Burada özel görelilik kuramı konusunda çok sık sorulan bazı soruları kısaca cevaplayacağız.

Soru 1.

Camda ışık hızı düşüktür. Görelilik kuramı camda değişir mi?

Bu türden sorular genel olarak ışığın görelilik kuramındaki rolünün abartılmasından kaynaklanıyor. Görelilik kuramında “ışıktan” ziyade “ışığın boşluktaki hızı” önemli.

Kuram aslında uzay ve zaman hakkında. Fakat, uzunluk ve zamanı “metre” ve “saniye” olarak, farklı birimlerle ifade ediyoruz. Bu nedenle, bunların bir arada kullanabilmesi için hız birimine sahip bir sabit sayının kuramda belirmesi gayet doğal. Kısaca “ışık hızı” dediğimiz nicelik bu sabit sayı.

Kuram ayrıca kütlesiz olarak nitelendirilen parçacıkların boşlukta sadece bu hızla yol alabileceği sonucunu içeriyor. Işık fotonları da kütlesiz olduğundan, ışığın boşlukta bu hızla yayıldığını söylüyoruz. Bunun dışında, ışığın bir ortam içinde yayılırken neler yaptığının kuram açısından hiçbir önemi yok.
Dahası, böyle ortamlarda görelilik kuramındaki tipik sonuçlara benzemeyen durumlar oluşabiliyor. Örneğin çok hızlı parçacıklar su gibi bir ortama girdiğinde, ışığın o ortamdaki hızını geçebilir. Bu görelilik kuramına aykırı değil. Eğer parçacık yüklüyse, bu defa sesten hızlı giden uçakların yarattığı ses patlamasına benzer bir etki oluşur. Yani, parçacığı takip eden bir koni üzerinde yayılan güçlü bir ışıma meydana gelir. Çerenkov ışıması adı verilen bu ışıma, nükleer reaktörlerdeki tipik mavi ışığın temel nedeni.
Üstelik bir ortamda yayılan ışığın hızı gözlemciden gözlemciye değişir. Yani, görelilik kuramının dayandığı temel varsayımlardan birincisi bu tip durumlarda sağlanmıyor. Hatta gözlemcinin bu ışıkla aynı hızda veya daha hızlı gitmesi de olası. İlk durumda gözlemci ışığın kendisine göre durduğunu, ikincisinde de geriye gittiğini görür. Bunlar da görelilik kuramı açısından sorun değil. A

slında bu sonuçlar, yani ışığın bize göre hareket eden ortamlardaki hızının değişiyor olması, 19. yüzyılın ortalarından beri biliniyordu.

Soru 2.

Hızı 0,9c olan bir rokette yolculuk etmekteyken ileriye doğru 0,9c hızıyla bir taş fırlatıyorum. Taş ışıktan hızlı gitmez mi?

Özetle, roketin yere göre hızı 0,9c; taşın rokete göre hızı da 0,9c. Öyleyse taşın yere göre hızı nedir? Cevap, beklendiği gibi 1,8c değil. Burada göz ardı edilen şey, roketteki ve yerdeki gözlemcilerin uzay ve zamanı algılayışlarındaki farklılık. Bu farklılıktan dolayı, taşın yere göre hızını 0,995c buluruz. Yani taş rokete göre çok hızlı gidiyor; ama buna karşın yerdeki gözlemci taşın roketten sadece biraz daha hızlı olduğunu görüyor. Hızların toplanması kuralı artık burada işlemiyor.
Roketteki gözlemci taşı 0,9c hızıyla fırlatırken hiçbir zorluk hissetmez. Yani, bu gözlemci aynı taşı yerde fırlatırken ne kadar zorlanıyorsa, rokette de fırlatırken aynı derecede zorlanır. Görelilik ilkesi de zaten bunu gerektiriyor. Kısacası, roket ne kadar hızlı olursa olsun, rokete göre çok büyük hızlarla giden taşlar var. Ama bu taşlar hiçbir gözlemciye göre hız sınırını aşamaz.

Soru 3.

Işık hızında gitsek dünya nasıl görünür?

