Genel Görelilik Kuramı

[boxcigar]

Genel Görelilik Kuramı Einstein�ın en büyük başarısı idi; klasik,deterministik dünya görüşünün gününü dolduruşunu temsil ediyordu.Einstein, uzay, zaman ve madde fikirlerini modern biçimlerine getirerekNewton fiziğinin ötesine giderken, fiziğin çerçevesi tamamendeterministik idi. Newton evreninin büyük saati Einstein tarafındandeğiştirilmişti -çarklar ve bölümler farklıydı- fakat, Einstein saatinhareketinin hala sonsuz geçmiş ve gelecekte tamamen önceden belirliolduğu konusunda Newton ile anlaşıyordu.

Genel Görelilik Kuramı Nasıl Geliştirildi?

Genel Görelilik Kuramı'nı bir tek kişinin yaratmış olduğuna inanmakzordur. Kuram, uzay, zaman, enerji, madde ve geometriyi muazzam birufku ve anlamı olan uyumlu bir bütün halinde birleştirmektedir.

Einstein, Zürih�te iken ve Berlin�deki ilk yıllarında, fiziktepozitivizmin büyük savunucusu olan filozof fizikçi Ernst Mach�ınentellektüel etkisi altında kalmıştı.

Mach, kuramsal fizikçilerin, fizikte deneysel işlemlerle kesin,doğrudan bir anlam kazandırılamayan herhangi bir fikir kullanmamalarıgerektiğini düşünüyordu. Deneysel dünyayla ilgisi olmayan fikirler,fiziksel kuram için yüzeysel olarak değerlendiriliyordu. Mach�ınyöntemi yeni fiziğin gelişiminde önder bir kuvvet oldu.

Einstein, bu yöntemin ustasıydı. Einstein�ın uzay ve zaman tanımlarınıhatırlayın: uzay bir ölçü çubuğu ile ölçtüğümüz şeydir. Ölçme işinedoğrudan başvuran bu tanımlar, uzay ve zaman kavramlarının yüzyıllardırtaşımış oldukları tüm aşırı felsefi bagajı kesip attılar. Pozitivist,yalnızca, ölçme gibi doğrudan işlemler yoluyla bildiğimiz şeylerden sözetmekte ısrar eder. Fiziksel gerçeklik, kafalarımızdaki fantezilerledeğil, fiili deneysel işlemlerle tanımlanır.

Ancak Einstein, Berlin�e yerleştikten sonra, katı pozitivist tutumdanuzaklaştı ve bu durum, kısmen, iş arkadaşı Planck�ın ikna edicitezlerinin sonucunda oldu. Aynı zamanda Einstein�in Genel GörelilikKuramı konusundaki başarısı ve ona ulaşmak için kullanmış olduğudüşünce yöntemi, onu katı pozitivist yöntemin sınırlılıkları konusundaikna etti.

Einstein bir pozitivist olarak kalmış olsaydı, genel GörelilikKuramı'nı keşfetmiş olup olmayacağı şüphelidir. Einstein daha sonra,kendisinin Berlin'de patent ofisinde çalıştığı günlerden arkadaşı olanfilozof Maurice Solovine�e yazdığı bir mektupta, kendi yönteminianlattı. Bu yöntem Einstein�ın önerme yöntemi olarak isimlendirilebilir.

Genişleyen Evren'in Gözlenmesi

Einstein, genel Görelilik Kuramı'nı, Evren'in bütününe uyguladı. Sonluve sınırsız bir Evren modeli kurdu ve bunun matematiksel yapısınıgeliştirdi. Amerikalı astronom Edwin Powell Hubble (1889-1953), 1920'liyıllarda Evren'in yaşı, oluşumu ve dağılımı konusunda çalışmalarıbaşlatan bilim adamı.

Hubble, 1929'da yaptığı gözlemlerle uzak gökadalarının ışığınınkırmızıya kaydığını, buradan kalkarak da bunların Dünya'danuzaklaştığını ortaya koydu. Evren genişliyordu. Oysa Einstein'in evrenidurağandı.

