Einstein hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı olmadığını öne süren özel göreliliğin, iki yüzyıldan daha uzun bir zaman Ay’ın, gezegenlerin, kuyrukluyıldızların ve gökyüzüne doğru fırlatılan her şeyin hareketini inanılmaz bir kesinlikle öngören Newton’un evrensel kütleçekimi yasası ile tamamen çeliştiğini fark etti. Newton’un evrensel yasasının deneysel başarısına rağmen, Einstein Newton a göre kütleçekiminin etkisinin bir yerden diğerine, örneğin Güneş’ten Dünyaya, Dünya’dan Ay’a, herhangi bir yerden herhangi bir yere anında, ışık hızından çok daha hızlı ulaştığını anlamıştı. Bu, özel görelilikle doğrudan çelişiyordu.
Bu çelişkiyi bir örnekle açıklayalım: Düş kırıklığı içinde olduğunuz bir gece (tuttuğunuz takım yenilmiş, hiç kimse doğum gününüzü hatırlamamış, en sevdiğiniz pastanın son dilimini başka biri yemiş) kafanızı dinlemek için teknenize binip denize açıldığınızı düşünün. Ay tepede, sular yüksek (suların yükselmesine neden olan kuvvet Ay’ın kütleçekimidir), ay ışığı suyun dalgalı yüzeyinde dans ediyor. Ama zaten gecenizin berbat geçtiği yetmiyormuş gibi, düşmanca davranan dünya dışı yaratıklar belirip Ay ‘ı birdenbire galaksinin öbür ucuna gönderiveriyorlar. Ay’ın birdenbire ortadan yok olması her durumda garip olacaktır, ama eğer Newton’un kütleçekimi yasası doğruysa, çok daha garip bir şey olacaktır. Newton Yasası, Ay’ın kütleçekiminin yok olması nedeniyle, siz Ay’ın kaybolduğunu görmeden yaklaşık bir buçuk saniye önce suların alçalmaya başlayacağını öngörmektedir. Yani tabanca patlamadan önce başlayan bir atlet gibi, su da bir buçuk saniye önce çekilmeye başlıyormuş gibi görünecektir.
Newton’a göre bunun nedeni, Ay ortadan yok olur olmaz kütleçekiminin de o anda yok olacak olması, kütleçekiminin yokluğu sonucunda da suların hemen çekilmeye başlayacak olmasıdır. Ama ışığın Ay’la Dünyaya arasındaki 380.000 kilometre mesafeyi kat etmesi bir buçuk saniye alacağından, siz Ay’ın kaybolduğunu hemen göremezdiniz; bir buçuk saniye süreyle daha Ay her zamanki gibi gökte pırıl pırıl parlarken sular çekiliyor gibi görünürdü. Yani Newton’un yaklaşımına göre kütleçekimi bizi ışıktan önce etkiler kütleçekimi ışıktan hızlıdır ama Einstein bunun doğru olmadığından emindi.
1907 yılında, Einstein en az Newton’unki kadar kesin, ama özel görelilikle çelişmeyecek bir kütleçekimi kuramı formüle edebilmek için aralıksız çalıştı. Bu iş, her şeyin ötesinde bir meydan okumaya dönüşmüştü. Einstein’ın muhteşem zekâsı sonunda kendine denk bir problem bulmuştu. O dönemden kalan defterleri, yarı formüle edilmiş fikirler, küçük hataların yanlış yönlere götürmesi nedeniyle kıl payıyla ıskalanan hedefler, problem çözüldü kanısıyla konulmuş işaretlerin hemen yanında yeni bir hata yaptığını fark ettiğini gösteren ünlemlerle doludur. Einstein çalışmasını 1915’te nihayet ortaya çıkardı. Her ne kadar önemli noktalarda, başta matematikçi Marcel Grossmann’dan olmak üzere yardım aldıysa da, genel göreliliğin keşfi, tek bir insanın zihninin evreni anlamak üzere ortaya koyduğu muazzam çabanın en az bulunan örneklerinden biridir. Sonuç ise kuantum öncesi fiziğin en değerli mücevheridir.
