Onlardan önce, hareketsizliğin kütlenin doğal durumu olduğunu, ancak bir kuvvet ya da itkiyle harekete geçebileceğini söyleyen Aristoteles’e inanılıyordu. Onun düşüncesine göre ağır bir cisim, hafif olan cisimden daha hızlı düşmeliydi, çünkü yere doğru çekimi daha güçlüydü. Aristotelesçi geleneğe göre, evreni yöneten yasalar salt düşünce yoluyla kavranabilirdi, gözlem yoluyla doğrulanmalarına gerek yoktu. Böylece Galileo’ya gelinceye kadar değişik ağırlıktaki cisimler, gerçekten de farklı hızlarda mı düşüyor araştırma zahmetine bile girilmedi. Galileo’nun İtalya’daki eğik Pisa Kulesi’nden ağırlıklar atarak Aristoteles’in inancının yanlış olduğunu kanıtladığı söylenir. Bu öykünün uydurma olduğu kesinse de, Galileo buna eşdeğerde bir şey yaptı; değişik ağırlıktaki topları pürüzsüz, eğik bir yüzeyde yuvarladı. Durum, ağır cisimlerin dikey olarak düşmesine benzemekle beraber topların hızı az olduğu için gözlenmesi daha kolaydı. Galileo’nun ölçümleri, ağırlığı ne olursa olsun her cismin aynı ölçüde hızlandığını göstermiştir. Örneğin, her on metrede bir metre alçalan bir eğimde topu bıraktığınızda, bir saniye içinde top yaklaşık bir metre yuvarlanır, iki saniye sonra saniyede yaklaşık iki metre yuvarlanır, top ne kadar ağır olursa olsun bu böyle devam eder. Elbette kurşun ağırlık bir tüyden daha hızlı düşer, ama bunun tek nedeni hava direncinin tüyü yavaşlatmasıdır. Hava direncinin az olduğu iki cismi, örneğin farklı ağırlıktaki iki kurşunu bıraktığınızda, aynı hızda düşer. (Neden böyle olduğunu kısaca göreceğiz.) Cisimleri yavaşlatacak havanın bulunmadığı Ay’da, astronot David R. Scott tüy ve kurşun ağırlık deneyini yapmış; gerçekten de aynı anda yere düştüklerini görmüştür. Newton, Galileo’nun ölçümlerini, hareket yasalarında temel almıştır. Galileo’nun deneylerinde, eğimden yuvarlanan cisim daima aynı kuvvetin (kendi ağırlığının) etkisiyle hareket ediyordu ve bunun sonucunda hızı sürekli olarak artıyordu. Bu durum kuvvetin gerçek etkisinin, daha önce düşünüldüğü gibi cismi harekete geçirmekle kalmayıp, hızım da değiştirdiğini gösteriyordu. Ayrıca bu, cisim bir kuvvetin etkisiyle hareket etmiyorsa, düz bir çizgi üzerindeki hareketini aynı hızda sürdüreceği anlamına da geliyordu. Açık bir şekilde ilk kez 1687’de Principia mathemalica’da açıkladığı bu düşünce, Newton’un ilk yasası olarak tanındı. Bir kuvvetin etkisiyle hareket eden cisme ne olduğu, Newton’un ikinci yasası oldu. Bu yasaya göre cisim kuvvetle doğru orantılı olarak hızlanır ya da hızını değiştirir. (Örneğin, kuvvet iki katına çıktığında hız da iki kat artar.) Cismin kütlesi (ya da maddenin niceliği) artarsa, cismin hızı azalır. (Aynı kuvvetin, kütlesi iki kat fazla olan cisimde yaratacağı hız yarı yarıyadır.) Araba örneğini yakından biliyoruz; motor ne kadar güçlüyse araba o kadar çabuk hızlanır; ancak aynı motora sahip daha ağır bir arabanın hızlanması daha yavaştır.
