IŞIK HIZINDAN DAHA HIZLI HAREKET ETMEK MÜMKÜN MÜ? EİNSTEİN İN ÖZEL VE GENEL GÖRELİLİK TEORİSİNİ YAKINDAN ÖĞRENELİM
GİRİŞ:
”Görelilik teorisi” genellikle Albert Einstein'ın iki teorisini, 1905'in Özel Görelilik Teorisini ve 1916'daki Görelilik Genel Görelilik Teorisini ifade eder. Kuantum teorisi ile birlikte, görelilik, hemen hemen bütün modern fiziğin inşa edildiği iki ana parçasından biridir.
Görelilik fikri neredeyse üç yüzyıl önce Galileo tarafından 1632'de görelilik ilkesini (fizik temel yasalarının üniform harekette tüm bedenler için aynı olduğu) belirttiği zaman inceledi. Daha sonra 17. yüzyılda Sir Isaac Newton da, göreceli olarak görelilik ilkesini benimsedi. Ünlü hareket yasalarının bir atalet çerçevesinde tutulması durumunda, ilk çerçeveye göre sabit bir hızda hareket eden bir referans çerçevesinde tutulduğunu iddia etti.
Göreceğimiz gibi, Einstein'ın teorileri, başlangıç noktası pek çok bakımdan aynı olsalar bile, biraz daha karışıktı. Onun temel teorileri ışığın hızını, uzay-zamanının yapısını ve ivmenin ve yerçekiminin eşdeğerliğini hesaba katıyor. Zamanın genişlemesi, uzunluğun daralması, kütle enerjisi denkliği ve ışığın eğilmesinin yanı sıra kara deliklerin, solucan deliklerinin varlığının ve bir Big Bang'teki (büyük patlama) evrenin 'doğuşunun' tahmini gibi.
IŞIK HIZI VE RÖLATİVİTE PRENSİBİ:
Mantıksal olarak, nihai kozmik hız limitinin sonsuzluk olmasını bekler; bu da son derece akla gelebilecek en büyük sayı olarak tanımlanır. Bununla birlikte, evrenimizde, saniyede 300.000 kilometrelik nispeten ılımlı bir hız, ışığın hızı, fiili maksimum hızdır ve pratikte asla bir ışık demetini yakalamak mümkün değil. 19. yüzyılın son yıllarında, bunu ilk kez ciddi olarak dikkate alan 16 yaşındaki Albert Einstein idi.
Işık hızı, 1675'te ışığın sonlu bir hızda gittiğini gösteren Danimarka gökbilimci Ole Roemer'e Jüpiter'in uyduları hakkındaki gözlemleri sonucu ışığın hızını yaklaşık 225,000 km / s ölçmesine karşın, daha sonra yapılan daha doğru deneyler sanayide 299,792,458 metre (yaklaşık 300,000 km / s) olduğunu hesaplamıştır.
1868'de, İskoç matematikçisi ve fizikçi James Clerk Maxwell'in, Ampère, Coulomb ve Faraday'ın daha önceki eserleri üzerine kurulan denklemleri, tüm elektromanyetik dalgaların boşlukta ışıkla aynı hızda gittiğini hesaplamıştır. Maxwell, ışığın ve diğer elektromanyetik dalgaların, 'aether' olarak adlandırdığı, doğrulanmamış çevre ortamına göre sabit bir hızda gitmesi gerektiği sonucuna vardı.
Reomer'in ışık hızını belirlemek için 1675'te kullandığı mantık
1887 tarihli ünlü Michelson-Morley deneyleri, ışığın bir aether olarak bilinen bir ortamda dolaştığını ispatlamak için yapılan başarısız bir deneyde, beklenmedik bir şekilde, ışığın, Dünya'nın hareketi yönünde mi yoksa ona dik açılı olarak atılıp atılmadığına bakılmaksızın, aynı hızda ilerlediğini göstermiştir. Işık ortamdan ortama geçtiğinde, hızı, elbette yeni maddenin kırılma indisine bağlı olarak değişir.
Böylece, bir ışık kaynağının sana doğru mı yoksa uzaklaştığına mı bakarsın, ışık hala klasik fizik ve sağduyunun tam tersine 300,000 km / s lik sabit bir hızla dolaşır. Sadece ışığın hızının sabit olup olmadığını ve kaynağının veya gözlemcisinin hızına bağlı olmadığını açıklayan genç Einstein'ın dehasıydı. 1905'te, Einstein (aynı zamanda, daha matematiksel bir bakış açısına rağmen, aynı zamanlarda benzer sonuçlara varan Fransız matematikçisi Henri Poincaré), ışık için ortam olarak bütün bir aether fikrinin tamamen gereksiz olduğunu fark etti.
