Dijital Uzayzaman
(Kaynak: Stephen Wolfram)
Einstein, National Geographic TV’de (Türkiye) geçen haftalarda yayımlanan “Deha” (Genius) adlı dizide, birçok sorunun yanında “Uzay Nedir…?” sorusunu da sormuştu…
Bu diziden de öğrendiğimize göre, Einstein, “uzay”dan… “uzayzaman”a (spacetime) geliyor… Anlaşılması ve anlatılması zor görünen bir kavram…!
Bu yazıda, “uzayzaman”ı anlatmaktan önce, anlamayı deneyeceğiz…; “fazlasıyla zor” görünse de…!
*
Sabit olarak duran bir gözlemciye göre, yine sabit olarak duran bir cismin konumunu belirtmek için üç bilgiye ihtiyaç var… Yatay düzlemdeki konumu ve yatay düzleme uzaklığı… Bunlar, cismin gözümüze uzaklığını belirler… Bunu, ilköğretimde, x-y-z koordinatları olarak öğrendik…
Gözümüz, normal şartlarda, cisimlere odaklanmayı otomatik olarak gerçekleştirdiğinden, gündelik hayatımızda, bu gözümüze-uzaklık boyutunun pek farkında olmayız… Ta ki, mekanik (odaklamayı kendisi yapamayan) bir makinayla fotoğraf çekene kadar… Ayın fotoğrafını çekmeye kalktığımızda, objektif / odaklama ayarını ayrıca yapmamız gerekir… Yeterince netlik sağlanamamış bir fotoğraf bize, bu uzaklık boyutunun önemini hatırlatır…!
Gözlemcinin veya gözlenen objenin hareket etmekte olduğu bir durumda, cismin bulunduğu (veya bulunacağı) yeri yeterince net tanımlayabilmek için, işin içine “zamanın” da sokulması gerekir…
Geceleri, Uluslararası Uzay istasyonun (International Space Station-ISS) gözleyebilmek ve fotoğraflayabilmek için, bu zaman boyutunu bilmek olmazsa-olmaz bir gerekliliktir… Aksi halde, boşuna beklemiş oluruz…!
İnsanlık, 20. Yüzyıla kadar bu üç (x-y-z) boyutla idare etti… Ancak, Einstein, 1905’te yayımladığı Özel Görecelik Kuramı (Special Relativity Theory) ile, “ışığın uzay boşluğundaki hızının” ışık kaynağının hareketinden bağımsız olarak, sabit olduğunu ileri sürünce, bilim insanlarının “mutlu dünyası” biraz sarsıldı…!
Einstein’in denklemleri bu gerçeğin önemli sonuçlarını tanımlamaktaydı…: Farklı “eylemsiz referans çerçevesi” (koordinat ekseni; inertial frame of reference ) referans alınarak ölçüldüğünde, “olay çiftleri” arasındaki mesafeler ve zamanlar değişmekteydi…!
Einstein’in bu kuramı Lorentz’in 1904’te yayımladığı “Elektromanyetik Kuramı” ( Theory of Electromagnetic Phenomena ) ve Pioncare’nin “Elektrodinamik Kuramı” ( Electrodynamic Theory ) üzerine önemli bir ilerlemeydi…!
Herne kadar bu iki kuram da Einstein’inkilerle denk denklemler sunsa da, başta Michelson-Morley İnterferometre Deneyi olmak üzere, bazı deneylerin sonuçlarının açıklanmasıyla sınırlı olarak önerilmişlerdi…
Bir dönem Zürih’te, Einstein’e matematik öğretmenliği de yapmış olan (Prof.) Hermann Minkowski, 1908’de, Özel Görecelik Kuramının geometrik yorumu olarak, “Minkowski Uzayı” ( Minkowsky Space ) olarak anılan ve zamanı da içine alan, dört-boyutlu uzayı önerdi…!
Minkowsky’nin bu yorumu Einstein’in 1915’te sunduğu “Genel Görecelik Kuramı” ( General Theory of Relativity ) için çok önemli bir girdi sağladı… Kütle veya enerjinin varolduğu bir ortamda “uzayzaman” bükülmekteydi (curved)…!
