Geçen sayının son paragrafında Newton’un ortaya koyduğu genel mekanik    yasalarıyla, Evrensel Çekim Yasası’nın sözel ifadelerini vermiştik. Principia’nın ana konusu olan mekanik bilimi, kuvvetler ve kuvvetlerin oluşturduğu hareketlerle ilgilidir ve insan yaşamında önemli bir yeri vardır. Günlük hayatımızda kullandığımız makinaların gerçekleştirilmesi bu mekanik yasaları sayesinde mümkün olmakta, uzaya gönderdiğimiz roketlerin yapılmasında da yine bu yasalardan yola çıkılmaktadır.

Bu yasalardan, özellikle çekim yasasının uygulanması konusunda en güzel örneklerden biri Neptün gezegeninin keşfidir:  Principia’nın ilk baskısı 1687 yılında yapılmıştı. 1781 yılında İngiliz astronomu Herschel tarafından teleskop vasıtasıyla keşfedilmiş olan yedinci gezegen Uranüs’ün, Güneş’in çevresindeki periyodik hareketinde görülen garipliklerin Fransız astronom  Leverrier tarafından Newton’un yasalarının ışığında yorumlanması sonucu; önce kağıt üzerinde hesap yoluyla, Uranüs’ün ötesinde, bu gezegeni çekim gücüyle etkileyen sekizinci bir gezegenin daha mevcut olması gerektiği ispatlandı ve yapılan hesaplara göre bu gezegenin 23.Eylül.1846 tarihinde  gökyüzünde bulunması gereken yere teleskopların çevrilmesiyle de keşif gerçekleştirildi. Bu yeni gezegene Neptün adı verildi. Daha sonraları bu sefer Neptün’ün yörüngesinde gözlenen anormalliklerden yola çıkılarak 1930 yılında benzer şekilde, dokuzuncu gezegen olan Plüton keşfedildi. Bu günlerde de, kullanılan başka bazı yeni tekniklerin yanında, yine bu ilkelerin sayesinde komşu güneş sistemlerinde yeni yeni gezegenler keşfedilmektedir.

Newton’un yasaları zaman içinde yaygınlaştıkça, çağın kısıtlı bilimsel bilgi birikiminin ışığında düşünen insanlar, evrene saat gibi işleyen şaşmaz bir mekanik aygıtmış gibi bakma eğilimine girdiler ve bu düşünce tarzı bir çoklarına, yaratıcıya inançsızlığı (ateizmi) ilham etti.

Newton’a göre ise; dev bir saat gibi işleyen mekanik evren, ateizme karşı olan bir kanıttı. Tanrı’ya olan inancı mutlaktı ve bu inancı şu şekilde dile getiriyordu: “Tanrı ebedi ve sonsuzdur, O zaman ve mekan değildir. O hazır ve nazırdır.” 

Evrensel Çekim Yasası bütün mükemmelliğine rağmen bazı konuların izahında yetersiz kalmaktaydı. Her şeyden önce bu yasayla, geçen sayıda üzerinde durduğumuz serbest düşme olayını açıklamak mümkün olmamaktaydı. Zira yerin çekimi de kas kuvveti gibi bir kuvvet ise, cisimleri kendisine farklı hız ve ivmelerle çekmelidir. Halbuki yerçekiminin cisimlerin üzerinde yarattığı ivme Galileo’nun gösterdiği gibi sabittir. İvme; hatırlanacağı gibi bir cismin hızının birim zamandaki değişim miktarı olup, birimi genel olarak (m. / sn._) dir. Bütün cisimlerin, kütleleri ne olursa olsun, deniz seviyesinde yere düşerlerken hızları,  cismin yoğunluğuna ve geometrisine bağlı olarak havanın engellemesi dikkate alınmaz ise * her saniyede 9.8 metre artar. Yerçekimi ivmesi dediğimiz  bu değer, yeryüzünden yukarıya doğru uzaklaşıldıkça  azalır.

