5. Element: Esir #3

19. Yüzyılın sonlarına gelindiğinde ışığın bir dalga olduğu artık genel kabul görmüştü. Bununla birlikte, dalgalar boşlukta yayılamayacağı için esir denen taşıyıcı bir ortamın varlığını kabul etmek gerekiyordu.

Ancak bilim adamları araştırdıkça, yeni deneyler yaptıkça esirin özellikleri de giderek saçmalaşıyordu. Katı ama geçirgen, sonsuz esnek, hareketsiz, her yeri dolduran bir ortam nasıl olabilirdi ki? (Bkz. Esir#2)

1800’lü yılların sonunda esirin varlığı tartışmalı hale gelse de yerine koyacak başka bir teori ortalıkta görünmüyordu.

Michelson-Morley deneyi esirin varlığına gölge düşürmüştü. Maxwell de ışık hızının sabit olması gerektiği sonucuna varmıştı. Ayrıca fotoelektrik etki ve kara cisim ışıması üzerine yapılan çalışmalar da ışığın tanecikli bir yapıda olabileceğine dair güçlü kanıtlar sunmuştu. Işık tanecikli bir yapıya sahipse, boşlukta yayılmasını açıklamak için esire gerek kalmayacaktı.

Yazımızın önceki bölümlerinde sözünü ettiğimiz Bradley’in keşfettiği Sapma Açısı (Aberasyon Angle) da hem ışığın taneciklerden oluştuğu görüşünü desteklemiş hem de esir çekim teorisi (ether drag) denen olgunun varlığına şüphe düşürmüştü.

Buna ek olarak Newton’un dikkat çektiği gibi, bazı kristallerde gözlenen çift kırılma olgusu da dalga teorisiyle açıklanamazdı.

Ancak dalga teorisi de kolay pes edecek gibi değildi. Huygens ve Fresnel‘in ışığın bir yanal dalga olduğunu ortaya koyarak ışığın dalga teorisini canlandırmışlardı.

Ayrıca Arago’nın küresel bir cismin dairesel gölgesinin tam ortasında parlak bir nokta bulunması gerektiğine yönelik kanıtı gibi bir takım olgular da ışığın dalga teorisini güçlendiriyordu. (Bkz. Arago Noktası)

Maxwell‘in ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu ortaya atması, dalga teorisinin zaferi oldu. Işık, elektromanyetik bir dalgaydı. Ancak, bu dalga hangi ortamda yayılıyordu?

Yani 19. Yüzyılın sonunda durum kısaca şu:

1. Işık elektromanyetik bir dalgadır.
2. Işık, esir ortamında yayılır.
3. Esir, tuhaf özellikleri olan bir unsurdur. (Hem var, hem yok gibi… Sonsuz esnek ama aynı zamanda gevşek vs.)
4. Işık hızı sabitmiş gibi görünmektedir.
5. Esirin kendisi hareketsiz olsa da içinden maddenin geçmesini engellemez.
6. Esir, içindeki maddenin hareketinden etkilenmez, yani gezegenler esirin içinde kayıp giderken, onu arkalarından çekmezler.

Işık hızı sabitse, esirin durağan olması gerektiği açıktı. Esir çekimi diye bir şey söz konusu olamazdı.

Ancak geçen yazımızda sözünü ettiğimiz sapma açısını ve ışık hızının sabitliğini işaret eden Michelson-Morley deneyinin sonucunu açıklamak için esirin çekimi gerekmekteydi. (Çelişki!) Bu konuyu açıklığa kavuşturmak için sayısız deney yapıldı.

Bu deneyler iki gruba ayrılabilir.

