Görelilik teorisi

Bu madde bilimsel bir kavram hakkındadır. Felsefi veya ontolojik teoriler için Görecilik sayfasına bakınız.

Genel görelilikte açıklanan üç boyutlu uzay zaman eğriliği analojisinin iki boyutlu izdüşümü

Görelilik teorisi, Albert Einstein'ın çalışmaları sonucu önerilen ve yayınlanan, özel görelilik ve genel görelilik adlarında birbirleriyle ilişkili iki teorisini kapsar. Özel görelilik, yer çekiminin yokluğunda tüm fiziksel fenomenler için geçerlidir. Genel görelilik, yer çekimi yasasını ve bu yasanın diğer doğa kuvvetleri ile ilişkisini açıklar. Astronomi de dahil olmak üzere kozmolojik ve astrofiziksel alem için geçerlidir.

20. yüzyılda, bu teorinin Einstein tarafından ortaya atılmasıyla beraber teorik fizik ve astronomi dünyası çalkalandı; zamanla Isaac Newton tarafından yaratılan, 200 yıllık mekanik teorisinin yerini aldı. Özellikle uzay ve zaman kavramlarına farklı bakış açısıyla bakılması gerektiğini gösterdi ve bu ikisinin harmanlanması olan uzay zamanı, eşzamanlılığın göreliliğini, kinematik ve yer çekimsel zaman genişlemesini ve uzunluk daralmasını içeren birçok kavramı tanıttı. Fizik alanında görelilik, nükleer çağın bir habercisi olan temel parçacık biliminin ve temel etkileşimlerini geliştirdi. Görelilikle birlikte, nötron yıldızları, kara delikler ve yer çekimi dalgaları gibi olağanüstü görülen astronomik olaylar önceden öngörüldü.

Kapsam

20. yüzyılda izafiyet teorisi teorik fizik ve astronomiye dönüştürüldü. İlk yayımlandığında, izafiyet, Newton tarafından yaratılan ve 200 yıl kabul görmüş teorinin yerine geçti.

Fizik alanında izafiyet, temel parçacık bilimi ve onun temel etkileşimi geliştirdi. Kozmoloji ve astrofizik, nötron yıldızlar, kara delik ve ağırlık dalgaları gibi sıra dışı astronomik fenomenlerin izafiyet yardımıyla tahmin edilmesini sağladı.

İki teori

İzafiyet teorisi, yeni fiziksel teoriden daha fazlasıyla temsil edilir. Bunun için birçok açıklama var. İlki 1905’de, son hali 1916’da yayımlandı.

İkincisi, özel izafiyet temel parçacığa ve onun etkileşimlerine uygulanır. Fakat genel izafiyet kozmolojik ve astrofiziksel aleme uygulanır.

Üçüncü özel görelilik fizik aleminde 1920’de kabul edildi. Bu teori, atomik fizik, nükleer fizik ve kuantum mekaniği gibi yeni fizik alanlarında hızlıca teoriciler için önemli ve gerekli bir araç haline geldi. Zıt olarak genel görelilik pek kullanışlı gözükmedi. Deneyciler için biraz uygulanabilir gözüktü. Newton’un yer çekimi teori tahminlerine sadece küçük düzeltmeler yapmak için limitli gözüktü.

Son olarak, genel görelilik matematiği çok zor gözüktü. Sonuç olarak dünyada az sayıda insanın teoriyi tamamen detaylarıyla anlayabileceği düşünüldü. Richard Feynman tarafından önemi yitirildi. Sonra 1960'lara doğru bir kritik canlanma genel göreliliği fiziğin ve astronominin merkezi yaptı. Yeni matematik teknikleri genel görelilikte kullanılabilir oldu. Buradan fiziksel fark edilebilir konular matematiğin kompleksliğinden izole edilmiş oldu. Ayrıca genel görelilikle ilgili egzotik astronomik fenomenlerin keşfedilmesi bu canlanmaya yardımcı oldu.

