Zamanın Kısa Tarihi: Uzay ve Zaman – Stephen William Hawking

Kütlelerin devinimine ilişkin bugünkü düşüncelerimiz Galileo ve Newton’ a dayanır. Onlardan önce, kütlenin doğal olarak devinimsiz olduğunu ve ancak bir kuvvet ya da dürtü tarafından devinime geçirilebileceğini söyleyen Aristo’ya inanılırdı. Bu düşünceye göre, ağır bir cismin hafif bir cisimden daha hızlı düşmesi gerekirdi, çünkü yere doğru çekimi daha fazla olmalıydı.

Yine Aristo geleneğine göre, evreni yöneten yasalara salt düşünce yoluyla varılabilirdi: gözlem yoluyla doğrulamaya gerek yoktu. Böylece Galileo’ya dek kimse değişik ağırlıktaki cisimlerin gerçekten değişik hızlarda düşüp düşmediğini araştırma zahmetinde bulunmadı. Galileo’nun eğik Pisa kulesinin tepesinden ağırlıklar atarak Aristo’nun inancının yanlışlığını gösterdiği söylenir. Öykünün kuşkusuz yakıştırma olması bir yana, Galileo aslında buna eşdeğer bir şey yaptı: yumuşak bir eğimden değişik ağırlıkta toplar yuvarladı. Olay, ağır cisimlerin düşmesine benzer, ancak topların hızı az olduğundan gözlemlemesi kolaydır. Galileo’nun ölçümleri, ağırlığı ne olursa olsun her cismin aynı hızda hızlandığını gösterdi. Örneğin, her on metrede bir metre alçalan bir eğimde topu bıraktığınızda, bir saniye içinde top yaklaşık saniyede bir metre hızla yuvarlanmakta olur. İki saniye sonra ise saniyede iki metre hızla yuvarlanır, ağırlığı ne olursa olsun. Doğal olarak kurşun ağırlık tüyden daha hızlı düşer, ama bunun nedeni tüyü yavaşlatan hava direncidir. Hava direnci az olan iki cismi, örneğin iki kurşun ağırlığı bıraksanız, her ikisi de aynı hızda düşer.

Galileo’nun ölçümlerini Newton, kendi devinim yasalarına temel olarak aldı. Galileo’nun deneylerinde bir cisim eğimden aşağı yuvarlanırken, hep aynı kuvvetin (kendi ağırlığının) etkisindeydi ve bunun sonucu düzenli olarak hızlanmaktaydı. Şu halde kuvvetin asıl etkisi, daha önceleri sanıldığı gibi yalnızca cismi devinime geçirmek değil, cismin hızını değiştirmekti. Bu demekti ki, cisim hiçbir kuvvetin etkisi altında değilse, bir düz çizgi üzerindeki devinimini aynı hızda sürdürmeliydi. Birinci Newton Yasası olarak bilinen bu düşünceyi Newton ilk kez, 1687′ de basılan Matematiğin İlkeleri adlı kitabında açıkladı. Bu yasaya göre cisim, kuvvet ile doğru orantılı olarak hızını değiştirir, yani ivmelenir. (Örneğin kuvvet iki katına çıkarsa ivme de iki katı büyük olur). Aynı zamanda, cismin kütlesi (yani maddesi) artarsa, ivmesi azalır. (Aynı kuvvet, kütlesi iki katı olan bir cisme kadar ivme verebilir.) Yakından bildiğimiz bir örnek: otomobilin motoru ne kadar güçlüyse o kadar çabuk hızlanır, ama daha ağır bir otomobili aynı motor daha yavaş hızlandırır.

Newton, devinim yasalarına ek olarak kütlesel çekim kuvvetini belirleyen bir yasa buldu: her cisim bir ötekini kütlesiyle doğru orantılı bir kuvvet ile çeker. Buna göre cisimlerden birinin (diyelim A cisminin) kütlesi iki katına çıkarsa, iki cismin arasındaki kuvvet de iki katına çıkar. Bu beklenen bir sonuç, çünkü bu yeni A cismi, kütlesi başlangıçtakine eşit iki cisimden oluşmuş gibi düşünülebilir. Her biri, B cismini başlangıçtaki kuvvetle çeker. Böylece A ile B arasındaki toplam kuvvet başlangıçtakinin iki katı olur ve diyelim ki B cisminin kütlesi de üç kat arttı, o zaman kuvvet başlangıçtakinin altı katına çıkar. Şimdi niye tüm cisimlerin aynı hızda düştüğü anlaşılabilir: ağırlığı iki katı olan cisim iki katı kuvvetli bir çekimle yere doğru çekilir ama kütlesi de iki katı fazladır. İkinci Newton Yasasına göre, bu iki etki birbirini götüreceği için ivme her durumda aynı kalır.