1. Birinci sıradan deneyler
2. İkinci sıradan deneyler

Birinci Sıradan Deneyler:

• Francois Arago (1810): Işığın kırılması ve sapma açısının Dünya’nın hareketinden etkilenip etkilenmediğini anlamak için deneyler tasarladı. Benzer deneyler George Biddell Airy (1871) ve Eleuthere Mascart (1872) tarafından suyla doldurulmuş teleskoplar kullanılarak tekrarlandı. (Negatif sonuç elde edildi.)
• Fizeau (1851 ve 1860): Fizeau, 1851’de aynı kaynaktan çıkan ışık huzmelerini içinde zıt yönlerde hareket eden su bulunan iki tüpe yönlendirdi. Böylece esirin kütle tarafından çekilip çekilmediği anlamak istiyordu. Deney pozitif sonuç verdi, ama çekim miktarı teorinin öngördüğü miktardan çok daha az çıkmıştı. Bu da Fresnet’il çoktan modası geçmiş zayıf teorisi olan kısmi esir çekimi düşüncesini destekliyordu. Bilimsel camianın beklediği sonuç hiç de bu değildi. Einstein daha sonraları Fizeau’nun deneyinin görelilik için önemini vurgulamıştır.
• Yine Fizeau tarafından 1860’ta cam bir kolon içinde polarizasyon düzleminin Dünya’nın hareketinden etkilenip etkilenmediğini anlamak için bir deney yapıldı. Bu deneyde pozitif sonuç elde edilmiştir. Ama Lorentz sonuçların çelişkili olduğunu gösterdi. DeWitt Briston Brace (1905) ve Strasser (1907) bu deneyleri daha yüksek bir hassasiyetle tekrarlamışlar ve negatif sonuç elde etmişlerdir. (Negatif sonuç: Işığın Dünya’nın hareketinden etkilenmemesi anlamına gelir.)
• Martin Hoek (1868): Fizeau’nın 1851 deneyinin daha hassas bir versiyonudur. Deneyde, iki ışık ışını birbirine zıt yönde gönderilmiş, bu ışınlardan biri su içinde, diğeri havada hareket ettirilmişti. Deneyde negatif sonuç elde edilmiştir. (Esir çekimi yok, ışık hızı sabit.)
• Wilhelm Klinkerfues (1870): Dünya’nın hareketinin sodyum atomunun soğurma çizgisi üzerindeki etkisini ölçtü. Pozitif sonuç elde etti. Ancak daha sonra bu sonucun hatalı olduğu deneyi tekrarlayan Haga (1901) tarafından gösterildi.
• Ketteler (1972): Ketteler, bir girişimölçere suyla dolu tüplerden birbirine zıt yönde iki ışın gönderdi. Deneyde girişim deseni gözlenmedi. Daha sonra Mascart (1872) tarafından aynı deney kutuplanmış ışıkla tekrarlandı, yine negatif sonuç elde edildi. (Kutuplanmış ışık, yani polarize ışık, ışık dalgalarının titreşim yönüyle ilgili önemli bir olgudur.)
• Eleuthere Mascart (1872): Kuarz içinde ışığın kutuplanma düzleminin değişip değişmediğini anlamak için bir deney yaptı, ama kutuplanma düzleminde bir değişiklik gözlenemedi. Lord Rayleigh tarafından benzer bir deney daha büyük bir hassasiyetle yapıldı, yine negatif sonuç elde edildi.

Bunların yanı sıra elektrik ve manyetik olaylarla ilgili benzer deneyler de yapılmıştı. (Işığın doğası elektromanyetik olduğundan, bu deneyler ışıkla da ilgili sayılır.)

• Wilhelm Röntgen (1888), yüklü bir kondansatörün Dünya’nın hareketinden kaynaklı manyetik alan üretip üretmediğine yönelik deneyler yaptı.
• Theodor des Coudres‘in (1889), elektrikle yüklü kabloların indüklediği akımın Dünya’nın hareketinden etkilenip etkilenmediğini anlamaya yönelik bir deney yaptı. Lorentz bu etkinin Dünya’nın hareketinden kaynaklı elektrostatik yükler tarafından iptal edildiğini gösterdi.
• Königsberger (1905). Güçlü bir elektromanyetik alan içine yerleştirilen bir kondansatörün levhalarının Dünya’nın hareketinden dolayı yüklenip yüklenmediğini anlamaya yönelik bir deney yaptı. Böyle bir etki gözlemleyemedi.
• Frederick Thomas Trouton (1902), bir kondansatörü Dünya’nın hareketine paralel olarak yerleştirildi. Kondansatör yüklendiğinde Dünya’nın hareketine bağlı olarak bir momentum oluşacağı farz edildi. Böyle bir etki gözlenemedi. Ayrıca Lorenz böyle bir etkinin oluşması için bu deney düzeneğinin yetersiz olduğunu gösterdi.

