“Görelilik” deyince hepimizin aklına özel ve genel görelilik, dolasıyla da Albert Einstein geliyor. Fakat fizikteki görelilik kavramından ilk defa bahseden Einstein değil, Galileo Galilei’dir.
Fizikteki en büyük devrimlerden biri hiç kuşkusuz Albert Einstein’ın sırasıyla 1905 ve 1915 yıllarında ortaya koyduğu özel ve genel görelilik teorileridir. Çünkü Einstein’dan önce hem uzayın hem de zamanın mutlak nicelikler olduğu fikri kabul görüyordu. Yani konumlarından ve evrendeki hareketlerinden bağımsız olarak uzay ve zaman, her gözlemci için aynıydı.
Einstein özel ve genel görelilik teorileriyle her ne kadar fizikte bir devrim yaratsa da görelilik kavramını ilk ortaya atan başka biriydi. Aslında görelilik kavramının kökenleri yaklaşık 400 yıl öncesine kadar uzanıyor. Ve bu kavramı ortaya atan bilim insanı, Newton’ın hareket yasalarından bile çok önce hareket eden nesnelerin davranışlarını inceleyen Galileo Galilei‘dir.
Galileo’yu Görelilik Kavramına Götüren Süreç
Einstein’dan bildiğimiz görelilik kavramı esasında uzay ve zaman ile ilgilidir. Ancak Galileo görelilik kavramını hareketin algılanabilirliği üzerinden düşünmüştür. Ona göre hiçbir penceresi olmayan kapalı bir kutuda hareketsiz olduğumuz durum ile penceresi olan ve sabit bir hızla hareket eden bir kutuda olduğumuz durumu birbirinden ayırt edemezdik.
Yani Galileo’nun görelilik ilkesinde özetlenen şey, yukarıda bahsettiğimiz iki durum arasında gözlemciye göre bir fark olmadığıdır. Ve bu fikrini ilk kez 1632 yılında ortaya atmıştır. Peki Galileo’yu böyle bir ilkeyi keşfetmeye götüren neydi?
Aslında Galileo’yu görelilik kavramına götüren düşünce dikkat çekici olduğu kadar basitti de. Galileo hayatı boyunca hareket üzerine pek çok araştırma yaptı. En ünlü keşiflerinden biri de hiç şüphesiz gezegenlerin hareketleriyle ilgili olan keşifleriydi. Kopernik’in fikirlerine aşinaydı. Dünya’nın Merkür, Venüs, Mars, Jüpiter ve Satürn ile birlikte Güneş’in etrafında dönen birkaç sıradan gezegenden biri olduğu heliosentrik sistem fikrini savunuyordu.
Ancak o dönemlerde geosentrik sistem genel kabuldü. Bu nedenle Dünya’nın sabit olduğu, gökyüzünün ve gezegenlerin Dünya etrafında döndüğüne inanılıyordu. Galileo ise gök cisimlerinin Dünya etrafında gibi dönüyor görünmesini iki şekilde açıklayabileceğimizi düşünüyordu.
- Ya Dünya gerçekten sabitti ve gökyüzü ile gezegenler Dünya etrafında dönüyordu,
- Ya da aslında gökyüzü sabitti ve asıl hareket halinde olan Dünya’ydı. Dünya kendi etrafında döndüğü için de sanki gökyüzü dönüyormuş gibi bir izlenim veriyordu.
Görüldüğü gibi, az önce bahsettiğimiz Galileo’nun kutu örneğindeki durumu burada da yakaladık. Nasıl ki kutu örneğinde gözlemciler hareket edip etmediklerini ayırt edemiyordu, Galileo’ya göre Dünya mı yoksa gökyüzü mü dönüyor bunu da ayırt edemezdik.
O Halde Dünya’nın Döndüğünü Nasıl Anlayacağız?
Bu soruya yanıt vermek için Galileo’nun Pisa Kulesi’nden top attığı meşhur deneye değinmemiz gerek. Bu deneyde Galileo, Pisa Kulesi’nin tepesine çıkar ve aşağı bir top bırakır. Eğer Dünya sabitse yani dönmüyorsa, topun nasıl davranacağını kestirmek kolaydır. Top olduğu gibi düz bir çizgide toprağa düşer. Peki Dünya dönüyor olsaydı ne olurdu?
Dünya kendi ekseni etrafında dönüyorsa, yere sabit olan kule de Dünya ile birlikte dönecektir. Bu da topun Dünya’nın dönüş hızına bağlı olarak kuleden ayrı bir noktaya düşüyor gibi görünmesine yol açacaktır.
Gelin ufak bir hesap yapalım. Dünya’nın yaklaşık 40 bin km çapında bir küre olduğunu, her 24 saatte bir döndüğünü ve Pisa’nın ekvator ile Kuzey Kutbu arasında kabaca ortada olduğunu göz önünde bulundurarak, kulenin Dünya’nın merkezine göre 330 m/s hızla hareket ettiğini söyleyebiliriz. 55 metre yüksekliğindeki Pisa Kulesi’nden atılan topun yere çarpmasıysa 3 saniyeden biraz fazla sürecektir.
Dolayısıyla buradan baktığımızda topun kuleden yaklaşık 1000 metre uzakta düşmesi gerekir. Fakat biliyoruz ki top, dümdüz aşağı düşer. Bu durum, Dünya’nın dönmediği yorumlarına sebep oluyordu.