Newton’ın kütlesel çekim yasası ayrıca, cisimler birbirinden uzaklaştıkça çekim kuvvetinin azaldığını söyler. Bu yasaya göre bir yıldızın çekim kuvveti, yarı uzaklıktaki benzeri bir yıldızınkinin dörtte biri kadardır. Bu yasa dünyanın, ayın ve gezegenlerin yörüngelerinin büyük bir doğrulukla hesaplanmasına olanak verir. Eğer yasa böyle olmayıp da yıldızın çekim kuvveti uzaklığı arttıkça daha fazla azalsaydı, gezegenlerin yörüngeleri eliptik olmazdı, gezegenler sarmal bir yörünge çizerek güneşe doğru inişe geçerlerdi. Tam tersine, daha az azalsaydı, uzak yıldızların çekim kuvveti güneşinkine baskın çıkardı.

Aristo’nun düşüncesi ile Galileo ve Newton’ın düşünceleri arasındaki en büyük fark, Aristo’nun, cismi iten bir kuvvet ya da dürtü olmadıkça cismin durağan kalmayı yeğleyeceğine inanmasaydı. Özellikle dünyanın durağan olduğunu düşünüyordu. Oysa Newton’ın yasalarında belirli bir durağanlık, devinimsizlik durumu yoktur. A cismi durağan ve B cismi sabit bir hızla gidiyor denilebileceği gibi, B cismi durağan ve A cismi deviniyor denilebilir. Örneğin, dünyanın kendi etrafında ve güneş çevresinde dönme hareketini bir yana bırakırsak, dünya duruyor ve bir tren kuzey yönünde saatle doksan kilometre hızla gidiyor, ya da tren duruyor ve dünya güneye doğru saatte doksan kilometre hızla gidiyor diyebiliriz. Trenin içinde hareket eden cisimlerle yapılan deneylerde, Newton yasaları geçerliliklerini korurlar. Örneğin trende pingpong oynarken topunuz, rayların kıyısında bir masadaki top gibi Newton’ın yasalarına uyar. O halde tren mi gidiyor yoksa dünya mı bilemezsiniz.

Mutlak durağan bir dayanağın olmayışı nedeniyle, farklı zamanlardaki olayların uzayda aynı yerde oluştuğunu belirlemek olanaksızdır. Örneğin trendeki pinpong topumuz masada zıplayarak aynı noktaya bir saniye ara ile çarpıyor olsun. Tren yolunda durmakta olan bir kişiye göre, top masaya yirmi beş metre ara ile çarpmaktadır, çünkü bir saniyede tren o kadar yol alır. Şu halde, mutlak bir durağanlık konumu olmayışından ötürü, Aristo’nun sandığı gibi olaylar uzayda mutlak bir konuma bağlanamaz. Olayların konumu ve aralarındaki uzaklık trendeki bir kişiye göre başka, tren yolunda duran bir kişiye göre başkadır ve birinin konumunu ötekine yeğlemek için herhangi bir neden yoktur.

Newton mutlak konumun, ya da o zamanlar anıldığı gibi mutlak uzayın yokluğundan pek kaygılanmıştı, çünkü mutlak bir Tanrı düşüncesiyle bağdaşmıyordu. Gerçekten de Newton, kendi yasalarından çıkan mutlak uzayın yokluğu düşüncesini reddetti. Bu akla uygunsuz inancı yüzünden birçok kişi tarafından ağır eleştirilere uğradı. Bu eleştiriler içinde en dikkate değer olanı, tüm nesnelerin uzayın ve zamanın bir yanılsama olduğuna inan filozof Psikopos Berkeley’den (Börkli) geldi. Ünlü Dr. Johnson’a (Cansın) Berkeley’nin bu görüşü aktarıldığında, bağırarak, “Ben onu böyle çürütürüm!” dedi ve ayak başparmağını büyük bir taşa çarptı.

Hem Aristo hem de Newton mutlak zamanı kabul etmişlerdi. Yani iki olay arasındaki zaman aralığının kesin olarak ölçülebileceğine ve iyi saatler kullanıldıkça, her kim ölçerse ölçsün bu zamanı aynı bulacağına inanıyorlardı. Zaman uzaydan tümüyle ayrı ve bağımsızdı. Bu görüş çoğunluğun sağduyusuna uygundu. Ancak sonraları uzay ve zamana ilişkin düşüncelerimizi değiştirmek zorunda kaldık. Sağduyusal kavramlar, elma gibi, yavaş devinen gezegenler gibi şeylerle uğraşırken geçerli olsa da, ışık ya da ona yakın hızla devinen şeyler için hiç de geçerli olmuyor.