Einstein, Maxwell denklemlerinin fizik kanunlarında belirgin bir paradoks ya da tutarsızlık ortaya çıkardığını fark etti, çünkü bir kişi bir ışık huzmesine yetişebilirse, sabit bir elektromanyetik dalga göreceğini ve bunun bir imkânsızlık olduğunu önermişti. Einstein bu nedenle, ışık hızının evrende sonsuz hız rolü oynadığını ve aslında hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı gitmediğini (ve evrendeki hiçbir şey sonsuz hız gibi bir şeyle seyahat edemediğinden şüphesiz) varsayar. Unutulmamalıdır ki, Einstein, ışık hızının sabitliğini gerçekten tüm referans çerçevelerinde kanıtlamadı. Aksine, teorisinin geri kalanını türettiği bir aksiyomdur (temel bir varsayım). Aksiyom deneysel olarak doğrulanabilir, ancak herhangi bir teorik anlamda ispatlanmamıştır.
Işık sabit hızı, Özel Rölativite Teorisinin iki temel bileşenlerinden biri haline geldi ve bunu da bir sonraki bölümde daha ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Diğer ana plân, büyük İtalyan fizikçi Galileo Galilei tarafından 1632'de başta belirtilmiş olan bir fikir olan 'görecelik ilkesi' idi (ya da 'değişmezlik ilkesi). Galileo, fizik mekanik yasalarının her atalet için aynı olduğunu savundu. Galileo, pürüzsüz bir denizde, dalga olmadan sabit hızda seyreden bir geminin örneğini kullandı ve güvertedeki karanlık bir odada deney yapan herhangi bir gözlemcinin, geminin hareket halindeyken hareketsiz olup olmadığını anlamayacağını belirtti. Hafif güncellenmiş bir örnek olarak, 1200 m yüksekte ve 800 km/h hızla hareket eden bir uçağın içindeki bir kişi elindeki bir cismi düz yukarı yönde havaya attığında cisim tekrar eline düşerken, dışardan bakan bir gözlemci için cisim uçakla aynı hızda hareket etmiştir. Görelilik ilkesini sabit ışık hızıyla birleştirdiğinde Einstein'a ışık hızının da gözlemcinin hızından bağımsız olduğu açıktı ve evrendeki herkes hızlı hareket etseler de Işık hızını her zaman aynı kalacağını söyler.
ÖZEL GÖRECELİLİK TEORİSİ
Albert Einstein 1905 tarihli 'mucize yıl' adlı eserinde Görelilik Özel Teorisi'nde, şu soruyu soruyordu; şu an ki uzay ve zaman hakkındaki görüşümüze göre ışığın belli bir zamanda aldığı yol her zaman 300.000 km/s olarak mı ölçülür? Örneğin uzay aracıyla uzayda ışık hızının yarı hızında ilerlerken lazer silahıyla bir cisme ateş ediliyor. Lazer ışınının cisme varma hızı ışığın hızının bir buçuk katı olmaz. Bu durumda iki olasılık ortaya çıkıyor. Ya ölçülen mesafenin beklenenden daha küçük olması gerekir ya da alınan sürenin beklenenden daha fazla olması gerekir.
Einstein Aslında bu iki olasılığın da doğru olduğunu fark etti: Alan 'daralması' ve zaman 'genişlemesi. Işığın uzaydaki hareketinin bir kısmı, kuzey-batı yönünde seyahat eden bir otomobilin kuzeye doğru hareketi batı yönüne doğru yöneltirken olduğu gibi, zamanla harekete "yönlendirilir" olarak düşünülebilir. Böylece uzayın ve zamanın boyutları birbirini etkiler ve hem alan hem de zaman, evrenin değişmez temel kuralı olan ışık hızının sabit kalmasını doğrular. Bu devrimci fikir, uzun süredir devam eden eşzamanlılık kavramını (bir insanın aynı anda gerçekleştiği düşünülen olayların evrendeki herkes için aynı anda gerçekleştiği düşüncesi) hiçe saymakta ve olayların uzaydan ayrılmış olması halinde, aynı anda iki olay meydana gelip gelmediğini mutlak anlamda söylemek imkansız olduğunu ileri sürdü. Kısaca Özel Görelilik Teorisine göre, nesnenin hızı arttıkça hareket yönünde boyu daha kısa ölçülür, ışık hızına ulaştığında ise kısalıp yok olacağını belirtir. Aynı zamanda, bir saatin hızı arttıkça daha yavaş çalışmaya başlar, ışık hızına ulaştığında ise tamamen duracağını söyler. Gerçekten de, ışık hızında kütlenin sonsuz büyüklükte ölçüleceğini bize anlatıyor.
