Albert Einstein, bugün uzay-zaman konusunda en tutarlı teori olan ‘İzafiyet Teorisi’ni tek başına oluşturmadı. Belki aslan payı onundu ama bu yolda sayısız büyük bilim insanı ona eşlik etti. 

Evreni, uzay-zamanı açıklayan bu büyük hikaye, ünlü İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in (1831-79) fizik alanındaki birçok teoriyi birleştiren çalışmalarıyla başlar. 1860 yılında manyetik ve elektik alanlarının nasıl çalıştığına ilişkin tüm teorilerin bir dizi denklemle tanımlanabileceğini gösteren Maxwell, bilimsel çalışmalarda bir çığır açan yeni bir öngörüde bulundu. Maxwell’e göre elektrik ve manyetik kuvvetler ışık hızında hareket edecek bir dalga yaratabilirdi. 19’uncu yüzyılın sonunda artık bilim dünyası ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğu konusunda ikna olmuştu. 

Maxwell’in denklemleri tuhaf bir şeye işaret ediyordu. Işık, kaynağı ne hızda hareket ederse etsin, onu gözlemleyen kişi ne hızla hareket ederse etsin hep aynı hızı korumalıydı. Bu tespit aynı zamanda modern fiziğin en büyük sorularından birini ihtiva ediyordu. 

Eğer yerinizde durup elinizdeki bir cismi ileri doğru atarsanız bu cisim belli bir hızda ilerler. Eğer hızla giden bir araçtan aynı cismi ileri doğru atarsanız bu kez cisim sabit yerinizde durarak attığınızdan daha hızlıdır. 


Peki ışık neden farklı?

Bu mantıktan hareketle 1887’de Amerikalı fizikçiler Albert Michelson (1852-1931) ve Edward Morley (1838-1923) bir deney gerçekleştirdi. Deneyde iki süzme halinde gönderilen ışık demetinin birinin dünyanın hareketi nedeniyle diğer demetten daha yavaş olacağı öngörülüyordu. Ama ikilinin deneyi defalarca tekrarlamalarına rağmen ışığın hızının her zaman sabit olduğunu gördü. 

1895 yılında ise Hollandalı matematikçi Hendrik Lorentz (1853-1928) ışık hızı sabitini anlatan bir önerme geliştirdi. Buna göre hızla hareket eden biri ile sabit duran biri için ışık hızının birbirinden farksız olmasının tek bir yolu vardı: İki ayrı durum için iki ayrı zaman kullanılmalıydı. Işık hızı sabiti ancak bu şekilde açıklanabiliyordu. Bu, kağıt üzerinde bir düzeltmeydi ve ışık hızı sabiti denklemleri sağlanmış oluyordu. 

1900 yılında ise ünlü Fransız bilim insanı Henri Poincare (1854-1912), Lorentz’in denklemleri konusunda bir makale yazdı. Makalede Lorentz’in ışık hızı sabiti konusundaki denk-lemleri sağlamasını bir matematiksel hile olarak gördüğü ancak gelecekte bilim insanlarının zamanın her durum için aynı şekilde geçerli bir boyut olduğu fikrini terk edebileceklerini söyledi. Bu makale Einstein’in izafiyeti tanımlama yolundaki felsefi ilhamı oldu. 

İzafiyet Teorisinin olgunlaşmasına en son katkıda bulunan kişi ise Avusturyalı fizikçi ve filozof Ernst Mach (1838-1916) oldu. Mach, 1883 yılındaki Mekanik Bilimi adlı kitabında hareket eden bir objenin ancak göreli olarak tanımlanabileceğini ifade etmişti. 1905 yılında yayınladığı “Hareket eden cisimlerin elektrodinamiği” konulu kitabında ise Mach, fizik kurallarının yalnızca sabit hızda hareket eden bir görece cisme göre yazıldığında aynı olması gerektiğini ve ışığın tüm koşullar altında sabit bir hızda hareket ettiğini yazmıştı. 

Einstein, ağırlıklı olarak dost meclislerindeki tartışmalar ve yukarıda sözünü ettiğimiz bilim insanlarının açtığı yolla İzafiyet Teorisi konusundaki ilk yazısını 1905 yılında kaleme aldı. Einstein bu yazısında ışık hızı sabitini anlamlı kılan zaman değişiminin gerçek olduğunu ve yüksek hızda hareket eden cisimler için zamanın daha yavaş geçtiğini söyledi. Belki de Lorentz ve Poincare bu alanda çok konuşulduğu için Einstein’in bu ilk yazısı çok fazla tartışma konusu olmadı. İzafiyet Teorisinin gerçek etkisi için 10 yıllık çok yoğun bir çalışma gerekecekti. 