Einstein’ın genel göreliliğe yaptığı yolculuk, Newton’un iki yüzyıl önce, biraz utanarak da olsa kaçındığı temel bir soru ile başlamıştır. Kütleçekimi, etkisini uzayda çok büyük uzaklıklarda nasıl gösteriyor? O kadar uzaktaki Güneş, Dünya’nın hareketlerini nasıl etkiliyor? Güneş Dünyaya dokunmadan nasıl kuvvet uygulayabiliyor? Kısacası, kütleçekimi işini nasıl yapıyor? Her ne kadar Newton, kütleçekiminin etkisini büyük bir kesinlikle tanımlayan bir formül keşfetmişse de, kütleçekiminin aslında nasıl işlediğine ilişkin önemli soruyu yanıtsız bıraktığının pekâlâ farkındaydı. Principia adlı eserinde, durumdan kendisinin de hoşlanmadığını belirtir bir ifadeyle şöyle yazmıştır: “Bu soruyu, düşünmeleri için okuyuculara bırakıyorum.”‘ Bu problem ile Faraday’ın ve Maxwell’in 1800’lerde manyetik alan kavramını kullanarak mıknatısların hiç dokunmadıkları cisimleri etkilemesi olgusunu çözmeleri arasındaki benzerliği görebilirsiniz. Dolayısıyla kütleçekimi için de benzer bir yanıt önerilebilir: Kütleçekimi etkisini bir başka alan, kütleçekimi alanı yoluyla iletir. Genel olarak bu doğru bir öneridir. Ama bu yanıtı özel görelilikle çelişkiye düşmeden algılayıp değerlendirmek zordur.
Çok zordur. Einstein’ın kendini adadığı çalışma işte buydu. On yıla yakın bir süre yürüttüğü karmaşık araştırmalardan sonra geliştirdiği göz kamaştırıcı yapı ile Newton’un o zamana kadar büyük saygı gören kütleçekimi kuramını yıktı. Aynı derecede göz kamaştırıcı olan bir başka nokta da Einstein’ın kilit önem taşıyan keşfinin, Newton’un kova örneği ile dikkat çektiği konuyla sıkı sıkıya bağlantılı olması, yani öykünün bir daire çizip tekrar başa dönmesidir: ivmeli hareketin gerçek doğası nedir?
Kütleçekimi ile İvmenin Eşdeğerliği
Özel görelilikte Einstein’ın asıl odaklandığı konu sabit hızla hareket eden gözlemcilerdir, yani hareketi hissetmedikleri için kendilerinin sabit olduğunu ve her şeyin onlara göre hareket ettiğini öne süren ve bunda da haklı olan gözlemciler. Trendeki Itchy, Scratchy ve Apu hiçbir hareket hissetmez. Onların bakış açısından, Martin ve platformdaki herkes hareket etmektedir. Martin de hiçbir hareket hissetmez. Ona göre hareket eden tren ve içindeki yolculardır. Bu bakış açılarından biri diğerinden daha doğrudur diyemeyiz. Ama ivmeli hareket farklıdır, çünkü ivmeli hareketi hissedebilirsiniz. Bir otomobil ileriye doğru ivmelenirken koltuğun arkalığına doğru bastırıldığınızı, bir tren keskin bir dönemece girdiğinde yana doğru savrulduğunuzu, yukarı doğru ivmelenen bir asansörde asansörün zeminine doğru bastırıldığınızı hissedersiniz.
Hissedilen bu kuvvetler Einstein’a çok tanıdık gelmiştir. Örneğin keskin bir dönemece yaklaşırken, dönemeci alırken hissedeceğiniz kuvvet kaçınılmaz olduğundan, yana savrulmaya hazırlanmak için kendinizi kasarsınız. Kendinizi bu etkiden korumanın hiçbir yolu yoktur. Bu kuvvetten kurtulmanın tek yolu planınızı değiştirip dönemeci almaktan vazgeçmektir, işte bu, Einstein’ın kafasında bir şimşek çakmasına neden oldu. Kütleçekimi kuvvetinin de tamamen aynı özelliklere sahip olduğunu fark etti. Eğer Dünya’nın üzerindeyseniz, Dünya’nın kütleçekimi kuvvetinin etkisi altındasınızdır. Bu, kaçınılmazdır. Başka bir yol yoktur. Kendinizi elektromanyetik ve nükleer (çekirdek- sel) kuvvetlerden koruyabilirsiniz, ama kütleçekiminden korunmanın hiçbir yolu yoktur. 1907 yılında bir gün, Einstein bunun yalnızca bir benzetme olmadığını anladı. Bilim insanlarının bazen bir ömür boyu bekledikleri bir içgörü anında, Einstein kütleçekiminin ve ivmeli hareketin, aynı bir madeni paranın iki yüzü gibi olduklarını anladı.
