Einstein'ın Evreni Algılayışımızda Yeni Ufuklar Açan Genel Görelilik Teorisi

enerji kütle eşitliği formülünü, ışık hızına yaklaştıkça zamanın yavaşladığını, ikizler örneğini, ışık hızında giden arabanın farlarıyla ilgili düşünce deneyini, kütle çekimin etkisinin ışığı bükmesi gibi kurama ilişkin popüler anekdotları herkes bilir. bunları tekrar etmeyeceğim.

ben teorinin asal varsayımını anlatma niyetindeyim. teorinin ana fikrine biraz olsun aşina kesimin bilgilerindeki boşlukları dolduracağım. işin temeline ineceğim. entri bittiğinde einstein'a böylesi bir vizyon nereden ilham oldu anlayacaksınız, taşlar yerli yerine oturacak. öyleyse başlayalım.

insan algısı evrenin gizemlerini çözmek için yetersizdir. doğanın çok küçük bir parçasını çok sınırlı duyularla deneyimleyebiliriz. sonsuza kadar büyük ve hiçliğe kadar küçük bir evrenin sadece belirli bir ölçekteki varlığını kavrayabiliyoruz. onu da oldukça dolaylı yollardan elde ettiğimiz verilerle. bu sebeple şeylerin doğal hallerine ilişkin hatalı bir sezgimiz var. maddenin tabii halinin durağan olduğunu varsayıyoruz. halbuki evrende her şey ama her şey her an hareket halindedir. uzay zaman dokusunun kendisi bile statik değildir. bu noktada biraz duralım.

fizik bize hareketsiz duran bir nesnenin bir kuvvet uygulamadığı sürece durmaya devam ermek eğiliminde olduğunu söyler. duyularımız ise nesnelerin doğal durumlarında hareketsiz olduğunu. maddeye bir istenç izafe etmeden eşyanın tabiatının bu olduğu fikri hepimizde vardır. bunun sebebi sabit hızda üniform (düzgün doğrusal) hareketin, hareket halinde olanın kendisi tarafından gözlenemez olmasıdır. gözlemci tarafından belirlenebilen tek hareket akselerasyon yani ivmedir. bu hızlanma yönünde de olabilir yavaşlama yönünde de.

sabit hızda seyreden bir cisim için hareketsiz olduğu durumla arasında fark yoktur. basit bir örnek, dünya üzerinde ayakta duran biri doğudan batıya doğru saatte yaklaşık 1500 km hız yapmaktadır. bu hızı hissetmeyiz. dünyanın üzerindeki tüm maddeler de aynı hızı paylaştıkları için dünyanın koordinat (gözlemsel konuşlanma) sistemine göre hızı sıfırdır. dünya üzerinde 100 km hızla ilerleyen bir trenin hızına çok düşünmeden 100 km hızla gidiyor deriz. aslında bu veri sadece yerdeki bir gözlemci için doğrudur. trenin içinde saatte 5 km hızla yürüyen bir yolcunun hızı trenin koordinat sistemine göre 5 km, dünyanın koordinat sistemine göre ise trenin içinde hangi yöne gittiğine göre 105 yahut 95 tir.

şimdi işleri biraz daha karıştıralım. hızla giden bir uçakta uçan sineğin hızı nedir? tabii ki yine konuşlanma sistemlerine başvurmamız gerekiyor. yerdeki bir gözlemci için uçağın hızı artı sineğin hızıdır, uçağın içindeki yolcular için sineğin doğada, misal bir çocuk parkında uçar iken ortalama hızı neyse odur. eğer ki uçak ilk hızlanmaya başladığı anda sinek havadaysa ilkin beklenen hareket yönü kuyruk kısmına doğru olacaktır. çünkü sinek uçak kadar hızlı uçamaz. fakat uçak ivmelenmesini bitirip sabit bir hızda seyretmeye geçtiğinde sinek de artık uçağın koordinat sistemini paylaşmaktadır. o noktadan sonra uçağın içindeki tüm maddeler için statik durum ile üniform hareket halindeki durum arasında fark yoktur.