İzafiyet teorisi

Einstein, izafiyet teorisinin teoriler prensibinin sınıfına ait olduğunu belirtmiştir. Bu demektir ki elementlerin hipotezlere değil deneysel keşiflere dayandığıdır. Doğal işleyişlerin karakteristik özelliklerinin anlaşılmasına bu deneysel keşifler yol açıyor. Doğal işleyişin gözlemlerinin daha doğru olması için matematik modelleri geliştirildi. Böylece analitik anlamlar gerekli durumlarda sonuç çıkarmada tatmin edici olmak zorunda. Ayrı olaylar bu koşulları sağlamak zorundadır. Deneyin sonuçla uyuşması için.

Genel görelilik ve özel görelilik birbirine bağlantılıdır. Aşağıda belirtildiği gibi özel görelilik kanunu yer çekimi hariç bütün fizik fenomenlerine uygulanmaktadır. Genel görelilik kuramı ise yer çekimi kanununu ve onun diğer doğa kuvvetleriyle bağlantısını sağlamaktadır.

Özel Görelilik

Özel Görelilik, uzay-zaman yapısının teorisidir. Einstein’ın "On the Electrodynamics of Moving Bodies" adlı 1905’te yazdığı yazısında tanıtılmıştır. Özel görelilik teorisi, klasik mekaniğe zıt olan iki varsayım üzerine dayanır:

1. Fizik kuralları bir diğerine bağlı olan düzgün hareket içinde bütün gözlemciler için aynıdır.
2. Vakum içindeki ışık hızı bütün gözlemciler için aynıdır. Göreceli hareketine ve ışığın kaynağına bağlı kalmaksızın.

Sonuç, teori klasik mekanikten deneylerle daha iyi başa çıkmaktadır. Örneğin Michelson-Morley Deneyi'nin sonuçları ikinci koşul sağlamaktadır. Ayrıca teorinin birçok sürpriz sonucu var. Bunlardan bazıları:

• Eş zamanlılığın göreliliği: iki olay bir gözlemci için eş zamanlıdır fakat başka bir gözlemci için eş zamanlı olmayabilir, eğer ki gözlemciler bağıl hareket içinde değilse.
• Zaman genişlemesi: hareket eden saatlerin gözlemcinin sabit saatine göre daha yavaş hareket ettiği ölçüldü. 
• Göreceli kütle 
• Uzunluk büzülmesi: gözlemciye göre hareket eden objenin boyu daha kısa olduğu ölçüldü. 
• Kütle enerji eşitliği: E=mc², kütle ve enerji birbirine dönüşebilir.
• Maksimum hız sonsuzdur: hiçbir fiziksel obje, mesaj ya da alan çizgisi vakum içindeki ışık hızından hızlı değildir. 

Özel göreliliğin tanımlanmış özellikleri klasik mekaniğin yer değiştirmesidir. 

Genel Görelilik

Genel Görelilik, Einstein tarafından 1907-1915 yılları arasında yer çekimi teorinin geliştirilmesiyle oluşmuştur. Genel göreliliğin gelişimi denklik prensipleriyle başlamıştır. Bu prensipler ivmeli hareket ve yer çekimi alanında kalan durumların altındadır. (örneğin, Dünya'nın yüzeyinde durmak.) Bunun neticesinde serbest düşüş olur. Serbest düşüşteki objenin düşmesi yer çekimi kuvvetinin klasik mekanik olayındandır. Bu klasik mekanik ve özel görelilik ile kıyaslanamaz çünkü bu teorilerde hareket eden objeler birbirine göre ivmelenemez ama serbest düşüşteki hareket yapabilir. 1915’te Einstein, alan denklemlerini buldu. Bunlar kütle, enerji ve momentumun içerisinde uzay zaman bükülmesiyle bağlantıdır.

Genel göreliliğin bazı sonuçları şunlardır:

• Saatler derin yer çekiminde daha yavaştır. Buna yer çekimi zaman genişlemesi denir.
• Işık ışınları, yer çekimi alanında bükülürler. Evren genişliyor ve bizden ışık hızından daha hızlı bir şekilde uzaklaşıyor.  

Teknik olarak genel görelilik yer çekimi teorisidir. Yer çekiminin tanımlanan özellikleri, Einstein’ın alan denklemlerinde kullanımıdır. Alan denklemlerinin çözümleri metrik tansörlerdir bunlar uzay zaman topolojisi ve objelerin nasıl hareket ettiğini tanımlar.