Kuram, büyük kütlelerin yakınından geçen ışık ışınlarının kütleçekimalanının etkisiyle eğileceğini, bu nedenle de uzak bir yıldızınışığının Güneş'in kenarından geçerken yapacağı sapmanınhesaplanabileceğini öngörüyordu. Birinci Dünya Savaşı ve kötü havakoşulları, ilk gözlemin yapılmasını engelledi. Kuram'ın ilk genelkanıtları iki İngiliz bilim adamından geldi: 29 Mayıs 1919'da GüneyAfrika'da (Gine Körfezi'ndeki bir adada) ve Brezilya'da gözlenen Güneştutulmaları sırasında elde edildi.

Sonuçlar tam Genel Görelilik Kuramı'nı kanıtlayacakken, iki ayrı yerinsonuçları birbirine ters düşüyordu. Daha sonraları da gözlemler vedeneyler, onu doğrulamaya devam etti. 1922'de Güney Afrika veBrezilya'dan alınan verilerin farklı souçlar vermesi üzerine LickGözlemevi'nin yöneticisi William W. Campbell, bir sonraki tutulmayıizlemek için Avustralya'ya gitti.

Tutulma, yaklaşık beş dakika izlenebildiği için "Naif yıldızlardakaydedilebilecek; böylece Güneş'e yakın gözlenebilir yıldızların sayısıartacaktı" diye açıklama yapıyor Osterbrook ve "gözlem yapanlar 'etkiyiölçmek için daha iyi bir şans'elde edecekler" diyor.

12 Nisan 1923'te, Campbell, yıldızların görüntülerinin yerleşimleri ikidurum için, yani tutulma ve gerçek gece durumundaki yıldızlarınfarklılık gösterdiğini keşfetti. " Einstein'in tahminleriylekarşılaştırıldığında Güneş kenarındaki yıldız ışıkları 1.75 saniyelikbir açıyla saptırılıyor olması, verilen Görelilik Kuramı'nayaklaşabildiğinin bir kanıtıdır" diyordu.

Garip ama, Campbell, kendisini göreli bir Evren'de bulmak istemiyordu."Tanrım umarım doğru değildir" diyordu. Einstein, tabii ki, göreliliğiEvren'in normu olarak görüyordu. Doğrusu Kuram'ın doğruluğukanıtlandığında "Ama ben zaten Kuram'ın doğru olduğunu biliyordum"diyecekti öğrencisi Schneider'a.

Schneider, Einstein'"eğer tutulmalar, Kuram'ı doğrulamasaydı ne olurdu"diye sorduğunda Einstein " O zaman Tanrı'dan özür dileyerek, Kuramdoğru derdim" diyordu.


Genel Görelilik ve Evren Modelleri

Roger Penrose: "Sizlere Einstein�in kütleçekim kuramının temelyapıtaşlarını hatırlatmak istiyorum. Temel yapıtaşlarından birisiGalilei�nin Eşdeğerlik İlkesi adıyla bilinir. Galilei Piza Kulesi�nintepesinden biri büyük biri küçük iki taş bırakıyor. Bu deneyi gerçektengerçekleştirmiş olsa da olmasa da, kendisi, hava direncinin yarattığıetkiyi görmezden gelmek koşuluyla, her iki taşın da yere aynı andaçarpması gerektiğini gayet iyi anlamıştı.

Eğer bu taşlar beraberce aşağı doğru düşerlerken bir tanesinin üstüneoturup diğerini seyretme imkanınız olsaydı, onu önünüzde, havada asılıbir halde dururken görecektiniz. Uzay seyahatlerinin yapıldığıgünümüzde buna benzer durumlara fazlasıyla alışığız.

Einstein�in Kuramı, bize yerçekimin ortadan kalktığını değil, yerçekimikuvvetinin ortadan kalktığını söylemektedir. Geriye bir tek şeykalıyor, o da kütle çekiminin yarattığı gelgit etkisi.