Göreceli hızlarda zaman daralır ve genişler
"İkizler efekti" (veya paradoks), bir uzay gezgini, ikizinden daha genç Dünya'ya döner
Böylece, bir kişinin zaman aralığı başka bir kişininki ile aynı değildir ve farklı hızlarda seyahat eden farklı gözlemciler için zaman farklı oranlarda çalışır. Bir dereceye kadar, ne kadar hızlı giderseniz, daha yavaş yaşlanırsınız. Bunun günlük yaşamda açıkça görülmemesinin nedeni, günlük hızdaki farklılıkların son derece küçük olmasıdır. Bu etki yalnızca ışık hızına yaklaştıkça fark edilir.
Uzunluk daralması ve zaman dilatasyonu miktarı, Einstein'ın çalışmalarına başlamasından çok önce 1895'ten beri böyle bir dönüşüm denklemini araştıran Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz'in adını verdiği Lorentz faktörü tarafından verilir. Lorentz faktörü γ (gamma), denklemi ile verilir, böylece nesnenin hızı v ışık hızına yaklaştığında sonuç katlanarak artar. Işık hızının% 99.5'inde bir uzay gemisinde yolculuk etmek mümkün olsaydı, saatine bakan bir varsayımsal gözlemci saatinin yaklaşık 10 kat daha yavaş ilerlediğini görecektir.
Birkaç gerçek hayat örneği, özel göreliliğin etkilerini daha net hale getirmeye yardımcı olabilir. Deneyde birbirine senkronize iki atom saatinden biri yerde sabit bir halde iken diğer atom saati bir uçakla seyahate çıkarıldı. Seyahat eden saat, nispeten yavaş hızlardan dolayı tabii ki minimal düzeyde olmasına rağmen, (teori tarafından öngörüldüğü gibi) diğerine kıyasla marjinal olarak daha yavaş çalıştığı gözlendi. En hızlı askeri uçaklarımız yalnızca ışık hızının yaklaşık 1 / 300.000'inde yol alabilirler, bu nedenle zamanda genişleme etkisi γ on binde birdir. Bununla birlikte, çok yüksek hızda, etki daha belirgindir. İsviçre'deki CERN parçacık hızlandırıcısındaki ışığın hızı% 99.99'a kadar hızlanan parçacıklar, aynı tür göreliliğe neden olan zaman yolculuğunu yaşar ve yaklaşık 5,000 de bir γ faktörüyle karşılaşır ve daha kısa ömürlü parçacıkların bile yapay kalıcılığını sağlar Pi mezon gibi.
Işık hızının kozmik hız sınırını 'korumak' için hızı artan nesne için zaman yavaşladığından, teorik olarak ışık hızına yaklaştığınızda geleceğe yolculuk yapabiliriz. Bütün bunların sonucu olarak, ışık hızını aşmak mümkün olsaydı, zaman içinde geri dönmek mümkün olurdu; bu da zaman yolculuğu paradokslarını (bir insanın zamanında geri döndüğü ve müdahale ettiği kendi geçmişinde veya kendi dedesini öldürdükleri vb.) olasılığını yükseltir. Fakat bazı bilim adamları, henüz keşfedilmemiş bazı fizik kanunlarının bu çelişkileri önlemek için müdahale edebileceğine inanmaktadır. Aslında, özel görelilik, ışığın daha hızlı hareket eden parçacıkların varlığını kesinlikle yasaklamaz ve bir takyon olarak adlandırılan ve tüm ömrünü ışık hızından daha hızlı şekilde geçirmek üzere harcayacakları varsayımsal bir atom altı parçacık vardır, ancak şu anda hâlâ varsayımsal.
Zamanın genişlemesiyle bağlantılı bir başka olgu 'ikiz etki' (bazen 'ikiz paradoks' olarak anılır) olarak adlandırılır. Bir astronot uzayda ışık hızına yakın bir hızda yolculuk yaparak (Göreceli yüksek hızlarda yolculuk yaptığı için Dünya'da on yıl geçmesine rağmen astronot için yalnızca bir yıl geçmiştir) kendisinden daha yaşlı ikizini bulmak için geri döner. Bu paradoksta ikizlerden biri hızdan dolayı zaman daha yavaş aktığı için diğer dünyadaki ikizine göre daha az yaşlanmıştır.
Esasen, Özel Görelilik Teorisi, iki ana postülasyonu: İlk olarak, fiziksel kanunların herhangi bir atıl sistemde ifade edildiğinde aynı matematiksel biçime sahip oldukları. İkincisi, ışık hızı, kaynağının ve gözlemcinin hareketinden bağımsız olduğu ve bu nedenle başka bir şey ile ilişkili olmadığı ve birbirlerine göre sabit hızda hareket eden gözlemciler tarafından ölçüldüğünde, her zaman aynı değere sahip olacağı anlamına gelir.
