Fizikte Devrim: Genel Görelilik Kuramı

Bilim Fizik

27.06.2019

Kuram, evrenlerin patladığı, uzayın çıkışı olmayan delikler içine çöktüğü, zamanın bir gezegene inildikçe yavaşladığı, yıldızlar arası uzayın uçsuz bucaksız enginliğin deniz yüzeyi gibi dalgalandığı bir dünya tanımlar.

Einstein, 1905 yılında o zamanların en önemli bilim dergisi olan Annalen Der Physik’e üç makale göndermişti. İlk makalesinde atomların gerçek olduğunu kanıtlamış, ikinci makalesinde kuantum mekaniğinin kapısını aralamıştır. Üçüncüsü de onun ilk görelilik kuramını ortaya koyuyordu (bu kurama günümüzde özel görelilik kuramı deniyor). 1908 ile 1914 yılları arasında özel görelilikle tutarlı bir kütle çekim kuramı ortaya koymak adına bir dizi başarısız girişimde bulunmuştur fakat 1915 yılında şimdi adına genel görelilik kuramı dediğimiz kuramı nihayet ileri sürmüştür.

Einstein tarafından geliştirilmiş iki tane görelilik kuramı vardır. Genel görelilik, uzay ve zamanın uzay-zaman oluşturduğunu söyler. Uzay-zaman kütle-çekimden etkilenebilir çünkü kütle-çekimi uzay-zamanı eğer. Ayrıca maddenin ve enerjinin varlığıyla maddenin momentumundan da etkilenebilir. Dünya’daki bakış açımızdan uzay ve zaman sabittir ve değiştirilemez. Einstein, kütle çekiminin etkisi altında uzayın genişleyebileceğini, sıkışabileceğini ya da bükülebileceğini ileri sürmektedir.

Her şey görelidir.

Görelilik kuramı, kütle çekimi kuvvetiyle, yani cisimlerin nasıl düştüğüyle ilgili bildiklerimizle uyuşmuyordu. Einstein, bunu kuramı hakkında bir özet yazarken fark etti ve Newton’un çok eskiden kalma ve “Evrensel Çekim Kuvveti”nin yeni görelilik düşüncesiyle uyumlu olabilmesi için gözden geçirilmesinin gerekli olup olmadığını merak etmeye başladı. Ve bunu çözmesi 10 yılını aldı.

Kasım 1915’te eksiksiz çözümünü yayımladı. Genel görelilik kuramı adını verdiği yeni bir kütle çekimi kuramına büyük Rus fizikçi Lev Landau “bilimsel kuramların en güzeli” adını verdi.

Nasıl işlediği anlaşıldığında kuram son derece basittir. Newton nesnelerin neden düştüğünü ve gezegenlerin neden döndüğünü açıklamaya çalışmıştı. Tüm nesneleri birbirine çeken bir kuvvet hayal etmişti. Buna çekim kuvveti adını vermişti. Bu kuvvetin, aralarında hiçbir şey olmayan, birbirinden uzaktaki nesneleri nasıl çektiği bilinmiyordu, Newton da herhangi bir hipotez sürmeye çekiniyordu. Newton nesnelerin uzayda hareket ettiğini, uzayın da boş bir kap, evren için büyük bir kutu olduğunu hayal etmişti. İcat edilen bu uzayın, dünyanın kutusunun neden yapıldığı da belli değildi.

Faraday ve Maxwell bu düşünceye yeni bir unsur kattı; elektromanyetik alan. Her yerde olan, radyo dalgalarını taşıyan, uzayı dolduran, bir su yüzeyi gibi titreşip dalgalanabilen ve elektrik kuvvetini taşıyan bu alan, gerçek bir olguydu.

Einstein kısa süre içinde kütle çekiminin de elektrik gibi bir alan tarafından taşınması gerektiğini anladı. Elektrik alanına özdeş bir kütle çekim alanı olmalıydı o da bu çekim alanının nasıl oluştuğunu ve hangi denklemlerin onu tanımladığını anlamaya çalıştı.