Newton’un kütleçekimi kuramı, cisimlerin kuvvete nasıl tepki gösterdiğini tanımlayan hareket yasalarına ek olarak, belirli bir kuvvetin, kütleçekimi kuvvetinin gücünü nasıl belirlediğini de açıklar. Dediğimiz gibi, bu kurama göre her cisim diğer bir cismi kütleleriyle doğru orantılı bir güçle çeker. Yani, cisimlerden birinin kütlesi (A cisminin diyelim) iki katına çıkarsa, iki cismin arasındaki kuvvet de iki katına çıkar. Bu beklenen bir sonuçtur, çünkü bu yeni A cisminin, her biri başlangıçtaki kütleye sahip iki cisimden oluştuğu düşünülebilir. Her iki A cismi, B cismini başlangıçtaki kuvvetle çeker. Böylece A ve B cisimleri arasındaki kuvvet başlangıçtakinin iki katı olur. Diyelim ki cisimlerden birinin kütlesi altı kat fazla ya da biri iki kat, diğeri de üç kat kütleye sahip; bu durumda aralarındaki kuvvet altı kat güçlü olacaktır.
Şimdi bütün cisimlerin neden aynı hızla düştüğünü anlayabilirsiniz. Newton’un kütleçekimi yasasına göre kütlesi iki kat ağır olan bir cismin yere çekilme kuvveti de iki kat fazla olacaktır. Ancak, kütlesi iki kat fazla olduğu için Newton’un ikinci yasasına göre her kuvvet birimi başına hızı yarı yarıya azalacaktır. Newton yasalarına göre bu iki etki birbirini götüreceği için hız, ağırlık ne olursa olsun aynı kalacaktır.
Newton’un kütleçekimi yasası, birbirinden uzaklaşan cisimlerin çekim güçlerinin azalacağını da söyler. Yasaya göre bir yıldızın küleçekimi kuvveti, yarı uzaklıktaki benzeri bir yıldızın tam olarak dörtte biri kadardır. Bu yasayla Dünya’nın, Ay’ın ve gezegenlerin yörüngeleri büyük bir doğrulukla hesaplanabilir. Bir yıldızın kütleçekimi kuvveti uzaklığa göre artsa ya da azalsaydı, gezegenlerin yörüngesi elips olmazdı; sarmal bir yörüngeyle ya Güneş’e doğru giderler ya da Güneş’ten uzaklaşırlardı.
Aristoteles’in düşüncesi ile Galileo’nun ve Newton’un düşünceleri arasındaki büyük fark, Aristoteles’in, iten bir kuvvet veya bir dürtü olmadıkça cismin hareketsiz kalacağına inanmasıydı. Özellikle de Dünya’nın hareketsiz olduğunu düşünüyordu. Ancak Newton yasalarının ortaya koyduğu gibi, öyle eşsiz bir hareketsizlik düzeyi yoktur. A cismi hareketsizken B cisminin sabit bir hızla A cismine doğru gittiği söylenebileceği gibi, B cisminin hareketsiz olduğu ve A cisminin hareket ettiği de söylenebilir. Örneğin, Dünya’nın kendi etrafında ve Güneş’in etrafında dönüşünü bir yana bırakırsak ya Dünya hareketsiz ve bir tren saatte doksan mil hızla kuzeye gidiyor ya da tren duruyor ve Dünya saatte doksan mil hızla güneye gidiyor diyebiliriz. Deneyleri trenin içinde hareket eden cisimlerle yaptığınızda da bütün Newton yasaları geçerliliklerini korur. Newton mu haklı, yoksa Aristoteles mi; bunu nasıl söyleyebilirsiniz?
Şöyle bir sınama yapabiliriz: Diyelim ki bir kutunun içinde kapalısınız ve kutu hareket eden bir trenin zemininde mi yoksa yerde mi bilmiyorsunuz. Kutunun yerde olması Aristoteles’e göre hareketsizlik konumudur. Bunun hangisi olduğunu belirlemenin bir yolu var mıdır? Belki de Aristoteles haklıydı; yeryüzünde hareketsizlik özel bir durumdur. Peki içinde olduğunuz kutuyu trene koyduğumuzda, (tren yolculuğu sırasında hiç sarsıntının, dönüşün ya da bir rahatsızlığın olmadığını varsayıyoruz) “sabit” duran tren istasyonunda kutunun içinde nasılsanız, hareket eden trenin içinde de durumunuz aynı olacaktır. Trende pingpong oynadığınızda topun, rayların kenarında duran pingpong masasındaki gibi hareket ettiğini görürsünüz. Yine trende ve kutunuzun içinde pingpong oynadığınızı düşünelim; tren Yer’e göreceli olarak saatte sıfır, elli ve doksan mil hızla yol alsın, her durumda topun hareketi aynı olacaktır. Dünya’nın hareketi böyledir ve Newton yasalarının matematiği bu şekilde yansır: Dünya’nın mı, yoksa trenin mi hareket ettiğini söylemenin hiçbir yolu yoktur. Hareket kavramı, ancak diğer nesnelerle ilişkili olarak bir anlam taşır.
