Skip to content Skip to navigation

Bilimsel Kuramlar ve Zaman

Dr. Mahir E. Ocak
18/07/2014 - 14:55

İçinde yaşadığımız evreni açıklamak için geliştirilen fiziksel kuramlardaki en önemli kavramlardan biri “zaman”. Fakat hepimizin aşina olduğu bu kavram için hâlâ bir tanım yapılamıyor. Hatta yakın zamanlarda kuantum mekaniği kullanılarak geliştirilen bazı kuramlar, zaman diye bir şeyin olup olmadığının bile sorgulanmasına neden oluyor. Bugün pek çok bilim insanı “eksiksiz” bir fiziksel kuramın, zaman içinde meydana gelen değişikliklerin yanı sıra zamanın “ne olduğunu” ve “nereden kaynaklandığını” da açıklaması gerektiğini düşünüyor. Gelin, zaman anlayışımızın geçmişten günümüze nasıl değiştiğine hep beraber göz atalım.

Özel görelilik kuramı ile birlikte zaman anlayışımız tamamen değişti. Bu yeni anlayışa göre zaman mutlak değildir ve farklı gözlemciler için farklı hızlarla akar. Önce bu yeni anlayışa ihtiyaç duyulmasının nedenlerine bir bakalım. Albert Einstein, özel görelilik kuramını geliştirmeye iki varsayım ile başlar:

  • Fizik yasaları tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynıdır,
  • Işık tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynı hızla yol alır.

Bu varsayımlardan birincisi, aynı başlangıç koşulları için aynı sonuçları tahmin eden, fakat farklı referans sistemlerinde farklı biçimlerde ifade edilen fizik yasalarını mantıksal bir çerçevede birleştirme isteğidir. İkinci varsayım ise ışık hızının klasik mekanikteki (öklidyen geometriye ait) vektör toplama kurallarına uymadığını gösteren gözlemlerin bir sonucudur. Daha önce verdiğimiz örneğe geri dönersek, kaldırımda duran gözlemciye göre yolda 20 metrelik mesafeyi 10 saniyede alan aracın hızı (20 m/10 s) = 2 m/s'dir. Aynı yolda, bu araçla aynı yönde 1 m/s hızla yol alan bir aracın içindeki gözlemci içinse aracın hızı (2 m/s-1 m/s) = 1 m/s'dir. Gözlemler, sağduyuya gayet uygun olan bu durumun ışık hızı için geçerli olmadığını gösterir. Kaldırımdaki gözlemciye göre c m/s hızla hareket eden bir ışık ışınının hızı aracın içindeki gözlemci için (c-1) m/s değil, yine c m/s'dir. Bugün bu varsayımların sadece bir tanesinin özel görelilik kuramını geliştirmek için yeterli olduğu biliniyor. Başka bir deyişle eğer varsayımlardan birinin doğruluğunu kabul ederseniz, diğer varsayım kuramın bir sonucu olur.

Özel görelilik kuramının neden zamanın mutlak olmadığı sonucuna ulaştığını anlamak için kurama daha modern bir açıdan bakmak gerekiyor. Yukarıdaki örneğe geri dönersek, bir gözlemcinin aracın iki nokta arasındaki mesafeyi ne kadar sürede katettiğini ölçmesi için aracın bu noktalardan ne zaman geçtiği “bilgisine” sahip olması gerekir. Peki, bu bilgi gözlemciye “hangi hızla” ulaşır? İki ihtimal var: birincisi bu hızın “sonsuz”, ikincisiyse “sonlu” olması. Eğer bilginin ulaşma hızı sonsuzsa aracın bir noktadan geçmesi ile bu olayın gözlemlenmesi arasında zaman geçmeyecek, yani gözlem “olayın gerçekleştiği anda” yapılacaktır. Bu durumda zaman mutlak olur. Çünkü olaylar “gerçekleştiği anda” gözlemlendiği için farklı olaylar arasındaki zaman farkı da tüm gözlemciler için aynı olacaktır.

