Haziran 1905’te Einstein kesin olarak esirin sonunu ilan eden, “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” gibi alçakgönüllü bir ismi olan bir makale yazdı. Bu makale, bir hamlede uzay ve zaman kavrayışımızı da sonsuza kadar değiştirdi. Einstein, makaledeki fikirlerini 1905’in Nisan ve Mayıs aylarında, beş haftalık çok yoğun bir çalışma sırasında formülleştirdi, ama bu konular üzerine on yıldan uzun bir süredir kafa yoruyordu. Einstein delikanlılık yıllarından beri eğer bir ışık dalgasını tam olarak ışık hızında izleyebiliyor olsaydık, ışık dalgasının nasıl görüneceği sorusunun yanıtını bulmaya uğraşıyordu. Siz ve ışık dalgası esir içinde aynı hızla hareket ediyor olacağınız için ışığa tam anlamıyla ayak uydurmuş olacaktınız. Dolayısıyla Einstein’a göre, sizin bakış açınızdan ışığın hareket etmiyor gibi görünmesi gerekiyordu. Yeni yağmış kardan uzanıp bir avuç alır gibi, uzanıp bir avuç hareketsiz ışık alabilmeliydiniz.
Ama sorun şu: Maxwell’in denklemleri ışığın durağan yani yerinde duruyormuş gibi- görünmesine izin vermiyor. Şimdiye kadar kimsenin durağan bir ışık parçası yakaladığı da görülmedi. Dolayısıyla, genç Einstein şunu soruyordu: Görünürdeki bu çelişkiye ne anlam vereceğiz?
On yıl sonra Einstein, dünyaya bu sorunun yanıtını özel görelilik kuramı ile verdi. Einstein’ın keşfinin entelektüel kökenleri çok tartışılmıştır, ama onun basitliğe olan sarsılmaz inancının bu konuda önemli bir rol oynadığına hiç kuşku yok. Einstein, esirin varlığının kanıtlanmaya çalışıldığı en azından bazı deneylerin başarısız olduğundan haberdardı. O zaman deneylerde hata bulmak için uğraşmaya ne gerek vardı? Onun yerine daha basit olan yaklaşım benimsenmeliydi: Deneylerde esir bulunamıyordu, çünkü esir yoktu. Maxwell’in ışığın hareketini -yani elektromanyetik dalgaların hareketini- betimleyen denklemleri böylesi bir ortam gerektirmediği için, hem deney hem de kuram aynı sonuca ulaşıyordu: Bildiğimiz tüm diğer dalgalardan farklı olarak, ışığın onu taşıyacak bir ortama ihtiyacı yoktur. Işık, yalnız bir yolcudur. Işık, boş uzayda yayılabilir.
Ama o zaman, ışığın hızını saniyede 300.000 kilometre olarak veren Maxwell denklemlerini ne yapacağız? Eğer durağan referans sistemi olarak kullanılabilecek esir yoksa ışığın hızının kendisine göre ölçüleceği o şey nedir? Einstein yine genel yaklaşımlara karşı geldi ve en basit yanıtı verdi. Eğer Maxwell denklemleri herhangi bir durağan referans sistemi gerektirmiyorsa, bunun en doğrudan yorumu böyle bir referansa gerek olmadığı idi. O zaman Einstein ışığın hızının hiçbir şeye ve her şeye göre saniyede 300.000 kilometre olduğunu açıkladı.
Bu kesinlikle basit bir ifadedir ve Einstein a atfedilen bir söze de uyar: “Her şeyi mümkün olduğunca basitleştirin, ama fazla da değil.” Sorun şu ki, bu da çılgınca görünüyor. Eğer uzaklaşmakta olan bir ışık demetinin arkasından koşarsanız, sağduyu sizin bakış açınızdan ışığın hızının saniyede 300.000 kilometreden daha düşük olması gerektiğini söyler. Eğer yaklaşmakta olan bir ışık demetine doğru koşarsanız, sağduyu sizin bakış açınızdan ışığın hızının saniyede 300.000 kilometreden daha yüksek olması gerektiğini söyler. Yaşamı boyunca sağduyuya meydan okuyan Einstein için bu durum da bir istisna değildi. Einstein, bir ışık demetine ne kadar hızla yaklaşıyor ya da bir ışık demetinden ne kadar hızla uzaklaşıyor olursanız olun, ışığın hızını tam olarak saniyede 300.000 kilometre olarak ölçeceğinizi ileri sürdü; ne daha az, ne daha fazla. Bu Einstein’ın gençlik dönemlerinde çözemediği açmaza bir çözüm getiriyordu: Maxwell’in kuramı durağan ışık kavramına izin vermiyordu, çünkü ışık hiçbir zaman durağan olamaz. İster ışığa doğru koşun, ister ondan kaçın, ister durun, sizin hareket durumunuzdan bağımsız olarak ışık saniyede 300.000 kilometrelik sabit ve hiç değişmeyen hızını hep korur. Ama biz de doğal olarak, ışığın nasıl olup da böyle garip davranabildiğini sorarız.
