Yıldız Bilimi ve İzafiyet Teorisi (Astronomi)

3 Haziran 2015 tarihinde tarafından eklendi.

  • Astronomi, gök cisimlerinin bileşimlerini, hareketlerini ve durumlarını gözleyerek, doğuşlarından yok oluşlarına kadar geçirdikleri evreleri inceler. Bu amaçla, gök cisimlerinin bizlere gece ve gündüz ışık halinde ulaştırdıkları, görünmez ışınlardan, korpüsküllerden faydalanır. Dünyamıza ulaşan meteorlara, 1969’lardan itibaren astronotlara taşınan aya ait taşlar da eklenmiştir.
  • Astronomi, bilimlerin, tarihi en eski olanıdır. İlk insanlar çok geçmeden gökte de gözlemlerini gerçekleştirmişlerdir. Astronomi ilk olarak, mevsimlerin oluşumu ile ilgilenmiştir. Ve bütün eski uygarlıklarda (Sümer, Babil) astronom, takvimin bekçisiydi.
  • Astronomide elde edilen ilk kavramlar tabii olarak çok basittir. Dünyanın düz ve hareketsiz olduğu kabul edilerek, bu fikir görünür gökcisimlerinin hareketleri ile bağdaştırmaya çalışılmıştır. Mısırlılara göre dünya çemberi, sular içinde yüzerken, havayı taşımakta, hava da gök küre tarafından çevriliydi. Yahudilere ve Babillilere göre yeryüzü sularından başka, göklerde hüküm süren ‘‘üst sular”da mevcuttur. Eski Hindistan’da dünyanın 4 dev filin sırtında olduğuna ve bu fillerin de dev bir kaplumbağanın kabuğu üzerinde taşınıldığına inanılırdı. Yunanlılar ise, dünyanın dayanaklarını, kolonlar şeklinde kabul ederlerdi. Göğün incelenmesinde eski insanlar, geleceği görme isteği ile, hayallerini karıştırmaktaydı.
  • Yunanlılar ilk olarak dünyanın evrende büyük bir küre olduğunu ortaya koyanlardır, onlara göre evren, bir düzlem üzerine dayalı bir kubbe şeklinde değil, fakat aynı merkezli daireler şeklindedir, ve merkez dünyadır. Ancak; gözlemcilerin analizleri bazı düşünürleri bizim düşüncelerimize oldukça benzer sonuçlara götürmüştür. Aristarque de Samos (M.O. 310-230 arası) dünyanın kendi etrafında döndüğünü ve güneş etrafında da yol aldığını belirtmiştir.spacetime-frame-dragging
  • Astronomi bilgini Alexandrie Hipparque M.Ö. 150 yıllarına doğru dünyayı evrenin merkezine yerleştirerek, kendi çağında şaşkınlıkla karşılanan bir gök hareketleri teorisi geliştirmiştir. Bundan 3 yüzyıl sonra, coğrafya bilgini Claudius Ptolemee, Hipparque‘ın sistemine yerli bir görünüm kazandırmıştır, buna  güneş sistemi evrenin merkezidir, güneş ve gezegenler dünya çevresinde dönmektedirler. Ptolemee’nin düşünceleri astronomide binlerce yıl hüküm sürmüştür.
  • Ancak XVI. yüzyılda Polonyalı astronomi bilgini Nicolas Copernic; dünyanın da diğer gezegenler gibi güneşin etrafında döndüğü sonucuna ulaşmıştır. Copernic’in düşünceleri 1543 yılında açıklandığında, çağın bilim adamlarınca büyük tepkiyle karşılanmış ve bitmez münakaşalara yol açmıştır. 1609 yılında Galile, o çağın ilk gözlem aracını geliştirerek astronomik dürbün adını vermiştir. Bununla, ayın gezegenimize benzerliklerini gözlemiş, Jüpiter’in uydularını, Venüs’ün güneş etrafındaki evrelerinin oluşturduğu fazları incelemiştir. Copernic’in sistemine yapılan doğrulamalar kadar, Ptoleme’nin sistemi de tekziplerle karşılaşmıştır. O çağlarda insanoğluna göre dünya evrenin merkeziydi ve bu; 1633 yılında Galile ‘nin doktrinine kadar süregeldi.
  • Bu arada gerçek yavaş yavaş benimsetilmeye başlanmıştı. Tycho Brahe’nin gözlemlerine dayanan Kepler,(1571-1630) gezegen hareketlerinin kanunlarını keşfederek, gezegen yörüngelerinin daireler olmayıp, elipsler olduğunu ortaya koymuştur. Birkaç sene sonra 1687’de İsaac W. Newton evrende hüküm süren çekim kanunlarını formüllerindererek tanınmasını sağlayan ilk adımı atmıştır.
