Uzayzaman…nedir?  ( What  is  “spacetime”…?)  

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:

https://www.wikiwand.com/en/Spacetime

One thought on “Uzayzaman…nedir?  ( What  is  “spacetime”…?)  

  1. Geri bildirim: Uzayzaman…nedir?  ( What  is  “spacetime”…?)   — HAVACILIK VE UZAY | tabletkitabesi

Yorumlar kapatıldı.