Einstein, ışığın büküldüğünü nasıl keşfetti?
Işık büyük bir madde kütlesinden geçtiğinde ne olur? Orijinal yoldan ayrılmadan düz bir çizgi boyunca mı devam ediyor? Yakındaki maddenin yerçekimi etkisinden dolayı bir kuvvet alacak mı? Eğer öyleyse, üzerindeki kuvvet miktarı nedir?
Bu sorular, yer çekiminin nasıl çalıştığını göstermesi için basittir. Bu yıl 2019, genel göreliliğin onaylanmasının 100. yıl dönümü. 29 Mayıs 1919'da tam bir güneş tutulması meydana geldiğinde, iki bağımsız ekip güneşin kenarına yakın yıldızların konumlarını başarıyla ölçtü. O zamanki en yüksek teknoloji seviyesi ile elde edilen gözlem sonuçlarıyla, uzaktaki yıldız ışığının güneşin yerçekimi tarafından bükülüp bükülmeyeceğini ve eğilme derecesini belirlediler. Bu sonuç birçok insanı şok etti, ancak Einstein cevabın ne olduğunu şu anda biliyordu.
Resim: Kütleçekimsel mercek ve kütle nedeniyle yıldız ışığının bükülmesine bir örnek. Kantitatif tahminlerde bulunmadan önce, Einstein bu teoriyi ortaya atmadan önce, ışığın kütlenin etkisiyle bükülmesi gerektiğini biliyordu. (NASA Ulusal Havacılık ve Uzay İdaresi / STSCI Uzay Teleskopu Bilim Enstitüsü)
Bir asansörde olduğunuzu hayal edin, tüm kapılar kapalı. Dışarıda çalışan motorun sesini duyabilirsiniz, ancak dışarıda neler olduğunu göremezsiniz. Sadece asansörün içinde ne hissedebileceğinizi ve ne gördüğünüzü bilirsiniz. Şimdi, en fiziksel sorulardan bazılarını sormak için elinizden gelenin en iyisini yapın. Ne kadar hızlı ve hangi yönde ilerliyorsunuz? Sporunuz değişiyor mu? Eğer değiştiyse, buna ne sebep oldu?
Asansörde dışarıda neler olduğunu göremiyorsunuz, bu soruların cevaplarını bilmeniz neredeyse imkansız. Görelilik yasalarına göre - Einstein'dan önce, Galileo'ya kadar - hareket edip etmediğinizi bilmiyorsunuz.
Örnek: Fotonların iki ayna arasında sekmesiyle oluşan bir foton saati, herhangi bir gözlemci için zamanı tanımlayabilir. İki gözlemci ne kadar zamanın geçtiği konusunda hemfikir olmasalar da, ışık hızı gibi fiziksel yasalar ve kozmolojik sabitler üzerinde anlaşacaklar. Her gözlemci sadece zaman atlama hızındaki değişimi hissetmekle kalmaz, aynı zamanda sınırlı referans çerçevesinden dış dünyadaki hiçbir şeyi anlayamaz. (John D. Norton)
Fizik yasaları hızınıza bağlı değildir ve dış dünyaya göre hızınızı bilmek için asansörün içinden sadece hızınızı ölçemezsiniz. Asansörünüz, hareketi değişmedikçe yukarı, aşağı, yatay veya herhangi bir yönde hareket edebilir, aksi takdirde asansörde olan hiçbir şeye fiziksel bir etkisi olmayacaktır.
Görelilik ilkesi budur: tüm atalet (hızlanmayan) referans çerçeveleri aynı fiziksel yasaları ve denklemleri takip eder. Sabit bir asansörde dünyanın ve sürekli hareket eden bir asansörde dünyanın özellikleri hiçbir gözlemciden ayırt edilemez. Sadece dışarıyı görebildiğinizde ve egzersizinizi dışarıyla karşılaştırabildiğinizde nasıl egzersiz yaptığınızı bilebilirsiniz.