Bunun yanında:  Güneş’e en yakın konumda olan  Merkür gezegeninin, Güneş’in çevresindeki  hareketi sırasında Güneş’e en çok yaklaştığı (perihelion / günberi) noktası, uzayda sabit kalmamakta, gezegenin her devrinde uzayda bir miktar yer değiştirmektedir. Bu olay bütün diğer gezegenlerin perihelion noktaları  için de benzer şekilde cereyan etmektedir. Ancak  Merkür gezegeni için bu yer değiştirme miktarının çekim yasasına göre yapılan hesaplarla bulunan değeri ile astronomlar tarafından gözlemlenen değeri arasında, bu yasayla izah edilemeyecek ölçüde bir fark bulunmaktadır.**

Ayrıca evrenin düzenini sağlayan yerçekimi kuvvetinin böylesine büyük astronomik uzaklıklardan, nasıl etkili olabildiğini söyleyebilmek de mümkün değildir. Bir cisme ip bağlayıp çekersiniz de, örneğin güneşler gezegenleri, galaksiler güneşleri çevrelerinde bir arada tutmayı hangi türden görünmez bağlar ile, nasıl sağlamaktadır ?

Newton tarafından ifade edilen mekanik yasaları sayesinde doğanın bir çok gizleri aydınlatılmış, ancak yukarıda belirtilen konularda ise bu yasalara dayanılarak tatmin edici cevaplar bulunamamıştır.

Yirminci yüzyıla gelinceye kadar muallakta kalan bu soruların yanıtları, yirminci yüzyılın ilk yarısı içinde, Albert Einstein’dan gelmiştir. Bilindiği gibi biz Einstein’ı Özel ve Genel İzafiyet Teorileri’yle tanırız. Bu konularda kitap karıştıranlar, Einstein’ın bu teorileri hakkında, benim şimdi yaptığım gibi,  beş aşağı beş yukarı bir şeyler söyleyebilirler. Ancak herhalde,  Einstein’ı gereği gibi anlayabilmek için konunun meraklısı olmak yetmez, matematiğin ilgili özel dallarını çok iyi bilen fizikçi olmak lazımdır.

Biz burada, söz konusu teorilerin sözel ifadeleri içinden, sadece  konumuz olan yerçekimi ile ilgili çözümlemelerden bazılarını alıp, bunların üzerinde biraz duracağız.

Einstein işin başında şöyle düşünmüştü : Çok yüksek hayali bir gökdelenin en üst katından bir asansörle aşağıya iniyoruz. Hareketten hemen sonra halat kopuyor ve  bu durumda asansör ve asansörün içindeki her şey, Pisa kulesinden bırakılan metal küreler gibi yere doğru aynı ivmeyle serbest düşmeye başlıyorlar. Asansörün zemini tabanlarımızdan, bizimle aynı hızla uzaklaştığından ağırlığımız bir anda kaybolmuştur, zıplayabilirsek, süzülerek  kafamızı kolaylıkla asansörün tavanına vurabiliriz. Cebimizden çıkardığımız kalemimiz, yere bizimle aynı hızla düşmekte olduğundan, bize havada bıraktığımız noktada duruyor gibi gözükmektedir. Elimizle ittiğimizde, gidip asansörün iç duvarına çarpacak, sekecek ve gelip bir noktada havada asılı kalacaktır. Şayet bu esnada biri dışarıdan bakabilseydi aslında asansörümüzün yere doğru düşmekte olduğunu görecekti. Fakat, asansörün içindeki bizler ise halatın koptuğunu bilmiyorsak, yaşadıklarımıza bakarak, olağan üstü bir şeyler cereyan etti ve yerçekimi bir anda sıfır oldu diye düşünmek hakkına sahip olurduk ve tabi, feci gerçeği ancak işin sonunda, yere çarptığımızda anlardık.