Bilginin ulaşma hızının sonlu olduğu durumsa tamamen farklı. Gözlemci olaydan ne kadar uzaktaysa bilgi o kadar geç ulaşacaktır. Bunun yanında bilgi, gözlemci olayın olduğu yere yaklaşıyorsa daha erken, olayın olduğu yerden uzaklaşıyorsa daha geç ulaşacaktır. Dolayısıyla, gerçekleşen bir olay hakkındaki bilgi uzaydaki konumları ve hızları farklı olan gözlemcilere farklı sürelerde ulaştığı için, bilginin ulaşma hızının sonlu olduğu durumda zaman mutlak olma özelliğini kaybeder. Böylece farklı gözlemciler tarafından zaten farklı ölçülen üç uzay koordinatına ek olarak zaman, dördüncü bir koordinat olur. Burada dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta, farklı olarak ölçülen şeyin koordinatlar olduğu fakat fiziksel olayların değişmediğidir. Örneğin iki nesne bir referans sisteminde çarpışıyorsa, diğer tüm referans sistemlerinde de çarpışacaktır. Olayın gerçekleştiği konum ya da zaman aralığı farklı referans sistemlerinde farklı ölçülebilir. Fakat fiziksel olarak meydana gelen olay değişmez. Bu bakımdan “görelilik kuramı” ifadesinin iyi bir adlandırma olmadığı söylenebilir. Kuram, esasen Einstein'ın yaptığı birinci varsayımda ifade edilen şeyi, yani fizik yasalarının tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynı olduğunu söyler. Zaten Einstein da kurama yakıştırılan ismi beğenmemiş ve kuramın geliştirilmesinden yıllar sonra bile yazdığı makalelerde kuramdan “görelilik kuramı olarak adlandırılan” şeklinde bahsetmiştir. Bu kısmı bitirmeden önce “gözlemcinin” bilinçli bir varlık olması gerekmediğini de söyleyelim. Örneğin iki elektrik yükünden oluşan bir sistemde, yüklerden birinin konumu değiştiği zaman diğerinin üzerindeki kuvvet ancak “konumun değiştiği bilgisi” ulaştıktan sonra değişecektir. Başka bir deyişle etkileşimler uzayda sonlu bir hızla yayılır; bu hız ışık hızına eşittir.

1920'lerde kuantum mekaniğinin geliştirilmesinden sonra zamanın ne olduğu daha çok sorgulanmaya başlandı. Günlük hayatta pek karşılaşmadığımız birçok olguyu başarılı bir şekilde tahmin eden kuantum mekaniği, daha çok küçük ölçekteki -az sayıda parçacık içeren- sistemlere uygulanır. Fakat kuram aslında her ölçekte geçerlidir. Dolayısıyla -tahminleri ile uyum içinde olmayan herhangi bir deney sonucu olmadığı için- tüm zamanların en başarılı kuramlarından biri olarak görülen kuantum mekaniği, evrenin tamamına da uygulanabilir.

Kuantum mekaniğinin tüm evrene uygulanmasıyla hangi sonuçların elde edileceğini görmek isteyen kuramsal fizikçiler John Wheeler ve Bryce DeWitt, 1960'ların ortasında yeni bir denklem geliştirdi. Hayli karmaşık olan ve birkaç değişkene bağlı olarak evrenin dalga fonksiyonunu veren bu denklemde ilginç bir biçimde “zaman” yer almıyordu. Buradan çıkarılan sonuç ise evrenin kuantum durumunun hiç değişmediğiydi. Bu çıkarımın algılanan gerçekliklerle uyum içinde olmadığı aşikâr çünkü evrenin genişlediğini gösteren pek çok gözlem var: Canlılar doğuyor, yaşıyor ve ölüyor. Tüm bu değişiklikler olurken hiçbir şeyin değişmediği bir evren nasıl düşünülebilir?

Wheeler-DeWitt denkleminin ne anlama geldiği konusunda hâlâ bir uzlaşma yok. Örneğin fizikçi Julian Barbour “zamanın geçmesi” olarak algıladığımız şeyin zihnimizden kaynaklandığını, fakat aslında zaman diye bir şey olmadığını düşünüyor. Barbour'un düşüncesine göre evren -sinema filmlerinin art arda görüntülenen durgun resimlerden oluşmasına benzer biçimde- çok sayıda “şimdi”nin sıralanmasından oluşuyor. Zaman olarak algıladığımız şeyin kaynağı ise beynimizin bu resimleri algılama biçimi.

