Genel Görelilik Kuramı Hakkında Bilgi

Genel Görelilik Kuramı nedir, Genel Görelilik Kuramı Hakkında Bilgi

GENEL GÖRELİLİK KURAMI Fiziksel kökenleri : Genel görelilik kuramı, özel görelilik kuramının getirdiği yeni uzay ve zaman kavramlarını elektrik ve magnetik olaylar bölgesinden çıkarıp, tüm fiziğe ve özellikle kütleçekimi kuramına genişletmek gereğinden türetilmiştir. Newton’un kütleçekimi etkileşmelerine getirdiği açıklamalar, olağanüstü doğruluk­ta sonuçlar veren en başarılı kuramlardan birini oluşturmaktadır. Newton’un kuramı, Güneş’in gezegenleri ve gezegenlerin de uydularını çektiğini, bu karşılıklı çekimin uzaydaki çok büyük uzaklıklarda bile bir anda gerçekleştiğini öngörür; buna karşılık görelilik kavramları, hiçbir etkileşmenin ışık hızından daha hızlı yayılamayacağını öne sürer. Güneş sistemindeki gökcisimleri ışık hızının binde birinden düşük hızlarla hareket ettiklerinden, pratikte bunun bir önemi yoksa da, Newton’un anlık etki kavramı görelilik kuramının uzay-zaman kavramıyla temelden uyuşmazlık içindedir. Maxwell’in elektrik alanı kuramından elde edilen deneyimleri temel alan Einstein, ışık hızıyla yayılan ve Newton kuramının öngör­düğü çekime hemen hemen eşit bir çekim ortamı yaratan bir kütleçekimi alanının varlığım öngördü. Bir kütleçekimi alanı kuramının matematiksel olarak elektrik ve magnetik alan kuramlarından daha kap­samlı olması gerektiği, daha başından bel­liydi. Elektrik alan kaynaklan olan parçacık yükleri, onları ölçen aygıtların hareket durumlarından bağımsız değerlere sahiptir. Kütleçekimi alanının kaynağı olan parçacık kütlesi ise belirlendiği referans sistemine göre parçacığın hızına bağlı olarak değişir ve ayrı referans sistemlerinde ayrı değerler alır. Bu zorlaştırıcı etken, göreli kütleçeki­mi kuramını geliştirme uğraşısında ortaya bir belirsizlik çıkarır. Einstein bu sorunu eşdeğerlik ilkesine başvurarak çözmüştür.

Eşdeğerlik ilkesi: Bir kütle çekimi alanında, örneğin yeryüzünde, kütlesi daha büyük olan bir cisme etkiyen kuvvetin de daha büyük olduğu günlük yaşamdan bilinir. Newton belirli bir çekim alanında bir cisme etkiyen kuvvet ile o cismin kütlesi arasında­ki oranın, cismin kimyasal yapısına ve başka özelliklerine bakmaksızın, bütün cisimler için aynı olduğunu ve çekim alanında ser­best düşüş yapan bütün cisimlerin aynı ivmeye (hızlanma hızı) sahip olduğunu be­lirlemişti. Yeryüzünde bu ivme saniyede yaklaşık 9,81 m’dir.

Kütleçekimi etkisiyle hızlanma, bir uzay yolculuğu örneğiyle ele alınabilir. Uzay kapsülü süzülmeye geçtiğinde, aracın, as­tronotların ve araçtaki bütün cisimlerin ivmesi aynıdır yani birbirlerine göre ivmele­ri yoktur. Bunun sonucu olarak görünüşte ağırlıksızlık ortaya çıkar. Astronotları kap­sülün tabanına bastıran bir kuvvet kalma­mıştır. Serbestçe inişe geçen uzay kapsülün- deki nesnelerin davranışları, kapsül yıldızlar- arası uzayda tüm kütleçekimi alanlarının dışında eylemsizlik yasasına göre hareket ederken karşılaşacakları koşullardaki dav­ranışlarından ayırt edilemez. Uzay kapsülü kütleçekimi bulunmayan bir ortamda roket motorlan aracılığıyla yukarı doğru hızlandı­ğında ise kapsül içindeki tüm cisimler, kapsül bir kütleçekimi alanında durgun durumdayken gösterecekleri davranışları gösterirler. Eşdeğerlik ilkesi, ivme kazan­mış eylemsiz olmayan bir referans sistemine (örn. roketleri ateşlenmiş kapsül) gösterilen tepkiler ile kütleçekimi kuvvetleri arasında eşdeğerliği ve eylemsiz referans sistemleri ile serbest düşen yerel referans sistemleri arasındaki eşdeğerliği ortaya koyar.