Einstein, İzafiyet Teorisinin birçok boyutunun eksik olduğunu çabuk fark etti ve bu alanlarda çalışmaya başladı. En büyük soru işareti yerçekimiydi. Newton’un oldukça mükemmel işlediği görülen teorisi Einstein’in teorisi içine tam oturmuyordu. 

Einstein ilk olarak 1907 yılında teorisinin içine yerçekimi soktu. İşaret ettiği şey cisimler düşerken aslında bir anlamda yerçekiminin olmadığıydı. Örneğin eğer düşüyorsanız ve yanınızdaki cisimler de aynı hızda düşüyorsa onları hareketsiz görüyor olmalıydınız. 

Einstein düşme hareketi ve yerçekimi etkisinin ortadan kalktığı durumlar üzerine kafa yormaya başladı. Bugünkü Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki gibi aşağı doğru çekilme gücünden yörüngedeki hareketi sayesinde kurtulmasını matematiksel denklemlerle gösteren Einstein, ünlü Polonyalı-Alman matematikçi Minkowski’nin uzay-zaman konusundaki teorilerinden yararlandı. 

Einstein, nihayetinde 1915 yılında başta Alman matematikçi David Hilbert (1862-1943) olmak üzere birçok bilim insanı ile çalışmasının ardından uzay-zamanın; kütle, enerji ve basınç ile büzüldüğüne ilişkin denklemini yayınladı. 

Bu denklemdeki zenginlik kelimelerle ifade edilemeyecek cinsten. Bu denklemlerin yayınlanmasının ardından Einstein, jurnallerde yerçekimi dalgaları konulu yazılar yayınlamaya başladı. Bu tarihte yerçekimi dalgalarının keşfedilmesine daha 100 yıl vardı. Karadeliklerin varlığı hesaplandı. İlk gözlem 70 yıl sonra yapılacaktı.

Hatta 1949 yılında Avusturya-Amerikalı matematikçi Kurt Gödel (1906-78), İzafiyet Teorisinin zamanda yolculuğa izin verdiğini matematiksel olarak ispatladı. 1988 yılında ise fizikçiler Mike Morris ve Kip Thorne, yine bu denklemler üzerinden uzayda zaman yolculuğunu bir anlamda mümkün kılacak ‘solucan delikleri’nin varlığına işaret etti. 

Einstein’in 1916 yılında yayınladığı İzafiyet Teorisi üzerine 46 sayfalık çalışması, 100 yıl halen sonra keşfedilmeyi bekleyen zengin bir miras bırakmış durumda. Ancak yine altını çizmekte fayda var: İzafiyet Teorisinde Einstein’in müthiş zekası ve öngörüsünün büyük payı var ama bu teorinin Einstein’in çağdaşı bir grup büyük bilim insanının olağanüstü katkılarıyla oluştuğunu söylemek daha doğru olacak. 

Einstein, İzafiyet Teorisini kaleme altığı zaman henüz fizik dünyasında zayıf ve güçlü nükleer kuvvet bilinmiyordu. 


 Kuantum Teorisi, henüz en primitif halindeydi ve atomaltı dünyası sırları matematik denklemleriyle ifade edilemeyecek kadar uzak ve karmaşıktı. 

Ancak bu Einstein’in İzafiyet Teorisinin geçerliliğini sarsamadı. Günümüzde bilim dünyasının tüm çabası, büyük cisimler için mükemmel bir şekilde işleyen İzafiyet Teorisi ile atomaltı evrendeki kuralları içeren Kuatum Teorisini birleştirip “Her Şeyin Teorisi”ni oluşturmak. 

Einstein’in makalelerini incelediğimizde hep gerçeklik konusundaki en temel olarak bildiğimiz şeylerin altını oyarak, onların geçersiz olduğu alanları düşünüp hesaplayarak evrenin sırrını çözmeye çalıştığını görüyoruz. 


E=mc2

Einstein’in 1905 yılında ortaya attığı ve 1916’da cisme kavuşturduğu İzafiyet Teorisi, uzay-zaman anlayışımızı tamamen değiştirdi. Einstein’in çizdiği dünyada hareket eden saatler yavaş işliyor, hareket eden cetveller kısalıyor ve hareket eden kütlelerin kütleleri daha da artıyordu. Bütün bu çıkarımlar ışık hızının sabit olduğu ve fizik kurallarının aynı hızda hareket eden tüm cisimler için aynı olduğu kabullerinden çıkıyordu. 

