Özgür İrade 4: Maxwell'den Einstein'a - Gerçekliğimizin Çöküşü
Zarif Bir Paradoks
Bugün biraz fizik tarihinden bahsedeceğiz ama sebebini iyi anlamanızı istiyorum. Daha doğrusu, bu noktaya kadar ne başardık, bundan sonra ne değişecek onu anlayalım: Serinin ilk bölümünü özgür irade tartışmasına bir giriş olarak düşünürsek, sonraki iki bölümü nedensellik, tahmin/öngörü ve rastgelelik arasındaki ilişkiye ayırmıştık. Ben de şöyle bir yoruma getirmiştim konuyu:
Deterministik bir evren varsa, bunu katı bir sebep-sonuç zinciri şeklinde gözümüzde canlandırıyoruz. Başlangıç şartlarını bilen biri, oturduğu yerden bu ilişkileri izleyerek adeta zamanda ileri geri gidebilir.
Ama Kronos ile Zeus arasındaki taht kavgası, yahut Oedipus'un bilmeden annesiyle evlenmesi, yahut son olarak karar verme teorisi alanındaki bence en güzel paradoks olan Newcomb Problemi neyi gösteriyordu? Öngörünün, nedenselliği tersyüz ettiğini. Çünkü yeterince iyi tahminler yapabildiğinizde, gelecekteki bir olay, bugünkü bir kararın sebebi oluyor. Bunu aslında her an tecrübe ediyoruz. Hava durumu tahmini yüzünden yanımıza şemsiye almamız basit bir örneği. Hayatın her alanında %100 isabete yakınsayan bir tahmin gücümüz olsaydı, dümdüz bir ok gibi görünen o sebep-sonuç zincirine, döngüler eklemeye başlardık.
Dahası, eski kahinlerin ve Newcomb'daki kutu sahibinin yaptığı gibi, bu öngörülerimizi başkalarıyla paylaşırsak, işler iyice karmaşıklaşıyor çünkü kehanetin kendisi, kehaneti paylaştığımız kişinin kaderini değiştiriyor. Eğer bir kehaneti duyduğunuzda karar değiştirerek yepyeni bir zaman çizgisi yaratırsanız, kahin bunu da sizden önce görmeyecek mi? Ve bunu öngörebilmesi, karar değiştirdiğinizde dahi özgür olmadığınızı göstermiyor mu?
Burada bana ilginç gelen şey şu, ki kendi yorumum, yanlış olabilir: Determinizm + öngörü kabiliyeti + bu öngörülerin paylaşılması, sonu gelmeyecek bir dizi sebep-sonuç döngüsüne yol açıyor. Ve tam da bu karmaşıklaşma yüzünden, evren deterministik olsa bile öngörülebilirliği azalıyor. Zarif bir paradoks bence.
Fakat tüm bu muhabbetleri klasik fizik çerçevesi içinde yapıyorduk. Bununla kastettiğim, herkesin halen ister istemez yaptığı birtakım varsayımlar.. Nedir bunlar?
Dışarda bizden bağımsız bir gerçeklik var
Bu gerçekliği oluşturan çok küçük temel parçacıklar, adı üstünde, parçacıklar ve tıpkı büyük parçalar gibi davranıyorlar.
Çok hızlı hareket eden şeyler de hemen hemen yavaş hareket eden şeyler gibi davranıyorlar.
Bu şeylerin biz ölçsek de ölçemesek de belli özellikleri var, hız, yön gibi
Bu özelliklerden bazıları sabittir, kütle gibi.
Her şey sadece yakınındaki şeyleri etkiler, evrenin öbür ucunu uzaktan etkileme diye bir şey yok
Mutlak bir mekan ve zaman var, hepimize ortak.
Tanrı zar atmaz.
Spoiler geliyor, bunlar yanlış. Bu filmin sonunu baştan bildiğini düşünen ve "ya tamam işte kuantum muantum eşittir rastgelelik, öyleyse determinizm yok" diyecek olanlar da yanlış. Zira kuantum mekaniğini yorumlamanın bir yolu, evrenin gerçekten rastgele olmasıyken, diğer yolu da biz cahil olduğumuz için bize öyle gözükmesi. Dolayısıyla bu bölümde size vaadim şu: Bir şey öğrenmek şöyle dursun, bildiklerinizi de unutacaksınız. Ben çektiysem siz de çekin. Ama en azından ilime bilime doyacaksınız.