Resim: 19 Nisan 2013'te, Bion-M 1 ile bir Soyuz 2.1 A roketi havalandı. Bir roketin ivmesi, bir arabanın veya yeryüzündeki serbest düşüşteki herhangi bir nesnenin ivmesinden çok daha hızlı değildir, ancak bu ivmeyi bir seferde birkaç dakika koruyarak, dünyanın yerçekiminin kısıtlamalarını kırmalarına izin verebilir. Roketin içindeki gözlemciler için sabit bir ivme hissedecekler, ancak kaynağını belirleyemeyecekler. İvme durduğunda, dış dünyayı gözlemleyemedikleri sürece hızlarının ne olduğunu bilmiyorlar. (ROSKOSMOS Rus Uzay Ajansı)
Mutlak hareket olmadığı kavramı, özel görelilik teorisinin özüdür: hızlanmayan tüm gözlemciler eşit derecede görüşlerinin doğru olduğunu iddia edebilirler.
Ancak asansör hızlanırsa durum çarpıcı biçimde değişir. Asansör, 9,8 m / s2'lik bir ivmeyle yukarı doğru hızlanır ve asansördeki tüm nesneler, asansöre göre aynı ivmeyle aşağıya kata doğru hızlanır: 9,8 m / s2. Hızla hızlanan (kendinizi koltuğa geri itilmiş hissediyorsunuz) veya yavaşlayan (ileri itilmiş hissediyorsunuz) bir arabadayken, hissettiğiniz etki hızlanan bir asansördeki birinin hissine benzer. . Tıpkı Newton'un en ünlü denklemi olan F = ma'dan beklediğiniz gibi, hissettiğiniz kuvvete neden olan hareketteki değişimdir - ivmedir.
Örnek: Bir araba sabit bir hız yerine hızlandırılmış hareket yaşadığında, sürücü ve yolcular, ivme ile çarpılan kütlelerine eşit bir kuvvet hissedeceklerdir. Dış dünyayı göremediğiniz veya gözlemleyemediğiniz kapalı bir sistemde bile, deneyiminizin belirli bir ivmeyle tutarlı olduğu sonucuna varmanız için bir güç olacaktır. (Ulusal Otomobil Müzesi / Miras Resimleri / Getty Images)
Şimdi başka bir soruya geçelim. Aynı asansördeyseniz, ancak hızlanmıyorsanız, ancak dünyanın yüzeyinde dinleniyorsanız, içeride ne yaşayacaksınız?
Dünya'dan gelen yerçekimi, dünya yüzeyindeki tüm nesneleri aynı ivmeyle (9,8 m / s2) aşağı doğru çeker. Asansör yerde duruyorsa, dünyanın yerçekimi asansördeki her nesnenin 9.8m / s2 hızında aşağıya doğru hızlanmasına neden olacaktır: bu, bu hızda yukarı doğru ivmelenen yerçekimi alanında olmayan bir asansörün sonucuyla aynıdır. Asansördeki insanlar için dış dünyayı görmenin ve durağan olup olmadıklarını bilmenin bir yolu yoktur, ancak yerçekimi alanında veya dış itme nedeniyle hızlanma altında bu sahneler aynıdır.
Örnek: Hızlanan bir rokette (solda) ve dünyada (sağda) düşen bir topun aynı davranışı Einstein'ın denklik ilkesini temsil edebilir. Herhangi bir noktada yerçekiminin ivmesini ölçmek, diğer hızlanma biçimlerinden farklı değildir; dış dünya hakkında bir şekilde gözlemleyemediğiniz veya bilgilere erişemediğiniz sürece, iki senaryo aynı deneysel sonuçları verecektir (grafik: Wikimedia Commons kullanıcısı MARKUS POESSEL, PBROKS13) değiştir).
