Einstein’ın görelilik kuramının gerçek hayattaki yansıması

Fizik ve Uzay Öne Çıkanlar
Einstein’ın görelilik kuramının gerçek hayattaki yansıması

Görelilik kuramı şüphesiz ki 20. yüzyılın en meşhur kuramlarından biri, peki ama günlük hayatımızda gerçekleşen olaylarda bu kuramın etkilerini nasıl hissediyoruz?

Albert Einstein tarafından 1905 yılında öne sürülen görelilik kuramı fizik kurallarının her yerde aynı olduğunu hatırlatır. Kuram genel olarak nesnelerin uzay ve zamandaki davranışlarını açıklar ve bu bilgi kara deliklerin varlığından, kütleçekimine bağlı olarak ışığın bükülmesine, Merkür gezegeninin davranışına kadar çeşitli olayları açıklamakta kullanılır.

Aslında kuramın mantığı aldatıcı biçimde çok basit görünüyor. Öncelikle referanslar çerçevesinde “mutlak” diye bir şey yoktur. Bir nesnenin ölçülen hızı, momentumu veya sarf ettiği süre başka şeylerle bağlantı içindedir. İkincisi, ışığın hızı ölçümü yapan kişiden bağımsız olarak sabittir. Üçüncüsü, hiçbir şey ışıktan hızlı değildir.

Einstein’ın en ünlü kuramının pratik uygulamaları ise çok çarpıcıdır. Eğer ışığın hızı her zaman sabitse, Dünya’ya göre çok hızlı hareket eden astronotlar saatlerin tıkırtısını Dünya’daki gözlemciye göre daha yavaş duyarlar. Yani zaman astronotlar için daha yavaş akar ki bu durum “zaman genişlemesi” olarak adlandırılmaktadır.

Yüksek kütleçekimi alanında bulunan bir cisim hızlanarak zaman genişlemesine uğrar. Aynı anda astronotumuzun uzay mekiğinin uzunluğu da kısalır. Yani eğer hareket halinde uzay mekiğinin fotoğrafı çekilirse mekik, hareket doğrultusunda “sıkışmış” olarak görülür. Astronot açısından bakacak olursak değişen bir şey yoktur, her şey normal görünür. Ek olarak Dünya’daki gözlemciye göre uzay mekiğinin kütlesi de artmıştır.

Ancak görelilik kuramının etkilerini görmek için uzay gemisine yaklaşmaya veya ışık hızına ihtiyacımız yok elbette. İsterseniz Einstein’ı haklı çıkaran, günlük hayatımızda gözlemleyebileceğimiz teknolojilerde görelilik kuramının etkilerini inceleyelim.

1

1. Küresel konumlandırma sistemi (GPS)
İlk sırada arabalarımızda kullandığımız navigasyon aletleri, GPS’ler var. Bu cihazların bağlı olduğu uydular konumunuzu belirlerken görelilik etkisini hesaba katarlar. Çünkü uydular bile ışık hızına yaklaşamayacakları için gecikmenin olması ölçümü yanlış kılar. Uydular ayrıca Dünya üzerindeki istasyonlara sinyal gönderirler. Bu istasyonlar ve arabanızdaki GPS yerçekimi yüzünden, yörüngedeki bir uyduya göre daha fazla hızlanırlar.

Nokta atışı doğruluk elde etmek için, uydunun saati saniyenin milyarda birini (nanosaniyeleri) kullanır. Her uydu Dünya’dan 20.3000 kilometre uzaklıktadır ve 10.000 km/saat hızla hareket eder. Bu da günde 4 mikrosaniyelik göreceli zaman genişlemesine yol açar. Yerçekimi ve nesnelerin hareketini katınca bu rakam 7 mikrosaniyeye çıkar yani 7000 nanosaniye!

Fark çok açık: eğer GPS görelilik etkisini hesaplamasaydı bugün 0.8 km uzaklıkta olan petrol istasyonu sadece 1 gün sonra 8 km uzaklıkta gösteriliyor olurdu.

2

2. Elektromıknatıslar
Manyetizma da görelilik etkisiyle çalışır, eğer elektrik kullanıyorsanız mutlaka jeneratörlerin arkasında yatan göreliliğe teşekkür etmelisiniz.

Eğer elinize telden bir halka alır ve manyetik alanın içinde hareket ettirirseniz elektrik akımı yaratırsınız. Telin içindeki yüklü parçacıklar değişen manyetik alandan etkilenir ve akım oluştururlar.

Şimdi de telin durduğunu ve mıknatısın hareket ettiğin düşünelim. Bu defa telin içindeki yüklü parçacıklar (elektronlar ve protonlar) hareket etmeyecek, manyetik alanın onları etkilememesi gerekiyor. Ancak etki ediyor ve hala akım oluşuyor. Bu bize ayrıcalıklı referansın olmadığını gösterir.

Fizik profesörü Thomas Moore değişen manyetik alanın elektrik yaratması olarak bilinen Faraday Kanunu’nu açıklamak için görelilik kuramını kullandı.

“Elektriği kullanan transformatörler ve elektrik jeneratörleri gibi cihazların çalışma prensibinde görelilik kuramı yatar” diyor Moore.

Elektromıknatıslar da izafiyete göre çalışırlar. Eğer bir tele doğru akım (DC) uygularsanız elektronlar maddenin üzerinden akıp giderler. Normalde tel nötrdür, pozitif ve negatif yükü yoktur. Bu durum eşit sayıda pozitif yük (proton) ve negatif yüke (elektron) sahip olmalarıyla oluşur. Ancak doğru akım uygulanmış bir telin yanına başka bir tel koyarsanız akımın yönüne göre tellerin birbirini çektiğini veya ittiğini görürsünüz.