bu durum uçağın içinde zıplayan bir yolcu içinde geçerlidir, yolcunun önündeki bir bardak su içinde. aslında uçak, araba, tren vesair tüm hareketli nesneler ilk hareket ettiklerinde newton'un atalet direnci ya da eylemsizlik yasası gereği, araç içindeki tüm bağımsız faktörler hızlanma öncesi durumlarına devam etmek isterler. buna aracın içindeki hava da dahildir. fakat bir kez hızlanıp belirli bir süratte seyredince, aracın içindeki her şey aracın referans sistemine göre devinimsiz addedilir.

eğer ki kusursuz otobanlar, demiryolları veya hava koşullarına sahip olsaydık, gözleri kapalı bir yolcu hareket halinde olup olmadığını söyleyemezdi. sürtünmenin ve hava direncinin olmadığı uzay boşluğunda bunu kısmen deneyimliyoruz. uluslararası uzay istasyonunun hızı yaklaşık olarak saatte 28.000 km civarıdır. ve bir astronot uzay istasyonundan eva (exrra vehicular activity - araç dışı etkinlik) sırasında bir kaç yüz metre ayrılıp dakikalar hatta saatler sonra istasyona geri dönebilir. dünya koordinat sisteminde saatte 28.000 km bırakalım 120 km hızla giden bir araçtan atlamanın nasıl bir şey olduğunu düşünün. peki nasıl oluyor da uzay istasyonundan ayrılan bir astronot uzayın boşluğunda kaybolup gitmiyor. aslında astronotlar uzay istasyonunun koordinat sistemine göre dakikada sadece birkaç on metre kadar bir hızla hareket etmektedir. ama aynı zamanda dünyayı referans alırsak 24 saatte dünya etrafında 16 kez dönecek denli büyük bir hızda seyrediyorlar.

formüla yarışçılarının ya da savaş uçağı pilotlarının üzerlerine binen g kuvveti ile ilgili bir şeyler duymuşsunuzdur. bu tür haberler üzerine boylu boyunca düşünmeyen kimselerde, yüksek hızların nesneler üzerinde yıkıcı etkisi olduğu fikrini uyandırabilir. aslında hız nesnelere hiç bir zarar vermez. doğrusu belirli bir hızda hareket halinde olmadığımız hiç bir an yoktur. diyelim ki uzaya çıkarak dünyanın kendi etrafında dönmesinden kaynaklanan eksen hızından kurtlulduk. fakat hala dünya ile başka bir hızı paylaşıyoruz. dünyanın güneş etrafında dönmesi sebebiyle (aslında bu da tam böyle değildir ya basit tutalım) saatte 107.000 km'lik yörünge hızı. eğer ki uzaya çıktığımızda dünya önümüzden bu hızla kaçıp, küçücük bir noktaya dönüşmüyorsa hala dünyanın koordinat sistemiyle birlikte güneşin etrafında sürükleniyoruz demektir. iyi bir fren mekanizmamız var olsun ve güneşe göre hızımızı sıfıra indirebilelim.

şimdi uzay boşluğunda bize sonsuz gibi görünen bir dinginlik tecrübe ediyoruz. ama hala güneş sisteminin içerisindeyiz. ve güneş sisteminiz de samanyolu galaksisinin sarmal kollarından birinde olup merkezdeki karadelik etrafında saatte 720.000 km hızla dönmektedir. yani güneş sisteminin koordinat sisteminde hızımız sıfır iken galaksimizin koordinat sistemine göre insan ölçeğinde muazzam bir hızda seyrediyoruz.

ve yine diyelim ki güneş sisteminin dışına yolculuk edebilecek teknolojimiz mevcut ve hiçbir yıldızın koordinat sistemine tabi olmadığımız yıldızlararası boşluğa ulaştık. nasıl ki dünyadan ayrıldığımızda dünyanın güneş etrafındaki yörünge hızını paylaşmaya devam ettik; güneş sisteminin dışına çıktığımızda da eğer özel olarak ters yönde bir kuvvet uygulamıyorsak güneşin samanyolu galaksisinin etrafındaki yörünge hızını paylaşmaya devam ediyoruz demektir. bir şekilde bu sorunu da çözdük ve güneş periferindeki tüm gezegenler, uydular ve asteroitleriyle birlikte saatler içinde gözümüzün önünden kaybolup gitti. şimdi tam anlamıyla statik bir durumdayız diyebilir miyiz?