Şimdi aynı asansörümüzle hayali bir başka tecrübe yaşayalım : Asansörümüzü bu sefer gerçekten uzayın, çekim dediğimiz etkinin sıfır olduğu bir bölgesine taşıyalım. Asansörün içinde, ağırlıksız ortamda bizler işin keyfini çıkarmaktayken muhayyel  bir güç halatı, Dünya yüzeyindeki yerçekimi ivmesine eşit değerde bir ivmeyle, zemine dik doğrultuda çekmeye başlasın. O andan itibaren neler olacağını düşünelim: Hareket halindeki zemin, tabanlarımızı itmeye başlayacağı için ağırlık duygusu benliğimizi kaplayacaktır. Havada asılı duran cisimler bir anda yere düşeceklerdir. Aslında düşmeyecekler, asansörün zemini onlara doğru gelecektir. Cebimizden çıkardığımız kalemi hafifçe iterek kendimizden uzaklaştırdığımızda kalem bir parabol çizerek yere düşecektir. Biz de denediğimiz takdirde ancak dünyadaki kadar zıplayabileceğiz. Kısaca ifade etmek gerekirse, bu dış müdahaleden haberimiz olmadığı takdirde bu olay hakkında yorumumuz, bir yerçekimi alanının asansörü etkilemeye başladığı ve her şeyin yeniden ağırlıklarını kazandığı şeklinde olacaktır. Ancak bu esnada bir astronot dışarıdan bakabilseydi, asansörümüzün halatından bir yöne doğru çekilmekte olduğu gerçeğini  görecekti.

Burada çok önemli bir husus; her iki olayda da bizler asansörümüzün içinde yapacağımız hiçbir deneyle, yerçekimi alanında mıyız, yerçekimsiz alanda mıyız, yoksa hareket halinde miyiz sorularına cevap vermek şansına sahip olamazdık.

Bütün bu ve benzeri mülahazalardan yola çıkan Einstein, Genel İzafiyet Teorisi’ni şu şekilde açıklamıştır: Doğa kanunları, sistemlerin durumu ne olursa olsun, bütün sistemler için aynıdır.

Bu gün artık, Einstein’ın kablosu kopan hayali asansör deneyi uzaya gönderilen astronot ve kozmonotların eğitimleri için kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir. Bu amaçla yolcu kabini düzenlenen, (genellikle Boeing 707 veya İlyuşin 76 tipi) bir uçak yüksek irtifadan burun aşağı serbest düşmeye bırakılmakta, bu sırada birkaç dakika süreyle, yere aynı hızla düştükleri için birbirlerine göre hızları sıfır olan kabin içindekiler de hayali asansörümüzün içinde yaşadığımız  olayları aynen yaşamakta, yeteri kadar hacim bulunduğundan, fazladan havada taklalar atabilmekte, kelimenin tam anlamıyla bir yerden bir yere uçabilmekte ve ellerinden bıraktıkları malzemeler de boşlukta gezinmektedir. 

Benzer olay, uzay istasyonlarında ya da uzay mekiklerinde de aynı şekilde cereyan etmektedir. Zira,  Dünya’nın çevresinde dönen uydular, bulundukları yüksekliklerde geçerli olan yerçekimi ivmesiyle, hayali asansörümüz gibi, aslında devamlı olarak Dünya’ya doğru düşmektedirler.  Burada altı çizilerek vurgulanması gereken çok önemli bir husus; uzay mekiği ya da istasyonu içinde, TV kanallarından izlediğimiz hareket serbestisinin nedeninin oralarda yerçekiminin, dolayısıyla ağırlığın olmamasından kaynaklanmadığıdır.

Derginin Kasım sayısında tamamlamayı  öngördüğümüz  bu yazının başlıca amacı da esasen, medya dahil hemen her yerde yanlış değerlendirilmekte olan bu gerçeğe, merak edenler için, yine bir meraklı olarak bir nebze olsun ışık tutmaktır.

Takip eden paragraflarda kavram olarak yeni bir gözle bakacağımız yerçekimi dediğimiz olgu, evrende maddenin olduğu her yerde kaçınılmaz olarak vardır.