Aristoteles’in ya da Newton’un doğru olmasının bir anlamı var mı gerçekten? Bu yalnızca bir görüş ya da felsefi bir farklılık mı, yoksa bilim için önem taşıyan bir sorun mu? Aslında mutlak hareketsizlik halinin olmayışı fiziği derinlemesine etkiler; bu, farklı zamanlarda meydana gelen iki olay, uzayda da aynı durumda oluşuyor mu oluşmuyor mu belirleyemeyeceğimiz anlamına gelir.
Bunu anlayabilmek için, trende birinin pingpong topunu masada zıplattığını düşünün; masada zıplayan top aynı noktaya bir saniyelik aralıklarla çarpıyor olsun. Bu kişi için topun bir saniye aralıkla çarptığı yerin uzaysal aralığı sıfırdır. Ancak rayların kenarında duran biri için topun masaya çarpma aralığı yaklaşık kırk metredir, çünkü tren iki çarpma arasında bu kadar yol alır. Newton’a göre, her iki gözlemci de kendilerinin hareketsiz konumda olduklarını söyleyebilir ve her ikisinin de görüşü aynı ölçüde kabul edilebilirdir. Aristoteles’in inandığı gibi, biri diğerinden üstün değildir. Olayların gözlemlendiği konumlar ve aralarındaki uzaklık, trendeki ve rayların kenarındaki insana göre değişecektir; bu nedenle birinin gözlemini diğerine tercih etmenin bir nedeni olmayacaktır.
Newton mutlak konumun ya da o zamanki deyişle mutlak uzayın yokluğu yüzünden çok endişeliydi; çünkü bu durum onun mutlak Tanrı düşüncesiyle uyuşmuyordu. Aslında Newton, yasalarının ortaya koyduğu mutlak uzayın yokluğu düşüncesini kabul etmek istemedi. Newton bu akıldışı inancı yüzünden şiddetle eleştirildi; en dikkate değer eleştiri de bütün nesnelerin, uzayın ve zamanın bir yanılsama olduğuna inanan filozof Piskopos Berkeley’den geldi. Berkeley’in düşünceleri anlaüldığında ünlü Dr. Johnson, “Ben onu işte böyle çürütürüm!” diye bağırarak, ayak başparmağım büyük bir taşa vurmuştu.
Hem Aristoteles, hem de Newton mutlak zamana inanıyordu. Yani, iki olay arasındaki zaman aralığının kesin olarak ölçülebileceğine, iyi bir saat kullanılması koşuluyla her kim ölçerse ölçsün, aynı sonuçlara varılacağına inanıyorlardı. Mutlak uzayın tersine, mutlak zaman Newton yasalarıyla uyumluydu. Pek çok insan bunu sağduyuya uygun bir görüş olarak kabul etti. Ancak XX. yüzyılın fizikçileri, hem zaman hem de uzay hakkındaki görüşlerin değişmesi gerektiğini anladılar. Tıpkı pingpong topunun zıpladığı yerin gözlemciye göre değişmesi gibi, olaylar arasındaki zaman uzunluğunun da gözlemciye göre değiştiğini buldular. Ayrıca zamanın uzaydan tümüyle ayrı ve bağımsız olmadığım da buldular. Bu yeni kavrayışın anahtarı, ışığın özelliklerine yeni bir bakış açısı. Bunların deneyimlerimize ters düştüğü ileri sürülebilir; ancak bizim görünürde sağduyulu fikirlerimiz, elmalar ya da gezegenler gibi nispeten yavaş hareket eden cisimlerde geçerli olsa da ışık hızında ya da ona yakın hızda hareket eden şeyler için geçerli değil.
Stephen Hawking
Zamanın Kısa Tarihi
Doğan Kitap
İngilizce aslından çeviren: Selma Oğunç