Einstein, yapmayı planladığınız hareketi değiştirerek (ivmelenmekten kaçınarak) otomobil koltuğunda arkalığa doğru bastırılmaktan veya trende yana savrulmaktan kaçınabileceğiniz gibi, hareketinizi uygun bir biçimde değiştirerek kütleçekimi ile ilgili o bildik duyumdan da kaçınabileceğinizi buldu. Bu fikir, şaşılacak derecede basittir. Bunu anlamak için Barney’nin bir umut, Springfield’deki bütün göbekli erkeklerin katıldığı, bir ay sürecek göbek eritme yarışmasını kazanmaya çalıştığını düşünelim. iki hafta süreyle yalnızca sıvıyla beslenen Barney, göbeği hâlâ engel olduğu için banyodaki tartıyı okuyamadığını görünce tüm umudunu yitirir. O düş kırıklığıyla, tartı da ayağına yapışmıştır bu arada, banyo penceresinden aşağı atlar. Aşağıya doğru düşerken, komşunun havuzuna dalmadan hemen önce tartıya bakan Barney acaba ne görmüştür? O sırada tartının sıfırı göstereceğini ilk ve tam olarak anlayan kişi Einstein olmuştur. Tartı Barney ile tam olarak aynı hızda düştüğü için Barney’nin ayakları tartıya basınç yapmayacaktır. Serbest düşme sırasında Barney, astronotların uzayda yaşadıkları ağırlıksızlık duygusunu yaşayacaktır.
Gerçekten de, eğer Barney’nin pencereden havası tamamen alınmış bir boşluğa atladığını düşünürsek, dolayısıyla aşağı doğru düşerken yalnızca havanın oluşturduğu direnç ortadan kalkmış olmayacak, Barney’nin vücudundaki her atom aynı hızla düşmekte olduğundan vücudunda hissettiği dış etkilerden kaynaklanan -ayakların ayak bileklerine, bacakların kalçalara ve kolların omuzlara uyguladığı- tüm baskı ve gerilmeler de ortadan kalkacaktır. Eğer Barney düşerken gözlerini kapatırsa, uzayın karanlığında yüzüyor olsaydı hissedeceklerinin aynısını hissedecektir, (içinde insan olmayan örnekleri tercih ediyorsanız, havası boşaltılmış bir yere birbirlerine iple bağlı iki taş atarsanız da sanki taşlar uzayda yüzüyormuş gibi aralarındaki ip gerilmez, gevşek kalır.) Yani Barney hareket durumunu değiştirerek -kendini tamamen “kütleçekimine bırakarak”- kütleçekiminin olmadığı bir ortamı taklit etmiş olur. (Nitekim NASA’da görevli astronotlar da dış uzayın kütleçekimsiz ortamına hazırlanmaları için takma adı Vomit Comet (Kusturucu Kuyrukluyıldız) olan özel bir 707 ile uçurulur. Bu uçuşlarda uçak tekrar tekrar Dünyaya doğru serbest düşüş hareketi yapar.)
c vaziyetteyken ve hâlâ sıfırı gösterirken uzay kapsülünde ağırlıksız olarak “yüzmekte olan” astronotlara katıldığını düşünelim. Eğer roketler ateşlenip kapsül yukarı doğru ivmelenirse, her şey tamamen değişecektir. Tıpkı yukarı doğru ivmelenen bir asansörün tabanına bastırıldığını hissetmeniz gibi, Barney de kapsülün tabanına doğru bastırıldığını hissedecektir. Artık ayakları da tartıya bastırdığı için tartı sıfır göstermeyecektir. Eğer roketler tam gereken güçte ateşlenirse tartının gösterdiği rakam banyodayken gösterdiği rakamla aynı olacaktır. Uygun ivmelenme hareketinin gerçekleşmesi sonucunda, Barney kütleçekiminden ayırt edilmesi olanaksız bir kuvvet hissetmektedir.
Aynı şey ivmeli hareketin diğer türleri için de geçerlidir. Eğer Barney, dış uzayda dönmekte olan kovanın içindeki Homer’in yanına gidip de Homer’e dik açı yapacak şekilde dursaydı -yani ayakları ve tartı kovanın iç duvarına basacak şekilde dursaydı- ayakları tartıya bastıracağı için tartı sıfırdan farklı bir sayı gösterirdi. Eğer kova tam gereken hızda dönüyor olsaydı, tartı Barney’nin banyoda okuduğu rakamı gösterirdi: Yani dönmekte olan kovanın ivmesi de Dünya’nın kütleçekimini taklit eder.
Tüm bunlar, Einstein’ın kütleçekiminden hissedilen kuvvetle ivmeden hissedilen kuvvetin aynı, yani eşdeğer, olduğu sonucuna varmasına neden oldu. Einstein buna eşdeğerlik ilkesi adını verdi.
Bunun ne anlama geldiğine bir bakalım. Şu anda kütleçekiminin etkisini hissediyorsunuz. Eğer ayaktaysanız, ayaklarınız yerin vücudunuzun ağırlığını desteklediğini hissediyor. Eğer oturuyorsanız, bu desteği bir başka yerinizle hissediyorsunuz. Eğer bu kitabı bir otomobilde ya da uçakta okumuyorsanız, büyük olasılıkla durağan olduğunuzu -yani ivmelenmediğinizi hatta hiç hareket etmediğinizi- düşünüyorsunuz. Ama Einstein’a göre aslında ivmeleniyorsunuz. Hareketsiz oturduğunuz için bu size biraz aptalca gelebilir, ama her zamanki soruyu sormayı ihmal etmeyin: Hangi referans noktasına göre ivmeleniyorum? Kimin bakış açısına göre ivmeleniyorum?