Klasik mekanikte, zamanın akışının, uzayın her yerinde aynı olacağı varsayımından farklı olarak, özel görecelikte, zamanın akış hızı gözlenen cismin gözlemciye göre izafi hızına bağlı olarak değişkenlik gösterir…! Genel görecelik, gravitasyon alanının dışından yapılan gözlemlerde, gözlemcinin ölçeceği zamanda-yavaşlamanın ( time dilation ) gravitasyon alanları tarafından nasıl gerçekleştirileceğine bir açıklama da getirir…
George Francis FitzGerald 1889’da ve Hendrik Lorentz 1892’de, uzayda hızlandırılacak cisimlerin, hareket doğrultusundaki boylarının kısalacağını ( length contraction ) ileri sürdü…
Lorentz, 1904’e kadar geliştirdiği kuramı için ürettiği denklemleri, Einstein’in daha sonra geliştireceği “denk” denklemler üzerine yapacağı yorumlardan oldukça farklı bir şekilde yorumladı…!
Kuvvetlerin ve momentlerin hareket üzerine etkilerini inceleyen bilim dalı “Dinamik”te olduğu gibi, Loretntz’in kuramı maddenin fiziki bileşenleri üzerinde oluşacak gerçek fiziki deformasyonlar üzerinde yoğunlaştı…
Lorentz’in denklemleri, ışıktaki sapmayı açıklayan “lokal zaman”ı (local time) ve diğer acayiplikleri (phenomena) gündeme getirdi…
Yirminci yüzyılın sonuna yaklaşılırken, diğer fizikçiler ve matematikçiler “uzayzaman” kavramına doğru yol almaktaydı…!
1905’te Einstein “özel göreceliği” bilim dünyasına sundu… Herne kadar vardığı sonuçlar matematiksel olarak Lorentz ve Poincare’nin sonuçlarıyla eşdeğer ise de, Einstein, Lorentz dönüşümlerinin madde ve “eter” (eather) arasındaki etkileşimin bir sonucu olmayıp, “uzayzaman”ın kendi yapısından kaynaklandığını gösterdi…
Einstein, analizlerini “dinamik”ten ziyade, “kinematiğe” (kuvvet etkisi altında olmadan, hareket eden cisimlerin davranışlarını inceleyen bilim dalı) dayandırdı…
Einstein’in kuramı iki önermeye dayanmaktaydı…: Görecelik prensibi ve ışık hızının sabit oluşu…!
Einstein, 1905’te ilave olarak, elektromanyetk kütle-enerji ilişkisinin ötesine geçerek, 1907’de sunacağı, ataletsel ve gravitasyonel kütlelerin eşdeğerliliğini ileri sürecek, madde ve enerjinin genel eşdeğerliliğini ön plana çıkardı…
Kütle-enerji eşdeğerliliğini kullanarak, Einstein, ilave olarak, genel göreceliğin erken bir sonucu olarak, bir cismin gravitasyonel kütlesinin onun enerji içeriği ile orantılı olduğunu gösterdi…
Einstein, kuramını 1905’te yayımladığında, rakiplerinden biri olan eski öğretmeni Hermann Minkowski de, özel göreceliğin temel elemanlarından çoğuna ulaşmıştı… Minkowski sadece, yayımlamadan önce, çalışmalarının biraz daha olgunlaşmasını beklemişti…!
Minkowski, ölümünden bir yıl kadar önce, 5 Ekim 1907’de, Göttingen Matematik Derneğine (Göttingen Mathematical Society) verdiği bir konferansta “uzayzaman”ın geometrik yorumlamasını sundu… Uzayı doldurduğu varsayılan “eter” maddesinden sunumunda bahsetti…Ancak, bu sunumunun 1915 yılında yapılan baskısında, bu ifadenin metinden çıkarılmış olduğu görüldü…!
Minkowski, 21 Eylül 1908’de verdiği konferansta, uzay ve zamanın birlikte düşünülebileceğinden bahsetti…: “Henceforth, space for itself, and time for itself shall completely reduce to a mere shadow, and only some sort of union of the two shall preserve independence.”