İkinci Sıradan Deneyler:

Birinci sıradan deneylerin negatif sonuç vermesi esirin durağanlığıyla açıklanabilirdi. Ama, daha hassas olan ikinci derece deneylerin pozitif sonuç vermesi bekleniyordu. Ancak, hiç bir deneyde pozitif sonuç elde edilemedi.

• Ünlü Michelson-Morley Deneyi: Bu deneyde Dünya’nın hareketiyle aynı yönde ve ona dik olarak iki ışık ışını gönderilmiş ve aynalardan geri dönen ışınlar bir girişimölçerde karşılaştırılmıştır. (Girişimölçer, ışık ışınlarını çok hassas biçimde karşılaştırmaya yarayan bir düzenektir.) Sonuçlar 1887’de yayınlandı. Deneyin nul sonucu, esir fikrinde bir şeylerin ciddi biçimde yanlış olduğuydu. Deney, günümüze kadar giderek artan hasassiyette tekrarlanmış, her defasında nul sonuç elde edilmiştir. (Nul Sonuç, bir deneyin beklenen sonucun tersini vermesi. Burada nul sonuç, ışık hızı Dünya’nın eter içindeki hareketinden kesinlikle etkilenmemesidir.)
• Deneyin çeşitli versiyonları Trouton-Noble (1903) ve Rayleigh ve Brace (1902, 1904) tarafından tekrarlandı. Sonuç aynıydı.

Michelson-Morley deneyinden sonra çok az bilim insanı esir düşüncesini terk etmeyi teklif etmiştir. Bunlardan ikisi Emic Cohn ve Alfred Bucherer‘dir. Nul sonucun esir çekimini açıklanabileceğini iddia edenler de oldu. Ancak, daha önce esir çekiminin yeni sorunlar yaratacağı tespit edilmişti. Özellikle de sapma açısının varlığı sorun yaratıyordu. Ayrıca Lodge (1893, 1897) ve Ludwig Zehnder (1895)’ın dönen kütlelerle yaptığı deneyler de çekimin yokluğuna işaret etmişti.

Sonradan, 1935’te (Einstein’den sonra) çok daha hassas araçlarla Hammar tarafından bir deney daha yapıldı. Deneyde Michelson-Morley düzeneği kullanılmış, ancak ışık huzmelerinden biri ağır kurşun blokların arasına yerleştirilmişti. Eğer esir kütle tarafından çekiliyorsa deney bunu saptamalıydı. (Hala o çağda bile esir düşüncesi tam olarak ölmemişti demek.) Ancak, yine nul sonuç elde edildi. Deneyin ardından esir teorisi bir kez daha revize edilerek esirin sadece çok ağır ya da güçlü manyetik alana sahip kütleler tarafında çekilebileceği ileri sürüldü. Ancak Michelson-Gale-Pearson deneyi ile bu iddia da yanlışlanmıştır.

Esiri kurtarmak için en ciddi girişim, Lorentz-FitzGerald tarafından ortaya atılan yepyeni bir fikirdir: Büzülme Hipotezi. Bu hipoteze göre esir içinde hareket eden nesneler, hareket yönünde “kısalıyor” ya da “büzülüyor”du. Bu hipotez, Michelson-Morley deneyinin nul sonucunu açıklayabiliyordu. (Bu hipotez, daha sonra yapılan deneylerin nul sonuçlarını açıklamak için de kullanılmıştır.)

Michelson-Morley deneyi daha sonra da bir çok kez tekrarlanmış, ama kesin olarak nul sonuç dışında başka bir sonuca ulaşılamamıştır. Bu deneyleri buraya almamın sebebi, 19. Yüzyıl bilim adamlarının ışığın doğasını ortaya çıkarmak için ne büyük gayretler sarf ettiklerini göstermektir. O dönemin bilim adamlarının elleri armut toplamıyordu. Işık hızının sabitliği, esirin durağanlığı, Dünya’nın hareketinin ışığın doğası üzerine hiç bir etkisinin olmaması Einstein tarafından bulunmuş gerçekler değildir. Burada ismi anılan/alınmayan bir çok bilim insanı, ışık hızının sabitliği sorununa çözüm bulmaya çalışmışlardı. Ancak bütün bu deneylerin gerçek sonucunu görmeyi başaramıyorlardı. O da ışık hızının sabitliği ve esirin yokluğuydu.