UZAY – ZAMAN
Özel göreliliğin diğer bir sonucu ise, aslında, bir kişinin alan aralığı, başka bir kişinin zaman ve mekan aralığıdır ve bir kişinin zaman aralığı, başka bir kişinin hem alan hem de zaman aralığıdır. Böylece, alan ve zaman etkili bir şekilde değiştirilebilir, aslında temel olarak aynı şey. Bu, ışık hızına yaklaşırken göreceli hızlarda daha belirgin hale gelen bir etkidir. Einstein'ın eski matematik profesörü olan Hermann Minkowski, belki de bu etkiyi notlayan ilk kişiydi (belki de Einstein'ın kendisinden daha iyi anladı) ve dört boyutun birbiri ile değişebilirliğini tanımlamak için "uzay-zaman" cümlesini icat etmişti. 1908'de Minkowski, normal üç boyutlu alanımızda iki gözlemciye dört boyutlu uzay-zamanının nasıl farklı görünebileceğini açıklamak için yararlı bir analoji sundu. Minkowski farklı açılardan üç boyutlu bir nesneyi inceleyen iki gözlemci nitelendirdi. Örneğin, uzunluk ve genişlik farklı bakış açılarından farklı görünebilir. Nesne farklı bakış açılardan bir boyutlu ve üç boyutlu görülebilir.
Bir nesnenin hem uzay hem de zaman içinde aldığı yol, uzay-zaman aralığı
Zaman dilatasyonunun göreceli etkileri nedeniyle, 'şimdi' fikrimiz, bu nedenle, insanlar için kendimiz için icat ettiğimiz, ancak doğanın kendisinin gerçek anlamda kullanmadığı hayali bir kavramdır. Fizikçiler zamanları 'geçici' ya da 'akıcı' olarak görmez ve zaman zaman gerçekleşen bir olay dizisi değildir: Geçmiş ve gelecek sadece uzay-zamanın bir parçası olarak ortaya çıkar. 'İkizler paradoksu' buna bir örnek olarak düşünülebilir: evde ikamet eden ikizin uzay-zaman boyunca ilerlemesi tamamen zaman içindeydi, hareket eden ikizin ilerlemesi kısmen uzaydan geçti, evde ikamet eden ikizinkinden daha az zaman.
Bu nedenle, Einstein'ın 'Bizim için fizikçiler için geçmiş, şimdiki ve gelecek arasındaki ayrım sadece yanılsamadır, ancak süreklidir' ve bu kavramlar gerçekten özel görelilik içinde hiçbir anlam taşımıyor. Benzer şekilde, bütün uzay anlayışımız güvenilmez olur, çünkü uzunlamasına daralmanın göreceli etkileri yüksek bağıl hızlarda ortaya çıkmaktadır.
E=mc2
Güneş enerjiyi ve ışığı pompalarken, kütlesinin bir kısmını kaybeder, ancak çok yavaş olsa da (doğumundan bu yana% 0,1'den daha az). Kuyruklu yıldızın yolu Güneş'e yaklaştıkça, parlayan gazların kuyruğu Güneş'ten uzaklaşır. Bu örneklerin her ikisi de, Güneş'ten çıkan enerjinin (fotonların) aslında bir şeyler ağırlığında, aslında çok az olsa bile kütlesi olduğunu öne sürüyor. Güneş ışığının fotonlarının kendine özgü bir kütlesi olmamasına rağmen (aksi takdirde göreceğimiz gibi ışığın hızında ilerleyemezler), enerjilerini kullanarak bir 'etkin kütle' ye sahip olmaları gerekir.
Bir cismi ışık hızına çıkarmak için uygulanan kuvvet, cisim ışık hızına yaklaştıkça cismin kütlesi artacağından uygulanması gereken kuvvette büyüdükçe büyür. Eğer cisim ışık hızına ulaşacak olsaydı cismin kütlesi sonsuz büyüklükte olurdu. Aslında, cisim ışığın hızına yaklaştığında, cismi itmek için harcanan enerji cismin hızını artırmak için kullanılamaz, bu nedenle harcanan enerji başka yerde kullanılmalıydı.
Enerji Koruma Yasası, enerjinin ne var edilip ne de yok edilebileceğini, yalnızca bir formdan diğerine dönüşebileceğini belirtir. Dolayısıyla, cismi iten enerji ek kütleye dönüştürülürse, kütlenin kendisi de başka bir enerji şekline ve enerjinin de etkin bir kütleye sahip olduğu anlamına gelir.
Kütle-enerji denkliği olarak bilinen, enerji ile kütle arasındaki bu bağlantı, Einstein'ın E = mc2 denkleminde ölümsüzleştirildi, burada E enerji, m kütle ve c ışık hızıdır. Aslında, E=mc2 bağıntısı cismin durgun haldeki kütlesinin sahip olduğu enerji değeridir. Hareketli bir cismin sahip olduğu enerji Daha önce lorentz faktörünün olduğunu görmüştük, dolayısıyla bağıntı E=γmoc2 şeklinde de ifade edilebilir. Bu denklemlerden anlaşıldığı üzere cisim ışık hızına yaklaştığında enerjide sonsuza yaklaştığı gözlenir. Bu da cismi hızlandırmak için sonsuz enerjiye ihtiyaç duyulacağını gösterir. Ayrıca, (önceki bölümde de belirtildiği gibi) ışık hızında sonsuza dek hareketli bir cismin kütlesi hızının arttıkça nasıl ve ne kadar artacağını da görebiliriz.
