliliğin doğuşu

Einstein 1905 Mayıs ayında bir gün kendisi gibi patent ofisinde çalışan yakın dostu Michele Besso’yu ziyaret etti ve on yıldan uzun bir süredir aklını kurcalayan sorunu dikkatine sundu:

Fiziğin temel taşları olan Newton mekaniği ve Maxwell denklemleri birbiriyle uyumlu değildi. Ya birinin ya da diğerinin yanlış olması gerekiyordu. Ancak hangi teori doğru olursa olsun nihai çözüm fizik dünyasını kökten değiştirecek nitelikte olacaktı.

Einstein bu paradoksu ışık hızıyla yarışa girerek çözmeye çalıştı, öyle ki hayatının ileriki yıllarında o günü şöyle hatırlayacaktı: “Özel görelilik teorisinin nüvesi bu paradoksta yatıyordu”.

 

 

Tramvay ve saat kulesi

Einstein ile Besso saatlerce konuştular ve soruna her açıdan baktılar. Bu bağlamda Maxwell’in ışık hızının sabit oluşu görüşüyle çelişen Newton’ın mutlak uzay ve zaman kavramını da ele aldılar. Sonunda yorgunluğa yenik düştüklerinde Einstein bu soruyu yanıtlamayı asla başaramayacağını söyledi

Ancak o gece eve döndüğünde durumu zihninde tartmaya devam ediyordu. Özellikle de Bern şehrinin simgesi olan saat kulesinin yanından tramvayla geçtiği günü hatırlıyordu.

Einstein, tramvayın saat kulesini tam arkasına alarak kuleden ışık hızıyla uzaklaşsaydı ne olacağını merak etti ve bu durumda saatin durmuş görüneceğini fark etti, çünkü saat kulesinin ışığı tramvayla aynı hızla gittiği için Einstein’a asla ulaşamayacaktı.

 

 

Yelkovanın kaderi

Bununla birlikte hem tramvayın saati hem de kulenin saati kendi referans çerçevelerinde normal hızda çalışmaya devam edecekti ve yalnızca birbirine göre yavaşlayacaktı

Aslında bunun çok yalın ve zarif bir cevabı vardı. Zaman cisimlerin ne kadar hızlı hareket ettiğine bağlı olarak Evren’de farklı hızlarda akıyordu. Evren’in dört bir köşesindeki sayısız hayali saat ayrı bir zamanı gösteriyordu. Einstein nihayet dediği gibi Tanrı’nın ne düşündüğünü anlamıştı:

“Uzay ve zamanla ilgili kavramlarımızla yasalarımızın yalnızca deneyimlerimizle açık bir ilişki içinde olduğunda geçerlilik kazanacağını anladığım anda sorunun çözümünü de bulmuş oldum. Eşzamanlılık konseptini esnek bir formda yorumlamak gerekiyordu ve görelilik teorisindeki sonuçlara da böyle vardım.”

İlgili yazı: Zaman paradoksu çözüldü

 

Sürmenaj oldu

Einstein ertesi gün Besso’nun evine gitti ve daha merhaba bile demeden baklayı ağzından çıkardı: “Teşekkür ederim. Sorunu tümüyle çözdüm!” Einstein yaşlılığında o günü şöyle yorumlayacaktı:

“Benim çözümüm zaman konseptini yeniden analiz etmekti. Zaman mutlak olarak tanımlanamazdı ve bu nedenle de zamanla sinyal hızı arasında ayrılmaz bir ilişki vardı.” Einstein bunu izleyen altı hafta boyunca parlak buluşunun matematiksel detaylarını çıkardı ve bu sonuçları dünyanın en önemli bilimsel makalelerinden birinde paylaştı.

 

 

Formülleri eşi kontrol etti

Ancak genç adam bu sırada öyle yorulmuştu ki makaleleri eşi Mileva’ya matematiksel hatalara karşı kontrol etmesi için teslim ettikten hemen sonra yatağa girdi ve iki hafta boyunca yataktan çıkmadı. 31 sayfalık elle yazılmış makalenin son hali “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği” başlığını taşıyordu ama bu mütevazı yazı dünya tarihini değiştirecekti.

Einstein makalesinde hiçbir fizikçiye gönderme yapmıyor ve yalnızca Besso’ya teşekkür ediyordu. Dahi fizikçinin makalesi Annalen der Physik’in Eylül 1905 sayısında, derginin 17. cildinde yayımlandı.

 

 

Tarihi makale

Aslında Einstein çığır açan buluşları tetikleyen üç ayrı makale yayımlamıştı o sayıda. Öyle ki meslektaşlarından Max Born, derginin 17. cildinin bilimsel literatürün en önemli yayınlarından biri olduğunu söyledi.

Her biri ayrı bir konuya değinen o üç makale bugün de birer başyapıt olarak kabul ediliyor. Annalen der Physik’in Eylül 1905 sayısının nüshaları 1994’te düzenlenen bir açık arttırmada 15 bin dolara satıldı.

 

 

İnişli çıkışlı bir hayat

Einstein’ın amacı Evren’in bütün güzelliğini tek bir kısa denkleme sığdırmaktı, ancak bu rüyayı gerçekleştirmek için uzun yıllar çalışması ve kendine dostça davranmayan akademik dünya ile mücadele etmesi gerekti. Einstein çoğu insan gibi küçükten başladı ama 1915’te yayınladığı genel görelilik teorisinin ardından bütün dünya onu tanıdı.