Maxwell: Elektronikçilerin Koruyucu Azizi
Maxwell genel halk tarafından fazla bilinmez nedense ama elektrik-elektronik mühendisliğinin ciddi bir kısmı adı üstünde elektrik devreleri ve elektromanyetizma olduğu için, okul yıllarımızda ona inandık, ona sığındık. Hatta Einstein'a, "büyük işler başardın çünkü Newton'un omuzları üstünde yükseldin" dediklerinde cevaben "hayır, hayvan gibi zekiyim" demişti. Yok, şöyle diyor:
"Ben Maxwell'in omuzları üstünde yükseldim". -Einstein
Aslında böyle isimleri tanrılaştırmamak lazım tabii, çünkü diğer büyük isimler gibi o da bir sembol. Mesela en bilinen mirası olan Maxwell Denklemlerinin ardında, kendisinden de az bilinen bir çok isim var: Lagrange, Poincare, Lorentz, Coulomb, Gauss, Kelvin, Faraday, Ampere, Hertz...ki bunlar doğrudan katkı sağlayanlardan bazıları, dolaylı bile değil. Herkes birbirinin omuzları üstünde duruyor. Yoksa yıllardır kapandıkları evden bir gün ansızın ellerinde formüllerle çıkıp insanlığa çağ atlatmıyorlar.
Peki bu denklemlerin nesi özel? Bir kere çok kısa ve zarifler, ki bu hallerini de Heaviside'a borçluyuz aslında, yine pek bilinmeyen bir isim.
İkincisi, elektrik ve manyetizmayı birleştiriyorlar. Mesela, hareket eden bir mıknatıs etrafında elektrik alanı yaratıyor. Zaten dünyadaki her enerji santrali de böyle çalışıyor. Kömür, nükleer, hidroelektrik, rüzgar, fark etmez, eninde sonunda yaptıkları şey mıknatıs döndürmek. Güneş enerjisi farklı yalnız, ona haksızlık etmeyelim.
Daha ilginci ve Maxwell'in orijinal katkılarından birisi, hareket eden ve değişen elektrik alanları da manyetik alan yaratıyor. Yani ortada bir simetri var. Bunun doğrudan bir sonucu, belli şartlar sağlandığında, değişen bir elektrik alanının manyetik alan yaratması, onun değişiminin de yine elektrik alanı yaratması ve böyle böyle, kendini idame ettiren bir dalga olarak ilerlemesi. Elektromanyetik dalga bu. Sürekli birbirini tetikleyerek değişen ve ilerleyen elektrik ve manyetik alanlar.
Eğer 1800lerin sonlarında yaşayan bir fizikçi olsaydık, bu noktada fiziğin sınırlarına geldiğimizi düşünmemiz gayet anlaşılır olurdu. Newton Mekaniği cisimlerin hareketini, Maxwell Denklemleri de elektromanyetizmayı tamamen ve deterministik bir şekilde açıklıyor. Kalanı detay olmalı.
Hatta, ikisi arasında zarif bir benzerlik de var: Newton'un evrensel çekim yasası ne diyordu? İki cisim arasındaki çekim kuvveti, büyüklükleriyle doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesiyle de ters orantılıdır. Maxwell'den önce de bilinen Coulomb Kanunu ne diyor? İki elektrik yükü arasındaki çekim kuvveti, yüklerin büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesiyle de ters orantılıdır. Tek fark, denkleme eklenen sabitler ve yerçekiminin hep çekerken, elektromanyetizmada çekim veya itim olması. Ama genel biçim tıpatıp aynı. Buna bakan biri artık evrenin sırrını çözdüğünü düşünmez mi?
İronik bir şekilde, klasik fiziğin bir parçası olarak onu tamamlayan Maxwell Denklemleri, aynı zamanda onun çöküşünü de sağlayacak iki dinamit döşüyordu. Bunlardan biri referans çerçeveleriyle alakalı ve bizi izafiyet teorisine götürecek, diğeri de ışıkla alakalı ve bizi kuantum fiziğine götürecek. Ve her ikisini anlamak için de tarih yolculuğumuzda Maxwell'den ileriye değil, geriye doğru gitmemiz gerekiyor.
Galileo Dönüşümü
Galileo'yu, Dünya’nın Güneş etrafında döndüğünü savunmasından ve bu yüzden yargılanmasından ötürü tanıyorsunuzdur. Aslında bu fikirleri geliştiren Kopernik’ti. Galileo, onun teorisinin basımından 20 sene sonra doğmuştu ve katkısı, yeni teleskobuyla teoriyi destekleyen kanıtlar bulmak olmuştu. Çağdaşı Kepler bu kanıtları da kullanarak gezegenlerin hareketini formüle etti -ki bu Galieo tarafından pek kabul görmemiş- Newton da bu formülleri tüm hareket eden cisimlere genelleştirdi, genel akış böyle.