Görelilik İlkesi Nereden Kaynaklanır?

Bir hareketlinin hız-zaman grafiğinde zaman boyutunu kaydırdığımızda farklı bir referans çerçevesinin hız zaman grafiğini elde ederiz. Ama şöyle bir sorun var ki, eğer Michelson-Morley deneyinin gösterdiği şey doğruysa, yani ışık hızı tüm referans çerçevelerinde sabitse evrende hiç bir şeyin hareket etmemesi gerekirdi!

İşte 19. yüzyılın sonunda bilim adamlarını bu derece şaşırtan şey buydu. Evrende tek bir referans çerçevesi olmalı gibi görünmekteydi, yani sadece ışık hareket etmeli, diğer her şey hareketsiz kalmalıydı. Aksi takdirde ışık hızının sabitliği kuralı ihlal edilirdi. O halde diğer nesneler nasıl hareket ediyordu?

Bunu şöyle açıklayalım. A‘nın hareketli, B‘nin ise durağan bir nesne olduğunu farz edelim. A‘dan çıkan ışık ışınlarının hızı sabittir, ama kime göre?

A‘ya göre sabitse, O zaman B‘ye göre ışığın hızı c+Va olur. Ama o zaman ışık hızı sabit olamaz.

O halde A hareket edemez.

Ama Lorentz bu sorunu aşmanın bir yolunu bulmuştu. Ona göre hız-zaman grafiği döndürülürse sorun çözülmüş oluyordu. Bu döndürme işi ise Lorentz dönüşümleri denen bir takım formüllerle yapılıyordu.

Lorentz’in Eter Kuramı:

1892 ile 1904 yılları arasında Hendrik Lorentz bir elektron/eter kuramı geliştirdi. Kuramda elektronlarla (madde) eter arasında temel bir ayrım yapılmıştır. Lorentz’in modelinde esir bütünüyle hareketsizdir ve madde tarafından çekilmez. Hareketli bir gözlemci duran bir gözlemci ile aynı ölçümleri yapmalıdır (yani ışığın hızını ikisi de aynı ölçmelidir.) Bunun mümkün olabilmesi için bir gözlem çerçevesinden diğerine geçerken uygun bir dönüşüm uygulanmalıdır.

Kuramda mesafe kısalması hipotezi Michelson-Morley deneyinin nul sonucunu açıklamaktadır. Aynı şekilde yerel zaman kavramıyla ışığın sapma açısını da açıklamak mümkündür. Sadece bu kadar da değil: Fizeau deneyinin sonucu da açıklanabiliyordu.  Bütün bunlar Lorentz Dönüşümleri denen ve 1897 ile 1900 arasında Joseph Larmor ve Lorentz tarafından formüle eden denklemlerle mümkün oluyordu. Ancak, Lorentz sonradan (1921, 1928 yıllarında yazdığı makalelerinde) dönüşümlerini sadece matematiksel bir hile olarak gördüğünü yazmıştır. Buna göre Lorentz dönüşümleri, aslında bir tür matematiksel oyundur, gerçekliği yoktu. (Lorentz’e göre tabi.)

Poincare Görelilik Kuramını Neden Keşfedemedi?

Lorentz’in çalışmaları sonradan Henri Poincare tarafından formüle edildi. Poincare, Görelilik İlkesi‘ni bulmaya çok yaklaşmıştır. Bu ilkeyi elektrodinamik yasalarla tutarlı hale getirmiştir.  Eşzamanlılığın ışık hızına bağlı bir şey olduğunu ilk kez ileri süren de odur. Ayrıca, ışık hızının sabit olduğunu bir postulat (ön kabul) olarak ileri sürmenin, kuramları basitleştireceğini de söylemiştir. Hatta 1905’te görelilik ilkesinin evrenin temel bir yasası olabileceğini de ileri sürdü. Bütün bunları Einstein’den hemen önce Poincare öngörmüştür. Bu büyük bilim insanı, Lorentz’i bazı hatalarını da düzeltti. Bunun gibi daha bir çok çalışması olmuştur. Ancak, eter düşüncesinden vazgeçememiştir. Ona göre eter asla tespit edilemeyecek bir şeydi. (Yok diyememiş.) Ayrıca zamanın mutlak olduğu düşüncesinden de vaz geçememişti. Görünen zamanla mutlak zamanı birbirinden ayrı tutmak gerektiğini yazmıştı.