Göreliliğin diğer yönleri gibi, etkilerini günlük hayatta gözlemlemek çok zordur. Kahve fincanı, aslında ona ısı enerjisi verdiğinizde ağırlığının artması gerekir, ancak artış miktarı o kadar küçük olur ki gözlenebilir veya ölçülebilir olmaz. Aynı şekilde, bir kömür parçası yakıldığında, kütle enerjisi ısı enerjisine dönüştürülür ve yananların toplam ürünleri (kül, gazlar, vb.) Aslında orijinal kömürden biraz daha hafif olacaktır.
Başka bir örnek, dört hidrojen atomu bir helyum atomu oluşturmak için kullanılabilir. Bu durum güneşin çekirdeğinde ve ya hidrojen bombasında ki füzyon reaksiyonlarında gözlenir. Bu reaksiyonda oluşan helyum atomu aslında dört hidrojenden %0,8 daha hafiftir. Burada kütlenin bir kısmı ısı enerjisine dönüşmüştür. Bununla birlikte, ısı enerjisinin bu küçücük ağırlığı, bir atomun çekirdeğini bir arada tutan kuvvetli nükleer gücünden kısmen de olsa, bir kömürünün üretebileceği enerjinin yaklaşık bir milyon katı kadar enerjiyi temsil eder.
Aslında, kütle bilinen en yoğun enerji şeklidir. E = mc2 denklemi göz önüne alındığında, denklemi bir kilogramlık bir maddeye uygulamanın, Dünya'nın tüm nüfusunu uzaya götürmeye yetecek kadar 9 x 1016 joule enerji içerdiğini göstermesi sürpriz olmayabilir!
Bununla birlikte, maddeyi enerjiye dönüştürmek kolay değildir. Güneş'teki ve bir hidrojen bombasındaki nükleer işlemler, maddeye kilitlenen enerjinin ancak% 1'ini serbest bırakır. Mümkün olan en yüksek hızda dönen bir kara delik çok daha verimli ancak madde bir kara deliğe girdikçe maddenin kütlesinin% 43'ü kadar enerjiyi (ısı ve ışık olarak) serbest bırakır. Bilim insanlarının, kuasarların büyük enerji çıktısının ancak kalbinde süper öldürücü bir kara deliğin yaratabileceğine inandıklarının sebebi budur.
Aslında, kütleyi % 100 etkinlikle enerjiye dönüştüren tek işlem madde ve antimadde buluşmasıdır. Ne yazık ki, evrenimiz pek karşı madde içermiyor gibi görünüyor ve bilim adamları yalnızca gramın milyarda birinden daha fazlasını üretmeyi başarabilmişlerdir. Verimli bir Antimadde üretim yöntemi bulunduğunda dünyanın enerji ile ilgili bir problemi de kalmamış olur.
HIZLANMA VE KÜTLEÇEKİMİ
Bununla birlikte, Einstein'ın Görelilik Teorisinin dezavantajı, belirli bir hızla hareket eden bir gözlemciye göreceliğin etkilerini göz önünde bulundurması bakımından 'özel' olmasıdır. Sabit hızda hareket, açıkça çok özel bir durumdur ve pratikte cisimler hızlarını zamana göre değiştirirler. Einstein teorisini, bir gözlemciye göre hızlanan başka bir kişiyi nasıl gördüğünü genellemek istedi.
Einstein bu sefer (1907 de), Newton'un çekim özel göreliliğine uyması için nasıl değiştirilmesi gerektiğini ve yerçekimi etkilerinin formülasyona nasıl eklenebileceğini düşünmeye başladı. Ortaya çıkan genel Görelilik Teorisi (1916'da yayınlandı) on yılı aşkın bir süredir, bilime tek bir insan zihninin en büyük katkısı olmuştur.
Başlangıçta Einstein, 1687'den beri tartışmasız duran Sir Isaac Newton'un evrensel çekim Kanununun kendi Özel Teorisi ile temelde uyuşmadığı gerçeğinden şaşkına dönmüştü. Newton'un teorisi, kütlesi olan her cisim bir birine kuvvet uyguladığını, iki kütlenin büyüklüğünün çarpımı ile doğru ve cisimler arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olan bir kuvvet.