Ama bu, Galileo'nun katkılarından sadece biriydi. O genel olarak hareketle ilgileniyordu ve 1632'de, ilk izafiyet teorisini ortaya attı. Einstein'ın teorisine de temel olacak bu teori, çok temel bir onkabülü yıkıyordu: Yönü ne olursa olsun, ivmelenmeden, sabit hızda hareket eden tüm sistemlerdeki hareket kanunları aynıdır.
Bu arada “sistem”, “perspektif”, “referans çerçevesi” (frame of reference) diyeceğim hep, hepsi aynı şey. Bunlar bir gezegen olur, at arabası olur, durağan bir gemi olur, hızlı bir tren olur fark etmez. Mühim olan hepsinde aynı kuralların işlemesi. Bunun bir sonucu olarak da mutlak hareket ve mutlak hareketsizlik diye bir şey kalmıyor.
Bunu şöyle gösteriyo Galileo: Bir gemi limandayken, güverteye çıkıp bir topu elinizden yere bırakın, düştüğü yeri işaretleyin. Şimdi aynısını gemi hareket halindeyken yapın, top yine dümdüz aşağı düşecek. Yatay bir hareket yok. Ama sizi denizden izleyen bir balık ne görüyor? Topun da geminin de yatay olarak ilerlediğini. Eğer gemiyi dünya olarak düşünürsek, biz dünyaya göre durağan olabiliriz fakat başka bir gezegenden bakınca hareket halindeyiz. Hangisi haklı? Gemici mi, balık mı? İkisi de. Geminin referans çerçevesi balığınkinden, dünyanın referans çerçevesi de başka gezegenlerinkinden daha üstün değil, dolayısıyla hareket göreceli.
Newton da dedi ki, ben bu sistemler arasında geçiş bile yaparım. Eğer gemideyken, topu ileriye doğru saatte 10 km hızla atarsam, topun hızını o şekilde görürüm. Balığın perspektifine geçmek için, topun hızına geminin hızını da eklememiz lazım. Veya top ile gemi farklı yönlere doğru gidiyorlarsa, balığın bunların hızlarını birbirinden çıkarması gerekiyor. Herkes aynı düzlemde olunca bunlar kolay tabii ama belki gemi balığa kıyasla çarpraz ilerliyor? Sorun değil, balık kendi koordinat sistemini ona göre ayarlayarak topun hızını ve konumunu hesaplar. Ortaokulda hepimizin yaptığı şeyler, büyütülecek bir durum yok, balık mı yapamayacak bunu!
İşte referans çerçeveleri arasındaki bu geçişin aritmetiğine Galieo veya Newton Dönüşümü deniyor. Newton'un tüm kanunları da bu dönüşüm sayesinde her yerde çalışıyor. Yani ileriye atılan topun nereye ne zaman düşeceğini, gemidekiler de balık da aynı formüllerle hesaplayabiliyorlar. Newton herkese lazım.
Ama Maxwelll'in denklemleri her yerde aynı şekilde çalışmıyor! Bunun matematiksel kanıtı zor değil de ben kavramsal olarak şöyle hayal ediyorum: Deminki gemide elinizde top değil de mıknatıs olduğunu düşünün. Elinizde duruyor, bir şey yaptığı yok. Peki balığın perspektifinden durum ne? Mıknatısın hızını ve hareketini, Galileo dönüşümüyle hesaplayabilir ve bir elektrik alanı yaratıldığını görür. E şimdi, gemidekilerin perspektifinden elektrik alanı yok, balığın perspektifinden var. Veya gemideki mıknatısla yürüsem biraz elektrik üreteceğim ama bize ters yönde giden bir gemiden bakanlara göre devasa bir elektrik üretimim olacak. Böyle olsaydı ne güzel olurdu, durduğumuz yerden enerji sorunumuzu çözerdik.
Dolayısıyla 3 ihtimal vardı:
Ya Maxwell Denklemleri yanlıştı... ki bu denklemler dünya kadar deneysel veriden türetildiler, onlara ne olacak?
Ya Galileo Dönüşümü yetersizdi. Bu Newton mekaniğine ciddi darbe vuracaktı.
Ya da her ikisi de iyi çalışıyor. Ama sorun, denklemlerin bildiğimiz saf hallerinin, ether denen mutlak bir referans noktası için geçerli olmalarıydı. Ethere göre hareket halinde olan bir sistemin perspektifini kullanacaksak, denklemlere biraz ekleme yapmak gerekiyordu.
Hoppala, nedir bu ether, nerden çıktı? Zamanda biraz daha geriye gidelim, merak etmeyin, sonra dönüşümüz muhteşem olacak.
