Popüler Bilim Tüm Yazılar

8 Maddede Günlük Hayatta Einstein’in Görelilik Kuramı

GÖRELİLİK KURAMININ HAYATIMIZA ETKİSİ

Görelilik kuramı 20. yüzyıldan bu yana dünyanın en ünlü teorilerinden biridir. Ancak günlük yaşamımızda görelilik kuramından faydalanıldığını pek göremiyoruz. Peki gerçekten günlük yaşamımızda kuramdan dolaylı ya da dolaysız yararlanıyor muyuz? Kuramın günlük hayatta kullanım alanları var mı? Eğer varsa günlük hayatımızda karşılaştığımız olgular görelilik ile nasıl açıklanıyor?

1905’te Albert Einstein tarafından oluşturulan görelilik kuramı basitçe fizik kanunlarının her yerde aynı olduğunu savunan bilimsel bir görüştür. Görelilik kuramı nesnelerin uzay-zamandaki davranışlarını ve hareketlerini açıklar. Görelilik kuramı sayesinde karadeliklerin nerede olduğuyla ilgili tahminlerden tutun, yerçekiminin eğdiği ışık ya da Merkür’ün tuhaf yörüngesi probleminin çözümüne kadar pek çok şey hakkında tatmin edici açıklamalarda bulunulabilir.

Görelilik kuramı dışarıdan karmaşık gibi görünsede aslında inanılmaz sade bir kuramdır. Kuramın sade olmasını sağlayan üç basit kural vardır.

  • Birincisi, görelilikte tek ve kesin bir referans (başlangıç noktası) bulunmaz. Örneğin herhangi bir nesnenin hızını ya da momentumunu ölçtüğünüzde nesne her zaman başka bir referansa bağlıdır.
  • İkincisi, görelilik kuramına göre ışık hızı, ölçen kişinin veya cihazın hangi hızda hareket ettiğine bağlı olmaksızın daima sabittir.
  • Ve üçüncüsü, hiç bir şey ışıktan daha hızlı hareket edemez.

Einstein’ın ünlü teorisinin bu basit kurallarından çok önemli anlamlar çıkarılabilir. Örneğin ışık hızı her zaman sabitse, Dünya’nın hızına oranla daha hızlı hareket eden bir astronotun kol saatinin tıklamaları Dünya’da herhangi birinin kol saatinin tıklamalarından daha yavaş tıklıyor demektir. Çünkü görelilik kuramına göre, ışık hızına ne kadar yakın bir hızda hareket ediyorsanız, zaman (size göre) o kadar yavaş geçiyor demektir. Bu olguya ”zaman genişlemesi” adı verilir. Şimdi daha anlaşılır olması için cümleyi tekrarlayalım: görelilik kuramına göre, ışık hızına yaklaştıkça ”zaman genişlemesi” artar ve bu genişleme (size göre) zamanı yavaşlatır.

Ayrıca uzay-zamanın herhangi bir noktasında kütle çekimi ne kadar fazla ise bu alanın içindeki herhangi bir nesne kütle çekiminden dolayı daha hızlı hareket edecek ve bu yine zaman genişlemesine sebep olacaktır. Bu arada, astronotların içinde bulundukları uzay araçları zaman genişlemesinin farklı bir versiyonu olan “boy kısalmasına” uğrarlar. Yani gökyüzünde yüksek hızda hareket eden bir uzay aracının fotoğrafını çektiğinizde, fotoğrafta uzay aracının gerçekte olduğundan kısa göründüğünü fark edersiniz. Ancak elbette içerideki astronotlara göre her şey normaldir; astronotlar uzay aracının boyunun kısalmasından dolayı araç içinde ezilmemişlerdir ve hala hayattadırlar.

Göreliliğin etkileri ışık hızına yakın hızlarda ve yüksek yerçekimi bölgelerinde kendini daha çok hissettirir. Ancak yinede göreliliğin etki ettiği olayları gözlemleyebilmemiz için ışık hızına yakın hızlarda hareket eden uzay araçlarına ihtiyacımız yoktur. Keza günlük hayatta etrafımızda göreliliğin etkilerini görebileceğimiz çok örnek vardır. Nitekim, Einstein’ın teorisinin doğru olduğunu gösteren pek çok teknolojik alet ile yaşamımıza devam ediyoruz.

Ve işte günlük, sıradan hayatımıza görelilik kuramının birkaç etkisi…

GPS

1: Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS)

Dünya dışındaki uydulardan bilgi alarak kullanılabilen arabanızdaki navigasyon cihazınızın görevini tam bir şekilde yerine getirebilmesi için uyduların görelilik kuramını ve rölativistik etkileri hesaba katması gerekir. Bunun sebebi uyduların -ışık hızına yakın hızlara sahip olmasalar bile- hayli hızlı olmalarıdır.