Görüldüğü gibi bu iki bilim insanı, yani Lorentz ve Poincare (özellikle de Poincare), Einstein’in kuramına çok yaklaşmışlar, ancak ön yargılarından kurtulamamışlardır. Yani.

1. Zaman ve uzayın mutlaklığı
2. Esir kavramı gibi paradigmaları terk edememişlerdir. Bu nedenle de Görelilik Kuramı’nın mucitliği payesini Einstein’e kaptırmışlardır.

Yazımız burada sona eriyor. Karmaşık bir yazı olduğunu kabul ediyorum. Ancak, aklımızdan çıkmaması gereken şu ki, Einstein’den hemen önce bilim Görelilik Kuramı’nın doğum sancılarını çekmeye başlamıştı. Einstein sadece onu doğurtmuştur. Einstein, 1905’te yazdığı makalede ışık hızının sabitliğini evrensel bir postulat olarak ortaya koydu. Ayrıca, bunun bir sonucu olarak zaman, mekan, mesafe, eşzamanlılık gibi kavramları da çöpe atmamız gerektiğini söyledi.

Uzay ve Zamanı tek bir nesne olarak ele almalıydık. (Uzayzaman)

Hareketli nesneler hareket yönende kısalmaktaydı.

Kütlesi olan hiç bir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceğini kabul etmeliydik.

Zaman hareket eden bir nesne için yavaşlamaktaydı.

Burada amacımız Özel Görelilik Kuramı’nı tanıtmaktan çok insanlığın esir kavramını terk etmesinin hikayesini anlatmak. Yazıdan anlaşıldığı gibi alt yapı hazır olmadan hiç bir paradigma değişimi gerçekleşmemektedir. Einstein’e gelinceye kadar zaten bilim bir çok şeyin alt yapısını hazırlamış, ama eski düşünce tarzından da bir türlü kurtulamamıştı. Bu iş Einstein’e kalmıştı. Anlaşılan o ki Einstein daha doğmadan önce aslında özel göreliliğin bütün alt yapısı hazırlanmıştı bile. Einstein bu çalışmaları çok iyi analiz etmiştir. Sadece özel görelilik değil, bilimin başka alanlarında da çok önemli katkıları vardır. (Brown hareketleriyle ilgili çalışması atomun varlığına kanıt sağlamıştı. Fotoelektrik etkiyle ilgili çalışmaları ile de kuantum kuramına önemli katkılar yapmıştır.)

Einstein Lorentz dönüşümlerinin iki postulattan türetilebileceğini de göstermiştir. Ayrıca Einstein esir kuramının özel görelilikte yeri olmayacağını da belirtmiştir. Ona göre Lorentz dönüşümleri uzay-zamanın yapısının doğal sonucudur. Einstein şu üç kaynak üzerine yaptığı çalışmalar ile görelilik teorisini geliştirdi:

1. Hareket eden mıknatıslar ve iletken problemi.
2. Esir Çekimi deneylerinin negatif sonuç vermesi. (Yukarıda ayrıntılı olarak açıklanan deneylerin tümü.)
3. Fizeau deneyi.

Robert S. Shankland‘ın bildirdiğine göre Einstein bir sohbetinde Fizeau deneyinin önemini vurgulamıştır:

“Einstein, kendisini en çok etkileyen iki deneyin yıldız sapma açısının keşfi (Bradley) ile Fizeau’nun hareket eden suyun içinden geçen ışıkla ilgili deneyi olduğunu söylemiş ve “Bu ikisi yeterliydi” demişti.”

Kendisi tam olarak akademik kariyeri olan birisi değildi. Bir patent bürosunda memurluk yapıyordu. Öyleyken, 20. ve 21. yüzyıla damgasını vurmuş nice çalışmanın, kuramın temelini atmış, bizlerin düşünme biçimini bütünüyle değiştirmiştir.

Önceki