Bu etkiye gel git etkisi denmesinin çok makul bir nedeni vardır. EğerYerküre�yi Ay�la, parçacıklardan oluşan küre biçimindeki kabuğu da,okyanusların kapladığı Yerküre ile değiştirecek olursanız, o zaman,Ay�ın okyanusların yüzeyi üzerinde Yerküre�nin parçacıklardan oluşanküresel kabuğa uyguladığı etkiye benzer bir kütleçekim etkisiyarattığını görüyoruz.

Ay�a yakın konumda bulunan deniz yüzeyi, Ay�a doğru çekilirken,Yerküre�nin arka yüzünde kalan denizler adeta uzağa doğru itilirler.Deniz yüzeyinin Yerküre�nin her iki tarafında bel vermesinden vedenizde her gün iki kez oluan yükselmeden bu etki sorumludur.

Einstein�in Genel Görelilik Kuramı'nı keşfinin öyküsü, kıssadan hisseönemli bir ders içermektedir. Bir bütün halinde ilk formülleştirildiğitarih 1915'tir. Herhangi bir gözlemsel ihtiyaç sonucunda değil,birtakım estetik geometrik ve fiziksel kaygıların güdüsüylegeliştirilmişti. Temel yapıtaşlarını, farklı kütlelere sahip taşparçalarının aşağı bırakılması nedeniyle örneklenen Galilei�ninEşdeğerlik İlkesi ve uzay-zaman eğriliğini tanımlamada doğal bir yololan Öklit-dışı geometrilerin kendine esas aldığı fikirleroluşturmaktaydı. 1915'lerde yapılan gözlemsel çalışmaların bu konuylapek bir ilgisi yoktu.

Genel Göreliliğin Öngörüleri ve Test Edilmeleri

Genel Görelilik, son biçimi ile formülleştirildiğinde, Kuram'ın kilitnoktasında gözleme dayalı üç adet sınamaya yer verdiği görüldü.

Birincisi: Merkür Gezegeni'nin yörüngesinin günberi noktası yerdeğiştirmekte ve diğer gezegenlerin etkileri hesaba katılsa dahi,Newtoncu kütleçekim etkileşimleri ile açıklanamayan bir dönüş hareketiyapmaktadır. Genel Görelilik, bu kaymayı olağanüstü bir şekildeöngörmekte ve açıklamaktadır.

İkincisi: Işık ışınlarının izledikleri yollar, Güneş'e yaklaştıkçaGüneş'e doğru eğrilir (bükülür). Bu da 1919'daki Güneş tutulmasınıgözlemlemek amacıyla Arthur Eddington�un başkanlığında gerçekleştirilenünlü yolculuğun gerçekleştirilme sebebidir. Eddington, yaptığıgözlemler sonunda Einstein�in öngörüsünü destekleyen sonuçlar eldeetmiştir.

Üçüncüsü: Kuram, bir kütle çekim etkisi altında saatlerin daha yavaşişleyeceğini öngörmekteydi. Yani yere yakın konumda bulunan bir saat,bir kulenin tepesinde bulunan bir saate göre daha yavaş çalışmalıydı.Bu etkinin de deneysel olarak ölçümü yapılmıştır. Oysa bütün bunlar, okadar da etkiliyici testler/sınamalar sayılmaz. Çünkü söz konusu buetkiler her zaman hem çok küçüktür, hem de aynı sonuçlar pekala başkakuramlar tarafından da öngörülebilirdi.

Şimdilerde ise durum artık dramatik ölçüde değişmiştir. Yaptıkları sonderece olağanüstü bir dizi gözlemden dolayı Hulse ve Taylor 1993yılında Nobel Ödülü�nü aldılar.

Bir de Genel Görelilik�e özgü olan ve Newtoncu kütleçekim kuramında hiçmi hiç bulunmayan bir başka özellik vardır. Buna göre, birbirietrafında dönme hareketi yapan cisimler, kütleçekim dalgaları halındaenerji yayar. Bunlar ışık dalgalarını andırsalar da, aslındaelektromanyetik alan içinde değil, uzay-zaman içinde oluşandalgalanmalardır.