Ayrıca uydular Dünya’daki istasyonlara sinyaller gönderirler. Dünyadaki bu istasyonlar ve arabanızda bulunan navigasyon cihazı Dünya’nın yerçekimini yörüngesinde dolanan uyduya oranla daha çok hissederler. Az öncede belirttiğimiz üzere, ağırlık veya hız ne kadar yüksekse rölativistik etkiler daha çok hissedilir.

Uydular ve cihazlar arasındaki bu küçük hız ve ağırlık farkları zamanın Dünya dışındaki uydular ve arabalarda bulunan navigasyon cihazı için nanosaniyeler boyutunda farklı akmasına neden olacaktır. Ancak uydu ve navigasyon cihazı arasındaki nanosaniyelik farklar bile büyük yanlışlıklara sebep olabilir. Bunu engellemek adına uydular, üzerlerinde zamanı saniyenin milyarda birine kadar hassasslıkla ölçen atomik saatler bulundururlar. Çünkü uydular, Dünya’nın 12,600 mil (20,300 km) kadar üzerinde bulunurlar ve saatte 6,000 millik (saatte 10,000 km’lik) hızlarla hareket ederler. Sadece bu, günde 4 mikrosaniyelik fark anlamına gelir. Birde bunun üstüne yerçekiminin etkisini koyduğumuzda ise fark, 7 mikrosaniyeye kadar çıkar. 7 mikrosaniyeyse 7,000 nanosaniye anlamına gelir. Bu da demek olur ki, eğer uydu ve GPS cihazları arasındaki rölativistik etkiler hesaba alınmazsa bu, navigasyon cihazınızın bir sonraki benzin istasyonunun konumunu yarım mil (0,8 km) hatalı göstermesine sebep olacaktır. Ve bu fark yalnızca bir günde 5 mile (8 km’ye) kadar çıkacaktır.

Bu yüzden tüm GPS temelli cihazlar, görelilik kuramının formülleri sayesinde neredeyse hatasız çalışabilmektedirler.

Magnets

2: Elektromanyetizma

Manyetizma, rölativistik bir etkiye sahiptir ve eğer bugün elektriği kullanıyorsanız Dünya’daki tüm elektrik güç istasyonlarının çalışmasına katkıda bulunduğundan Einstein’a ve kuramına teşekkür edebilirsiniz.

Spiral bir teli manyetik bir alan boyunca hareket ettirirseniz bir elektrik akımı oluşturmuş olursunuz. Tel içerisindeki elektrik yükü parçacıklar manyetik alan tarafından etkilenir. Bu, elektrik yüklü parçacıkların hareket etmesine, ardından ise bir elektrik akımı oluşmasına sebep olur. Ancak şimdi, hareketsiz bir parça teli ve hareket eden bir mıknatısı hayal edin. Bu durumda, teldeki elektrik yüklü parçacıklar (elektronlar ve protonlar) daha fazla hareket etmemelidir. Buna bağlı olarak da manyetik alan parçacıkları hareket ettirememelidir. Ancak şaşırtıcı bir şekilde yine de parçacıklar hareket ederler ve bir akım oluşur. Bu ise bizlere elektromanyetizma akımlarında göreliliğin basit kurallarından birinde olduğu üzere tek bir referans noktasının bulunmadığını gösterir.

Kaliforniya Pomona Üniversitesi’nden fizik profesörü Thomas Moore, görelilik ilkelerini kullanarak değişen manyetizma alanlarının elektrik akımı yarattığını söyleyen Faraday Kanunu’nun neden doğru olduğunun ispatını yapıyor. Profesör Moore, ”Güç dönüştürücülerin ve elektrik üreteçlerinin çalışmasında ana ilke olduğundan elektriği kullanan herkes görelilik kuramından yararlanır” diyor.

