Einstein ve Poincare'nin Özel Görelilik Kuramı

Einstein ve Poincare’nin Özel Görelilik Kuramı
Duran bir referans sisteminden hareketli bir referans sistemine geçtiğimiz takdirde, Galilei ve Newton fızik yasalarının hiç değişmeden kalacaklarını bildiren Galilei ‘nin görelilik ilkesini anımsayın. Bunun anlamı şudur: Sadece yakın çevremizdeki nesnelerin dinamik davranışını inceleyerek, olduğumuz yerde durup durmadığımıza veya bir yönde tekdüze hızla hareket halinde olup olmadığımıza karar veremeyiz. (Galilei’nin denizde yol alan gemisini anımsayın, ).
Eğer hareketsiz duran bir geminin yelken direğinin tepesinden bir taş bırakılırsa, bu taş yelken direğinin dibine düşer. Ama, eğer gemi sabit hızla seyrediyorsa, direkten ahlan taş direğin önüne mi, arkasına mı, yoksa dibine mi düşecektr?
Bu sorunun doğru yanıtı «direğin dibinıe düşer» olmalıdır gerçekten de özel görelilik ilkesi gereğince, duran gemide meydana gelen olaylar ile sabit hızla seyreden gemide meydana gelen olaylar arasında fark yoktur.
Fakat, Maxwell denklemlerini bu yasalarla birleştirdiğimizi varsayalım. Galilei’nin göreliliği hâlâ geçerliliğini korur mu? Maxwell ‘in elektromanyetik dalgalarının c sabit hızıyla -ışık hızı- yayıldığını anımsayın. Halbuki sağduyumuzu dinlersek, bir yönde çok hızlı ilerlediğimiz takdirde bu yöndeki ışık hızının c’nin altına düşmüş gibi görünmesi (bu yöndeki ışık kaynağına yaklaştığımız için), zıt yöndeki ışık hızının ise, Maxwell kuramının öngördüğü sabit ışık hızından farklı olarak c’nin üstüne çıkmış gibi görünmesi (ışık kaynağından uzaklaştığımız için) gerekir.
Sağduyumuz haklıdır: Newton ve Maxwell denklemleri biraradayken Galilei ilkesi doğrulanmıyor. Bu konuları uzun uzun irdeleyen Einstein 1905’te (aslında ondan biraz önce Poincare 1898-1905 yılları arası gibi) özel görelilik kuramına ulaştı.
Poincare ve Einstein, birbirinden bağımsız olarak, Maxwell denklemlerinin de bir görelilik ilkesini doğruladığını buldular . Başka bir deyişle, her ne kadar bu durumla ilgili kurallar, Galilei-Newton fiziği kuralları ile uyuşmasa da, Maxwell denklemleri, duran bir referans sisteminden hareketli bir sisteme geçtiğimiz takdirde değişmeme özelliğine sahiptirler. Kuralları birbiriyle uyumlu hale getirmek için, denklem kümelerinden birini veya diğerini değiştirmek gerekiyordu; aksi halde, görelilik ilkesinden tümüyle vazgeçilmeliydi.
Einstein ‘ın, görelilik ilkesinden vazgeçmek gibi bir niyeti yoktu. Olağanüstü fiziksel içgüdüsü ona, dünyamızın fizik yasaları adına, böyle bir ilkenin doğrulanması gerektiğini ısrarla söylüyordu. Üstelik, bilinen tüm olgularla ilgili olarak, Galilei- Newton fiziğinin, ışığın hızıyla kıyaslandığında, söz konusu uyuşmazlığın önemli olamayacağı ölçüde düşük hızlar için de- nenmiş olduğunun pekala farkındaydı. Bu tür uyuşmazlıkların önemli sayılabileceği hıza ancak ışığın kendisi sahip olabilirdi. Bu nedenle, hangi görelilik ilkesini benimsememiz gerektiğini bize ancak ışığın davranışı bildirebilirdi ve ışıkla ilgili denklemler Maxwell denklemleri ydi. Maxwell kuramı ile onun görelilik ilkesi korunmalı, dolayısıyla Galilei-Newton yasaları
buna göre değiştirilmeliydi!
Maxwell denklemleri nce sağlanan görelilik ilkesi, diğer adıyla özel görelilik , kavranması oldukça zor bir ilke olup, ilk bakışta, içinde yaşadığımız dünyanın gerçek nitelikleri olarak kabullenilmesi güç, önseziden uzak pek çok nitelik taşımaktadır.
Aslında, özel göreliliğe, son derece kendine özgü görüşleri ve yaratıcılığı olan Rus asıllı Alman geometrici Herman Minkowski ‘nin (1864-1909) 1908’de bulduğu ek bir öğe olmaksızın doğru dürüst bir anlam verilemez. Minkowski, Zürih Politeknik okulunda Einstein’ın hocasıydı. Temel nitelikte yeni görüşü, uzayla zamam birbirinden ayrılmaz bir bütün olarak alması ve dört boyutlu bir uzay-zaman olarak nitelemesiydi.