Deney Kanıtları

Özel Görelilik Testleri

Michelson-Morley deneyi

Çürütülebilir tüm bilimsel teoriler gibi izafiyet test edilebilir tahminler yürütüyor. Özel görelilik halinde, bunlar görelilik prensiplerini içeriyor. Işık hızının sabitliği ve zaman genişlemesi. Özel görelilik tahminleri 1905’te Einstein’ın yazısının yayımlanmasından sonra sayısız test ile onaylandı. Fakat 1881 ve 1938’deki yürütülen üç deney doğrulaması kritikti. Bu deneyler Michelson-Morley deneyi, Kennedy-Thorndike deneyi ve Ives-Stilwell deneyi idi. Einstein ilk prensipten 1905’te Lorentz dönüşümlerini türevledi. Fakat bu üç deney dönüşümlerin deneysel kanıttan elde edilmesine izin veriyordu.   

Maxwell’in denklemleri -klasik elektromanyetizmin temeli- ışığı karakteristik hızla hareket eden bir dalga olarak tanımladı. Modern görüş ışığın orta yayılmaya ihtiyaç duymadığıdır. Ama Maxwell ve onun çağdaşları ışık dalgalarının orta yayıldığına ikna olmuştu. Bu varsayımsal orta Luminiferous Aether olarak biliniyordu. 

Michelson-Morley Deneyi, Aether rüzgarının ikinci sıradaki etkisini saptamak için tasarlanmıştı.(dünyaya göre aether’ın hareketi). Michealson bunu tamamlamak için Michelson Interferometer adında bir alet tasarladı. Alet tahmin edilen etkileri saptamak için yeterince doğru olmaktan çok 1981’de ilk deney bağlandığında geçersiz sonuçları elde etti. Aether rüzgarını saptama başarısızlığı hayal kırıklığı olmasına rağmen, sonuçlar bilim topluluğu tarafından kabul edildi. Aether paradizmasını kurtarma girişiminde, Fitzgerald ve Lorentz Ad Hoc hipotezini bağımsız olarak yarattı. Bu hipotez, merarial vücütlarının uzunluklarının, onların Aether’e doğru hareketlerine göre değiştiğini söylüyor. Bu Fitzgerald-Lorentz Daralması'nın kökeniydi ve onların hipotezinin teoritik temelleri yoktu. Michelson-Morley deneyinin geçersiz sonuçlarının yorumu ışık için yol-zaman seyahatidir. Fakat yalnız sonuç Aether teorisini kırmak ya da özel görelilik tahminlerini doğrulamak için yeterli değildi.

Kennedy-Thorndike deneyi

Michelson-Morley Deneyi, ışığın hızının İstropik olduğunu söylerken, Kennedy-Thondike deneyi hızın değerinin farklı atalet çerçevelerinde nasıl değiştiğini söylüyor. Bu deney bunun için tasarlanmıştı ve ilk 1932’de performans gösterdi. Geçersiz sonuç elde ettiler ve uzaydaki solar sistemin hızı yaklaşık Dünya'nın yarım yörüngesinden fazla değilse etkisi yoktur. Kabul edilebilir bir açıklama yapmak için olasılıkların gereğinden fazla tesadüfi olduğunu düşündüler. Sonuç olarak deneyin geçersiz sonuçlarından ışık-zaman yolculuğunda atalet çerçevelerinin hep aynı olduğu çıkarıldı. 

Ives-Stilwell deneyi, Herbert Ives ve G.R. Stilwell tarafından 1941’de ortaya atıldı. Bu deney, çapraz Doppler etkisi'ni test etmek için tasarlandı. Işığın hızına dik yöndeki hareket eden kaynağın kırmızıya kayması (Einstein tarafından 1905’te tahmin edildi.), strateji klasik teori ile tahmin edilen ile gözlemlenen Doopler shiftlerini kıyaslamak ve Lorentz Factor düzeltmelerine bakmak içindir. Böyle bir düzeltme hareket eden atomik saatin frekansının özel göreliliğe göre değişiminden gözlemlendi. 

Bu klasik deneyler yüksek tahminlerle defalarca tekrarlandı. Bağıl enerji ve momentum yükselişi, (yüksek hızda) hareket eden parçacığın zaman genişlemesi ve Lorentz ihlalleri için modern araştırmalar gibi deneyler içerir.

Ayrıca bakınız

• Görelilik Kuramının Eleştirisi