Einstein, kütleçekimi alanlarının bulundu­ğu yerlerde, seçilen bir referans sisteminin eylemsiz olmayan karakterinden doğan etki­lerle kütleçekiminin etkilerini ayırt edebile­cek hiçbir yol bulunmadığını kanıtlamıştır. Genel görelilik kuramı, kütleçekimi alanı­nın bu niteliğini temel olarak kabul etmiştir.

Uzay-zaman eğriliği. Minkowski uzay-zamanında eylemsiz referans sistemleri, Eukleidesçi geometrideki doğrulardan oluşan kartezyen koordinat sistemlerine benzer. Böyle bir koordinat sistemi bir düzleme her zaman yerleştirilebilir, ama bir küre yüzeyi­ne uygulanamaz. Çünkü karelerden oluşan bir ızgarayı bir küre yüzeyine örtmek ola­naklı değildir. Bu nedenle, düzlem düz bir yüzeydir, ama küre yüzeyi eğridir. Yüzeyle­rin kendi iç özelliklerinden kaynaklanan bu sınıflamaya göre silindir yüzeyi de düz bir yüzeydir, çünkü bir düzlem üzerine açındırılabilir yani karelerden oluşan bir ızgarayla örtülebilir.

Einstein kütleçekimi alanlarının (kütleçe­kimi yokken düz olan) uzay-zamanı eğriltti­ğini ve eylemsiz sistemlerin bu nedenle oluşturulamayacağını öne sürdü. Bir parça­cığın kütleçekimi etkisiyle uzayda ve za­manda eğrilen yörüngesi, (ancak düz uzaylarda ve uzay-zamanlarda var olabilen) doğru çizgilere değil, eğrilmiş bir uzay- zamanda var olabilecek en düz eğriye karşılık gelir; böyle eğriler jeodezik olarak adlandırılır. Yer’in yüzeyi gibi küresel yü­zeyler üzerindeki jeodezikler, içinde bulundukları düzlemler kürenin merkezinden ge­çen büyük çemberlerdir. Bunlar küre yüze­yine çizilebilecek eğriliği en az çizgilerdir, ayrıca yüzeydeki iki noktayı birleştiren en kısa yolu oluştururlar. Uzay-zamanda ise jeodezikler iki olguyu (bir parçacığın geçmi­şindeki iki anı) arada geçen zaman en büyük olacak biçimde birleştirirler.

Bir kütleçekimi alam, uzay-zamanın eğrili­ğine yol açıyorsa, bu eğrilik hesaplarından kütleçekimi alanlarına ilişkin nicelikler sap­tanabilir. Eğriliği belirleyen bileşenler, ma­tematikçi Bernhard Riemann’ın geliştirdiği eğrilik tensörleriyle hesaplanabilir.

Kuramın doğrulanması: Genel görelilik kuramının temel taşlarından biri sayılan eşdeğerlik ilkesi çok duyarlıklı deneylerle sınanmış, doğruluğu trilyonda bir hata payıy­la saptanabilmiştir.

Çeşitli gezegenlerin Güneş çevresindeki eliptik yörüngelerinin büyük eksenleri, yö­rünge düzleminde yavaşça döner. Merkür’ ün yörüngesinin yüzyıl başına 574 açı sani­yelik dönüşünün 531 açı saniyelik bölümü, öbür gezegenlerin kütleçekimi etkisinden kaynaklanır. Geriye kalan 43 açı saniyelik dönme ise ancak genel görelilik kuramı ortaya çıktıktan sonra açıklanabilmiştir ve genel görelilik kuramının öngördüğü değer­le kesin olarak uyuşmaktadır.

Genel görelilik, bir kütleçekimi alanı için­de bulunan ışık kaynağından yayılan ışığın dalgaboyunun büyüyeceğim, yani kırmızıya kayacağını öngörür. Bu etki, yüzeylerindeki kütleçekimi potansiyeli çok yüksek olan beyaz cüceler adı verilen yıldızlarda gözlen­miştir.

Uzay-zaman eğriliğinin bir sonucu, kütle­çekimi alanlarından geçen ışık ışınlarının büküleceği ve yayılma hızlarının yavaşlayacağıdır. Kuramın yayımlanmasından birkaç yıl sonra tam Güneş tutulmasında Güneş diski yakınındaki bir yıldızın görüntüsünün gökte bulunması gereken yerden 1 açı saniyesinden daha küçük bir açıyla sapmış olduğunun saptanması da bu öngörüyü doğrulamaktadır.