Orijinal Çift Yarık Deneyi (1803)
Ta 1600'lü yıllardan beri ışığın doğası hakkında bir tartışma süregeliyor, bir grup dalga diyor, bir grup parçacıklardan oluştuğunu söylüyordu. Bir şeyin dalga olması için, başka bir şey içinde titreşmesi ve ilerlemesi lazım değil mi? Su dalgası için su gerek, ses dalgası için atomlarla dolu bir hava gerek, ışık için de bir ortam gerek diye düşündü insanlar ve uzayı dolduran "ether" hipotezi öne sürüldü.
Newton karşı kamptaydı, "ether her yeri dolduruyorsa gezegenlerin hareketini de etkiler, o kadar yasasını yaptık bu işin, biliyoruz da konuşuyoruz" dedi. Zaten adamın bütün evren görüşü kütlelerin çekimi ve hareketleri bazında olduğu için, ışığı da böyle hayal etmesi çok doğal. Newton'un isminin ağırlığı ve birtakım deney sonuçları yüzünden parçacık teorisi uzun süre rağbet gördü ama 1800'lerin başında Thomas Young'ın yaptığı orijinal çift yarık deneyi ile bir kırılma yaşandı.
Young, soyadı gibi henüz 28 yaşında bir gençken, halihazırda fizik profesörüydü ve her zamane fizikçisi gibi herrr şeyden anlıyor ve boş vakitlerinde ışığın davranışını inceliyordu.
Işıktan önce ufak bir havuzu düşünelim beraber. Millet havuzda yüzerken siz umarsızca orta yere bir taş attınız ve etrafa yayılan dalgaları izlemeye koyuldunuz. Eğer o dalganın yoluna bir bariyer koyar ve bariyere de tek bir yarık koyarsanız ne olur? Dalganın çoğu bariyere çarpıp geri döner, bir kısmı da yarıktan devam eder. Fakat dümdüz devam etmez, yarık yeni birer dalga kaynağıymışçasına davranır. Sanki tam o yarıktaki noktaya biraz daha ufak bir taş atmışsınız da o yeni dalganın yayılmasını izliyorsunuz gibi.
Buna kırınım deniyor (diffraction). Young'dan çok önceleri Huygens (Höehğıns diye okunuyor), bir dalganın aslında her noktasının ayrı bir dalga kaynağı gibi davrandığını söylemişti. Yan yana sonsuz sayıda olan bu noktalardan sürekli yayılan dalgaların çoğu birbirini sönümlendiriyor, geriye kalan şey ilerleyen tek bir dalga hattı oluyor. Bariyerin yaptığı iş de, tüm noktaları eleyip, geride tek bir noktayı bırakmak, o yüzden tekrar oradan dalga yayılmasını izliyoruz.
Sonra ne oluyor? O dalga havuzun duvarına çarpıyor. Tam yarığın hizasındaki kısma dalganın en şiddetli kısmı vuruyor, iki yanına doğru da giderek azalan şiddette ulaşıyor. Aynı deneyi su yerine ışıkla yaparsanız da bunu göreceksiniz. Işık sadece tam yarığın hizasındaki duvarı değil, yanları da aydınlatacak giderek azalan şiddette.
Tamam, şimdi bunu düşününce dedim ki, ulen çift yarık, üç yarık dört yarık, bunlara ne gerek varmış, tek yarık da ışığın dalga olduğunu kanıtlıyor işte. E öyleyse niye tüm kaynaklar bu işin tarihçesinde Young'ın deneyine sayfalar ayırıyorlar da, "tek yarık deneyi" diye bir şeyden bahseden yok? İşin garibi bunun sebebini arayınca da bulamadım. Dedim ben herhalde bir şey kaçırıyorum, son çare Twitter'a sorayım:
Doğru olduğunu düşündüğüm cevaba göre, Newtongiller bu bahsettiğimiz tek yarık fenomenini parçacıklarla açıklamışlar, daha doğrusu açıkladıklarını sanmışlar. Yani dar bir aralıktan geçen bir sürü parçacık hem birbirine çarpıp dağılıyor, hem de ortam değiştirdiklerinden bir kırılıma (refraction) uğruyorlar. İşte dar yarıklarda da atmosfer değiştiğindenmiş efenim, kırılma endeksi farklılaşıyormuş, parçalar sağa sola dağılıyormuş, yazmış da yazmışlar. Ama parçacıkların tam da bu şekilde, yani bir dalganın kırınıma uğraması gibi dağılmalarını nasıl açıklayabildiklerini göremedim, tesadüf mü demişler artık neyse.
İşte Young'un çift yarık deneyi, o zamanlar bile "ya tamam, bu sadece dalgalarda gözüken bir durum" diye kabul görebilecek bir sonuç içeriyordu: Girişim (interference).