Ancak zamanının en önemli zihinlerinden biri olan Galileo farklı düşünüyordu. Elbette kule Dünya’nın merkezine göre saniyede 330 metre hızla hareket ediyordu. Fakat bu şekilde hareket eden sadece kule miydi? Kulenin tepesindeki Galileo, kulenin bulunduğu zemin, atmosfer ve Galieo’nun elindeki top da Dünya’nın merkezine göre hareket ediyordu.
Bu yüzden Galileo topu aşağı bıraktığında top kuleden daha uzakta bir yere düşmez. Yine de topun dümdüz aşağı düşeceğini söylemek tam doğru değildir. Çünkü kulenin üst kısmı alt kısmına göre Dünya dönerken daha büyük bir daire çizer. Bu nedenle top dümdüz değil de 1.5 mm kadar kaymış şekilde düşer. Fakat bu durum o zamanın teknolojisiyle ölçülemeyecek kadar küçüktür.
Galileo Görelilik Kavramına Ulaşırken Müzikten de Faydalandı
Galileo’nun döneminde bir nesnenin Dünya’nın yerçekimi etkisine maruz kaldığında belirli bir süre içerisinde ne kadar hareket ettiğini gösteren hassas ölçüm cihazları yoktu. İşte bu noktada Galileo, müzikle ilgilenen babasından etkilenerek bir yöntem geliştirmişti.
Pisa Kulesi deneyindeki gibi serbest düşüş halindeki nesneleri kullanmak yerine, eğimli bir rampadan topları yuvarlamaya başladı. Rampanın eğimini istediği gibi ayarlayarak topun hızını kontrol ediyordu. Rampa yataya yakın olursa top yavaşlıyor ve yere ulaşma süresi uzuyordu.
Zamanı ölçme aracı olmayan Galileo, rampaya yuvarlanan nesne üzerinden geçtiğinde ses çıkaracak ince teller yerleştirdi. Tellerin her birini ise eşit tempoda ve eşit aralıklarla ses çıkaracak şekilde yerleştirmişti. Bu sayede Galileo, hareket mekaniğinin temellerini çözmüştü. Buna göre başlangıçta hareketsiz olan bir nesnenin kat ettiği mesafe, hızlandırıldığı zamanın karesiyle orantılıydı.
Ancak Galileo başka bir şey daha fark etti. Yaptığı deneylerin bulunduğu odanın sürekli hareket halinde olup olmadığı konusunda belirsiz sonuçlar verdiğini gördü. Aynı deneyi bir gemi içerisinde yapsaydı da geminin hareket edip etmediğini anlayamayacağını fark etti.
Çünkü Galileo gemide rampadan topları yuvarlarken onunla birlikte gemide olan bir kişi de, gemiye göre hareket halinde olan başka bir gemideki kişi de, rampadan yuvarlanan topların konum ve hızlarını ölçtüklerinde farklı sonuçlar elde edecektir. Buna rağmen hiçbirinin sonucu yanlış olmayacaktır. Çünkü tüm gözlemciler, Dünya’nın yerçekimi ivmesini ve tellerin art arda titreşmesi arasındaki süreyi aynı bulacaktır.
Kısacası Galileo’nun görelilik ilkesinde konumlar ve hızlar gözlemcinin hareketine bağlıdır. Fakat iki nokta arasındaki mesafe, iki olay arasında geçen zaman ve yerçekiminden kaynaklanan ivme gibi nicelikler değişmez.
Galileo’dan Sonra Görelilik Kavramı
Görelilik her ne kadar 400 seneye yakın bir süredir bizimle olan bir kavram olsa da, üç önemli bileşeninde birtakım gelişmeler olmuştur. Bunlardan ilk ikisi, 1905’te Einstein’ın sağlam temellere oturttuğu mesafe ve zaman ile ilgilidir. Einstein sayesinde mesafe ve zamanın gözlemciler arasında evrensel olarak kabul edilen mutlak nicelikler olmadığını görmüştük. Tüm gözlemciler için evrensel olanlar ışık hızı ve uzay-zaman (veya Einstein) aralığıdır.
Üçüncü olarak gelişen şeyse ivmenin tüm gözlemcilerin üzerinde hemfikir olduğu bir sabit olmadığıdır. İvme sabit bir şey olmak yerine, mesela yerçekimini deneyimlememize sebep olan uzay-zaman eğriliğinin bir sonucudur. Mesafe ve zaman, sadece gözlemcilerin birbirlerine göre hareketinden etkilenmez. Aynı zamanda uzay-zamanın eğriliğinden de etkilenir.
Bugün, Evren’in uyduğu yasa ve kuralların çoğunun, onu deneyimlediğimiz konum ve hareketlerimize göre değişmediğini anlıyoruz. Ancak göreliliğin kökeni yaklaşık 400 yıl öncesine dayanıyor.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- Relativity: the oldest physics principle that’s still correct ; Bağlantı: Relativity: the oldest physics principle that’s still correct – Big Think ; Yayınlanma tarihi: 13 Ağustos 2024
- Galileo Galilei ; Bağlantı: Galileo Galilei (Stanford Encyclopedia of Philosophy) ; Yayınlanma tarihi: 4 Haziran 2021
Matematiksel
