Yer çekimi bir kuvvet midir? Bu soruyu küçük kardeşinizin size sorduğunu düşünün, muhtemelen bir çoğunuz cevaplarken tereddüt etmeyecektir. Peki aynı soruyu, bir tanışınız olan fizik profesörünün size sorduğunu varsayın. Muhtemelen birçoğunuz, “Bu kadar basit bir soruyu neden sordu?” şeklinde , yerinde bir kuşkuya kapılabilirsiniz. Peki bu size soru olarak değil de, bir konu hakkında cevap olarak verilseydi ne düşünürdünüz? Neyse, fazla kelime israfında bulunmadan konuya dönelim…
Genel görelilik teorisine göre yerçekimi bir kuvvet değildir. Yerçekimi alanı yoktur, yerçekimi bir tür illüzyondur. Bu hususu birazdan yazının devamında anlatmaya çalışacağım. Albert Einstein, kendisini en çok mutlu eden şeyi “Bir evin çatısından düşen bir adamı hayal etmek. “olarak açıklamıştı. Einstein’ı bu kadar mutlu eden şey Schadenfreude* değildi. Bu adamın, düşerken kendi ağırlığını hissetmeyeceğinin farkındaydı. Ağırlıksız olurdu ve aşağıya inerken düşürdüğü her şey, ona göre sabit kalacak veya tekdüze hareketle hareket edecektir.
Hadi bütün bu durumu örneklendirelim…
Sonsuz büyüklükteki uzaydasınız, herhangi bir büyük kütlenin yakınında değil. Uzay geminiz hareketsiz veya sabit hızda iken, burada ağırlık hissetmezsiniz. Nesneler size göre hareketsiz kalır veya onları ittirirseniz, sabit hızda düz bir çizgide hareket ederler.
Ve siz de bu durumda eylemsiz bir gözlemcinin tanımı olurdunuz;
- İvme kazanmıyorsunuz,
- Yerçekimi alanında değilsiniz,
- Tüm fizik yasaları geçerli,
- Yani ilk referans çerçevenizi, Referans Çerçevesi: * Birey ya da grubun bilgi, deneyim ve kavrayışını içinde oluşturduğu ölçüt, standart demektir. Diğerlerinden ayırmak için yapabileceğiniz hiçbir şey yoktur.
Şimdi asıl meseleye gelelim:
Einstein bu iki senaryoya bakar ve eşdeğer olduklarını söyler, sadece benzer değil fiziksel olarak tamamen aynı şeylerdir. Bu durum, çatıdan düşen insanın yerçekimi alanında olmadığı anlamına gelir. Yerçekimi alanı yoktur ve olmadığı için de hızlanamaz.Tıpkı uzay gemisinde bulunan adam gibi, o da eylemsiz bir gözlemcidir.
Şimdi diyebilirsiniz; Ne anlatıyor bu? Tamam, belki ikisi de ağırlıksız hissediyor ama çatıdan düşen insan açıkça bir çekim alanı içinde. Hatta o, dünyanın hemen yanında. Ve açıkça hızlanıyor, hızı saniyede 9,8 metre artıyor. Ayrıca yere ulaştığında canı çok acıyacak.
Evet farkındayım, bu iki örnek birbirinden olabildiğince farklı gözüküyor olabilir, ancak Einstein’ın eşdeğerlik ilkesi bize odaklanmamız gereken tek şeyin gözlemcinin deneyimi olduğunu söyler. Eğer kendilerini ağırlıksız hissediyorsalar, bu onların eylemsiz referans çerçevesi içerisinde olduklarını gösterir.
Astronotun, uzay gemisiyle beraber sabit bir hızla ilerlediğini ve uzakta bir gezegen olduğunu hayal edin. Dışarıdan bir gözlemci, roketin yolunun gezegene doğru çok hafif döndüğünü fark edebilir. Ama içerideki astronot habersiz kalacaktır. Hiç güç hissetmiyor, ivme yaşamıyordur.
Roket gezegene yaklaştıkça daha da ivme kazanır, ancak astronot hala ağırlıksız hissetmeye devam eder. Onun için hiçbir şey değişmez.
Öyleyse, bu yolculukta referans çerçevesinin eylemsizlikten eylemsiz olmayana doğru değiştiğini söyler misiniz? Ve uzay gemisindeki yerleşik bir ivmeölçer hiçbir değişiklik algılamayacaktır. Uzay zamanı boyunca atalet -başka bir değişle eylemsizlik hali- yoluna devam etti. Mantıken, referans çerçevesinin gezegene çarptığı ana kadar eylemsizdir.
“Peki, yerçekimi kuvvetleri veya yerçekimi alanları olmadan roketinin rotası neden döndü?”
Cevap, bükülmüş uzay-zamandır. İlk olarak astronotun, tüm zaman boyunca, düz bir çizgide sabit hızla hareket ediyormuş gibi hissettiği gözlemine odaklanın. Uzay-zaman boyunca düz bir çizgide hareket eder, ancak gezegenler gibi büyük nesnelerin etrafındaki uzay zamanı eğridir. Demek bu yüzden yolu farklı bir gözlemciye, size, kavisli görünüyordu.