Bu fikri ilk defa ortaya atan Einstein’a göre; çekim kuvveti yoktur. Madde kütleleri birbirlerini çekmezler. Buna karşılık galaksiler, yıldızlar, gezegenler gibi büyük madde kütleleri, “ uzay – zaman “ dediğimiz dört boyutlu evren yapısında “eğrilikler” oluştururlar, nispeten daha küçük olan madde kütleleri, ataletleriyle bu eğriliklere uygun hareket ederler. Uydusu Ay, Dünya’nın kendisini çeviren uzay – zamanın dokusunda yarattığı geometriye uygun olarak onun etrafında döner. Dünya da uydusu olduğu Güneş’in çevresinde aynı neden ile dönüp durmaktadır.

Newton’un mekanik evreni, boş bir ortamda çekim yasasına uygun olarak dolaşan, aralarında ışık parçacıklarının gidip geldiği madde kümelerinden oluşmaktadır ve madde ayrı, uzay ayrıdır. Uzay ve zaman mutlaktırlar.

Einstein’ın evreni ise üç uzay boyutu ile bir zaman boyutundan oluşan ve geometrisini, içinde bulunan maddenin belirlediği “dolu“ bir evrendir. Uzay ve zaman izafi kavramlardır.

Bu yeni şekliyle çekim konusunu daha kolay kavratmak için şöyle bir örnek verirler: Bir gözlemci (adına Newton diyelim) bir binanın üst katından aşağıdaki arsada çocukların oynamakta olduğu misket oyununu seyrediyor. Misketlerin eğri büğrü yollar izlediğini görüyor. Arsanın pürüzsüz bir düzlem olduğunu kabul eden gözlemci, bu hareketlere bakarak herhalde,  arsada misketlerin yer yer, düz bir doğru üzerinde gitmelerini engelleyen çekim odakları var diye düşünmek hakkına sahiptir. Halbuki, çocukların yanında duran biri (adına Einstein diyelim), misketlerin bu şekilde hareket etmelerinin arsadaki küçük çukur ve tepeciklerden kaynaklandığını görmektedir. Fiske vurulan misketler; önlerine rastlayan çukurlara girip çıkmakta ve yollarından sapmaktadırlar. Bir başka ifadeyle, herhangi bir kuvvet tarafından çekilmemekte sadece, ataletleriyle arsanın geometrisine uygun olarak hareket etmektedirler. Bu konuda bir başka örnek daha verilir: Lastik malzemeden yapılmış büyük siyah bir şilte düşünelim. Ağır bir küreyi bu şiltenin ortasına bırakalım. Küre, doğal olarak lastik şiltenin ortasında eğim yaratacaktır. Şimdi daha küçük bir küre alalım ve bu küreye, büyük kürenin civarından geçecek şekilde bir hareket verelim. Küçük küre ataletiyle, büyük kürenin şiltede yarattığı eğimi izleyerek çevresinde birkaç tur attıktan sonra gelip  büyük küreye değecektir. Ancak bu olaya yukarıdan bakan ve bu neden ile şiltedeki eğimi fark etmeyen bir gözlemci ise büyük küre, yanından geçmekte olan  küçük küreyi kendisine çekmiştir diyecektir.

(Devam edecek.) 

* Düşme mesafesi yeteri kadar büyük ise cismin kütlesi ne olursa olsun, havanın direnci bir noktadan itibaren gereğini yapar ve belli bir formül ile hesaplanabilen limit hız dediğimiz değere ulaşılır. Ama işin başında da söylediğimiz gibi konuya evrensel boyutlarda baktığımızda, Dünya’mızın çevresinde hava dediğimiz ince bir gaz tabakasının bulunması tali bir olaydır.

** Merkür gezegeninin günberi noktasının, çekim yasası ile açıklanmayan bu özelliği, ilk başlarda, Güneş ile bu gezegen arasında kalan ve çekimi ile bu gezegeni etkileyen küçük bir başka gezegenin (Vulkan) ya da asteroidlerin (Vulkanoid’lerin) mevcut olabileceği görüşünü gündeme getirmiş ise de daha sonra Einstein, İzafiyet Teorisi yardımıyla bu anormalliği izah etmeye muvaffak olmuştur.