bildiğimiz kadarıyla samanyolu galaksisi virgo üst galaksi kümesine doğru gidiyor. yani galaksimizin içinde bir yerlerde hiç bir yıldızın çekim kuvvetine kapılıp yörüngesine girmeden tamamiyle devinimsiz bir halde kalabileceğimiz bir nokta bulsaydık bile saatte yaklaşık 2.2 milyon km hızla, galaksimizle birlikte yolculuk yapıyor olurduk. herhalde buraya kadar mutlak hız diye bir şey olmadığını anladık. ve hızımızı hep koordinat sistemini paylaştığımız daha büyük ölçekli bir kütleye referansla hesapladık. peki galaksilerin hızını nasıl hesaplıyoruz.

newton zamanında evren içinde yıldızlar, gezegenler ve gökcisimlerinin bulunduğu sonsuz bir boşluk olarak düşünülürdü. bu statik evren modelinde uzay, içinde gökcisimlerinin hareketinin mümkün olduğu, kütle ve kütleçekiminden bağımsız bir mekan, sınırları belli olmayan boş bir oda gibiydi ve zaman heryerde, her durumda mutlaktı. bu şekilde tasavvur edilen bir evren modelinde hızı bulmak kolaydır. cismin iki nokta arasındaki mesafeyi ne zaman aralığında kat ettiğini gözlemlemek kafi. ama artık biliyoruz ki uzayda yıldızlar dengeli bir kararlılıkla sonsuzluğun her yanına homojen bir şekilde dağılmış değiller, galaksiler (gökadalar) şeklinde kümelenmişler, bulundukları lokasyonda sabit değiller galaksileri içinde hareket ediyorlar. dahası tüm galaksiler de birbirinden uzaklaşıyorlar. biliminsanları evrenin sabit bir merkezi olmadığı için galaksilerin hızını neye göre hesaplamaları gerektiğini uzan süre bilemediler. galaksilerin birbirine göre konumları sürekli değişiyordu. hız göreliydi. sonra kozmik mikrodalga artalan ışınımı keşfedildi. büyük patlamadan sonra nerdeyse homojen bir şekilde uzayı dolduran bir radyasyon. bu keşif biliminsanlarına sabit bir referans noktası verdi. bu sayede samanyolu galaksimizin saatte 2.2 milyon km hızla bir bilinmeze doğru çekildiğini söyleyebiliyoruz.

düşünce deneyimize geri dönelim. en son samanyolu galaksisi içinde durağan bir durum elde etmeye çalıyorduk. ama hala galaksimizin koordinat sisteminin hızını paylaştığımız için, uçak koltuğuna konmuş bir sinek gibi devinimsiz olduğumuzu düşünsek de aslında muazzam bir hızla mesafe kat etmeye devam ediyorduk. elimizde öyle bir sihirli değnek olsun ki bizi bir parmak şıklatma ile galaksimizin dışına çıkarsın. şimdi intergalaktik boşlukta huzur içinde yüzüyoruz. samanyolu galaksisi içindeki yüz milyarlarca yıldız, güneşimiz ve dünyamız ile birlikte saniye saniye bizden uzaklaşıyor.

acaba tamamıyla durduk mu? aslında etrafımıza şöyle bir bakarsak tüm galaksilerin bizden ve tabii ki birbirlerinden uzaklaştıklarını gözlemleriz. şişirilen bir balonun üzerindeki küçük noktalar gibi tüm galaksilerin birbirinden uzaklaşması evrenin genişlemesi demektir. samanyolu galaksisinin virgo adında üst galaksi kümesine doğru çekildiğini söylemiştik. virgo da shapley büyük çekicisi denilen bir kütle çekim merkezine doğru yol alıyor. özetle uzaydaki her bir cisim kütleçekim kuvvetlerinin gelgitli altındadır.

einstein mutlak hız diye bir şeyin olmadığını daha bu gözlemlerin birçoğu yapılmamışken düşünce deneyi ile keşfediyor. dehası da burada zaten. asıl sağduyumuzla bağdaşmayan şaşırtıcı keşfi ise şu. zamanın da mutlak olmadığını anlıyor. o zamanı maddenin hızına, kütlesine ve kütle çekimine bağımlı bir değişken olarak tanımladı.