Çünkü iki yarıktan aynı anda geçip yayılacak olan o ufak dalgalar, kendi içlerinde kırınım yaşadıktan sonra, bir noktada birbirleriyle çakışmaya da başlıyorlar ve böyle çakışarak ilerliyorlar. Bu çakışma bazı noktalarda dalgaları birbiri üstüne bindiriyor (yani ışık daha kuvvetli çarpıyor arkadaki duvara) bazı noktalarda ise birbirini sönümlendiriyor, oralar karanlık kalıyor. Ve duvarda dönüşümlü olarak, bir aydınlık, bir karanlık, bir aydınlık, böyle giden bölgeler görünüyor.
Özetle, tek yarıkta görünen kırınımın, ışığın dalga özelliğinin yeterli bir kanıtı olduğu anlaşılamadığı için, ancak çift yarık deneyiyle gözlemlenen girişim esas darbeyi vurmuş. Gerçi parçacıkçılar hemen pes etmiyorlar ama bu noktadan sonra 100 sene boyunca sürekli darbe yiyorlar. Dolayısıyla ether, yani ışık dalgasını taşıyan ortam, hiç gözlenmemiş olmasına rağmen kabul edilen bir bilgi haline geliyor.
"Ether" ve Tarihin En Ünlü “Başarısız” Deneyi
Şimdi dönelim Maxwell'e. Maxwell de ethere inanıyordu, bir ether müminiydi. Denklemlerini çözdüğünde inanılmaz bir şey gördü. Elektromanyetik dalgaların yayılma hızı sabitti ve o günlerde halihazırda deneylerle ispatlanmış olan ışık hızına çok çok yakında. Bu bir tesadüf olamaz dedi Maxwell. Evet, ışığın bir dalga olduğu yönünde bir kanıt daha toplanmıştı ama asıl devrim, artık bunun bir elektromanyetik dalga olduğu idi. Daha önceden tamamen alakasız gözüken elektrik, manyetizma ve optik, Maxwell ile birleşmişti. Bir elektrik yükünü belli bir şekilde hareket ettirirsek, zamana göre değişen elektrik ve manyetik alanlar dalga olarak ilerleyecek ve frekansını tutturmuşsak ışık olarak gözükeceklerdi. Uzun lafın kısası, ether, ışık dahil tüm elektromanyetik dalgaları taşıyacak bir ortam olmalıydı.
Dahası, bu dalgaların sabit bir hızının olması ne demek? Yani bu hız neye göre ölçülüyor? Hatırlayın, mutlak hareket diye bir şey yok, her hareket kendi referans sistemine göre ölçülüyor ve başka referans sistemlerinde bu hareketin hızı farklı gözükebilir. Oysa buradaki formülde hep aynı hız çıkıyor.
Ether yine imdada yetişti. Işık hızı, ethere göreydi. Her şeyin üstündeki esas referans sistemi buydu. Diğer referans sistemlerindeysek denklemin sabitlerini biraz değiştirmemiz gerekiyordu, yani Newton Yasalarındaki gibi her sistemde aynı formül değil. Çok zarif olmasa da durumu kurtarıyor.
Geriye ufak bir sorun kalıyor yalnız: Ether ne arkadaş? Kimse görmemiş, koklamamış, ölçmemiş. Garajımdaki Ejderha resmen. Ve tıpkı onun gibi, inanılmaz özelliklere sahip olması gerekiyor. Bunun bir sebebi şu: Elektromanyetik dalgalar tek bir düzlemde ilerlemiyorlar, birbirine dik iki düzlemde ilerliyorlar, biri elektrik, diğeri manyetik. Bunun ayrıntısı mühim değil ama sonuç olarak, bu şekilde bir iletimi, o hızda ve o frekanslarda ancak katılar doğru şekilde yapabilir diye düşünülüyor. Oysa ether katıysa, gezegenlerin hareketini engellerdi. Görünmez olması zaten ayrı felaket. Buna benzer birkaç fantastik ve çelişkili özellik gerektirmesine rağmen, insanlar ethere inanmaya dünden razıydılar çünkü aksini düşünmek bile abesti. Ama leyhte 1-2 deney verisi olsa da rahatlasaydık artık değil mi?
***
Yıl 1887, sahneye iki Amerikalı fizikçi çıkıyor, Michelson ve Morley. Vegas'ta bir şovları olsa iyi iş yaparlar, tam o işlere uygun isimleri var. Michelson-Morley. Bu ikilinin adını duymuş olabilirsiniz çünkü tarihin en ünlü "başarısız" deneyini yaptılar. Başarısız tırnak içinde tabii. Beklentileri, etherin ışık hızına olan etkisini ölçmekti.