Işık hızına çok ama çok yaklaşabiliriz, fakat hiçbir zaman bu hıza tam olarak erişemeyiz. Dolayısıyla gerçekleşmeyecek bir durum hakkında yorum yapmak da anlamsız.
Aslında, ışık hızında yol alan bir gözlemci fikri bir çok sorun içeriyor. Bunlardan birincisi, böyle bir gözlemciyi bu derece hızlandırmak için vermemiz gereken enerjiyle ilgili. Tam ışık hızına erişmek için sonsuz enerji gerekiyor. Buradaki “sonsuz” ifadesi “çok büyük” anlamında değil, tam olarak sonsuz anlamında. İçinde yaşadığımız enerji darboğazını biliyoruz. Buna ek olarak, Dünya’da, Samanayolu’nda hatta evrenin görünen kısımlarında bile sadece sonlu miktarda enerji var. Elimizde bulunan kaynaklarla, böyle bir işi başarmak için ihtiyacımız olan sonsuz enerjiyi hiçbir zaman denkleştiremeyiz.
Buna ek olarak, uzunluk büzülmesi ve zaman genleşmesi etkileri de böyle bir gözlemci için sorun yaratıyor. Bu gözlemcinin hareket doğrultusundaki boyu tam olarak sıfır olmalı. Benzer şekilde gözlemcideki saat durarak hiç ilerlememeli. Bir bakıma, bu tip sorunlar, kuramı öngöremediği bir duruma uyarlamaya çalışmaktan kaynaklanıyor.

Soru 4.

Işık hızıyla gitsem camdan geçebilir miyim?

Işığın camdan geçebilmesi, ışığın bu malzemenin atomlarıyla etkileşmesi sonucunda meydana gelen özel bir durum. Bu özel etkileşme nedeniyle camdaki atomlar görünen ışığı soğurmuyor. Bu sonuç, malzemeye bağlı olduğu kadar, ışığın dalgaboyuna da bağlı. Örneğin, bazı kızılötesi ışıklar cam tarafından soğurulur.
Bizse, atomlardan yapılmış olduğumuz için maddeyle daha farklı bir şekilde etkileşiriz. Yani camın bize verdiği tepki, ışığa verdiği tepkiden çok farklı. Bu etkileşim doğal olarak bizim hızımıza bağlı. Ama bu madde-madde ve madde-ışık etkileşmeleri arasındaki farklılığı ortadan kaldırmaz. “Çok hızlı gidersek, ışığa daha çok benzeriz” gibi yorumlar bu açıdan anlamsız.

Sonuç olarak, ışık hızında zaten gidemeyiz. Bunun dışında, ne kadar hızlı gidersek gidelim, cama çarptığımızda camı deleriz. Çok hızlı giden parçacıklar cama girdiğinde, cam parçalanmaz; çünkü bunun için yeterli enerjileri yok. Ama, parçacığın hangi türden olduğuna bağlı olarak, bunlar camla özel bir etkileşime girer. Örneğin nötronlar çoğunlukla camdan geçip gider. Ama proton gibi yüklü parçacıklar, camdaki elektronlarla olan etkileşmeleri nedeniyle kısa sürede yavaşlar ve cama hapsolur.

Soru 5.

Hızlandıkça kütle artıyorsa, fazladan eklenen madde nereden geliyor?

Bir cisim hızlandırıldığında dışarıdan madde eklenmesi gibi bir şey söz konusu değil. Yani, cisimde en başta kaç tane proton, nötron ve elektron varsa, ne kadar hızlanmış olursa olsun bu parçacıkların sayısı yine aynı olur.
Bu yanılgı, “hıza bağımlı kütle” kavramının yarattığı sorunlardan bir tanesi. Bilim insanları kütleyi değişmez bir nicelik olarak kullanmayı tercih ediyor. Yani, durağan haldeki kütlesi 1 kg olan bir cismin, ışık hızına çok yakın hızlarda hareket etse bile hala 1 kg kütlesi olduğunu söylüyoruz. Bu anlamda, kütle hıza bağımlı olarak değişmez.
Fakat hız arttıkça, kütleyle ilişkili bir takım fiziksel niceliklerin değişmesi söz konusu. Örneğin ağırlık, kısaca Dünya’nın cisme uyguladığı çekim kuvveti. Veya (eylemsizlikle bağlantılı olarak) bir kuvvetin etkisi altında cismin ivmesi. Bu fiziksel nicelikler, cismin hızına bağlı olarak değişir.

Ama bu etkileri sadece değişen bir kütle düşüncesiyle açıklamaya çalışmak pek mümkün değil. Çünkü bahsedilen etkiler yönlere bağlı olarak değişir. Örneğin cisim yere paralel hareket ediyorsa ağırlığı farklı, dik hareket ediyorsa farklıdır. Bu tip etkileri görelilik kuramını tam anlamıyla uygulayarak incelemek daha doğru.