Bir an durup, hız konusunda düşünün. Hız, bir şeyin kat ettiği mesafenin, bu mesafe kat edilirken geçen zamana bölünmesiyle ölçülür. Bir uzay ölçüsünün (kat edilen mesafe) zaman ölçüsüne (yolculuğun süresi) bölünmesidir. Newton’dan beri uzay mutlak bir şey olarak düşünülmüştür; “herhangi bir dış referans noktası olmaksızın” vardır. Dolayısıyla uzaya ve uzamsal ayrılmalara ilişkin ölçümler de mutlak olmalıdır: Uzaydaki iki şey arasındaki mesafeyi kim ölçüyor olursa olsun, eğer ölçümler yeterince dikkatli yapılmışsa, cevaplar hep aynı olacaktır. Her ne kadar henüz doğrudan tartışmadıysak da, Newton aynı şeyin zaman için de geçerli olduğunu ileri sürdü. Principia’da yaptığı zaman tanımı, uzaydan bahsederken kullandığı dili yansıtır: “Zaman kendiliğinden vardır ve herhangi bir dış referans noktası olmaksızın, değişmeden akar.” Bir başka deyişle, Newton’a göre, her yerde ve her zaman aynı olan mutlak ve evrensel bir zaman kavramı vardır. Newton’a göre, evrende bir şeyin olması için geçen zamanı kim ölçerse ölçsün, eğer ölçümler dikkatle yapılmışsa cevaplar hep aynı olacaktır.
Uzay ve zaman konusundaki bu varsayımlar günlük hayattaki deneyimlerimizle bağdaşır ve bu nedenle de sağduyumuzla vardığımız, eğer ışığın peşinden gidersek hızının azalmış gibi görünmesi gerektiği sonucuna temel oluştururlar. Bunu anlamak için, nükleer güçle çalışan yeni bir kaykay alan Bart Simpson’ın bir ışık demetiyle yarışmaya karar verdiğini düşünelim. Her ne kadar Bart kaykayının en yüksek hızının saniyede 225.000 kilometre olduğunu öğrendiğinde biraz düş kırıklığına uğramışsa da elinden geleni yapmaya kararlıdır. Kız kardeşi Lisa elinde bir lazerle hazır beklemektedir ve 11 den (kahramanı Schopenhauer’in en sevdiği sayı) geriye doğru saymaya başlar. 0’a geldiğinde lazer ışını ve Bart aynı anda fırlar. Lisa ne görür? Geçen her saniyede ışık 300.000 kilometre, Bart ise 225.000 kilometre gittiği için, Lisa haklı olarak ışığın Bart’tan saniyede 75.000 kilometre hızla uzaklaştığı sonucuna varır. Burada öyküye Newton’u katalım. Onun görüşleri, Lisa’nın uzay ve zaman gözlemlerinin -bu ölçümleri yapan herkesin aynı sonuçları bulması gerektiği için- mutlak ve evrensel olduğunu söyler. Newton için uzayda ve zamanda hareketle ilgili bu tip gerçekler, iki kere ikinin dört etmesi kadar nesneldi. O halde, Newton’a göre Bart da Lisa ile aynı fikirde olmalı ve ışığın kendisinden saniyede 75.000 kilometre hızla uzaklaştığını söylemelidir.