Bu deneyin mantığı zor değil: Dünya, tıpkı diğer gezegenler gibi ether içinde hareket ediyorsa, o anki hareketin yönüne göre bir nevi rüzgar oluşacak. Durgun bir havada, bisikletle giderken yüzünüzde rüzgar hissetmeniz gibi, çünkü havadaki atomlara çarpıyorsunuz, onların açısından hızınız var. Burada da havanın yerini ether tutuyor, bisikletin yerini de dünya.
Gerçek rüzgarın aksine, doğrudan algılanamayan bu ether rüzgarının varlığını nasıl hesaplarız? Belli bir yöne doğru ışık gönderelim, uzaktan bir yerden yansıtılıp bize dönsün, hızını ölçelim. Ama aynı ışığın bir kısmını, kaynaktan çıktıktan sonra tam 90 derece açıyla başka yöne yansıtalım, onun da geri dönüşünü ölçelim aynı anda. Ether rüzgarı, bu iki ışığın hızını farklı şekillerde etkileyecektir. Belki biriyle kafa kafaya geldiği için onu yavaşlatacak, ama diğerine yandan çarptığı için dönüş zamanını değiştirmeyecek. Zaten dünyanın yörüngesi gereği, deney düzeneğinin yönü de ethere göre sürekli olarak değişiyor. Dolayısıyla tek yapmamız gereken, bu şekilde bir sürü ölçüm yapıp, dönen ışıkların zaman farkını kaydetmek.
Tabii bu kadar düz hesap değil, zira Dünya Güneş etrafında saniyede yaklaşık 30km gibi bir hızla hareket ettiğinden, etheri de kısmen beraberinde sürükleyecek, hızlı giden bir bisikletin etrafında hava kalkanı oluşması gibi. Onun da etkisini hesaba katmak lazım ama zaten o yüzden zeki insanlar fizikçi oluyorlar, bunu hesaba katmışlar.
Gelgelelim ışıkların dönüş zamanlarında bir fark gözlenmiyor. Daha doğrusu çok ufak bir fark vardı ama bu deney teçhizatının hata toleransı içindeydi. Sonraki yıllarda, giderek hassaslaşan ölçümlerle bu deney tekrarlandı ve her seferinde ether hipotezi boş çıktı.
Bu noktada ether öldü sanıyorsanız, insanoğlunun inatçılığını hafife alıyorsunuz demektir. Aslında deneyin alternatifleri, etheri yaşatmak ve öldürmek arasında bile değildi. Hangi ether anlayışı doğru, onu bulmaktı amaç: Etherin tamamen statik olduğu mu, dünya tarafından biraz sürüklendiği mi, yoksa dünya tarafından çokça sürüklendiği mi? Michelson ve Morley de "ha biz ölçemedik demek ki şu diğer ether anlayışı doğruymuş" diye yorumladılar sonuçları ilkin.
Bunların arasındaki farkların detayına inmemize gerek yok. Yalnız Lorentz ve Poincare dediler ki "biz favori ether versiyonumuzu kurtaracağız arkadaşlar. Ama bunun için Galileo transformasyonunu değiştirmemiz lazım. Nasıl mı? Hareket halindeki cisimlerin kısaldıklarını düşünerek! Hatta bu da yetmiyor, farklı referans çerçevelerindeki zamanı da biraz değiştirerek. Yani gerçek bir zaman var ama bazı sistemlerde ölçülen zaman biraz bozuluyor, onu hesaba katmaları lazım. Ve ışığın hızının, ether içinde sabit ve kaynak hızından bağımsız olduğunu düşünerek. Bunların hepsi onlar için zorla koydukları ek şartlar idi, amaçları Maxwell denklemlerini ether dolu bir evrende, hareketli bir sistemden diğerine dönüştürülebilir kılmaktı ve bunu başardılar.
Özel Görelilik
İşte böyle bir atmosferde Einstein ortaya çıkıyor. Ve farkediyor ki, efsane olması için gereken her şey hazır. Resmen pası açmışlar, al da at demişler. Önce, ether ve onun hesaplarda yarattığı karışıklıklara aslen hiç gerek olmadığını gördü. Zira ışık, boşlukta da ilerleyen bir dalga türü olabilirdi. Nasıl ki yerçekimi alanı boşlukta da etkin, elektrik ve manyetik alanlar da bu boşlukta varlar. Bu garip bir durum tabii ama ether için varsaydığımız fantastik özelliklerden daha garip değil. Bunu artık çöpe atalım gitsin dedi. Daha doğrusu, Occam'ın Usturası ile keselim gitsin.