sabit hızlara dair yeterince konuştuk. gelelim ivmeli hareketlere. yukarıda bir yerde yüksek hızın cisme hiçbir zararı olmaz dedik ve g kuvvetinden bahsettik. yani bir cisme etki eden hızlanma kuvvetinden. işte bu ku kuvvet yani hızlanma zarar verir. peki aslında olan nedir? uçak örneğimize geri dönelim. uçak atomlardan oluşur, içindeki bağımsız faktörler de öyle yolcular gibi. uçağın motorları bir güç üretip ileri doğru bir hareket sağladığında motorlara bağlı kanatlar, kanatlara bağlı gövde ve yine gövde içinde zeminle bağlı koltuklar aynı ileri yönlü hareketi paylaşır. biz yolcular koltukta oturuyoruz. hızımız dünyanın referans sistemine göre sıfır. yani atomlarımız dünyanın sabit hızıyla uyumlu hızda hareket ediyor. bunun pratikte yarattığı etki devinimsiz durumla aynı demiştik. ama uçağın koltuğu sırtımızdaki atomları iler doğru itmeye başlayınca eylemsizlik yasası gereği vücudumuzdaki atomlar bu yeni duruma direnç gösteriyor. uçak koltuğu bizi sırtımızdan itiyor, basınç oradan iç organlarımıza sonra da tüm vücudumuzdaki yayılıyor. üzerimizdeki kıyafetler de bizle birlikte hızlanıyor. tüm atomlarımız yeni sabit ulaşana kadar üzerinde belli bir kuvvet hissediyor. yani daha önce belirttiğimiz gibi hızı değil ivmeyi hissediyoruz.

neyse ki uçağın ulaşmaya çalıştığı seyir hızını o hıza ulaştığı zaman bölersek çok büyük bir g kuvveti çıkmıyor hem biz insanların hem de uçağın yapıldığı malzemenin kaldıramayacağı bir şey değil. bir uçak saatte yaklaşık 1000 km hız yapar ve buna da dakikalarla ölçülen bir sürede tedricen ulaşır. eğer ki bu hıza diyelim ki 1 saniyede ulaşsaydı içindeki yolcular kalıcı hasarlar kalacak şekilde zarar görürdü. 1 salise de ulaşsaydı muhtemelen uçağın bağlantı parçaları buna dayanamayacağı için parçalanırdı. uzay görevleri bize gösterdi ki yeterli süre verilirse saatte otuz bin kilometre hızlara çıkmak işten değil. dünya üzerinde yüksek hızda seyretmek sürtünme, hava direnci gibi karşıt bir tepkiye maruz kalmamıza sebep olur. atmosfersiz, sürtünmesiz ortamda aracın ve yolcunun üzerine etki edecek tek kuvvet hızlanma kuvveti olacaktır. ne demek istiyorum yakından bakalım.

yine einstein'ın formüllerinden çıkan sonuca göre kütlesi olan bir varlığın ışık hızına ulaşması için sonsuz kuvvet gerekir. sonsuz kuvvet diye bir şey olmadığı için ışık hızına ulaşmak diye bir şey mümkün değildir. ama yeterli zaman verilirse ışık hızına yakın bir hıza ulaşmak da teorik olarak imkansız değil. hatta o hızlarda seyrederken hiçbir etkiye maruz kalmamamız gerekir. sürtünmenin olmadığı bir ortamda içinde bulunduğumuz araç alev falan almaz. canımız yanmaz, eklemlerimiz ayrılmaz. işin aslı sıradan bir günde bulunduğumuz koordinat sistemine göre durağan saydığımız bir andan fazlasını hissedemeyiz.