Einstein, Minkowsky’nin, özel göreceliğin geometrik yorumlamasına başlangıçta mesafeli durdu…! Ancak, 1916’da, Genel Görecelik Kuramını oluştururken, Minkowsky’nin bu yaklaşımını büyük ölçüde kabul etti ve kuramında kullandı…
Genel görecelikte “bükülmüş uzayzaman” kavramı kullanıldığından, “özel görecelikte” kullanılan “uzayzaman”a bugün “Minkowski Uzayzamanı” ( Minkowsky Spacetime ) adı verilmekte…
Üç boyutlu bir uzayda iki nokta arasındaki mesafe Pisagor Teoremi ( Pythagorean Theorem ) ile tanımlanabilir… Farklı koordinat sistemini kullanan iki gözlemcinin ölçeceği mesafe aynı (sabit) olacaktır… Özel görecelikte, gözlemcilerden biri hareket halindeyse, Lorenz Kısalması (Lorentz Contraction) hesaba dahil olacağından, iki nokta arasında ölçülecek mesafe aynı olmayacaktır…!
Einstein’e göre, biri uzay yolculuğuna gönderilen ikizlerden Dünyada kalanı, uzaya gidip yeterince uzun bir süre sonunda, Dünyaya dönene göre daha fazla yaşlanacaktır…
Bilim insanlarına göre, uzayzaman maddenin mevcut olduğu ortamda eğilir (curves), dalgalar yayımlayabilir, ışığı eğer ve diğer anlaşılması zor bazı ilave şeyleri yapar…!
Uzayzaman terimleriyle ifade edildiğinde, Dünyanın etrafında dolanan bir uydunun yörüngesini Dünya, Ay ve Güneşin uzaktan (kütleçekimi) etkileri belirlemez…! Uydu, sadece, içinde bulunduğu ortamla uyumlu bir tepki göstererek, yörüngesini oluşturur (oluşmuş yörüngede hareket etmek durumunda kalır; trenin raylar üzerindeki hareketi gibi) …!
Genel görecelik, gravitasyonun (mekanik, dijital,…) saatin çalışma hızını yavaşlatacağını söyler…! Yerde ve yerden bir kilometre yukarıya uzanan bir kulenin tepesine yerleştirilecek iki saatin ölçeceği zamanlar arasında, günde, 9.4 nanosaniyelik bir fark ( time dilation ) oluşur… Bunu, (günümüzde) yeterince hassas (modern) cihazlarla ölçmek mümkündür…!
Urbain Le Verrier, 1859’da, Merkürün Güneş diski önünden geçişlerine ait 1697-1848 verisini analiz ederek, Merkürün gözlenen yörüngesinin mevcut fizik bilgisi ile açıklanamadığını beyan etti…! Bu sonuca bakılarak, Merkürün yörüngesini etkileyen başka şey ya da şeyler (bilinmeyen başka bir gezegen, asteroidler,…) mevcut olmalıydı…! Takibeden yirmi yıl boyuca, bu “hayali” gezegen ve asteroidler araştırıldı… (Ancak, … bunlar, A. İlhan’ın dediği gibi…: “…zaten, yoktular”…!)
Einstein, 1916’da, Merkürün yörüngesindeki bu anormalliğin “uzayzaman” dokusundaki eğimden (curvature) kaynaklandığını hesaplamalarla ortaya koydu…! Genel Görecelik Kuramı doğru gibi görünüyordu… Einstein’in bu öngörüsü, 1919’da, İngiliz astronom Eddington tarafından, yıldız ışığının Güneş tarafından saptırıldığının gözlenmesiyle, deneysel olarak ispatlanmış oldu…
Newton’un gravitasyon kuramına göre, gravitasyon kuvvetinin kaynağı “kütle”dir (mass)… Buna zıt bir görüş olarak, genel görecelik, kütleye ilave olarak, uzayzaman bükülmesi için birçok ilave kaynağın var olduğunu ileri sürer… “Enerji” bunlardan biridir… Newton gravitasyonunda bile gravitasyon alanı (gravitational field) (potansiyel) enerji ile ilişkilidir…
Genel görecelikte, kütle-enerji momentumla ilişkilidir… Kütle-enerji uzayzamanı eğer… Dönen kütle-enerjinin açısal momentumu kütleçekimsel-manyetik alanlar ( gravitomagnetic fields ) yaratır…!
