Bilim Tarihi

İki Albert’in “Michelson ve Einstein” Çifte “Karşılaşmaları” – Ömür Akyüz

  • Birinci Karşılaşma: Işığın hızı mutlaktır

Prusya/Polonya doğumlu Albert Michelson iki yaşındayken ailesi ABD’ye göçerek Kaliforniya’ya yerleşti. Özel izinle Annapolis Deniz Kuvvetleri Akademisine girdi. İlk görev yıllarında optik seyir aygıtlarına olan ilgisi gelişerek onu fiziğe yaklaştırdı. İlerleyen yıllarda bu ilgi onu ışık hızını ölçmeye ve bunun için yeni düzenekler geliştirmeye götürecekti.

Bu çalışmaları sırasında bir uzunluk standardı elde etmek için bir girişim aygıtı (kendi adıyla anılan girişimölçer/interferometre, Michelson girişimölçeri) geliştirdi.  Girişimölçeri ışığın, onu titreşimleriyle oluşturup taşıdığına inanılan antik çağların hayalî esir kavramıyla ilişkisini saptamak için kullandı. Edward Morley ile birlikte 1887’de gerçekleştirdiği bu deneye “Michelson-Morley (M-M) deneyi” denir. James Clerk Maxwell 1865’te yayınlanan eserinde ışığın elektromanyetik alanın salınımları olduğunu gösteren matematiksel yapıyı ortaya koymuştu. Maxwell de ışığın, esirin bir tür mekanik davranışı (titreşimi) olduğu kanısındaydı. Michelson, M-M deneyiyle esirin –varsa bile– ışığı taşımadığını ortaya koydu.

M-M deneyinin felsefesi aslında lise öğrencilerinin korkulu rüyası olan “nehir problemi”yle özdeş. Örneğin, otobüs giderken içinde yürüyen yolcunun, oturana göre yürüme hızı sokakta duran bir yayaya göre olan hızından farklıdır.  Esiri otobüs gibi düşünün, ışığı da içinde yürüyen yolcu. Ama burada sanki yürüyen yolcunun ayakları otobüsün döşemesinde “kayıyor”, yani ışığın hızı “dışarıda” duran bir gözlemci tarafından da aynı ölçülüyor. Bu, ışık hızının mutlak oluşunu gösteriyor.  Bir “esir rüzgârı” varsa bile, ışığı bunun dalgalanmaları olarak düşünmek doğru olmuyor, çünkü M-M deneyi esirin ışığı taşımadığını gösteriyor.

Albert Einstein 1905 yılında özel görelilik kuramını kurarken dayanağı, Maxwell’in ışık için ortaya koyduğu matematiksel yapıdaki ışık hızı değerinin, hiç bir maddesel özelliğe bağlı olmamasından dolayı gözlemcinin ve varsa taşıyıcı ortamın hareketinden bağımsız olması gerektiği düşüncesiydi*. Ancak bunu gösterdiği makalesinde M-M deneyine değinmemişti. Belki bundan gerçekten haberi yoktu, ama ne olursa olsun Görelilik Kuramının ilk deneysel kanıtı kendisinden 18 yıl önce gerçekleşen M-M deneyidir.

  •  İkinci Karşılaşma:  Yerçekimi Dalgaları

Einstein’ın ününü fizikçiler çevresinin dışına çıkaran şey Isaac Newton’un devinim (hareket) ve çekim (yerçekimi/kütleçekimi) kuramlarında bulunan ve “apayrı” fiziksel anlamlar içeren iki “farklı” kütle kavramının aslında aynı şey olması gerektiğini ileri süren genel görelilik kuramıdır.  Einstein’ın 1907’de geliştirmeğe başladığı (1915’te tamamlanan) kuramı 16. Yüzyıldan beri pek anlaşılmadan eşit işlemi gören eylemsizlik ve yerçekimi kavramlarının aslında eşdeğer/özdeş olduklarını söylüyor.