Ama Bart geri döndüğünde hiç de aynı fikirde değildir. Üzgün bir biçimde, elinden geleni yaptığını, ama kaykayının hız sınırını ne kadar zorlarsa zorlasın, ışığın kendisinden saniyede 300.000 kilometre hızla uzaklaştığını gördüğünü söyler. Bart’a inanmıyorsanız da, son yüzyılda hareketli ışık kaynakları ve alıcılar kullanılarak büyük bir titizlikle yapılan binlerce deneyin, Bart’ın bulduğu sonuçları büyük bir kesinlikle desteklediğini aklınızdan çıkarmayın.
Bu nasıl olabilir?
Einstein bunun nasıl olabildiğini anlamıştı. Bulduğu cevap, buraya kadar anlattıklarımızın mantıklı ve çok derin bir uzantısıdır. Demek ki Bart’ın mesafe ve süre ölçümleri, yani ışığın kendisinden ne kadar hızla uzaklaştığını ölçmek için kullandığı girdiler, Lisa’nınkilerden farklıdır. Bir düşünün. Hız mesafenin zamana bölünmesi olduğuna göre, ışığın kendisinden hangi hızda uzaklaştığı konusunda Bart’ın Lisa’dan farklı bir sonuç bulmasının başka bir sebebi olamaz. Buradan Einstein, Newton’un mutlak uzay ve mutlak zaman konusundaki fikirlerinin yanlış olduğu sonucuna vardı. Einstein, Bart ve Lisa gibi birbirlerine göre hareket eden gözlemcilerin, mesafe ve süre ölçümlerinde aynı değerleri bulmayacaklarını anlamıştı. Işığın hızı konusunda kafa karıştıran deney sonuçları, ancak gözlemcilerin uzay ve zaman algılamaları farklı ise açıklanabilir.
Anlaşılması Zor Ama Kötü Niyetli Değil
Uzay ve zamanın göreliliği şaşırtıcı bir sonuçtur. Bunu yirmi beş yıldan daha uzun süredir biliyor olmama karşın, ne zaman oturup düşünsem, hayret verici buluyorum. Işığın hızının sabit olduğunu belirten basmakalıp cümleden yola çıkıp uzay ve zamanın ona bakan gözlemcinin nazarında olduğu sonucuna varıyoruz. Her birimiz kendi saatimizi taşır, zamanın akışını oradan izleriz. Her saat aynı derecede hassas, ama birbirimize göre hareket ettiğimiz zaman aynı zamanı göstermiyorlar. Eşzamanlı olmuyorlar; seçilen iki olay arasında geçen zamanı farklı gösteriyorlar. Aynı şey, mesafe için de geçerli. Her birimiz kendi ölçüm aracımızı yanımızda taşır, uzayda mesafeyi onunla ölçeriz. Her ölçüm aracı aynı derecede hassas, ama birbirimize göre hareket ettiğimiz zaman aynı mesafeyi göstermiyorlar. Seçilen iki olayın konumları arasındaki mesafeyi farklı ölçüyorlar. Eğer uzay ve zaman böyle davranmasaydı, ışığın hızı sabit olmayacak, gözlemcinin hareket durumuna bağlı olacaktı. Ama ışığın hızı sabit; uzay ve zaman da böyle davranıyor. Uzay ve zaman, kendilerini ışığın hızı gözlemcinin hızından bağımsız olarak- her zaman, kesinlikle sabit olacak şekilde ayarlıyorlar.
Uzay ve zaman ölçümlerinin tam olarak nasıl farklılaştığının sayısal ayrıntılarının elde edilmesi daha karmaşıktır, ama bunun için lise düzeyinde cebir bilgisi yeterlidir. Einstein’ın özel görelilik kuramını bu kadar anlaşılması güç kılan, matematiğinin derinliği değildir. Öne sürdüğü fikirlerin yabancılığı ve gündelik deneyimlerle görünürde uyumsuz olmasıdır. Ama Einstein ana fikri (yani Newton’un uzay ve zaman konularına iki yüzyıldan daha eski olan bakışından kendisini kurtarması gerektiğini) bir kez kavradıktan sonra, ayrıntıları yerli yerine koymak onun için artık zor değildi. Einstein, iki kişinin uzaklık ve süre ölçümlerinin, her ikisinin de ışığın hızı olarak aynı değeri bulmasını sağlayacak biçimde, nasıl farklı olması gerektiğini kesin olarak gösterebiliyordu.