GÖRELİLİK İLKELERİNİN UYGULAMALARI Parçacık hızlandırıcılar. Çağdaş parçacık hızlandırıcıları, parçacıkların hızlarını ışık hızına çok yaklaştırırlar. Örneğin, milyar­larca elektronvoltluk enerjilerde çalışan elektron senkrotronlarında, yörüngedeki bir elektronun kütlesi, durgun kütlesinin 10 bin katına çıkabilir. Hızı ise ışık hızına çok yakın değerler alabilir. Bu nedenle, parça­cık hızlandırıcılarının tasarımlarında göreli­lik etkilerinin göz önünde bulundurulması zorunludur.

Göreli parçacık fiziği. Atomaltı parçacıkların fiziği, özel görelilik kuramının ilkelerine bağlıdır. Bu ilkelerin doğrudan uygulama­larına parçacıkların yaratılış, yok ediliş ve başka parçacıklara dönüşümlerinde rastla­nır. Parçacık dönüşümleriyle ortaya çıkan enerji alışverişleri, özel göreliliğin kütle ile enerjinin eşdeğerliği ilkesi uyarınca ortaya çıkar. Bir başka deyişle, böyle dönüşümler­de parçacıkların toplam durgun kütlelerinde ortaya çıkan değişim ile toplam enerji değişimi birbirlerine E=mc² bağıntısıyla bağlıdır; bu kural evrensel olarak doğrulan­mıştır. Durgun kütlesi sıfır olan foton, ışık hızıyla hareket ettiğinden, toplam enerjisi­nin c²‘ye bölünmesiyle bulunan bir görelilik kütlesine sahiptir. Bu görelilik kütlesi bir foton ile bir parçacık etkilettiğinde fotonun doğrusal momentumunda gözlenen değişim­den yola çıkılarak hesaplanabilmekte ve görelilik kuramı gene doğrulanmaktadır.

Göreli kozmoloji: Özellikle 1960’lardan sonra, yeni buluşlar ve gözlem tekniklerinin gelişmesi sonucunda özel ve genel görelilik kuramlarının uygulanmasıyla evrenin yapısı ve geçmişi üzerindeki araştırmalar çok iler­lemiştir. En uzak astronomik cisimlerin ışıklarında gözlenen kırmızıya kayma olayı, genişleyen evrende bu cisimlerin bizden hızla uzaklaştıklarına işaret etmektedir. Eğer genişleme sabit hızla olmaktaysa, bu olayın 2xl0¹⁰ yıl önce başlamış olması düşünülmektedir.

Mikrodalgalar ile kızılötesi ışınımların sınır bölgesine düşen frekanslarda her yönden gelen fon ışınımlarının bulunuşu, evrenin geçmişte olağanüstü yoğun ve sıcak olduğu dönemlerin varlığının kanıtı sayılmaktadır. Genel görelilik kuramı kuramsal kozmoloji­ye evrenin bir bütün olarak düz olması gerekmediği, büyük bir olasılıkla da düz olmadığı görüşünü getirmektedir. Evrenin çok büyük (kozmolojik) ölçekte homojen ve yönsemez (özellikleri her yerde ve her doğrultu boyunca özdeş) olduğu kabul edil­se bile çeşitli olasılıklar ortaya çıkmaktadır. Evren uzaysal olarak bir açık evren olabilir (düz bir evren doğal olarak açık evrendir) ya da bir küre yüzeyi gibi kendi üstüne kapalı olabilir, bu durumda sınırları da yoktur. Benzer biçimde, evrenin, zaman içinde açık ya da kapalı olduğu düşünülebi­lir. Zaman içinde kapalı bir evren tasavvur etmek epeyce zordur, çünkü böyle bir evrenin alışılagelmiş neden-sonuç kavramlarıyla uyuşmadığı söylenebilir. Ama bu kavramlar normal günlük yaşamdan elde edilmiş kavramlardır, milyarlarca yıl içeren bir zaman ölçeğinde geçerli olmayabilirler. Çeşitli kozmolojik modeller ortaya konmuş ve bunlar kuramsal olarak incelenmiştir, ama gözlem sonuçlarının bu modellerden herhangi birini doğruladığı söylenemez. Gözlemlerden elde edilen bilgiler, evrenin geçmişte bir ateştopu (olağanüstü yoğun ve sıcak madde) durumunda iken genleşerek oluştuğu görüşünü içeren modelleri destek­leyici niteliktedir. Genel Görelilik Kuramının özellikleri hakkında bilgiler aktardık.