Einstein özel görelilikte referans sistemini mutlak uzay- zamanın sağladığını söyler, ama özel görelilik kütleçekimini hesaba katmaz. Einstein, eşdeğerlik ilkesi sayesinde kütleçekimini de hesaba katan çok daha sağlam bir referans sistemi bulmuş oldu. Bu da bakış açısında kökten bir değişikliğe yol açtı. Kütleçekimi ve ivme eşdeğer olduğuna göre, kütleçekiminin etkisini hissediyorsanız ivmeleniyor olmanız gerekir. Einstein sadece, kütleçekimi kuvveti de dâhil olmak üzere hiçbir kuvvet hissetmeyen gözlemcilerin ivmelenmediklerini söylemekte haklı olacaklarını öne sürdü. Böyle kuvvetten bağımsız gözlemciler hareketi incelemek için gerçek referans noktaları oluşturur; işte bu kavrayış da böyle şeyler hakkındaki normal düşünüş biçimimizde çok temel bir değişiklik gerektirir. Pencereden havası boşaltılmış bir yere atlayan Barney’nin normalde yere doğru ivmelenerek indiğini söyleriz. Ama bu, Einstein’ın kabul edeceği bir tanım değildir. Einstein’a göre, Barney ivmelenmemektedir. Hiçbir kuvvet hissetmez. Ağırlıksızdır. Boş uzayın karanlığında yüzüyormuş gibi hisseder. Bütün hareketlerin karşılaştırılacağı standardı Barney oluşturmaktadır. Bu karşılaştırmaya göre, şu anda evinizde bu kitabı okurken siz de ivmeleniyorsunuz demektir. Barney düşerken pencerenizin önünden geçer ve onun bakış açısına göre -ki Einstein’a göre hareket için gerçek referans noktası budur- siz, Dünya ve normalde durağan olduğunu düşündüğümüz her şey yukarı doğru ivmelenmektedir. Yani Einstein, elmanın Newton’un kafasına düşmediğini, Newton’un yükselerek elmaya çarptığını öne sürerdi.
Bunun hareket konusunda tamamen farklı bir düşünme biçimi olduğu açıktır. En basit algıyla, kütleçekiminin etkisini ancak ona direnirseniz hissedersiniz. Ama kendinizi tümüyle kütleçekimine bırakırsanız, onu hissetmezsiniz. Başka hiçbir etkiye (örneğin havanın direncine) maruz kalmadığınızı varsayarsak, kütleçekimine teslim olur ve kendinizi serbest düşmeye bırakırsanız, boş uzayda yüzüyor olsaydınız hissedeceğiniz gibi hissedersiniz. Bu durumda sizin bakış açınız, hiç duraksamadan, ivmelenmeyen bir kimsenin bakış açısı olarak değerlendirilir.
Toparlayacak olursak, ister uzayın derinliklerinde olsunlar ister birazdan yere çarpacak şekilde serbest düşme hareketi yapıyor olsunlar, yalnızca serbest olarak yüzmekte olan bireyler hiçbir ivme yaşamadıklarını söylemekte haklıdır. Eğer böyle bir gözlemcinin yanından geçerseniz ve sizinle onun arasında göreli bir ivmelenme varsa, o zaman Einstein’a göre siz ivmeleniyorsunuz demektir.
Gerçekten de ne Itchy, ne Scratchy, ne Apu, ne Martin düello sırasında ivmelenmediklerini öne sürebilir, çünkü tümü de kütleçekiminin kendilerini aşağıya doğru çektiğini hissetmektedir Bu, önceki tartışmamızı etkilemez çünkü orada sadece yatay hareketle, yani tüm katılımcıların hissettiği düşey kütleçekiminden etkilenmeyen hareketle ilgilenmiştik. Ama önemli bir ilke olarak tekrar belirtelim, Einstein’ın kütleçekimi ile ivme arasında bulduğu bağ, ancak hiçbirkuvvet hissetmeyen gözlemcileri durağan kabul edebileceğimiz anlamına gelir.
Kütleçekimi ile ivme arasında bağ kuran Einstein, artık Newton un cevapsız bıraktığı soruyu ele almaya ve kütleçekiminin etkisini nasıl uyguladığını araştırmaya hazırdı.
Kaynak : Evrenin Dokusu – Brian Greene