Işığın sonlu ama çok büyük bir hızla gittiği ilk olarak 1676 yılında Danimarkalı gökbilimci Ole Christensen Roemer (Römer) tarafından bulundu. Uydularının Jüpiter’in gölgesinde kalması olaylarının düzensiz olduğunu gözlemledi Roemer. Demek ki uydular sabit bir hızla dönmüyorlardı. Dünya ve Jüpiter, güneş etrafında yörüngelerini çizerken, aralarındaki uzaklık değişir. Roemer, Jüpiter’in uydu tutulmalarının biz Jüpiter’den uzaktayken daha uzun sürdüğünü fark etti. Bunu, uydular bizden uzaklaştıkça ışıklarının, bize erişebilmek için daha uzun zaman almasına bağladı. Ancak, Jüpiter’in dünyadan uzaklığındaki değişimleri ölçerken yaptığı hatalar sonucu, bugün saniyede 300.000 km olarak bildiğimiz ışık hızını saniyede 225.000 km olarak hesaplayabildi. Bu hataya rağmen, Roemer’in ışığın sonlu hızla gittiğini kanıtlamakla kalmayıp, bu hızı ölçerek elde ettiği başarı olağanüstüydü-hele bunu Newton’ın Matematiğin İlkeleri kitabının yayınlanmasından on yıl önce sağlamış olduğu göz önüne alınırsa.

Işığın yayılmasını açıklayan yerinde bir kuram, ancak 1865’te Britanyalı fizikçi James Clerk Maxwell’İn (Maksvel) o güne dek elektrik ve manyetik kuvvetleri tanımlayan parça parça kuramları birleştirmeyi başarmasıyla ortaya çıktı. Maxwell’in denklemlerine göre birleşik elektromanyetik alanda dalgaya benzer çırpıntılar olabilir ve bunlar durgun suda yayılan halkalar gibi sabit bir hızla yayılabilirdi. Bu dalgaların dalgaboyu (iki dalga tepesi arasındaki uzaklık) bir metreden uzun olanlarına bugün radyo dalgaları diyoruz. Daha kısa olanları mikrodalgalar (birkaç santimetre) ya da kızılötesi ışınlar (santimetrenin binde biri) olarak bilinir. Görünen ışığın dalgaboyu yalnızca santimetrenin 40 milyonda biri ile 80 milyonda biri arasında değişir. Daha kısa dalgaboylular ise morötesi ışınlar, röntgen ve gama ışınlarıdır.

Maxwell’in kuramı radyo ve ışık dalgalarının belli bir sabit hızla yol aldığına varıyordu. Ama Newton’ın kuramı mutlak durağanlık düşüncesini ortadan kaldırdığına göre, ışık sabit bir hızla yol alıyorsa, bu hız neye göre ölçülüyor sorusunu yanıtlamak gerekiyordu. O halde her yerde, hatta “boş” uzayda bile bulunan “eser” denilen bir şeyin varlığı öne sürüldü. Işık dalgaları, ses dalgalarının havada yayılması gibi, eserde yayılıyor olmalıydı, o halde hızı da esere göre ölçülebilirdi. Esere göre değişik hızlarda devinen gözlemciler, ışığın kendilerine değişik hızlarda geldiğini görecekler, ama ışığın esere göre hızı değişmeyebilecekti. Özellikle, dünya güneş etrafındaki yörüngesinde eser içinde ilerlerken, dünyanın devinimi yönünde (biz ışık kaynağına yaklaşırken) ölçtüğümüz ışık hızı, bu devinime dik açılardan (kaynağa göre durağanken) ölçtüğümüz ışık hızından daha fazla olmalıydı. 1887’de Albert Michelson (Maykılsın) (ki daha sonra fizik dalında Nobel ödülü kazanan ilk Amerikalı oldu) ve Edward Morley (Morli), Cleveland Case Uygulamalı Bilimler Okulu’nda büyük bir dikkatle şu deneyi yaptılar: Işığın dünyanın devinimi yönündeki hızıyla, bu devinime dik açılardaki hızını karşılaştırdılar. Büyük bir şaşkınlıkla ölçümlerin tıpatıp aynı olduğunu gördüler.