Kütle çekimi alanı uzayda yayılmış değildi. Çekim alanı uzayın ta kendisiydi. Genel görelilik kuramının ana fikri budur. Nesnelerin içinde hareket ettiği Newton uzayı ve çekim kuvvetini taşıyan çekim alanı aynı şeydir.

Uzay maddeleştirilmişti. Dalgalanan, eğilen, kıvrılan, bükülen bir maddeydi artık.

Yani kaskatı ve görünmez bir yapı içinde değiliz. Esnek bir yumuşakçanın içine gömülüyüz. Güneşin dönme sebebi eğilen bir uzayda bir doğru üzerinde hızla yol alması, tıpkı huni içinde dönen bir bilye gibi. Gizemli kuvvetler yok. Uzay eğildiği için gezegenler güneş etrafında döner, cisimler yere düşer.

Uzayın eğilip bükülmesi nasıl tanımlanabilir?

Carl Friedrich Gauss’un öğrencisi Bernhard Riemann, işe yaramaz gözüken doktora tezinde eğri bir uzayın özellikleri, bugün Riemann eğriliği denen ve simgesi R olan bir matematiksel nesneyle elde edilebilir. Einstein R’nin maddenin enerjisiyle orantılı olduğunu söyleyen yarım satırlık bir denklem yazar. Uzay maddenin var olduğu yerde eğrilir. Bu bükülen uzay öngörüsü bir denklem haline gelir.

Denklem öncelikle bir yıldızın etrafındaki uzayın nasıl eğrildiğini tanımlar. Bu eğrilik yüzünden sadece gezegenler yıldız etrafında dönmekle kalmaz, ışık da doğrusal hareket etmek yerine bükülür. (Einstein güneşin ışığı büktüğünü görmüştü, 1919’da ölçüldü ve doğrulandı.)

Bükülen yalnızca uzay değildir, zaman da bükülür. Einstein zamanın yüksekteki bir konumda, daha alçaktaki bir durumdan daha hızlı aktığını düşünür. Dünya benzeri olağanüstü büyük bir cismin, yakında yavaşlıyor görünmesi gerekir. Bunu sebebi ışık enerjisi ile frekansı arasındaki ilişkidir. Yani yukarıda duran birine göre aşağıda olan her şey daha yavaş yaşanır.

Bu öngörü 1962 yılında bir su kütlesinin tepesine ve tabanına yerleştirilen oldukça tutarlı bir çift saat kullanılarak test edildi. Dünyaya daha yakın olan tabandaki saatin, genel görelilikle tam uygunluk içinde; daha yavaş çalıştığı fark edildi. Fark çok küçüktür ancak deniz kıyısında yaşayan biri, dağda yaşayan ikizinin kendinden biraz daha yaşlı olduğunu keşfeder. Ve bu daha başlangıçtır.

Tüm uzay esneyip genişleyebilir. Hatta Einstein’ın denklemi uzayın durağan olmayacağını, genişlemek zorunda olduğunu gösterir. Evrenin genişlemesi gerçekten de 1930’da gözlemlenir.

Aynı denklem genişlemenin minicik ve çok sıcak genç bir evrenin patlamasıyla tetiklendiğini de öngörür. Bu da Big Bang yani Büyük Patlama’dır. Gökyüzünde kozmik ardalan yayılımı, ilk patlamadan geriye kalan yayılmış ışınım gözlenir. Bu öngörü de doğrudur.

1915’ten önce uzay ve zaman, içinde olayların gerçekleştiği ve de gerçekleşen olayların kendisini etkilemediği sabit bir saha olarak düşünülmekteydi. Artık uzay ve zaman dinamik niceliklerdir. Bir cisim hareket ettiğinde ya da bir kuvvet etkilediğinde uzay ve zaman eğriliği de etkilenir. Buna bağlı olarak da uzay zamanın yapısı cisimlerin hareket etme ve kuvvetlerin etkime biçimini etkiler. Uzay ve zaman yalnızca evrende olup biten her şeyi etkilemekle kalmaz. Olup biten her şeyden de etkilenir.

Günümüzde astronomlar, kütle-çekimsel alanlarda hareket eden cisimleri incelemek istediklerinde görelilik prensibini kullanır.

Kaynakça