Einstein’ın buluşunu daha derinden algılayabilmek için şimdi Bart Simpson’un istemeye istemeye kaykayının en yüksek hızını saatte 100 kilometre (yaklaşık saniyede 30 metre) olacak şekilde değiştirdiğini düşleyelim. Bart -okuyarak, ıslık çalarak, esneyerek ve ara sıra da yola göz atarak- en yüksek hızla önce kuzeye gitse, sonra da kuzeydoğuya giden bir otoyola çıksa, kuzey yönündeki hızı saniyede 50 metreden daha az olacaktır. Bunun nedeni açıktır. Başlangıçta hızının tamamı kuzey yönünde iken, yön değiştirdiğinde bu hızın bir bölümü doğuya kaymış, bu nedenle de kuzey yönündeki hızı azalmıştır. Bu son derece basit örnek, genel göreliliğin temel fikrini kavramamıza yardımcı olacaktır. Şöyle:
Cisimlerin uzayda hareket ettiği fikrine alışmışızdır ama aynı derecede önemli bir hareket türü daha vardır: Cisimler zamanda da hareket eder. Şu anda, kolunuzdaki ve duvardaki saatler, sizin ve çevrenizdeki her şeyin, zamanda hiç durmadan bir biçimde hareket ettiğinizi, hiç durmadan bir saniyeden diğerine gittiğinizi gösteriyor. Newton, zamanda hareketin uzayda hareketten tümüyle ayrı olduğunu bu iki tür hareketin birbiri ile hiç ilgisi olmadığını düşünmüştü. Ama Einstein, bunların birbirleri ile çok yakından ilişkili olduğunu buldu. Aslında özel göreliliğin devrim yaratan keşfi şudur: Size göre sabit olan yani uzayda hareket etmeyen bir şeye, örneğin park halinde bir otomobile bakıyorsanız, otomobilin tüm hareketi zamandadır. Otomobil, sürücüsü, cadde, siz, giysileriniz, hep birlikte ve eşzamanlı olarak zamanda hareket ediyorsunuz: Saniyeler saniyeleri düzgünce izliyor. Ama otomobil sizden uzaklaşıyorsa, hareketinin bir bölümü uzaydaki harekete sapmış demektir. Tıpkı kuzeye doğru hızının bir bölümü doğuya sapan Bart Simpson’un kuzey yönündeki hızının azalması gibi, zamandaki hareketinin bir bölümü uzaya sapan otomobilin de zamandaki hızı azalır. Bu da, otomobilin zamandaki hareketinin yavaşladığı ve dolayısıyla hareket halindeki otomobil ve sürücüsü için zamanın siye ve durağan olan her şeye göre daha yavaş geçtiği anlamına gelir.
Özel görelilik kısaca budur. Aslında, biraz daha kesin davranabilir ve bu tanımı bir adım ileri götürebiliriz. Bart Simpson’un hızı saniyede 30 metre ile sınırlıydı. Bu önemli, çünkü eğer Bart kuzeydoğu yönüne saptığında hızını yeterince artırabilseydi, hızının sapmasını telafi edebilir yani kuzey yönündeki hızının aynı kalmasını sağlayabilirdi. Ama kaykayın motorunu ne kadar zorlarsa zorlasın, toplam hızı -kuzey ve doğu yönlerindeki hızlarının bileşkesi- saniyede 30 metre ile sınırlıydı. Bu nedenle yönü biraz doğuya saptığında, kuzey yönündeki hızı azalıyordu.
Özel görelilik, tüm hareketler için benzer bir yasa getirir: Bütün cisimlerin uzaydaki ve zamandaki bileşke hızı, her zaman tam olarak ışık hızına eşittir. Bu cümleyi okuduğunuzda içgüdüsel olarak irkilebilirsiniz, çünkü hepimiz ışıktan başka hiçbir şeyin ışık hızıyla hareket edemeyeceği fikrine alışmışızdır. Ama alıştığımız bu fikir yalnızca uzaydaki hareket için geçerlidir. Şimdi bununla ilişkili ama daha zengin bir şeyden söz ediyoruz: Bir cismin uzay ve zamandaki bileşik hareketi. Einstein’ın keşfettiği temel gerçek, bu iki tür hareketin her zaman birbirini tamamladığıdır. Baktığınız park halindeki otomobil uzaklaşmaya başladığında, gerçekte olan şudur: Otomobilin zamanda yaptığı ışık hızındaki hareketin bir bölümü uzayda harekete aktarılır, böylece bileşke hareket sabit kalır. Böylesi bir aktarım, otomobilin zamandaki hareketinin kaçınılmaz olarak yavaşladığı anlamına gelir.