Newton'un Evrensel Yerçekimi Kanunu
Böylece, bu teoriye göre, cisimlerin birbirine yakın olduğu zaman nispeten çekim kuvveti çok büyüktür, ancak uzaklık arttıkça bu kuvvet zayıflar ve cisimler ne kadar büyük olursa, karşılıklı çekim kuvvetleri de o kadar büyük olur. kütleçekimi, evren için örgütleyici bir kuvvettir ve yapısı neredeyse özelliksiz olan Big Bang kökenli bir yapıdan çıkarmada çok önemlidir. Çok zayıf bir kuvvet olmasına rağmen, her şeye etki eden ve geniş mesafelerde hareket edebilen kümülatif ve tutarlı bir kuvvettir.
Einstein'ın çığır açan gerçekliği, yerçekiminin gerçekte bir güç olmadığı, ancak ivmelenmeden ayırt edilemez olduğu ve aslında "eşdeğerlik ilkesi" olarak adlandırdığı bir fikirden farklı olmadığıydı. Uzaydaki astronotların serbest düşmesi fikrinin yaygınlaşmasından yıllar önce, eğer yerçekimsel bir alana rahatça sıçrayacaksa kendi ağırlığını hissedemeyeceğini, 1907'de olağanüstü bir anlayışa sahip olduğunu fark etti.
Yerçekimi etkisi bazen 'yerçekimi zaman dilimi' olarak adlandırılan zaman dilatasyonunun etkilerini yaratır. Einstein'ın öngördüğü gibi, bir cisim büyük bir kütleye ne kadar yakınsa, göreceli olarak büyük bir yerçekimi kuvveti ile zamanın daha yavaş akmasını sağlar. Yerçekimi zaman dilimi de teorik olarak zaman yolculuğu ihtimalini arttırır. Örneğin, bir uzay gemisi süper öldürücü bir kara delik gibi muazzam bir kütlenin yörüngesine yakın olsaydı (ancak çok yakın değilse!) Yerçekimsel etkileri, başka yerlere kıyasla zamanı yavaşlatacak kadar etkili olabilir; buda onları geleceğe doğru yola koymuş gibi olur.
Daha küçük bir ölçekte, yerçekimi, Dünya'nın merkezine biraz daha yakın olduğundan, teorik olarak zaman, bir apartmanın birinci katında oturan biri için en üstte yaşayan birisinden daha yavaş geçer. Yeterli doğrulukta olan modern atom saatleri ile deniz seviyesinin üstündeki farklı yüksekliklerde zamanın farklılıkları ölçülebilir. Yerçekimsel zaman dilatasyonunun gerçek hayatta bir örneği, Dünya üzerindeki jeo-senkron yörüngedeki GPS sistemlerinde, saatlerini, yeryüzündeki ile karşılaştırıldığında yaşadıkları daha zayıf yerçekimi nedeniyle zaman farklarını hesaba katmak için saatlerini sürekli olarak ayarlamaları gerekmektedirler.
Einstein'ın yerçekimi, aslında bir kuvvet değil, çevremizin bize göre hızlanması sonucunda gerçekleşti. Ya da, belki de ona bakmanın daha iyi bir yolu, yerçekimi, merkezkaç kuvveti olarak adlandırılan kuvveti kendi başına bir kuvvet olmadığı gibi, bir cismin atıl kuvvetinin bir türüdür; sadece, bir dairesel yoldan zorlarken cismin ataletinin etkisi.
EĞİMLİ UZAY
Işığın daima doğru olarak düşünülen iki nokta arasındaki en kısa yolu seçtiğini biliyoruz. Bununla birlikte, düz bir çizgi, düz bir yüzeydeki iki nokta arasındaki en kısa mesafedir. Eğri bir yüzeyde, iki nokta arasındaki en kısa mesafe, teknik olarak bir jeodezik olarak bilinen bir eğridir, belki de bunu gözümüzde canlandırarak düşünürsek; Örneğin, Londra ve New York arasındaki en kısa rota üzerinde uçan bir uçak harita üzerinde düz bir çizgi gözükse de aslında büyük bir daire çizer.
O halde, eğri lazer ışınının mümkün olan tek yorumu, kabin içindeki boşluğun bir şekilde eğri olmasıdır. Bu konsepti Einstein'ın eşdeğerlik prensibi ile birleştirirsek, yerçekimi varlığında ışığın kavisli bir yörüngeden geçtiği ya da yerçekimi ışığın yolunu kıvırdığı görülür. Aslında, yerçekiminin eğri boşluktan veya daha özel olarak dört boyutlu uzay zamanının eğriliğinden ya da çarpıklığından başka bir şey olmadığını görür.
Basit bir benzetme, bu kötümser görselleştirme kavramını anlamamıza yardımcı olabilir. Bir grup karınca hayatlarını bütünüyle 2 boyutlu bir trambolinin yüzeyinde geçirirlerse ve Trambolinin ortasında bowling topu gibi bir ağırlık yer alıyorsa, karıncalar yollarını esrarengiz bir şekilde trambolindeki kâse şeklindeki çöküntüde bulacaktır. Karıncalar üzerlerinde bir kuvvet etkisi olduğunu ve bu şekilde hareket ettiklerini söylerler, aslında karıncalar üzerine gerçek bir kuvvet etki etmeyip trambolin üzerindeki bükülmüş yolu takip ederler.