1900 yılında Albert Einstein Zürih Teknik Üniversitesi’nde okuyan 21 yaşında bir öğrenciydi ve öğretmenleri onun tembel bir çocuk olduğunu düşünüyordu. Dönemin akademik eğitim programı bu fizik dahisinin ilgisini çekmekte zorlanıyor ve sürekli dersleri kıran Einstein haylaz ve beceriksiz bir öğrenci olduğu izlenimimi yaratıyordu.

 

 

Yoksul ve başarısızdı

Doğrusu öğretmenlerinden hiçbiri onun 15 yıl içinde dünyanın en ünlü bilim insanı olacağını tahmin edemezdi ve Einstein da okul yıllarındaki umursamazlığının bedelini mezun olduktan sonra işsiz kalarak ödedi.

Öyle ki darda kaldığı günlerde geçinmek için bir sigorta şirketine girerek hayat sigortası satmayı bile düşündü. Hatta ailesine keşke hiç doğmasaydım dediği bir mektup bile yazmıştı. Akademik kariyer yapma isteğinden vazgeçmeyen Einstein’ın en büyük yardımcısı ise onun adına üniversitelere başvuran ve asistan olarak işe alınması için çaba gösteren vefakar babasıydı.

 

 

Depresyon ve umutsuzluk

Einstein kısa süre içinde babasını kaybettiğinde olanlardan kendini sorumlu tuttu. 1902 yılında depresyona girmişti ve ailesi için bir yüz karası olduğunu düşünüyordu. Böylece İsviçre’nin başkenti Bern’e taşınarak bilim dünyasından uzak bir kariyere atılmaya karar verdi. Bu noktada arkadaşlarından biri ona İsviçre patent ofisinde patent memuru olarak iş ayarladı.

Einstein patent ofisinin üçüncü katındaki odasında haftada altı gün çalışarak İsviçre hükümetine sunulan patent başvurularını incelemeye başladı. Detaylı analiz ve büyük dikkat isteyen bu iş görelilik teorisi için kendini geliştirmesine de yardımcı oldu.

Einstein tüm patent değerlendirme raporlarını en kısa sürede hazırlayarak amirlerine teslim ediyor ve Evren’in sırlarını düşünmek için yeterli boş vakit buluyordu. Böylece ofisteki sandalyesinde otururken gökkuşağının farklı renklerini oluşturan ışık huzmeleriyle birlikte seyahat edebilseydi ne göreceğini hayal etmeye çalıştı.

 

 

Gündüz düşleri

Einstein dünya bilim tarihini değiştirecek olan görelilik teorisini bu psikoloji ile geliştirdi ve 1905 yılında özel görelilik teorisiyle ilgili dört makale yayınladı. Bu makalelerden ilkinde eski zamanlardan kalma ışık nedir sorusunu ele alıyordu.

Einstein’ın o yıllardaki hedefi kütleçekimin sırrını çözmek veya göreliliği geliştirmek değil, yalnızca ışığın elektriğe dönüşmesiyle ilgili olan fotoelektrik etkiyi açıklamaktı.

Einstein daha sonra bu çalışmaları özel görelilik altında topladı, fakat fotoelektrik etki üzerindeki çalışmaları onun bilimsel çevrelerde kabul görmek için ilk adımı atmasını sağladı. Fotoelektrik etki bugün de güneş panellerinden enerji üretmekte kullanılıyor.

 

 

Özel hayatı ve evlilikleri

Mileva Marić, Einstein’ın ilk eşiydi. Hatta evlenmeden önce Liesel adını verdikleri bir kızları olmuştu fakat Liesel’in hayatı konusunda net bir bilgi bulunmuyor, bebekken öldüğü ya da evlatlık verildiği söyleniyor.

Einstein ve Marić 1903’te evlendikten sonra iki oğulları oldu: Hans Albert ile Eduard ama genç çift 1914’te ayrı yaşamaya başladı ve 1919’da boşandı.

Ardından tekrar evlendi ve 1922’de Nobel Ödülü aldıktan sonra bundan elde ettiği parayı çocuklarına bakması için eski eşine gönderdi. 1930’ta şizofreni teşhisi konulan Eduard’ın bir klinikte tedavi görmesi için gereken desteği sağlayarak ailesine yardım etmeyi sürdürdü.

 

 

Çapkındı

Einstein’ın ilk eşiyle geçirdiği fırtınalı yıllar bugün de gizemini koruyor. Öyle ki zaman içinde Marić’in 1905 yılında Einstein’a mal edilen bilimsel makalelere büyük katkı yaptığını öne sürenler oldu.

Ancak sonunda Einstein’ın ilk eşinin iyi bir fizik eğitimi almış olmasına karşın hiçbir bilimsel çalışma yapmadığı konusunda görüş birliğine varıldı. 1912 yılında paskalya tatili sırasında kuzeni Elsa Löwenthal ile görüşmeye başlayan Albert Einstein 2 Haziran 1919’da onunla evlendi ve genç çift Margot ile Ilse adında iki kızı evlat edindi.

Einstein’ın 1920-1933 arasında çok sayıda evlilik dışı ilişki yaşadığı da söyleniyor. Her durumda Einstein’ın evliliği nispeten kısa sürdü ve Elsa Einstein 1936 yılında kalp ve böbrek yetmezliğinden hayatını kaybetti. Einstein günümüzde bir insandan çok efsane olarak anılıyor, ama bilim tarihçileri efsanenin ardındaki insanı ortaya çıkarmak için çabalamaya devam ediyor.