Einstein, bu kuramla ışığın düşen cisimler gibi yer/kütleçekiminden etkilenmesi gerektiğini ileri sürmüş (1911)** ‒bunun, 1919’daki güneş tutulması sırasında Arthur Eddington’un önderliğinde gözlenmesi Einstein’ı kısa zamanda Dünya çapında ünlendirdi‒ ve ayrıca astronomların yıllarca önce Merkür’ün yörüngesinde fark ettikleri çok küçük bir kaymayı açıklamıştı (1915).

Genel görelilik  kuramı zaman içinde başka şeyler de söyledi; ancak birçoğunun gözlenmesi teknik ve fenbilimsel zorluklar yüzünden zaman aldı. Bunlardan birisi, evrenin yapısında çok önemli yeri olan yerçekimi/kütleçekimi olarak adlandırdığımız kuvvetin etki alanında dalgalanmalar olacağıdır (elektromanyetik alanlardaki dalgalanmalarla oluşan ışık gibi). Bunlar 20. Yüzyılın son çeyreğinde, çift yıldızların davranışlarında gözlendiler; ama buralarda oluşan kütleçekimi dalgalarının dünyamıza da eriştiklerinin gözlenebilmesi ancak 2016’da kesinlik kazandı. İşte Einstein’ın genel görelilik kuramının, kendisinden 129 yıl sonra gelen son kanıtını veren“LIGO” deneyinin temel bileşeni de M-M deneyinin, yani Michelson girişimölçerinin dev bir örneğidir.

İlginçtir, Albert Michelson optikteki başarımlarıyla 1907 yılında ABD’ye ilk Nobel Ödülü’nü getirirken; Albert Einstein, 1905-1915 yılları arasındaki en “çarpıcı” başarımları olan Özel ve Genel Görelilik kuramları için değil bunların dışındaki çok önemli diğer başarımı olan fotoelektrik olayı 1905’teki açıklamasıyla 1921’de Nobel Ödülü aldı. Oysa Michelson yaşasaydı belki de LIGO ile ikinci Nobel’ini alacaktı!

Ama eminim, “öbür dünya” varsa ve Einstein ile Michelson (3. kez!) orada karşılaştılarsa şimdi çifte kutlama yapıyorlardır.

Ömür Akyüz
Boğaziçi Üniversitesi

 

LIGO hakkında

Mehmet Ali Alpar, “Kütleçekimi Dalgaları”, Bilim Akademisi Konferansı, 3 Aralık 2016

Reyhan Oksay, “Evren ilk kez bizimle konuştu, ne dediğini anladık”,  Herkese Bilim Teknoloji, 16 Mart 2016  (Sayı 1, s. 14)

 

* Yıllar sonra ifade ettiğine göre üniversiteye gitmeden önceki yıllarında Alp dağlarında yürüyüş yaparken buzullardan yansıyan ışıklara bakarak kendi kendisine “bir ışık ışınını yakalarsam ne olur?” diye sormuş. Özel görelilik kuramını özünde içeren Maxwell kuramı “ışığın yok olacağını”, özel görelilik kuramı ise kütleli bir nesnenin ışık hızına erişmesi için “sonsuz enerji gerekeceğini” söylüyor.

** 1911’de bulduğu sonucun (On the Influence of Gravitation on the Propagation of Light, Annalen der Physik [35], 1911) gözlenmesi için gerekli tam güneş tutulması için 1914’e kadar beklemek gerekmişti. 1914’te gözlem için Rusya’ya giden Alman astronomlar, I. Dünya Savaşı başlayınca tutsak alındıklarından gözlem yapılamadı. Einstein bu arada yaptıklarında bir kusur görerek 1915’te,  ilk bulduğundan tam iki kat büyük bir değer hesapladı! Eğer savaş çıkmayıp gözlem 1914’te başarıyla yapılabilseydi, Einstein’ın 1911 sonucu yanlışlanacak, 1915 sonucu ise bunun üzerine yapılmış bir “düzeltme” olmakla “değer yitirecek”ti.

Ana Görsel:  Üç Nobel Ödüllü fizikçi California Teknoloji Enstitüsü’nde 1931. Önde soldan sağa, Albert Michelson, Albert Einstein ve Robert Milikan. Kaynak: Smitsonian Institution Libraries, Wikimedia Commons.

 

Creative Commons Lisansı
Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari-Türetilemez 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.