Aynı zamanda elektromıknatıslar da görelilik sayesinde çalışırlar. Doğru akım üzerindeki elektrik yükü yol aldıkça tel üzerindeki elektronlar da akım boyunca sürüklenirler. Normalde bir pozitif ya da negatif yük olmaksızın tel, elektriksel olarak nötr gözükmelidir. Bu, akımda aynı sayıda proton (pozitif yük) ve elektronların (negatif yük) bulunmasından kaynaklanan bir durumdur. Ancak, doğru akımın yanına ikinci bir tel daha koyarsanız akımın hangi yönde akıyor olduğuna bağlı olarak teller birbirini çekecek ya da iteceklerdir. Akımların aynı yönde olduğunu varsayarsak, birinci telde bulunan elektronlar ikinci telde bulunan elektronları hareketsiz olarak göreceklerdir. (Akımların yaklaşık olarak aynı dirençte olduğu varsayılmıştır.) Bu arada, elektronların görüş açısından her iki teldeki protonlar da hareket ediyor görünmektedir. Ayrıca boy kısalmasından ötürü birbirlerine daha yakın aralıklı görünmektedirler. Bu nedenle de tel uzunluğuna göre pozitif yük, negatif yükten daha fazladır. Tıpkı aynı iki elektriksel yükün birbirini itmesinde olduğu gibi, iki tel de birbirlerini itecekler, zıt yöndeki akımlar ise birbirlerini çekeceklerdir. Çünkü birinci telin bakış açısından diğer teldeki elektronlar daha sıkışıktırlar ve bu net bir negatif yük oluşturur. Bu sırada birinci teldeki protonlar net pozitif yük oluştururlar ve zıt yükler de birbirlerini çekerler.

Görüldüğü üzere elektromıknatısların çalışma prensiplerinde herhangi bir telin bakış açısına göre yükler değişebilmektedir. Bu bizi yine yazının başında belirtmiş olduğumuz, görelilik kuramının üç basit kuralından biri olan değişken referans maddesine götürür.

Elektromıktanısların ve elektromanyetizmanın kullanıldığı tüm teknolojik aletlerin doğru çalışabilmesi adına görelilik kuramı ve formülleri şarttır.

Altının Sarı Rengi

3: Altının Sarı Rengi

Birçok metal parlaktır çünkü atomlarındaki elektronlar ”yörünge” olarak da adlandırılan farklı enerji seviyelerine geçiş yaparlar. Metale çarpan bazı fotonlar uzun dalga boylarında bile emilirler ve yeniden yansırlar.

Altın, ağır bir atom çeşididir. Bu yüzden içerisindeki elektronlar rölativistik kütleyi önemli ölçüde artıracak (boy kısalması yaratacak kadar) oranda hızlı hareket ederler. Bu yüzden atom çekirdeğinin etrafındaki elektronlar daha hızlıdırlar ve daha kısa yörüngelerde hareket ederler. İçteki yörüngelerde bulunan elektronlar ise daha dışta ve yakınlarındaki yörüngelerde bulunan elektronlara enerji taşırlar. Böylece -ağırlık nedeniyle- emilen ve geri yansıtılan dalga boyları daha uzun olur. Uzun dalga boyuna sahip ışık ise görülebilir dalga boyundaki ışığın birazını emdiğinde geri yansıtacaktır. Ve bu ışık, tayfın sonunda mavi ışık olarak görünür.

Beyaz ışık ise, gökkuşağındaki tüm renklerin karışımından oluşur. Ancak altının rengi, ışığın emilip tekrar yansıtılmasından ortaya çıkar ve bu olduğunda -yukarıda da belirtildiği üzere ağırlık nedeniyle- ışığın dalgaboyu genellikle normalden daha uzundur. Uzun dalgaboyunun oluşması, bizim ışığın dalgaboylarının karışımını biraz mavi ve mor görmemize sebep olur. Bu yüzden bize göre altın, -görelilik nedeniyle kazandığı fazladan ağırlık sayesinde- turuncu ve kırmızı rengin mavi ışığa oranla daha uzun dalgaboyunda bulunması nedeniyle sarımsı renkte görünür.

4: Altın Kolay Kolay Paslanmaz

Altının elektronları üzerindeki rölativistik etkiler, altının kolaylıkla kimyasal reaksiyonlara girmemesi ve dolayısıyla paslanmaması için önemlidir.

Altın, en dıştaki yörüngesinde yalnızca bir elektron barındırır. Ancak yine de bu elektron, kalsiyum ve lityumda olduğu kadar duyarlı değildir. Bunun yerine rölativistik kuvvet nedeniyle, olması gerekenden daha ağır olan altındaki elektronlar, atom çekirdeğine daha yakında durmaktadırlar. Bu, en dıştaki elektronun herhangi bir şey ile tepkiye girebilmesi için tam olması gerektiği yerde olamayacağı anlamına gelir. Bu yüzden görelilik sayesinde ağırlaşan altın uzun süre paslanmaz.