Işık hızı da ethere özel filan değil, bunu her sistemde sabit kabul edelim denklemlerimize güvenerek. Tabii bu da günlük hayattaki tecrübemize tamamen ters bir durum. Galileonun o gemisindeki biri fener tutsa mesela, onun gördüğü ışık hızıyla, ters yönde giden bir gemidekilerin bu ışığa bakıp ölçtükleri hız hep aynı çıkacak, ne büyük saçmalık!
Yani sıkça sanıldığının aksine, Özel Görelilik makalesinde Einstein bunları kanıtlamıyor, bunları doğru varsayma cesaretini göstererek yola çıkıyor, bütün numara orada. Bir şey daha farzediyor: Tüm fizik kanunları gibi Maxwell'in denklemleri de farklı referans çerçeveleri arasında sabit olmak zorunda, yok öyle Mars’ta farklı denklem, Dünya’da farklı denklem, böyle işlememeli doğa. Öyleyse nasıl bir dönüşüm gerekiyor? Oturuyor matematiğini yapıyor ve ne görsün, Lorentz'in dönüşümleri çıkıyor ortaya.
Einstein fark ediyor ki Lorentz'in dönüşümleri, aslında bu elektromanyetizma denklemlerinin çok daha ötesine gidiyor, her fiziksel kanun için geçerliler, çünkü uzay-zamanın doğasını anlatıyorlar. Yani bir şey hareket halinde olunca, uzayın ve zamanın kendisi hakikaten de kısalıyor, bunlar sadece bir denklemi kurtarmak için yapılan hesap kitap kolaylıkları değiller. Mutlak uzay diye bir şey yok, doğru zaman diye bir şey yok, hepsi göreceli. Evet, eski anlayış, yavaş işleyen sistemler için yeterince isabetli bir yakınsamaydı ama elektromanyetik dalgalar gibi hızlı şeyleri anlatmakta yetersizdi. Gerçekten de hepimize özel bir zaman var.
Demek ki Lorentz ve özellikle de Poincare yüzüp yüzüp kuyruğuna kadar gelmiş ama gereken o kavramsal atlamayı yapamamışlar.
Eşzamanlılığın Göreliliği
Şimdi, Maxwell'den başladık, Galileo'ya kadar geri gittik, sonra da tekrar ileri sarıp az ötedeki durakta, Einstein'ı Einstein yapan 1905 yılında durup indik. Bu yolculuğu epey basitleştirdiğimi fark etmiştir bilenler, zira tarih lineer şekilde işlemiyor, bir sürü şey aynı anda olup bitiyor. Tabii basitleştirmenin ötesinde ciddi bir hatam varsa haber verirsiniz.
Bu noktadan daha da ilerlersek bölüm bir İzafiyet Teorisi bölümü haline gelecek, ama amacımız o değil, İkizler Paradoksu’na başka zaman bakarız. Biz şimdi bir u dönüşü yapıp, ana konumuza bağlanacağımız kavşaklardan birine sapalım: Mutlak zaman yoksa nedenselliğe ne oluyor?
Eğer bir gözlemciye göre A olayı, ancak B'den önce olmuşsa, onun sebebi olması ihtimali vardır. Ama bir başka gözlemciye göre, B A'dan önce oluyorsa, veya A ile B aynı anda oluyorsa kim haklı?
***
Eşzamanlılığın göreli olması fikrinin en klasik örneğini vereyim: Burada kahramanımız bir tren. Artık Galileo'nun gemilerinden trene geçtik. O zamanlar uçak da vardı gerçi ama bayağı yeni ve güvensiz olduğundan olsa gerek, treni kullanmış fizikçiler. Sabit hızda hareket halinde bir tren var, bunun tam ortasında duran biri, tam bir istasyonun önünden geçerken elindeki lambasını yakıyor. Vagonun içindeki birine göre, hareket eden tek şey ışık. Işık kaynağı da trenin önüne ve arkasına eşit mesafede olduğu için, oralar aynı anda aydınlanacaklar, bir eşzamanlılık var. Bize en doğal gelen senaryo da bu.
Ama aynı olayı istasyondaki gözlemci nasıl görüyor? Işığın hızı onun açısından da aynı, trenin hızına eklenma çıkarma filan yok. Ama sonuçta, lamba yanar yanmaz yola çıkan bir dalga var. Ve trenin arkası, bu noktaya doğru hareket ediyor. Dolayısıyla bu dalga ile arka kısım arasındaki mesafe azalıyor. Ön taraf da tersine ışığın ilk yola çıktığı koordinattan uzaklaştığı için, mesafe artıyor. Dikkat edin bu koordinat sistemi istasyondaki biri için anlamlı, trendeki biri için değil. Dolayısıyla istasyondakinin perspektifinden, ışık önce arkaya, sonra öne vuruyor. Eşzamanlılık kayboldu.