Akımın aynı yönde olduğunu varsayarak, ilk teldeki elektronlar ikinci teldeki elektronları hareketsiz olarak görür. (Akımın sabit olduğu varsayılıyor) Dahası her iki telde de protonlar, elektronlara göre hareketli görünürler. Çünkü uzunluk daralmasına bağlı olarak protonlar daha sık yerleşmiş gibi görünürler, uzunluk başına pozitif yükler negatif yüklere oranla daha fazlaymış gibi olur. Yükler birbirini itince de teller birbirini iterler.

Akımların ters yönlerde olduğunu varsayarsak teller birbirini iterler. Çünkü ilk teldeki elektronlar ikinci teldeki elektronları daha sıkışık görürler ve bu da net negatif yük verir. İlk teldeki protonlar ise net pozitif yük sağlayarak tellerin farklı yüklenmesine neden olurlar.

3

3. Altının sarı rengi
Birçok metal atomlardaki elektronlar değişik enerji seviyelerinden veya orbitallerden atladığı için parlak görünürler. Metale çarpan çoğu proton emilir ve daha uzun dalga boylarında yayılır. Böylece en görünür olan ışık en fazla yansıtılan ışıktır.

Altın ağır bir atomdur, böylece iç tabakalardaki elektronlar görelilik kütle artışına maruz kalacak kadar hızlı hareket edebilir ve uzunluk daralması meydana gelebilir. Sonuç olarak çekirdeğin etrafındaki elektronlar daha kısa yörüngelerde daha yüksek momentumlarda dönerler. İç tabakadaki elektronlar dış tabakadaki elektronlara yakın enerji taşırlar ve absorbe edip yaydıkları ışığın dalga boyu uzar.

Böylece uyarılması için gerekli enerji artan altın atomları yüksek enerjili mavi-mor ışığı soğururken diğer dalga boylarını yansıtırlar ki altının sarı gözükmesinin sebebi budur. Sarı ışığın dalga boyu mavi ışığa göre daha uzundur ve enerjisi daha düşüktür.

4. Altın kolayca paslanmaz
Altın atomlarındaki bir diğer görelilik etkisi ise kolayca paslanmaması ve tepkimeye girmemeleridir. Altın en dış katmanında sadece 1 elektron taşır ancak bu durum onu kalsiyum veya lityum gibi kolay tepkimeye giren bir madde yapmaz. Dahası altın elementinde atomlar olması gerekenden ağırdır ve sıkı sıkıya çekirdeğe yaklaşmışlardır. Bu yüzden en dıştaki elektron da tepkimeye girmez ve diğer elektronlarla beraber çekirdeğe yakın durur.

4

5. Cıvanın sıvı olması
Altına benzer biçimde cıva atomları da ağırdırlar ve hızları, kütle artışlarıyla beraber çekirdeğe yakın dururlar. Cıvada atomlar arası bağlar zayıf olduğu için düşük sıcaklıklarda erirler ve cıva gündelik hayatta gördüğümüz sıvı formuna ulaşır.

6

6. Eski televizyonunuz
Birkaç yıl öncesine kadar televizyon ekranları tüplüydü ve içerilerinde katot ışın tüpleri vardı. Bu katot ışın tüpü büyükçe bir mıknatısla fosfor yüzeye elektronları fırlatıyordu. Her bir elektron ekrana çarparak bir piksellik görüntü oluşturuyordu. Elektronlar bu görev için ışık hızının % 30’uyla fırlatılıyordu. Görelilik etkisini hesaplayan üreticiler mıknatıslarını bu kurallara göre tasarladılar.

 7. Işık
Eğer Newton mutlak dinlenme çerçevesinin varlığı konusundaki varsayımında haklı olsaydı, biz bugün ışık için çok farklı açıklamalar getiriyor olacaktık.

Moore “Eğer görelilik olmasaydı sadece manyetizma değil ışık da olmayacaktı. Çünkü görelilik elektromanyetik alanın çabuk değil de sınırlı hızda hareket etmesini gerektirir. Eğer görelilik bu gerekliliği oluşturmasaydı, elektrik alanındaki değişimler elektromanyetik dalgalar yerine hızlıca meydana gelseydi, manyetizma ve ışık gereksiz olacaktı” diyor.

7

Süpernova kalıntısı Fotoğraf: Caltech/SSC/J. Rho and T. Jarrett and NASA/CXC/SSC/J. Keohane et al.

8. Nükleer Santraller ve Süpernovalar
Göreliliğin bir diğer etkisi nükleer santrallerin çalışmasını sağlayan prensip ve güneşimizin ışıldamasının altında yatan neden olan kütle ve enerjinin birbirine dönüşümüdür. Bir diğer etkisini dev yıldızların ölümü olan süpernova patlamalarında görürüz.

Moore “Süpernovalar görelilik etkisinin kuantum etkilerine baskın gelmesi sonucu, dev yıldızların küçük, sert nötron yıldızlarına gelmesine yol açan, yıldızın kendi ağırlığı altında çökmesine yol açan patlamalardır” diyor.

Bir süpernovada yıldızın dış katmanı çekirdeğe doğru çökmeye başlar ve dev patlamaya yol açar. Bu sırada demirden daha ağır elementler oluşur. Kısaca çevremizde tanıdık olduğumuz çoğu element süpernovalardan miras kalmıştır.

Moore son olarak “Bizler süpernovaların parçalanmış bedenlerinden yapılmış canlılarız. Eğer görelilik olmasaydı dev yıldızlar yaşamlarını beyaz cüceler olarak bitirecekler, asla patlamayacaklardı. Biz de bunu düşünüyor olmayacaktık zaten” diyor.

Derleyen: Furkan Avcı
Kaynak: http://www.livescience.com/48922-theory-of-relativity-in-real-life.html