Trambolin yüzeyinde bir misket yuvarlanırsa, daha iyi bir görsel benzetme olabilir. Misket çöküntüye uğramadan geçebilir veya bowling topuna yakın giderse oluşan çöküntünün etkisinde biraz kıvrılarak ama sonra kaçabilir, eğer misket bowling topuna çok yaklaşırsa oluşan çöküntüde sürekli azalan daireler çizerek oyuğa düşebilir.
Dünya aslında güneş etrafında serbest düşme hareketi yapar, yani biz güneşin çekim kuvvetini hissetmeyiz. Aynı şekilde uzaydaki uluslar arası uzay istasyonu da dünya etrafında düşme hareketi yapar ve bu istasyondaki astronotlar aynı şekilde dünyanın çekim kuvvetini hissetmezler. Dolayısıyla, serbest düşme genellikle yer çekiminin sağladığı hareketsizlikten başka bir ivme olmadan hareket olarak tanımlansa da, gerçekte sadece uzay-zaman boyunca mümkün olan en doğru yoldan geçen bir cisimdir. Dünyanın merkezine doğru doğal olarak düşen doğal hareketimiz zemin tarafından engellendiğinde, yerçekimini yeryüzünde hissediyoruz.
Bu ilk bakışta karşı-sezgisel görünebilir. Örneğin topu havaya düz bir şekilde attığımız zaman, yüksekliğin zamana karşı grafiği, Newton yaslarına göre bir parabol eğrisini izler. Bununla birlikte, görelilik altında, Dünya gibi büyük bir cismin koordinat sisteminin kendisini eğdiğini, top bir koordinat sisteminde kavisli bir yol izlemek yerine, kavisli bir koordinat sisteminde asgari bir mesafe yolunu veya jeodeziyi takip eder ve jeodezik yol onu yönlendirdiği için atıcının eline geri döner.
RELATİVİTE GENEL KURAMI
Genel görelilik, ağır cisimler tarafından ışığın yer çekimi bükülmesini öngörür
Gördüğümüz gibi, madde, Newton'un hayal ettiği gibi, boşluğun öbür tarafına basitçe çekilmemektedir. Aksine, uzay-zamanını bozan madde ve bu çarpıtılmış uzay-zaman, diğer meseleyi de etkiler. Nesneler (örneğin, Dünya gibi gezegenler de dahil olmak üzere), kavisli uzay-zamanları boyunca kendi ataletlerinin altında serbestçe dolaşırlar, çünkü eğri yollardan sonra, çarpık uzay-zamanında mümkün olan en kısa yol budur (veya jeodeziktir).
Kısacası, Görelilik Genel Teorisi budur ve merkezi öncül, uzay-zamanının eğriliğinin doğrudan maddenin ve içindeki enerjinin dağılımı ile belirlendiğidir. Ancak, işleri zorlaştıran şey, maddenin ve enerjinin dağılımının mekanın eğriliği tarafından yönetildiğidir, bu da bir geri bildirim döngüsüne ve çok karmaşık bir matematiğe yol açar. Böylece, kütlenin / enerjinin varlığı mekânın geometrisini belirler, ve mekanın geometrisi, kütlenin / enerjinin hareketini belirler.
Pratikte, günlük dünyamızda, Newton'un Evrensel Yerçekimi Kanunu mükemmel bir yaklaşımdır. Işık eğrisi, Newton tarafından asla tahmin edilemez; ancak, özel görelilikten gelen fikirle birlikte, her türlü enerji (ışık dahil) etkili bir kütleye sahip olur; dolayısıyla ışık Güneş gibi büyük bir cisimin yanından geçerken, Yer çekimi römorkörünü hissedecek ve yolundan biraz eğilecek. Bununla birlikte, Einstein'ın teorisi, ilginç bir şekilde, bir tür olumlu geribildirim nedeniyle, ışık yolunun Newton teorisinin iki katına kadar eğileceğini öngörür. İngiliz gökbilimci Arthur Eddington, Einstein'ın 1919'da Güneş'in tutulması sırasında Batı Afrika'da çekilen ölçüleri kullanarak Güneş'in yer çekimi ile diğer yıldızlardan gelen ışığın sapmasını öngördüğünü doğruladı ve ardından Genel Görelilik Teorisi bilim dünyasında kabul gördü.
Teori son yüzyılda birçok farklı testte inanılmaz derecede doğru ve sağlam olduğunu kanıtladı. Gezegenlerin hafif eliptik yörüngesi de teori ile açıklanmaktadır ancak gezegenlerin eliptik yörüngelerinin kesin tekrarlar olmadığını, ancak her turda bir miktar rozet benzeri desen izleyerek aslında her dönüşte biraz kayması gerçeğini büyük bir doğrulukla açıklamaktadır. Örneğin, Merkür'ün perihelion'unun (Merkür gezegeninin her 3 milyon yılda bir tam bir rozet izlediği) sözde öngörülmesini doğru bir şekilde öngörür.