Şimdi, bir ışık huzmesinin dışarıdan bir delikten asansörün bir tarafına geçmesine izin verirseniz ve diğer taraftaki duvara çarptığı yeri gözlemlerseniz ne olacağını hayal edin. Bu, asansörün dış ışık kaynağına göre hızına ve ivmesine bağlıdır. gibi:
1. Asansör ile ışık kaynağı arasında göreceli bir hareket veya göreceli hızlanma yoksa, ışık huzmesi düz bir çizgide geçecektir.
2. Göreceli hareket (hız) varsa ancak göreceli ivme yoksa, ışık huzmesi düz bir çizgide hareket edecektir Asansörün içinden ışık yatay çizgiye göre eğimli düz bir çizgidir.
3. Bağıl ivme varsa, ışın eğimli bir yol boyunca hareket eder ve eğrilik ivme ile belirlenir.
Bununla birlikte, son durum, hızlanan bir asansörün ve yerçekimi alanında sabit duran bir asansörün iyi bir tanımlamasıdır.
Resim: Asansörün ve ışık kaynağının göreceli hareketine göre, asansördeki insanlar farklı ışık görür. Işığın dışarıdan içeriye girmesine izin verirseniz, iki referans çerçevesinin göreceli hızı ve ivmesi hakkında bilgi alabilirsiniz. Ancak ivmenin nedeni, ister ataletten (itme kuvveti) ister yerçekiminden gelsin, tek başına bu gözlemden görülemez. (Nick Strobel, ASTRONOMYNOTES.COM)
Bu, Einstein'ın eşdeğerlik ilkesinin temelidir: gözlemci, yerçekimi veya eylemsizlik (itme) etkilerinin neden olduğu ivmeyi ayırt edemez. Aşırı durumlarda, hava direnci olmayan bir binadan atlamak tamamen ağırlıksız hissedecektir.
Örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonundaki astronotlar tam bir ağırlıksızlık yaşamışlardır, Dünya onları dünyanın merkezine doğru hızlandırmasına rağmen, aldıkları yerçekimi yüzeyin% 90'ı kadardır. Bu fikir, 1911'de Einstein'ı şok etti ve daha sonra ona en mutlu fikri adını verdi. Onu, dört yıllık bir gelişmeden sonra genel görelilik teorisini yayınlamaya iten bu fikirdi.
Resim: Uluslararası Uzay İstasyonundaki astronot ve meyve. Lütfen yerçekiminin ortadan kalkmadığını, ancak uzay aracı dahil her şeyin sabit bir hızda hızlandığını ve tüm yerçekiminin merkezcil bir kuvvet olarak kullanıldığını ve bu da sıfır yerçekimi deneyimine yol açtığını unutmayın. Uluslararası Uzay İstasyonu, eylemsizlik referans sistemine bir örnektir. (Kamu malı resim)
Einstein'ın düşünce deneyinin sonucu reddedilemez. Yerçekiminin uzaydaki belirli bir konum üzerindeki etkisi ne olursa olsun - hangi ivmeye neden olurlarsa olsunlar - ışığı da etkiler. Bir asansörü itme kuvveti ile hızlandırmanın ışığın sapmasına neden olması gibi, ışığı yerçekimi oluşturan bir kütleye yaklaştırmak da aynı sapmaya neden olabilir.
Bu nedenle Einstein, teorisinin yalnızca ışık yerçekimi alanından geçerken rotanın sapmasını tahmin etmekle kalmayıp, aynı zamanda yakındaki yerçekimi alanının kuvveti bilindiği sürece sapmanın büyüklüğünü de hesaplayabileceği sonucuna vardı.
Örnek: Tam bir güneş tutulması sırasında, güneşin yerçekimi içinden geçen ışığı bükerek, yıldızların güneşe yakın konumlarının gerçek konumdan farklı görünmesine neden olur. Sapma açısının boyutu, ışığın aldığı yerçekimi alanının yoğunluğuna göre belirlenecektir. (Siegel / "Galaksinin Dışında")
Einstein, 1911'de en mutlu fikrine sahipti. 1915'in sonunda, genel görelilik teorisini tamamlamıştı, böylece güneşten belirli bir açıyla bir yıldızdan ne kadar ışığın sapması gerektiğini tahmin edebiliyordu.
