1905 yılında Einstein, nasıl olup da bütün gözlemciler için ışığın hızının hep aynı değerde olduğunu anlamaya çalışıyordu.

Aslında, ışık hızının bütün gözlemciler için aynı değere sahip olması görelilik ilkesiyle bir anlamda uyuşuyor. Yani, eğer pencereleri kapalı bir araçtaysanız, araç içinde ışığın hızını ölçerek aracın ne kadar hızlı gittiğini anlayamazsınız. Araç duruyor olsa da, hareketli olsa da hep aynı değeri bulmanız gerekir.

Bu gözlem görelilik ilkesiyle uyuşuyor uyuşmasına, ama ortada garip olan bir şey var. Işığın göreli hızını bildiğimiz yöntemle hesaplayamıyoruz.

Bir kamyonun bize göre hızını hesaplarken yaptığımız tek şey, kamyonun ve bizim aracımızın hızı arasındaki farkı hesaplamak. Örneğin, saatte 100 km ile giden kamyonu saatte 60 km hızla takip ediyorsak, kamyonun bize göre hızı saatte 40 km’dir.

Fakat, aynı hesap ışığa uymuyor. Işığı hangi hızla takip edersek edelim, ışık bizden hep aynı hızla uzaklaşıyor. Kamyon ile ışık arasındaki fark ne?

Einstein çözümü 1905 yılında buldu. Fakat bunun için çok devrimsel bir varsayım yapması gerekiyordu. Eğer, hareket eden bir araçta bulunan saatler daha farklı bir hızla işliyorsa, o zaman bu sorunu çözmek mümkündü. Sorun ışıkta değil, göreli hızları hesaplarken hata yapmamızdaydı.

Fakat, böyle büyük iddialarla ortaya çıkmadan önce, bunları mutlaka sağlam bir temele dayandırmak gerekir. Einstein da aynen böyle yapmış, bütün sonuçlarını sadece iki temel varsayımdan çıkarmayı başarmıştı.

Bu temel varsayımlardan birincisi “ışığın bütün gözlemcilere göre aynı hızla yayılıyor olması”. Daha önce de bahsettiğimiz gibi, bu deneysel gözlemlerden elde edilen bir sonuç. Günümüzde çok daha hassas aygıtlarla yapılan deneyler, bu varsayımı desteklemeye devam ediyor.

Einstein’ın yaptığı ikinci varsayım da görelilik ilkesi. Yani, sabit hızla hareket eden bir araçtaki gözlemciler, pencereden dışarı bakmadıkları sürece, hiçbir şekilde aracın hızını tahmin edemezler. Bir başka deyişle, bu araçtaki gözlemciler, aracın yerinde durduğunu düşünerek olayları inceleyebilir ve doğru sonuçlar elde ederler.

Einstein, elde ettiği tüm sonuçları sadece bu iki ilkeye dayandırıyor. Bu iki temel ilke dışında başka hiçbir varsayımda bulunmuyor. Bu nedenle, eğer bu ilkelerden herhangi birine bir itirazınız yoksa, görelilik kuramına da olamaz.

Aşağıda ve ilerideki konularda, bu iki temel ilkeden türetilen görelilik kuramının ne gibi yenilikler içerdiğini açıklayacağız. Ama, öncelikle bu iki ilkeyi tam olarak uyuşturmak için, hareket eden bir araçtaki gözlemcilerin hem uzayı hem de zamanı daha farklı algılamaları gerektiği sonucunu çıkardığımızı belirtelim. Bu gözlemciler, zamanı araçta bulunan saatlerle, uzunlukları da yine araçta bulunan cetvellerle ölçmek zorundalar. Dolayısıyla, herhangi bir göreli niceliği hesaplarken, bu noktayı göz önünde bulundurmak gerekiyor.

Görelilik kuramı, göreli hızları hesaplarken, hızların farkını almanın yeterli olmadığını, bunun yanlış bir işlem olduğunu söylüyor. Aslında, kamyonun otomobile göre hızını hesaplarken yanlış yapıyoruz. Fakat, doğru cevap ile bizim basit hesabımız arasındaki fark o kadar küçük ki, bu tip durumlarda ihmal edilmesi çok normal.

Buna karşın, eğer gözlenen cismin hızı çok büyükse, örneğin ışık hızıyla karşılaştırılabilir mertebedeyse, o zaman bizim basit hesabımızdaki yanlışlık kendini açıkça göstermeye başlıyor. Kısacası, kamyonla ışık arasındaki tek fark, ışığın çok hızlı gitmesinde.

Görelilik kuramıyla ilgili yaygın bir yanlış anlaşılmayı da burada düzeltelim. Bu kuram ışık hakkında bir kuram değil. Görelilik kuramı, ışığın yapısı veya davranışı hakkında, başka bilimsel çalışmalardan elde edilen sonuçlar dışında hiç bir şey söylemez.

Görelilik kuramı tamamen ve sadece uzay ve zaman hakkındadır. Daha doğrusu, farklı gözlemcilerin uzay ve zamanı ne derece farklı algıladığını söyler bize bu kuram. Işığın buradaki rolü sadece, uzay-zamanın Einstein’a kadar bilinmeyen doğası hakkında bir ipucu vermesi. İşte Einstein, bu ipucunu çok güzel bir şekilde kullanarak, bu derin gerçeği meydana çıkarmıştır.

Görelilik kuramıyla uğraşırken “olay” terimini sıkça kullanıyoruz. Genellikle olay deyince, belli bir yer ve belli bir zamanda meydana gelen somut bir değişimden bahsederiz; örneğin bir flaşın patlaması, bir bir mumum sönmesi veya bir parçacığın bozunması gibi. Dolayısıyla, bir olayı belirlemek için uzaydaki konumunu ve meydana geliş zamanını belirtmek zorundayız. Bu anlamda, bir olayın dört boyutlu uzay-zaman’daki bir noktaya karşılık geldiğini düşünebiliriz.

