Özel Görelilik Kuramı

Einstein, 1905'de esirin gereksiz ve fazla bir kavram olduğunun ilan ettikten sonra Mach'tan etkilenerek kurduğu özel görelilik kuramında zaman ve uzayın Tanrı ile olan ilişkilerini, kopardı ve onları insanlara ilişkin göreli birer kavrama dönüştürdü. Artık zaman ve uzay düşünce ürünü olmayıp ölçülebilen şeyler haline geldi.

Ondokuzuncu yüzyılın sonlarında ışığın elektromagnetik dalgalardan oluştuğu ve bu dalgaları uzak mesafelere taşıyan gözle görülemez, seyrek, esnek ve ağırlıksız bir ortamın (esir) var olduğu kabul ediliyordu. Eğer dünya böyle bir ortamda saniyede otuz km.lik bir hızla hareket ediyorsa zıt yönde bir esir rüzgarının oluşması ve ayrıca bu esir rüzgarıyla birlikte hareket eden ışığın bu rüzgara karşı hareket eden ışığa göre daha büyük bir hıza sahip olması gerekiyordu. Oysa ki 1887 yılında Albert Michelson ile Edward Morley, yaptıkları deneylerle ışık hangi yönde hareket ederse etsin, ışık hızının değişmediğini saptadılar. O halde, acaba esir diye bir şey yok muydu?

Esirin varolduğuna inanan bazı bilim adamları, Michelson ve Morley'in ulaştıkları sonucu yapay olarak etkisiz kılmaya çalıştılar. Örneğin, George Fitzgerald, dünyanın esir içinde hareket ederken hareket doğrultusunda büzüldüğünü ve bu büzüme ile ışığın hızında ortaya çıkacak olan farkın yok olduğunu ileri sürdü. Ne var ki, esirin varlığını savunmak için geliştirilen bu ve buna benzer açıklamalar bilim adamlarını tatmin etmiyordu.

İşte belirsizliğin sürdüğü böyle bir atmosferde, Einstein cesurca esir kavramının bir işe yaramadığını ve fizikten atılması gerektiğini vurguladıktan sonra özel görelilik kuramının iki temel ilkesini ortaya koydu:

1 - Bir deney yalnız göreli hareketi saptayabilir. Başka bir deyişle hiçbir deney mutlak durağanlığı veya düzenli hareketi saptayamaz. (Örneğin, bu ilkeye göre esirin varlığını saptamak olanaksızdır.)

2 - Işık, kaynağına bağlı olmaksızın, boşlukta sabit bir hızla hareket eder.

Einstein, bu iki temel ilkeyi, bazı düşünce deneyimlerini ve matematiği kullanarak Newton fiziğinin ana kavramlarını kökünden değiştirdi. Newton'a göre zaman mutlaktır yani evrensel olarak farklılık göstermez ve geçmişten geleceğe doğru düzenli bir biçimde akar. Sağduyuya uygun olan bu evrensel zaman anlayışına göre eşzamanlılık da evrenseldir.

Mutlak zaman kavramına karşı çıkan Einstein'a göre zaman kavramını içeren önermeler eşzamanlı olaylar hakkında ortaya konan önermelerdir ve eşzamanlılık iki olayın aynı anda gerçekleşmesi anlamına gelmektedir. Örneğin, "Mavi Tren Ankara Garına saat yedide gelecektir" demek saatimin akrebinin yedi üzerine gelmesiyle Mavi Trenin Ankara Gar'ına girmesi olayının aynı anda gerçekleşmesi yani bu iki olayın zamandaş olması demektir.

Ancak Einstein'a göre zaman, daha doğrusu eşzamanlılık, mutlak ve everensel değildir, çünkü bir gözlemci için eşzamanlı olan bir olay genellikle başka bir gözlemci için eşzamanlı değildir. Einstein'ın bu sonuca nasıl ulaştığını anlayabilmek için şu düşünce deneyini gözden geçirebiliriz:

Bir trenin (devingen sistem) orta noktasında iki ışık ışınını ters yönlere aynı anda gönderelim. Tren içindeki gözlemci için ışığın hızı (c) sabit olduğundan onun sistemde bu iki ışık ışını ters yöndeki duvarlara aynı zamanda ulaşır; gene bu gözlemci için bu iki olay (ışık ışınlarının ters yönlerdeki iki duvara çarpması) zamandaş olacaktır. Peki, trenin dışındaki gözlemci ne diyecektir?

Onun için de kendi sisteminde ışığın hızı sabittir; ancak trene baktığında duvarlardan birinin ışıktan uzaklaştığını, diğerinin ışığa doğru ilerlediğini görür. Böylece ona göre, ışık ışını kendisine yaklaşan duvara daha erken, kendisinden uzaklaşan duvar ise daha sonra çarpacaktır. Bundan çıkan kaçınılmaz sonuç şudur: Bir sistemdeki gözlemci için zamandaş olan iki olay, bu sisteme göresel düzgün devinen ikinci bir sistemdeki gözlemci içinse zamandaş değildir.

Acaba bu iki gözlemciden hangisi haklıdır? Einstein'a veya birinci temel ilkeye göre iki gözlemci de haklıdır. Eğer zaman kavramı göreli ise, fiziğin diğer temel kavramları da göreli olmak zorundadır. Örneğin, bir cismin uzunluğunu belirlemek için iki farklı gözlemci farklı zamanlarda ölçümler yapacaklarından (çünkü eşzamanlılık onlar için aynı değildir.) farklı değerler saptayacaklardır.

Özel görelilik kuramındaki olaylar ile Mach'ın algıları (elementleri) arasında bir fark yoktur. Örneğin, saatin akrebinin hareketiyle Mavi Trenin Ankara Garına girmesi aynı anda algılanan olaylardır. Aynı şekilde düşünce deneyimindeki gözlemcilerin gözlemleri de algılardan ibarettir. İşte Einstein'ın kuramında zaman ve uzay kavramaları ölçülebilen ve algılanabilen yani insanlara göre anlam kazanan kavramlar dönüştürüldükleri için Machçılığın Einstein üzerinde önemli bir rol oynadığını iddia edebiliriz.

Nitekim Einstein bile Mach'ın etkisinde kaldığını arkadaşlarına yazdığı mektuplarda açıkça belirtti. Hatta bizzat Mach'a yolladığı mektuplarda onun bir öğrencisi ve izleyicisi olduğunu açıkça itiraf etti. Bununla birlikte Mach hiçbir zaman özel görelilik kuramını tam olarak desteklemedi.

Einstein, zamanın ve uzayın göreli kavramlar olduğunu deneyler yaparak göstermiş değildir, çünkü onun özel görelilik kuramına ilişkin olarak sözünü ettiği deneyler zihninde yaptığı deneylerdir. Ayrıca bu kuramın temel direkleri olan iki ilke tamamen usun ürünleri olduklarından onları deneyimsel yöntemle doğrulama ya da yanlışlama olanağı yoktur.

Özel görelilik kuramının bir sonucu da madde ile enerjinin eşdegerliğini ve birbirlerine dönüşebilirliğini gösteren "E = mc2" nin formülüdür. Bu formülde E enerjiyi, m cismin kütlesini ve c de ışığın hızını temsil etmektedir. Bu formül, çok küçük bir madde parçasının çok büyük miktarlarda enerji içerdiğini ortaya koydu ve böylece nükleer çağa girilmiş oldu.