Görelilik Genel Teorisi, aslında çok basit bir denklem kullanılarak tarif edilebilir: R = GE Ne yazık ki, bu basit denklemdeki değişkenler basit değildir: R, bir matriste 16 ayrı sayıdan oluşan karmaşık bir matematiksel nesne veya uzay-zamanın bozulmasını tanımlayan 'tensör' 'dir; G kütle çekimi sabitidir; ve E, nesnenin enerjisini temsil eden bir tensör ile temsil edilen başka karmaşık bir sayıdır. Bununla birlikte, denklemin söylediği şey basittir: kütle çekiminin gerçekte bir kuvvet olmadığı uzayın ve zamanın bir çarpıtılmasıdır ve uzayın ve zaman geometrisinin yalnızca hıza değil aynı zamanda nesnenin enerjisine de bağlı olduğudur. Newton'un yerçekiminin kütleye dayandığını ve Einstein'ın Görelilik Teorisinin kütlenin enerjiye eşdeğer olduğunu göstermiş olduğunu düşünürsek bu mantıklı olur.
Stephen Hawking ve Roger Penrose'ın 1970'deki tekillik teoremini açıklamak için, Görelilik Genel Teorisini kullandılar; tıpkı çökmüş yıldızı tekillikle son bulması gerektiğini göstermek için evrenin kendisi Big Bang gibi tekillik içinde başlamış olmalıdır (evrenin Gerçek en azından göründüğü kadar çok meseleyi içermektedir). Bununla birlikte, teorem, genel göreliliğin, eksiksiz bir teori olduğunu gösterdi; çünkü, tüm fizik kuramlarının (kendisi de dahil olmak üzere) mutlaka Big Bang gibi bir tekillik içinde bozulduğunu öngördüğü için, evrenin nasıl başladığını bize tam olarak söyleyemez.
SONUÇ
Neredeyse bir asır sonra Genel Görelilik Teorisi, modern fizikte tek etkili teori olmaya devam ediyor (Detaylar hakkında biraz puslu olsalar bile). Einstein'ın Genel Teorisi, böyle olguların delillerinden yıllar önce kara deliklerin varlığını öngördü, Dolaylı delil bile elde edildi ve Big Bang tipi bir olayla başlayan evrenin kökeni konusunda son derece iddialıydı, Bununla birlikte Einstein'ın kendisi de bu olasılıklardan son derece şüpheliydi.
Teori, aynı zamanda, 'solucan delikleri' nin varlığına, uzay-zaman boyunca tünel benzeri kısa yolların ve hatta zaman yolculuğunun teorik olasılığının varlığını öngörür veya en azından izin verir. Aslında, Avusturyalı Amerikalı matematikçi Kurt Gödel'in Einstein'ın alan denklemlerine zarif bir çözümü (sabit homojen enerji yoğunluğuna sahip düzgün bir şekilde dönen evren varsayılarak), zamanda geri dönüş imkânını öngörür. Şimdilik en azından bu düşünceler bilimkurgu alanına malzeme olarak kalıyor.
Görelilik Genel Teorisinin bir başka kuramsal tahmini, cisimlerin atom altı bir ölçekte sıkıştıkça, evrende yayılmış geniş nesnelerin hareketi sonucu yer-zaman dokusunda yerçekimi dalgalarının, pertubasyonların varlığıdır. 1970'lerden beri yakalanması zor bu dalgalar için iyi bir kanıt bulunmakla birlikte, Einstein'ın teorik tahminlerinden tam bir yüzyıl sonra 2015 yılında ABD'deki ikiz Lazer İnterferometre Yerçekimi Gözlemevi (LIGO) detektörlerinde bu yerçekimi dalgaları kesin olarak gözlendi. Bu potansiyel olarak evrene ve Big Bang'e bakmak için yepyeni bir yol açmış ve bir dizi yeni keşfin olmasını bekleyebiliriz. Ayrıca bu teorinin ne kadar sağlam olduğunun başka bir göstergesi.
Fizik için ilerleme yolu, şimdi, "her şeyin teorisi" olarak adlandırılan kuantum çekim teorisinin birleşik teorisinde, görelilik teorisini kuantum teorisi ile birleştirmeye yönelik girişimlerle dayanmaktadır. Bununla birlikte, süper sicim teorisi ve döngü kuantum gravitesi gibi adaylar hala büyük resmi ve kavramsal problemlerin üstesinden gelmeye ihtiyaç duyuyorlar.
KAYNAK: physicsoftheuniverse.com
Çeviri: Celal DEMİRTAŞ