  • Bu şekilde Laplacc Gauss. Le Verrier vs.’ye kadar uzanan gök mekaniğinin temelleri atılmıştır. Le Verrier 1846’da Uranüs’ün hareketindeki titreşimleri analiz ederek Neptün gezegenini keşfetmiştir.
  • XIX.y.yıldan itibaren, astronomi yeni bir doğrultu kazanmıştır. Teleskopun mucidi olan Fraunhoffer, güneş ışığını bir prizma yardımıyla ayrıştırma fikrini ortaya koymuştur. Kircho Bunsen bu metoddan yararlanarak en uzaklardaki gök cisimlerinin kimyasal bileşimlerinin belirlenmesini sağlamışlardır. 1880 yılında Henry kardeşler ilk astronomik fotoğrafları elde etmişlerdir.
  • Astronominin gelişmesi ile evren hakkında bildiklerimiz oldukça artmıştır; uzaktaki cisimlerin kimyasal analizi, dalga ve korpüskül kayıtları, nükleer reaksiyonların incelenmesi vs. XX. yüzyılda astronomiye yeni boyut. Einstein tarafından kazandırılmıştır, buna göre evren, sürekli genleşme halindedir.
  • Evren; gök cisimlerinin hareketlerinin belirlenmesine veya gök cisimlerinin tabiatlarının ve evrelerinin incelenmesine bağlı olarak iki ayn türde incelenebilir.
  • Astronomi, uzun süreler günümüzde “temel astronomi” olarak bilinen astronomi ile aynı kabul edilmiştir. Temef astronomi, gök cisimlerinin durumlarını hassasiyetle ölçmeye (astrofnetri) dayanır, gözlem araçlarına ihtiyaç duyar. Ancak gözlemci için daha genel anlamda, gök cisimlerinin pozisyonunu incelemek yeterli değildir. Astronomdan ve dünyanın hareketinden bağıtosız bir referans sisteminin bulunması gerekir. En uzaklardaki gök cisimleri hareketsiz ve sabit kabul edilip, “sabitler küresi” oluşturulabilir.
  • Bu durumda gök cisimi hareket kanunlarının irdelenmesi “gök mekaniğini” ilgilendirir. Ancak mesele bu kadar basit değildir. Çünkü gök hareketlerini inceleyen gözlemcinin kendisi de hareket halindedir. Newton tarafından ortaya atılan gök cisimlerinin yörünge kanunlarına göre; herhangi iki cisim kütleleri ile doğru, birbirleri arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak birbirlerini çekerler. Ancak iki değil de, üç cisim söz konusu olduğu durumda hareket eşitlikleri oldukça zorlaşıp, bazı durumlarda çözülmesi imkansız boyutlara ulaşabilir. İzafiyet teorisi, gök mekaniğine yeni boyutlar kazandırmıştır.
  • Gök cisimlerinin tabiatı, iç bileşimleri veya sıcaklıkları, gaz atmosferlerinin incelenmesi ise astronominin yeni bir disiplini olan “astrofiziğin” görevidir.
  • Son 40 yılda ortaya konan metotlar evren hakkındaki bilgilerimizi oldukça geliştirmiştir. Bugüne kadar, astronom gök cisimlerini incelerken, bunlardan gelen ışık dalgalarından yararlanmıştır. Günümüzde, araştırmalar görünür uzaydan, kızıl ötesi veya ultraviyoleye kadar genişlemiştir. Özellikle radyo astronomi, (1932’de ortaya çıkmış, ancak 1945’lerde gelişmiştir.) Sayısız galaksilerin radyo dalgalan ışıması ve büyük enerji kaynaklan olan “kuasar”lar ile karakterize edildiğini ortaya koymuştur. Aynca “putear”lar, şiddeti, düzenli olarak değişen radyo dalgalan yayarlar. Güçlü radyoteleskoplarla zenginleştirilen, uzak dünyalardan gelen gama ve (x) ışınlarını belirleyebilmek için fırlatılan uydular ile astronomi bilginleri, günümüzde göğün kulağı olmuş durumdadırlar.Keck_telescopes_1
  • İnsanoğluna bütün uygarlıkları sunan dünya, aslında, “Uzayda asılı duran ve yalnızca etrafında döndüğü güneş tarafından aydınlatılan karanlık bir küreden başka bir şey” değildir. Dünyaya eşlik eden gezegenler güneşe 6 milyar kilometreye varan yörüngelerde dönerler. Bunlar da bizim dünyamız gibi dünyalar olup, farklı yapıda ve farklı büyüklüklerdedirler. En büyük gezegen Jüpiter olup, hacimi dünyadan 1320 defa fazladır. Ancak bu büyük hacim; içerisinde nükleer bombalannkine benzer reaksiyonlar gerçekleşen ve ışığı ile dünyamıza hayat veren güneşin hacmi yanında hiç de büyük değildir. Güneşin içini doldurabilmek için dünyamız gibi 1 303,800 küre gereklidir.