kütlesi olan maddeler ışık hızına nazari olarak bile ulaşamaz . bunu biliyoruz. foton gibi kütlesiz bir parçacık ise en fazla ışık hızında yol alabilir. demek ki ışık hızı evrende bilgi iletiminde üst sınırdır. (takyon ismini taktığımız farazi bir parçacığın ışıktan hızlı gittiği modellenir. ama henüz takyonları tespit edebilmiş değiliz) aslında ışık hızının evrenimizin doğal haldeki hareketlilik durumu olduğunu tasavvur etmeyi seviyorum. uzay zaman dokusuyla etkileşime geçen yani kütle kazanan parçacıklar yavaşlıyor. tüm araçların sabit 100 km hızla seyrettiği boş bir arazi hayal edin. araçların bazısı arazinin çamurlu, bataklık bir kesimine denk geliyorlar. o araçların hızı neredeyse durma noktasına kadar düşüyor olsun. işte kütleli cisimler olarak biz o araçlara benziyoruz. çamurlu zeminden etkilenmeyenler (diyelim ki hava araçları) ise 100 km.'lik sabit hızlarını koruyabiliyorlar.

ama biraz önce bütün maddelerin hızları başka maddelerin konuşlanma sistemine göre hesaplanır, eğer ki referans sisteminin başka bir referans sistemine göre hızını da hesaba dahil edecek olursak hızlar toplanır demiştik. (trendeki yolcunun hızı, trenin hızı, dünyanın hızı örneği) peki bu hesabı çok fazla referans sisteminin hızını birbirine ekleyerek yapmak istersek yine de ışık hızından yüksek bir hız bulamaz mıyız? aslında bulabiliriz. ışık hızı limiti aynı koordinat sistemi içindeki iki maddenin birbirlerine nispeten hızları için geçerlidir. yoksa maddelerin göreli hızları için bir üst limit yoktur. yani mahallemizdeki bir arkadaşımız ışık hızıyla yanımızdan geçip gidemez. samanyolu galaksimizdeki herhangi bir cisim de öyle. ama diyelim ki galaksimiz gözlenebilir evrenin sınırlarındaki başka bir galaksiden göreli olarak ışık hızından daha hızlı kaçıyor olabilir. ama o galaksi ile aramızdaki boşluğun yarı mesafesinde konuşlu başka bir galaksideki bir gözlemci için aynı galaksi yarı hızda olabilir.

işi iyice içinden çıkılmaz yapan husus ise zamanın da kütlenin hızına göre göreli olmasıdır. farklı hızlarda zaman farklı seyreder. çocukken uzay yolu dizisinde garibime giden bir şey vardı. enterprise bir istasyondan ayrılmadan önce kaptan kirk yahut kaptan picard (hangi versiyonu seviyorsanız) örneğin 4 gün içinde geri dönmüş oluruz türünden cümleler kurardı. ya da uzay gemisinde bu 10 günlük bir görev benzeri talimatlar geçerdi. 4 gün neye göre belirlenir kafamda kuramazdım. uzayda seyir halinde oldukları için dünyadaki gece gündüz döngüsünü ölçü alamayacak olmaları değil mesele. 24 saatlik zamanı dünya'yı referans almadan da ölçebiliriz. onu demiyorum. galaksinin her yerine gidiyorlardı (hatta bir keresinde, kaza ile de olsa milyarlarca ışık yılı öteye yolculuk ettiler) arkada bıraktığınız istasyonun zamanıyla mı, varacağınız destinasyonun mu yoksa yolculuk halindeki geminin zamanıyla mı, 4 gün? çünkü farklı hızlar ve farklı kütlelere sahip lokasyonlar için zamanın farklı akış hızı vardır. gemi zamanıyla 4 günlük bir süre sonunda geri döndüğünüzde istasyonda yıllar geçmiş olabilir. yahut 10 günlük bir yolculuk muazzam kütleli bir yıldızın yörüngesindeki bir gezegen için birkaç dakika demek olabilir. einstein sayesinde biliyoruz ki çocukken el yordamıyla sezdiğim belirsiz yapı aslında tam da evrenin işleyiş şekli.

anlaşıldığını tahmin ediyorum. einstein mutlak hız, mutlak zaman diye bir şeyin olmadığını akıl eden belki de ilk kişi değildi. tarih boyunca mutlaka ana fikri kavrayan birileri olmuştur. ama düşünce deneyini ileriye götürüp, bilimsel bir teori içinde bütünsel ve tutarlı biçimde bunu sunabilen ve matematiksel formüllerle ispatına mesai hasreden ilk bilim insanıydı. ve ondan sonra yüz yıldan uzun süre boyunca yapılan gözlemler ve deneyler onu sürekli haklı çıkarmaya devam etti.