Kütle-enerji gravitasyonun kaynağı ise, bu bağlamda, momentum da gravitasyonun kaynağıdır…!
Bilim insanlarına göre, bir cismin hareket miktarı olan “momentum”un gravitasyonun kaynağı olması gerektiği düşünüldüğünde, hareket eden ve/veya dönen kütlelerin de, hareket eden elektrik yüklerinin manyetik alanları tetiklemesi gibi, “kütleçekimsel-manyetizm” adı verilen alanlara yol açacağını ileri sürmek (prediction) mümkündür…
Hareket edilen yüklü parçacıklara özel görecelik kuralları uygulandığında manyetizma kuvvetini (mıknatıs özelliğini) yaratmak mümkündür… Bu sonuç, Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynmann tarafından gösterildi…
Kütleçekimsel-manyetizmanın mevcut olduğu, 20 Nisan 2004’te Dünya yörüngesine gönderilen, “Gravity Probe B” tarafından belirlendi…Aracın topladığı verinin başlangıç analizinden, “jeodezik etki”nin (geodetic effect ) yeterince güçlü olduğu anlaşıldı…Ağustos 2008’e kadar, kütleçekimsel-manyetizma kaynaklı “frame-dragging effect” beklenen değere yüzdeonbeş kadar yakın olarak, jeodezik etki ise, beklenenin yüzde yarımından daha az farklı olarak ölçüldü…
“Tekbaşına zaman” ve “tekbaşına mesafe” sabit olmadığından, birbirine göre izafi olarak, hareket halinde olan iki gözlemcinin, meydana gelen olayların oluş zamanı ve birbirine uzaklığı hususunda farklı algılamaları olacaktır… Ancak, bu gözlemciler, uzay ve zamanın “birlikte ölçüsü” olan “uzayzaman aralığı” ( spacetime interval ) ölçüsünü algılamada aynı görüşe sahip olacaklardır…
Bilim insanları, 1800’lü yılların ortalarına kadar, ışığın dalga özelliğinnden hareketle uzay boşluğunun “eter” (luminiferous aether; kimyasal madde, eter’den farklı olarak…) adı verilen bir madde ile dolu olduğunu düşünüyordu… Ancak bu doğrulanamadı…
Yine de, bilim dünyasının zamanla reddettiği bu görüşün-gecikerek de olsa- bugünlerde doğrulanması olası…!
Bugün, varlığı CERN’deki LHC (Large Hadron Collider) deneyleri ile kanıtlanmış olan Higgs Alanı (Higgs Field) “eter” ortamının güncel yorumu olarak kabul edilebilir… Şüphesiz, bu ortamı zenginleştirecek ilave bulgular da sözkonusu… Vakum dalgalanmaları (vacuum fluctiotions)…kuantum alanları (quantum fields),…
Bilim insanları, geçen son yüzyılda, biraz, Einstein’in döneminin diğer fizikçilerinin fikirleri üzerine inşaa ettiği özel / genel görecelik kuramıyla (ve onun yorumlarıyla) idare etti…
Artık, varlığından şüphe duyulmayan “uzayzamanın” ne olduğunun daha basit, daha kolay anlatılır ve anlaşılır yorumuna ihtiyaç var…
“Garvitomagnetism” ( kütleçekimsel-manyetizma ) söylemi bile mevcut sıkıntının bir yansıması…
Şimdi…, “teorik-pratik” fizikçilerin, “taşın altındaki” ellerini klavyenin üzerine koyma zamanı…!
Yararlanılan kaynaklar:
HAVACILIK VE UZAY 
One thought on “Uzayzaman…nedir? ( What is “spacetime”…?) ”
Yorumlar kapalı.