Şimdi bu düşünce deneyine 3. bir referans noktası da ben ekleyeyim: Trene paralel bir ray hattında, daha hızlı bir tren geçiyor olsun. Oradaki birinin perspektifinden, orijinal trenin önü, ışık kaynağına doğru gidiyor olacak, arka kısmı ise ışık kaynağından kaçıyor olacak. Böylece tam tersine, önce ön tarafın aydınlandığını görülecek.
Bu örnek niye önemli? Eğer farklı referans çerçevelerinde olay sırası değişiyorsa, ve referans çerçevelerinin de birbirine herhangi bir üstünlüğü yoksa, hepsi aynı derecede "doğru" iseler, bu olaylar arasında bir nedensellik ilişkisi bulunduğu söylenemez. Dolayısıyla 1905 ertesi bir dünyada nedenselliğin yeni sınırı şu oluyor: İvmesiz hareket eden tüm olası referans çerçevelerinden bakıldığında, sebep sonuçtan önce gelmeli, bu şart sağlanmıyorsa nedensellik olmaz.
Tabii bu şartı sağlayan her olay nedensellik ilişkisi içeriyor demiyoruz. Önceki iki bölümde tam olarak neyin nedensellik olduğu üstünde uzun uzun konuşmuştuk. Görelilik sadece sebep-sonuç olamayacak olayların kümesini belirliyor.
Olası nedensel ilişkinin geometrisini, Minkowski uzayıyla ve ışık konileriyle görselleştirmek mümkün, ilgilenenlere bir video linkliyorum PBS Spacetime'dan. Buradaysa direkt sonucu söyleyeyim: Nedenselliğin korunması için, hiçbir madde veya bilgi, boşluktaki ışık hızından hızlı hareket edemez. Eğer daha hızlı giden bir şey olsaydı, sadece trendeki gibi olayların değil, kendi zaman çizgimizdeki olayların da sırası değişirdi. Bir başka deyişle, kendi geçmişimize sinyal göndermemiz olası olurdu, nedensellik de patlar giderdi.
Biz zaten bunu, kehanetlerle görmüştük, yahut daha bilimselleştirsek, deterministik evren + sonsuz öngörü gücü kombinasyonunda görmüştük. O imkana sahip biri, gelecekten, kendi anına bilgi yollayabildiği için tüm ilişkileri patlatıyordu. Buradaysa diyoruz ki, "öngörü möngörü bilmem ama ışık hızını aşamazsın, onu bil".
Nitekim ışık olmayan ama o hızda giden başka şeyler var: Ttüm elektromanyetik dalgalar, yerçekimi alanındaki değişim, ve teorik olarak kütlesi olmayan her şey bu hızda gitmek zorunda ama aşamıyorlar.
Yani özel görelilik, ışık hızını, sadece ışıkla alakalı bir şey olarak görmüyor; nedenselliğin korunması için gereken evrensel bir hız limiti olarak ortaya koyuyor.
Gelecek Bölüm
Bence burası soluklanmak için iyi bir fırsat. Ama Einstein'la işimiz bitmedi. Zira aramızdaki Einsteinlar bilecektir, kendisi Nobel Ödülü'nü bu kuramıyla değil, aynı sene yazdığı fotoelektrik etkisi makalesiyle kazanmıştı. Burada foton diye bir kavram ortaya atmış, yani o kadim dalga-parçacık kavgasına dahil olmuş ve dalgacıların Maxwell ile perçinledikleri 100 senelik hakimiyetlerini bitirmişti. Daha doğrusu, artık ışığın hem dalga hem parçacık olması gibi yine tüm günlük tecrübelerimize ters gelen bir görüş hakimiyet kazanıyordu. Zaten muhtemelen bu çalışmaları yüzünden, izafiyet çalışmalarının başında "ether" fikrinden kurtulması kolay olmuştu. Bu meret saf bir dalga değilse, ethere olan ihtiyaç da azalacaktı.
Velhasıl, foton kavramının ucu bir devrime çıkacak ve bu devrim de, her devrim gibi, ilk çocuklarından olan Einstein'ı kısa sürede yutacaktı. Özgür İrade serimizin devamında Einstein-Bohr tartışmasını, kendi denklemlerini bile anlamamış olan Heisenberg ile Schrödinger'i, evinizde bile yapabileceğiniz bir kuantum deneyini, gerçekçilik (realizm), yerellik (lokalite) ve de özgürlük anlayışımızı derinden sarsan Bell Teoremini ve modern çift yarık deneylerini göreceğiz.
Gelecek bölümü ise dalga ve alan kavramlarını pekiştirmeye ayırdım.