Mercury Element

5: Cıva Sıvı Bir Maddedir

Altın gibi cıva da elektronlarının çekirdeğe yakın olması ve bundan dolayı kazandığı ağırlık nedeniyle ağır bir atom çeşididir. Cıvanın kendisi ile birlikte diğer cıva atomları arasındaki oluşturduğu bağ, ağırlıkları nedeniyle oldukça zayıftır. Bu da, cıvanın düşük sıcaklıklarda bile erimesine ve sıvı olarak görünmesine yol açar.

Old television katot tube

6: Eski Televizyonlar

Bundan yalnızca birkaç yıl öncesine kadar çoğu televizyonun ekranları katot ışınlı tüplere sahipti. Katot ışınlı bir tüp ise, büyük bir mıknatıs sayesinde elektronların fosfor yüzeye ateşlenmesi ile çalışır. Her bir elektron ekrana çarptığında ise piksellik görüntüler oluşur. Ekranda anlamlı bir kare oluşturmak için ateşlenen elektronlar ışık hızının yüzde otuzu oranında bir hızla hareket ederler. Rölativistik etkiler bu noktada dikkate değerdir. Katot ışınlı tüp üreticileri mıknatısları bu etkilere göre şekillendirirler ve televizyonun doğru çalışması adına rölativistik etkileri hesaba katmak zorundadırlar.

Işık

7: Işık

Eğer Isaac Newton’un öne sürdüğü mutlak uzay-zaman fikri doğru olsaydı o zaman ışık hiç varolamayacağından, ışığın varlığı adına farklı bir açıklama bulmak zorunda kalacaktık.

Thomas Moore; ”Elektromanyetik alandaki değişimlerin sınırlı bir hızda olmasını zorunlu kıldığından görelilik olmasaydı ne manyetizma ne de ışık var olamazdı” diyor ve devam ediyor; ”Eğer görelilik bunu zorunlu kılmasaydı elektriksel alandaki etkileşimler elektromanyetik dalgalara gerek kalmaksızın anında olurdu. Ki bu da manyetizmayla birlikte ışığı da gereksiz kılardı”.

Nükleer Santraller ve Süpernovalar

8: Nükleer Santraller ve Süpernovalar

Görelilik, kütle ve enerjinin birbirine dönüşebilmesi sayesinde Güneş’in var olmasını ve bugün nükleer santrallerin çalışabilmesine olanak sağlar. Göreliliğin başka bir önemli sonucu ise evrende ağır yıldızların patlamalarının kalıntıları olan ”süpernovalar”dır.

Thomas Moore; ”Süpernovalar var olabilmişlerdir çünkü rölativistik etkiler, ağır yıldızların kendi kütleleri altında bir nötron yıldızı oluşturmak için çöküp oldukça küçülene dek çekirdeklerindeki kuantum etkileriyle başa çıkabilmesine izin vermiştir” diyor.

Bir süpernovanın oluşumunda yıldızın dış katmanları çekirdeğe doğru çöker ve bu, demirden daha ağır elementler yaratacak oranda devasa bir patlama açığa çıkarır. Aslında şu an vücudumuzda sahip olduğumuz tüm ağır elementler, süpernovalarda açığa çıkan elementlerle neredeyse aynıdır.

Profesör Moore’nun söyledikleri göreliliğin evrende varolmasının yaşamımıza olan en büyük etkisini gözler önüne seriyor; ”Bizler süpernovalar sayesinde yaratılan ve tüm uzaya yayılan maddelerden yapılmayız. Eğer görelilik olmasaydı evrendeki en ağır yıldızlar bile yaşamlarına hiç patlamadan, beyaz cüceler olarak son vereceklerdi. Bu yüzden şu an bunun hakkında konuşuyor olamayacaktık.”

Çeviri: Kemal Cihat Toprakçı
Düzenleme: Ögetay Kayalı

Kaynak
http://www.livescience.com/48922-theory-of-relativity-in-real-life.html?cmpid=514627_20150906_51784846&adbid=10152981668046761&adbpl=fb&adbpr=30478646760

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Kemal Cihat Toprakçı

Akdeniz Üniversitesi İngiliz Dili ve Edebiyatı öğrencisidir.

Karaman doğumlu olup, astronomiye küçük yaşlardan beri ilgi duyan yazarın bugüne kadar Türkiye’nin pek çok bilim-astronomi portalında yazı ve makaleleri yayınlanmıştır. Ayrıca yazarın, Shumen Üniversitesi’nde görev yapan Dr. Sunay Ibryamov tarafından çevirisi yapılarak Bulgaristan astronomi gazetesine kazandırılmış bir yazısı da bulunmaktadır. Kozmik Anafor’dan ayrılmış, şu an www.rasyonalist.org sitesinde yazarlık yapmaktadır.