1887 ve 1905 yılları arasında, Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz (Lorenz) başta olmak üzere birçok kişi Michelson-Morley deneyinin sonucunu, eserde devinirken kısalan cisimler ve geri kalan saatlerle açıklama girişiminde bulundu. Ama, 1905 tarihli ünlü makalesinde, o zamana dek İsviçre Patent Bürosu’nda isimsiz bir memur olan Albert Einstein (Aynştayn), eser kavramının tümüyle gereksiz olduğuna işaret etti, ama mutlak zaman kavramından vazgeçilmesi ön koşuluyla. Benzer bir tez birkaç hafta sonra önde gelen bir Fransız matematikçisi Henri Poincare (Puvankare) tarafından ileri sürüldü. Einstein’ın savları fiziğe, bu soruna salt matematik açısından yaklaşan Poincare’ninkinden daha yakındı. Bu yeni kuramı bulma şerefi çoğunlukta Einstein’a verilir ama Poincarede bu kuramdan söz edilirken isminin önemli bir ölçüde geçmesiyle anılır.

Görelik kuramı olarak bilinen bu teorinin temel önermesi, hızı ne olursa olsun, özgürce hareket eden her gözlemciye göre bilim yasalarının aynı oluşuydu. Bu düşünce, Newton’ın devinim yasaları içinde de geçerliydi ama şimdi kapsamı genişlemiş oluyordu. Maxwell’in kuramını ve ışık hızını da içine alarak: ne hızla giderse gitsinler tüm gözlemciler ışığın hızını aynı ölçmeliydiler. Bu basit görünen düşüncenin olağanüstü sonuçları vardır. Herhalde en çok bilinenleri, Einstein’ın ünlü denklemi E=mc2 (E enerji, m kütle ve c ışık hızı olmak üzere) ile özetlenen kütle-enerji eşdeğerliği ve hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceğini belirten yasadır. Enerji ve kütlenin eşdeğerliği nedeniyle, deviniminden ötürü enerji kazanan bir nesnenin kütlesi artar. Bir deyişle, hızını artırmak zorlaşır. Bu etki ancak ışık hızına yakın hızlarda devinen nesnelerde kendini gösterir. Örneğin ışık hızının onda birinde giden bir nesnenin kütlesi durağan haldekinden ancak yüzde yarım fazladır, oysa ışık hızının onda dokuzu ile giderkenki kütlesi durağan haldekinin iki katından bile fazladır. Bir nesnenin hızı ışık hızına yaklaştıkça kütlesi de o denli artar ki, hızını bir dirhem daha artırabilmek için büyük enerji gerekir. Işık hızına ise hiçbir zaman erişemez, çünkü ışık hızında kütlesinin sonsuz olması gerekir ve kütle-enerji eşdeğerliğine göre buna erişmesi için de sonsuz enerji almış olmalıdır. Bu nedenle sıradan bir nesne, görelik kuramına göre, ışıktan daha yavaş gitmeye mahkum edilmiştir sonsuza dek. Ancak ışık, ya da gerçek kütlesi olmayan benzeri dalgalar, ışık hızında gidebilir.

Göreliğin yine olağanüstü bir başka sonucu, uzay ve zaman kavramlarımızı kökten değiştirmesidir. Newton kuramında, bir ışık darbesi bir yerden ötekine gönderildiğinde, değişik gözlemciler (zaman mutlak olduğundan) bu yolculuğun süresinde birleşirler, ama (uzay mutlak olmadığından) ışığın ne kadar yol aldığında ayrılabilirler. Işığın hızı, aldığı yolun süreye bölümüne eşit olduğu değişik gözlemciler ışık hızı için değişik sayılar bulacaklardır. Öte yandan, görelik kuramında, tüm gözlemciler ışık hızını aynı ölçmek zorundadırlar. Ama önceki gibi ışığın gittiği uzaklık üzerinde anlaşamadıkları için, şimdi ne kadar süre aldığında da ayrılacaklardır. (Öyle ya, yolculuğun süresi, ışığın hızı -ki gözlemciler aynı olduğunda birleşiyorlar- çarpı gittiği uzaklığa -ki farklı ölçüyorlar- eşittir.) Bir başka deyişle, görelik kuramı mutlak zamanın kavramının çanına ot tıkamış oluyor! Öyle görünüyor ki, her gözlemcinin, yanında taşıdığı saatle ölçtüğü bir zaman ölçüsü var, ve farklı gözlemcilerin taşıdığı tıpatıp aynı saatler uyuşmayabilir…

Stephen William Hawking
Kaynak: Zamanın Kısa Tarihi

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here