Elbette normal şartlar altında bunu gözlemlemek imkansızdır çünkü insanlar gündüzleri yıldızları gözlemleyemezler. Ancak tam bir güneş tutulması meydana geldiğinde, özellikle tam güneş tutulması uzun sürdüğünde ve gökyüzü çok karanlık olduğunda, gözlemciler yıldızları görebilirler. 1916'da tam bir güneş tutulması meydana geldi, ancak Birinci Dünya Savaşı bu önemli gözlemi engelledi. 1918 güneş tutulması Amerika kıtasında meydana geldi, ancak bulutlar tarafından engellendi ve ABD Deniz Gözlemevi'nin planlarını bozdu.
Örnek: 1919'daki Eddington keşif gezisinin gerçek negatifleri ve pozitifleri. Beyaz yatay çizgiler, bilinen yıldızların konumlarını gösterir ve güneşin varlığından kaynaklanan ışığın sapmasını ölçmek için kullanılır. Bu, Einstein'ın genel görelilik teorisinin ilk doğrudan ve deneysel doğrulamasıdır. (Eddington ve diğerleri, 1919)
Ancak 1919'da Güney Amerika ve Afrika'dan uzun bir güneş tutulması bekleniyordu ve Birleşik Krallık'tan Sir Arthur Eddington hazırlandı. Brezilya'da Sobral ve Afrika'da Principe'de, iki araştırma ekibi bu tutulmanın gözlemine katıldı.Bu tutulmanın yaklaşık 6 dakikalık toplam tutulma süresi var.Bu, Einstein'ın teorisi için ideal bir test alanı. . Sonuç yıllarca tartışmalı olsa da, sonuç Einstein'ın öngörüsü ile tutarlıdır ve zamana ve daha ileri testlere dayanmıştır. Bu gözlemlerden sonra Eddington şu parodi şiirini yazdı:
Oh, bilge insanlar ölçümlerimizi çözsün
En az bir şey kesindir, ağırlık vardır
Kesin olan bir şey var, gerisi argümanlar-
Işık güneşe yakın olduğunda dümdüz gitmez
(Not: Bu şiir "Rubai Koleksiyonu" nun 29. parçasını taklit eder)
Örnek: 1919'daki Eddington keşif gezisinin sonuçları nihayet genel göreliliğin yıldız ışığının devasa nesneler etrafında bükülmesini tanımladığını ve Newton'un teorisini yıktığını gösterdi. Bu, Einstein'ın genel görelilik teorisinin ilk gözlemsel doğrulamasıdır ve "uzayın eğriliği" ile tutarlıdır. ("London Illustrated News", 1919)
Teorik öngörüleri doğrulayabilecek veya çürütebilecek temel deneyler veya gözlemler yapmak her zaman önemli olsa da, Einstein şüphesiz, gözlemlenen bir yıldızın ışığının büyük bir kütlenin (güneş gibi) yanından geçerken yerçekimi tarafından büküleceğine inanıyordu. Tıpkı hızlanan bir gözlemci için yer çekiminin ivme üreteceğinden emin olabileceği gibi, ışık da bükülür, dolayısıyla yerçekimi de ışığı bükmelidir.
29 Mayıs 2019'da insanlık, genel göreliliğin doğrulanmasının 100. yıldönümünü ve ışığı büken yerçekiminin 100. yıldönümünü kutladı. Yüz yıl önce pek çok insanın şüpheleri olsa da, Einstein onlardan biri değildi. Düşen nesneler yerçekimi nedeniyle hızlandığı sürece, yerçekiminin ışığı da bükeceğine inanmak için her türlü nedenimiz var.