1908’de Göttingen Üniversitesinde verdiği ünlü konferansında bunu şöyle açıklamıştı:
“Bundan böyle kendi başına uzay, kendi başına zaman gölgeler gibi yitip gitmeye mahkumlar ve yalnızca bu ikisinin bir tür birleşimi bağımsız bir gerçekliği koruyacaktır.”
Özel göreliliğin temel özelliklerini, Minkowski’nin muhteşem uzay-zamanı yardımıyla kavramaya çalışalım.
Uzay-zaman kavramını anlamanın zorluklarından birisi, gözümüzde canlandırmazı zorlaştıran dört boyutlu olması özelliğidir. Ancak, faz uzayı gibi bir kavramın zorluğunu aştıktan sonra sadece dört boyut gözümüzü korkutmamalı!
Daha önce yaptığımız gibi biraz `aldatmacaya’ baş vuracağız ve biraz daha küçük boyutlu bir uzay canlandıracağız gözümüzde; bu kez hilemiz o kadar büyük çapta olmayacak ve gözümüzde canlanan tablo da bu durumda daha doğru olacak. İki boyut (bir uzay ve bir zaman), bir çok amaca pekala hizmet edebilir, ama umarım okuyucum biraz daha cesur davranarak üç boyuta (iki uzay ve bir zaman) çıkmamı anlayışla karşılar. Üç boyut çok iyi bir tablo çizmemizi sağlayacak ve ilke olarak fikirler, fazla değişikliğe uğramaksızın dört boyuta genellenebilecektir.
Bir uzay-zaman şemasıyla ilgili olarak aklımızdan çıkarmamamız gereken husus, şemadaki her noktanın bir olays temsil ettiğidir; başka bir deyişle, her nokta sadece bir an için varolur ve bu nedenle uzaydaki bir noktanın anlık bir varlığı vardır. Şemanın tümü, geçmişi, şimdiki hali ve geleceği ile bütün tarihi gösterir. Bir parçacık zaman içerisinde sürekli olduğu için bir noktayla değil, parçacığın dünya çizgisi adı verilen bir eğriyle temsil edilir. Parçacık ivmesiz hareket ediyorsa doğrusal, ivmeli hareket ediyorsa eğri olan bu çizgi parçacığın varlığının tüm tarihçesini belirler.
İki uzay ve bir zaman boyutlu bir uzay-zaman tasarımladım.( Ben değil..Penrose) Dikey yönde ölçülen standart bir zaman koordinatı t, ve yatay ölçülen iki uzay koordinatı x / c ve z / c olduğunu varsayıyoruz. Merkezdeki koni, uzay-zaman merkezi O’nun (gelecekte) ışık konisidir. Önemini anlamak için O olayında meydana gelen bir patlama düşünün (Böyle bir patlama uzayın merkezinde,t = 0 anında meydana gelmiştir).
 
Patlama sonucu çıkan ışığın tarihi bu ışık konisidir. İki boyutlu uzayda ışık demetinin tarihi, c ışık hızıyla dışarıya doğru hareket eden bir çember olur. Üç boyutlu uzayda ise bu, c hızıyla dışa doğru genleşen küre yüzeyi, yani ışığın küresel dalga cephesi olacaktır. Fakat burada y uzay boyutunu ihmal ettiğimiz için bir çember elde ederiz. Tıpkı bir havuzun ortasına atılan taşın düştüğü noktadan kaynaklanan içi içe halkalar şeklinde dalgalar gibi. Bu çemberi bir uzay-zaman resminde görebilmek için koninin yatay kesitlerini alabiliriz.
Bu yatay düzlemlerin her birisi, t zaman koordinatının artan değerlerine karşı gelen değişik uzay temsilleridir. Görelilik kuramının önemli bir niteliği, hiç bir maddesel parçacığın ışık hızından daha hızlı hareket edememesidir. (ilerde bu konuyu açacağız). Merkezdeki patlamadan çıkan tüm maddesel parçacıklar ışığın gerisinde kalmalıdırlar. Bunun uzay-zaman cinsinden anlamı, patlamadan çıkan parçacıkların dünya çizgilerinin ışık konisi içinde kaldıklarıdır.
Işığı elektromanyetik dalga olarak değil foton adı verilen parçacıklar cinsinden tarif etmek çok kez daha yararlı olmaktadır. Şu an için bir `foton’u yüksek frekanslı bir elektromanyetik salınımın taşıdığı `enerji paketi’ olarak düşünebiliriz. Aslında bu terimin kullanımı fiziksel açıdan ancak kuantum tanımlarında daha uygun olacaktır. Fakat burada `klasik’ fotonlar da işimize yarayacak. Boş uzayda fotonlar her zaman doğrular boyunca c temel hızıyla hareket ederler. Bunun anlamı Minkowski uzay-zaman resminde bir fotonun dünya çizgisinin düşeyle 45° yapan bir doğru ile gösterildiğidir. O’daki patlamadan kaynaklanan fotonlar, tepesi O noktasında bulunan ışık konisini oluştururlar.
Alıntıdır
Bu içerik internet kaynaklarından yararlanılarak sitemize eklenilmiştir