Sonuç olarak bu aritmetik algılandığı kadar sıra dışı değil. Örneğin uçaklar, her zaman şehirler arasındaki en kısa rotayı uçurmaya çalışırlar. Tabii ki de bunun sebebi hepinizin bileceği üzere para tasarrufudur.(Bir Boeing 747-400, hareket halinde olduğu her saniye için 6-7 litre yakıta ihtiyaç duyar.1 Galon Jet yakıtı 1,84 dolara, bir Galon yaklaşık 4,5 litreye eşittir. Boeing 747-400 tipi bir uçağın kapasitesi 216,840 litredir ve bu da 10 kilo kahve üretmek için harcanan su miktarına eşittir.)
Nerede kalmıştık?Neyse devam edelim…
Örneğin uçaklar her zaman şehirler arasındaki en kısa rotayı uçurmaya çalışır. Esasen, düz bir çizgide giderler. Ancak Dünya’nın yüzeyi eğimli olduğundan, en kısa yol düz bir çizgi gibi görünmez. Eğimli yüzeyler üzerindeki bu en kısayollar “Jeodezi” olarak ifade edilir ve evet, fizik dünyasında da aynı ismi kullanıyoruz. Jeodezi, eğri uzay zamanı boyunca eylemsiz gözlemciler tarafından takip edilen düz çizgi yolları için kullanılır. İşte başka bir örnek; siz ve bir arkadaşınızın Ekvatorda birbirinize 1000 kilometre uzakta durduğunuzu hayal edin. Şimdi siz ve bir arkadaşınız da kuzeye doğru yola çıktınız. Zamanla birbirinize daha çok yaklaşacaksınız ve nihayetinde Kuzey Kutbu’nda birbirinize çarpışacaksınız. Sanki sizi bir araya getiren bir güç varmış gibi, ama siz de arkadaşınız da bir güç hissetmediniz. Yerçekimi tıpkı bu kuvvet gibidir, aslında yoktur. Bir araya gelmenizin gerçek nedeni, ikinizin de düz yollarda, jeodezide, eğimli bir yüzeyde olmanızdır.
JFK-LHR arasında yapılan uçuş rotası tahmini ve kullanılınan rota:
Uzay istasyonundaki astronotlar ağırlıksızdır. Bu, onların da jeodezik eğrilik üzerinde seyahat eden eylemsiz gözlemciler oldukları anlamına gelir.
Ancak Dünya, etrafındaki uzay-zamanı bükmekte. Bu yüzden düz çizgiler sanki birer sarmallar halindeymiş gibi görünüyor. Sadece zaman boyutunu unutursanız dairesel bir yörünge gibi görünür. Unutmayın , hepimiz uzay ve zamanda yani uzay-zamanda hareket ediyoruz. Herkesin bildiği bir deney vardır, büyük bir çemberin üzerinde kenarları çembere bağlanmış esneyebilen bir örtü düşünün ve bu örtünün ortasıma ağır bir kütle yerleştirin. Siz o ağır kütleyi yerleştirdiğinizde o örtü esnek olduğu için esneyecek ve sonucunda derinlik oluşturacaktır.Eğer ki siz bir misketi belli bir hızda o kütlenin oluşturduğu eğilimli duvarın takip ettiği yere doğru atarsaniz, misket o duvarı takip edecek ve sonunda kütleye yani oluşturulan derinliğe ulaşacaktır. Ancak bu deney yanıltıcıdır. Genel göreliliği anladığımızı sanmamıza ve kendimizi kandırmamıza sebep olur.
Bahsedilen deney;
Aslında örnekte gördüğümüz, nesnelerin çekim kuvveti nedeniyle bir kütle çekim merkezinin ortasına düşmeyi seçmesidir. Ama genel görelilikte çekim kuvveti yoktur demiştik.
Anlamanız gereken objelerin uzay-zaman boyunca düz bir çizgide hareket etmesidir. Uzay-zamanın devasa nesnelerin etrafında kıvrıldığı için düz çizgi yolu düz bir çizgi halinde görünmez.
Devamı gelecek…
Bibliografi
1.What Is Gravity? .NASA Space Place – NASA Science for Kids. (2020, 17. Dezember). NASA-Space Place. https://spaceplace.nasa.gov/what-is-gravity/en/.
2. Varshney, D. (2020, 25. Juni). Newton’s Gravity and Einstein’s Gravity – The Startup. Medium. https://medium.com/swlh/newtons-gravity-and-einstein-s-gravity-af7e99d78284
3. Staff, S. X. (2020, 1. Oktober). Einstein’s description of gravity just got much harder to beat. Phys.org. https://phys.org/news/2020-10-einstein-description-gravity-harder.html
4. Letzter, R. (2020, 15. Juni). Einstein’s core idea about gravity just passed an extreme, whirling test in deep space. livescience.com. https://www.livescience.com/einstein-theory-passes-extreme-test-deep-space.html
5. Does the „Gravitational Field“ really exist? (o. D.). awitness.org. accessed on 3. Februar 2021, von http://www.awitness.org/unified/pages/page2/gravity_fiction.html
6. Jah, M. (2020, Dezember). Gravity according to Einstein and Newton. Aerospace America. https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/gravity-according-to-einstein-and-newton/
Açıklamalar
- *(Alm.)Bir başkasının acısından sevinç duyma durumu.
- †Frame of Reference (Eng.) kavramının türkçeleştirilmiş karşılığı.