Kütle çekimi kuramının yıkılışı için buraya tıklayın
Örneğin eğer Lisa, saniyede 225.000 kilometre hızla uzaklaşan Bart’ın kolundaki saati görebilseydi, o saatin kendi saatinin yalnızca üçte ikisi hızla ilerlediğini fark edecekti. Kendi kol saatine göre geçen her üç saat için, Bart’ın kol saatinde yalnızca iki saat geçtiğini görecekti. Bart’ın uzaydaki hızlı hareketi, zamandaki hızını önemli miktarda azaltmış olacaktı.
Dahası, zamanda ışık hızıyla yapılan hareketin tamamı uzayda ışık hızıyla yapılan harekete aktarıldığında uzaydaki en yüksek hıza ulaşılır; bu uzayda neden ışıktan daha hızlı gidilemeyeceğini anlamanın bir yoludur. Uzayda her zaman ışık hızıyla yayılan ışık, her zaman bu aktarımın tamamını yapıyor olması anlamında özeldir. Tıpkı doğuya doğru yapılan hareketin kuzey yönündeki hareketi sıfırlaması gibi, uzayda ışık hızıyla hareket etmek de zamandaki hareketi sıfırlar! Uzayda ışık hızıyla hareket etmek zamanı durdurur. Bir ışık parçacığına saat iliştirmek mümkün olsa, o saat hiç ilerlemez. Yani ışık, Ponce de Leon’un ve kozmetik endüstrisinin rüyalarını gerçekleştirir: Hiç yaşlanmaz.
Bu tanımlamadan da açıkça anlaşılacağı gibi özel göreliliğin etkileri, hız (uzaydaki hız) ışık hızına yaklaştığında belirgin hale gelir. Ama bizim alışık olmadığımız uzay ve zamandaki hızın birbirlerini tamamlayıcı doğası her zaman geçerlidir. Hız ne kadar azalırsa, görelilik öncesi fizikten yani sağduyudan- sapma da o kadar azalır, ama ne kadar azalsa da sapma her zaman, kesinlikle vardır.
Gerçekten. Bu, ne bir kelime oyunudur, ne el sürçmesi, ne de psikolojik bir yanılsama. Evrenin işleme şekli budur.
1971 yılında Joseph Halele ve Richard Keating, en son teknolojiyle üretilmiş, sezyum ışınlı birkaç atom saatini Panama Havayolları’nın bir jetiyle dünya çevresinde uçurdular. Uçaktaki saatlerle yerdekileri karşılaştırdıklarında, hareket halindeki saatlerde daha az zaman geçtiğini gördüler. Fark çok çok azdı saniyenin birkaç yüz milyarda biri ama Einstein’ın keşifleriyle kesin bir biçimde uyuşuyordu. Artık bundan daha fazla emin olamazdık.
1908’de daha yeni ve hassas deneylerde esirin varlığına dair kanıtlar bulunduğu yolunda söylentiler yayılmaya başlamıştı. Eğer bu söylentiler doğru olsaydı, bu mutlak bir durağanlık standardı bulunduğu ve Einstein’ın özel görelilik kuramının hatalı olduğu anlamına gelirdi. Einstein bu söylentileri duyduğunda şöyle dedi: “Tanrı zor anlaşılır, ama kötü niyetli değildir.” Doğanın işleyişini dikkatlice gözlemleyerek uzaya ve zamana dair bazı kavrayışlar kazanmaya çalışmak Einstein a kadar hiç kimsenin altından kalkamadığı zor bir işti. Ama hem böylesine şaşırtıcı ve güzel bir kuramın var olmasına izin vermek, hem de bunun doğanın işleyişiyle ilgisiz olması kötü niyetlilik olurdu. Einstein bunu kabul etmedi, yeni deneyleri hiç dikkate almadı. Kendine güveni yersiz değildi. Sonuçta, bu deneylerin hatalı oldukları kanıtlandı ve esir kavramı bilimsel söylemden uçup gitti.
Kütle çekim kuramının yıkılışı yazısının 2. bölüm için buraya tıklayın
Evrenin Dokusu – Brian Greene