Zamanın bir yanılgı değil, gerçekten var olan bir şey olduğunu düşünen fizikçiler de var. Bu fizikçilerden biri olan Lee Smolin'e göre sorun doğa yasalarının mutlak ve değişmez olarak düşünülmesinden kaynaklanıyor. Kuantum mekaniğine özgü bazı süreçlere göre karadelikler, her biri “farklı fizik yasalarına” sahip evrenlerin doğum yerleri olabilir. Eğer bu doğruysa en yaygın evrenlerin, karadeliklerin oluşmasına uygun olan evrenler olduğu bir doğal seçilim söz konusu olmalıdır. Smolin kendi varlığımızın kozmik bir evrimin kanıtı olduğunu ve evrim zaman içinde gerçekleşen bir olgu olduğu için zamanın yanılgı değil, gerçek olduğunu ileri sürüyor. Fakat karadeliklerin yeni evrenlerin doğum yeri olduğuna dair herhangi bir kanıt olmadığı için çok sayıda fizikçi bu görüşe karşı çıkıyor.

Sonuç olarak zamanın ne olduğunu anlayabilmek için hâlâ biraz zamana ihtiyacımız olduğunu söyleyebiliriz.

İlgili İçerikler

Fizik

Söz konusu elektronlar, protonlar gibi “noktasal” parçacıklar olduğunda aynı işaretli elektrik yüklerinin birbirini ittiği, zıt işaretli elektrik yüklerinin birbirini çektiği bilinir. Ancak çok sayıda elektrik yüklü noktasal parçacığın bir araya gelmesiyle oluşan “bileşke” parçacıklarda durum farklıdır. 

Fizik

Danimarkalı gökbilimci Ole Christensen Romer, ışık hızını belirlemek için çalışmalar yapan ilk bilim insanlarından biridir. Romer, yaptığı uzun süreli gözlemler sonucunda Jüpiter’in uydularından Io’nun iki tutulması arasında geçen zamanlarda farklılıklar tespit etti.

Fizik

Bu etkinliğimizde yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin farklı enerji türlerine dönüştüğünü gözlemleyebileceğimiz bir düzenek tasarlayacağız.

Fizik

James Watt’ın buhar motorunu keşfetmesi Sanayi Devrimi’nin başlangıcı olarak kabul edilir. James Watt, buhar motorunu madenlerde ortaya çıkan suyun dışarı pompalanması için etkili bir yöntem ararken geliştirdi. İlk yazımızda Arşimet, 12. yüzyılda yaşayan el-Cezeri ve 16. yüzyılda yaşayan Takiyüddin’in suyun yukarı taşınması için geliştirdikleri düzenekleri anlatmıştık.

Fizik

Uluslararası bir araştırma grubu, araçların arka kısımlarına hava püskürten cihazlar yerleştirerek hava sürtünmesini azaltmayı başardı. Dr. Ruiying Li ve arkadaşları tarafından yapılan araştırmanın sonuçları Physical Review Fluids’te yayımlandı.

Fizik

Bu etkinliğimizde maliyeti uygun malzemelerden güneş enerjisi ile çalışan bir yel değirmeni düzeneği tasarlayarak enerji dönüşümünü gözlemleyeceğiz.

Fizik

Zürih Federal Teknoloji Enstitüsü ve Zürih Üniversitesinde çalışan bir grup araştırmacı, aşırı derecede düşük sıcaklıklara soğutulduğunda bile suyun donmasını engelleyen bir yöntem geliştirdi. 

Fizik

Nano ölçekteki malzemelerin özelliklerinin anlaşılması için gerçekleştirdiği uluslararası düzeyde üstün nitelikli çalışmalarıyla 2018 yılı TÜBİTAK Teşvik Ödülü’ne layık görülen Doç. Dr. Hasan Şahin ile bir söyleşi gerçekleştirdik.

Fizik

Gözümüz karanlık veya aydınlık ortamlarda, nesnelerin çok uzakta ya da çok yakında olduğu durumlarda net görüntüler oluşturabiliyor. Etkileyici fotoğraflar çekebilmek içinse fotoğraf makinesinde doğru ayarların yapılması gerekiyor. Gelin, görüntü oluşturma özelliğine sahip olan insan gözü ile fotoğraf makinesini karşılaştıralım.

Fizik

İletken, yüksüz iki levhanın birbirine paralel biçimde boşlukta konumlandırıldığını düşünelim. Klasik elektromanyetik kuram levhalara net bir elektriksel kuvvet etki etmeyeceğini söyler. Ancak gerçekte durum çok daha farklıdır.