Özel görelilik kuramı sadece, olayların değişik gözlemcilere göre yer ve zamanları arasındaki ilişkiyle ilgilenir. Bir başka ifadeyle, belli bir olay bir gözlemciye göre verilen bir yer ve zamanda meydana geliyorsa, başka bir gözlemciye göre bu olay nerede ve ne zaman oluşur? Kuram bu sorunun cevabını veriyor.

Sadece bu bile garip, hatta ilk bakışta çelişkiliymiş gibi görünen bir takım sonuçlar çıkarmamıza yeterli. Şimdi, görelilik kuramından çıkardığımız bu sonuçların bazılarını kısaca görelim. İlerideki konularda, bunlardan bir kaçına biraz daha detaylı bir şekilde bakacağız.

Elde ettiğimiz en önemli sonuçlardan bir tanesi zamanın mutlaklığının olmaması. İlk defa Newton tarafından dile getirilen mutlak zaman kavramı, herkese göre aynı işleyen, gözlemciden gözlemciye değişmeyen tek bir zamanın olduğunu söyler. Ama görelilik kuramında, farklı gözlemcilerin belli iki olay arasında geçen süreyi farklı bulduğunu görüyoruz. Görelilik ilkesi gereği, her gözlemciye göre geçen zaman o gözlemciye göre doğru olduğu için de mutlak bir zamandan söz edemiyoruz.

Benzer şekilde mutlak uzay kavramının da geçerli olmadığını görüyoruz. Yani, farklı gözlemciler zamanı olduğu gibi uzaklıkları da farklı ölçerler.

Bunlara ek olarak, uzay ve zamanın birbirlerinden ayrı düşünülemeyecek şekilde bağlı olduğu sonucunu da çıkarıyoruz. Farklı gözlemcilere göre iki olay arasında geçen süre, sadece bu gözlemcilere değil, bu olayların nerede meydana geldiklerine de bağlı.

Kısacası, farklı gözlemcilerin uzay ve zamanı algılayışları farklı. Bunlara örnek olarak iki belirgin etkiden bahsetmemiz gerekiyor. Bunlardan birincisi, hareket eden cisimlerin boyunun kısalması.

Görelilik ilkesine göre bu oldukça garip bir durum. Çünkü, cismin üzerinde bulunan ve onunla beraber hareket eden bir gözlemci, böyle bir kısalmayı asla fark etmez. Bu gözlemci cismin normal boyunda olduğunu söyler. Burada, iki farklı gözlemcinin aynı cismin uzunluğu farklı ölçtüğünü görüyoruz.

Hareket eden cisimler içindeki saatler de yavaş işler. Burada da, benzer şekilde, cismin üzerindeki gözlemci bu yavaşlamayı fark etmez. Burada da, iki farklı gözlemcinin aynı olaylar, yani cisimdeki saatlerin tik-takları arasında geçen süreyi farklı bulduğunu görüyoruz.

Ayrıca, görelilik kuramında ışığın boşluktaki hızının bir sınır hız olarak belirdiğini görüyoruz. Hiçbir cisim veya parçacık, ne kadar hızlanırsa hızlansın bu sınır hızı geçemez.

Bu sınır konusunda, ayrıca incelememiz gereken iki farklı durum var. Eğer maddesel bir cisim veya elektron, proton, nötron gibi durağan halde bulunabilen parçacıklardan bahsediyorsak, bunlar ışık hızını geçemedikleri gibi, bu hıza da asla erişemez. Dolayısıyla, hiçbir gözlemci, ne kadar hızlanırsa hızlansın ışık hızında hareket edemez.

Dünya’nın değişik yerlerindeki çeşitli parçacık hızlandırıcılar, değişik türden parçacıkları oldukça büyük hızlara hızlandırabiliyorlar. Ama hiçbirinde bu parçacıklar ışık hızına erişemiyorlar. Örneğin, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda protonlar, ışık hızının, % 99,999999’una erişecek derecede hızlandırılabiliyorlar. Bu bile protonlar için bir üst sınır değil. İstenirse protonlar daha da hızlandırılabilir; ama hiçbir zaman ışık hızına erişemezler.

Buna karşın bir de “kütlesiz” olarak nitelendirilen parçacıklar var. Işık, veya kuantum dilinde ifade edersek fotonlar bu parçacıkların en bilinen örneği. Fotonlar dışında gravitonların da kütlesiz olduğu düşünülüyor.

Diğerlerinin aksine, kütlesiz parçacıklar boşlukta her zaman ışık hızıyla yayılırlar. Dolayısıyla, bütün olası gözlemciler de bu parçacıkların bu sınır hızda yol aldığını görürler.

Son olarak, özel görelilik kuramından dolaylı olarak elde edilen bir diğer sonuç da, madde içinde bağıl halde bulunan enerjinin de bir kütlesi olması gerektiği. Örneğin, bir kazan suyu ısıtırsak, suya enerji aktarmış oluyoruz. İşte, suyun kazandığı bu enerji, kütlesinin de bir miktar artmasına neden oluyor.

Özel görelilik kuramından elde edilen bütün sonuçların etkileri, gündelik hayatımızda fark edemeyeceğimiz kadar küçük. Ancak çok büyük hızlar veya enerjiler söz konusu olduğunda, bu kuramın öngördüğü etkiler belirgin hale geliyor. Bu etkiler gündelik hayatımız için önemli değil, ama kuramın uzay ve zamanın karmaşık yapısı hakkında bize söyledikleri, doğaya bakışımızı tamamen değiştiriyor.