Bu dalgalar, sistemden sürekli olarak enerji çeker. Enerjinin çekilmehızı, Einstein�in kuramına başvurularak kesin olarak hesaplanabilir.İkili nötron yıldızı sistemindeki enerji kaybının bu yolla hesaplananhızı, yapılan gözlemlerle tastamam uyuşuyor. Bu durum, son yirmi yılıaşkın süredir yapılan gözlemlerce, bu nötron yıldızlarının yörüngeperiyotlarında ortaya çıkan hızlanmaya ilişkin ölçüm sonuçlarındagörülmektedir.

Sözkonusu sinyallere ilişkin zamanlama öyle şaşmaz bir doğruluklasaptanmaktadır ki, son yirmli yılı aşkın bir süre boyunca kuramınbilinen doğruluk derecesinin on üzeri ondörtte bir dolaylarında olduğuortaya çıkmaktadır. Bu, Genel Görelilik�i bilim tarihi boyunca enduyarlı biçimde sınanan kuram olma konumuna getirmektedir.

Bu öyküde kıssadan hisse bir ders var. Einstein�ı, ömrünün sekiz yılınıya da belki daha fazlasını harcayarak Genel Kuramı geliştirmeye motiveeden etkenler, gözlem ve deney sonuçları değildi. İnsanlar zaman zamanşu sözleri dile getirmektedirler:

"Aslında, fizikçiler elde ettikleri deney sonuçları çerçevesindebiçimsel bir düzen arayışı içerisine girerler ve birgün gelir busonuçlarla uyuşabilecek zarafette bir kurama ulaşırlar. Bu, fizik ilematematiğin birbirleriyle neden bu kadar iyi geçindiklerini açıklamayayeterli olsa gerek".

Oysa sözünü ettiğimiz durumda işler hiç de bu şekilde yürümedi. Kuram,özgün biçimiyle hiçcbir motive edici gözlem bulgusuna dayanmadangeliştirildi ve ortaya matematiksel açıdan çok zarif ve fiziksel açıdanda son derece iyi motiflenmiş bir kuram çıktı. Buradaki ana fikirşudur: matematiksel yapı zaten Doğa�nın kendisinde mevcuttur ve kuramasılnda uzayda ait olduğu yerde durmaktadır; bu, herhangi birininDoğa�ya zorla dayattığı bir şey değildir.

Bu, bu bölümde esas alınan ana noktalardan bir tanesidir. Einstein,zaten yerli yerinde duran bir şeyi açık seçik hale getirmiş oldu.Üstelik, keşfettiği fizik öylesine bir fizik değil, Doğa�da en temeldensahip olduğumuz bir şey:uzayın ve zamanın doğası.

Genel Görelilik'te, fizik dünyasının sergilediği davranışlarıntemelerini gerçekten de olağanüstü kesin derecede kesin bir biçimdebelirleyen bir yapıyla karşı karşıya bulunmaktayız. Gerçi Doğa�nın neyönde davrandığına dikkat etmenin önemi açıkça ortada ise de,dünyamızın sözü edilen temel özellikleri çoğunlukla bu yollakeşfedilmemektedir.

Yalnız bu aşamada bütün diğer nedenler açısından cazip görünen,gelgelelim gerçeklerle uyuşmayan kuramlar yumurtlamamaya dikkatedilmelidir. Oysa burada elemizde, gerçeklerle fevkalede şaşmaz birbiçimde uyuşan bir kuram bulunmaktadır. Kuram'ın içerdiği doğrulukderecesi, Newtoncu Kuram'ın erişebildiği basamak sayısının iki katıdır.

Bir başka deyişle, Newtoncu Kuram'ın duyarlılığı on milyonda birlik birdoğruluk derecesinde iken, Genel Göelilik için bu oranın on üzeriondörtte bir olduğu bilinmektedir. Bir kuramdan ötekine sağlananiyileşme, Newton�un kendi kuramının içerdiği doğruluk derecesinde 17.yy�dan bugüne dek geçen zaman içinde görülen artış mertebesindedir.Newton, kendi kuramının binde birlik bir duyarlılıkla doğru olduğunubilmekteydi; şimdi ise bu duyarlılığın on milyonda bir olduğubilinmektedir.