Örneğin hızla hareket eden bir trenin içinde bulunan bir kişinin önünde birbirine bakan iki ayna olduğunu varsayalım. Işık bir aynadan diğerine 1 birimde yansımakta. Trenin içindeki gözlemci bunu böyle görmekte. Ancak trenin dışındaki bir gözlemci ise her ne kadar ışık hızı aynı olsa da trenin hareketi nedeniyle ışığın daha fazla yol aldığını görür. Yani ışın iki ayna arasındaki yansıma süresi dışarıdaki gözlemciye göre 1 birimden fazladır. 

Eğer iki gözlemci aynı iki olay arasındaki simultanelik konusunda anlaşamıyorsa, ölçüm konusunda anlaşamıyorlar demektir. Her iki gözlemci iki ayna arasında ışığın aynı hızla yol aldığını ve aynı mesafeyi kat ettiğini görmüştür ama kat etme süresi farklıdır. Öyleyse iki olay matematiksel bir denkleme döküldüğü zaman, zaman konusunda yapılacak olan bir düzeltme iki simultane, eş olay ortaya çıkaracaktır. İşte Lorentz’in yaptığı da aynen budur. 

Fitzgerald-Lorentz kuramına göre hareket eden her cismin boyu hareket yönünde kısalır. Yapılan deneyler bu oranın ses hızının iki katı hızla giden bir süpersonik uçak için boyunun 1 katrilyonda biri olarak hesaplanmıştır. 

Zaman ve boyut harekete bağlı olarak değiştiği için cisimlerin hızları konusundaki gözlemler de farklılık gösterebiliyor. Deneyimizdeki trenin içinde bulunan gözlemcinin hareket yönüne doğru bir silahla ateş ettiğini düşünelim. Trenin içindeki gözlemci kurşunun kendi hızında 1 birim hızla gittiğini görecektir. Dışarıdaki gözlemci ise trenin kendi hızı ve kurşunun hızını birlikte gördüğü için kurşunun olduğundan daha hızlı görür. Ancak bu tren ve kurşunun hızının toplamına eşit değildir. 

Yapılan deneylerde elde edilen bu aradaki farkın tek açıklaması İzafiyet Teorisinin en ilginç boyutlarından birini oluşturur. Hareket eden cisimler statik oldukları zamandan daha fazla kütleye sahiptirler. 

İşte buradan hareket eden Einstein meşhur E=mc2 formülüne ulaşmıştır. Bu formüle göre kütlenin enerjisi, kütle boyutu ile ışık hızının karesinin çarpımına eşittir. Bu formül kütle ile enerji arasındaki bağı ortaya koyma iddiasındadır. 

Fransız fizikçi Pierre Curie (1859-1906) radyum elementinin 1 gramının saatte 400 jul ısı yaydığını tespit etmişti. İşte bu enerjinin nereden geldiğinin açıklaması Einstein’in bu ünlü formülündedir. Bu denkleme göre sadece 1 gram radyum, 1 kilowatlık bir ısıtıcıyı 2 bin 850 sene çalıştıracak kadar enerjiye sahiptir. 


Newton’un teorisine karşı ilk zafer


Einstein, Isaac Newton’un Yerçekimi Teorisinin bilim dünyasına hakim olduğu dönemde çalışmalarına başlamıştı. Newton’un teorisi o güne kadar, yani 200 yılı aşkın bir süre boyunca gerçek dünyadaki tüm testlerden başarıyla çıkmıştı. 

Newton’un denklemleri kullanılarak 1846’da Fransız astronom Urbain Le Verrier (1817-77) Neptün gezegenin varlığını öngörmüştü. Neptün’ün keşfi Newton teorisinin büyük bir zaferiydi. 

Ancak Newton’un teorisi Merkür’ün yörüngesinde yüzyılda bir derecenin yüzde 1’inden az görülen sapmayı açıklayamıyordu. Bu tuhaflık 1916’da Einstein’in İzafiyet Teorisi yayınlanana kadar bir muammaydı. İzafiyet Teorisinin ilk uygulaması, Merkür’ün yörüngesindeki sapmayı açıklamak oldu. Bu bir anlamda Einstein’in teorisinin ilk golüydü. Ve dünya bunu takip eden 100 yılda bol gollü bir maç izledi.