  • Evren, bu tür, ancak daha büyük ve sıcak ateş küreleri ile bezelidir. Çok büyük uzaklıklarda bulunurlar. Bu kürelerden gelen ışığın dünyaya ulaşması için seneler gerekir.Bu dev nükleer fırınlar bizim gözümüze ufak ışık noktalan olarak gözükürler. Karanlık uzay; milyon ve milyarlarca yıldızla kaplıdır,bunların pek çoğu bizim güneşimiz gibi,uzaklıkları sebebiyle bizim göremediğimiz gezegenlerle çevrilidir. Bu gezegenleri görmediğimiz halde bazı durumlarda dolaylı olarak varlıklarım ispatlamak mümkün olmuştur.
  • Bu yıldızlar gaz ve toz buluttan ile diğerme birlikte bir yol oluşturarak hareket ederler ve milyarlarca güneşle bezelidirler. İşte bu bizim galaksimizdir. Kendi etrafında yüzlerce senede dönen bu çemberi katetmek için ışık 100.000 sene yol almak zorundadır. Dünya, bu galaksinin merkezinde diğer, çevresinde görünen ufak bir noktadır.
  • Engin dış uzayda yüzen diğer galaksiler,güneş ve toz girdapları oluşturarak kendi etraflarında da dönerler, yaydıkları ışık, birinden diğerine ulaşmak için milyonlarca ve bize ulaşmak için de milyarlarca sene yol alır.
  • İzafiyet teorisi 20.y.yılda evrenin tanınmasında temel dayanak teşkil etmiştir. Albert Einstein, Michelson‘un 1880’lere doğru uzay içinde dünyanın hareketini deneysel olarak ele almasından sonra izafiyet teorisini geliştirmiştir.
  • Michelson şu montajı gerçekleştirmiştir; bir S ışık kaynağı 45°’lik yansıma açısı ile yarı saydam M aynası üzerine monokromatik bir ışın demeti yaymaktadır. Bu ışın demetinin bir kısmı Maynası yönünde yansımakta, diğer bir kısmı ise M aynasını katederek M2 aynası üzerine düşmektedir. Mı ve M2 aynaları kendi aralarında dikey olarak yerleştirilmiş olup, gelen ışınları normal yansıma ile geri yollamakta ve iki yan ışın demeti karışıp bir ağ» bağlı gözlem dürbününe ulaşarak, burada girişim saçakları oluşturmakta-dır.9 Merkez saçağın ağ tellerinin kesişim noktasına tekabül ettiği gözlenirse, OMj ve OM2 arasındaki ışık ışınlarının dağılım zamanları arasında eşitlik olduğu fark edelir. Bu tür ölçüm metodu oldukça hassastır.
  • Hızların toplamına dayalı olan klasik mekanik kanunlarına göre, Michelson tarafından düşünülen gözlem cihazındaki ışınların yörünge süreleri, dünyanın güneş etrafında V hızıyla yer değiştirmesine ve cihazın gezegenimizin hareketi doğrultusunda yönlenmesine bağlıdır. Dünyanın hareketiyle aynı yönde c ışık hızıyla yol olan bir ışık ışını, hızların toplamı prensibine göre (C-V)ye eşit bir hıza sahip olmalıdır.
  • Dünyanın OMj yönünde V hızı ile ilerlediğini varsayalım. Klasik mekaniğe göre bir ışık ışını tarafından katedilen OMtO parkuru (OM[ ve OM2 eşit olduklarında) OM20’ye tekabül eden parkurlardan daha uzun sürede gerçekleşecektir.
  • Bu dolaşım (parkur) sürelerini eşitlemek için, cihazın, merkezi ile girişimlerin merkez saçağının kesişecekleri şekilde düzenlenmesi yeterlidir. Bu şekilde OM ve OM2 doğru parçalan birbirine eşit olmayacaktır.Aynca, Michelson‘un aletinin bütünü 90° döndürüldüğünde OM2 dünyanın yer değiştirme hareketi yönünde olacağından, yukarıda sözü edilen kesişim gerçekleşmeyecektir.
  • Oysa, deney göstermiştir ki; parkur (dolaşım) süreleri arasında eşitlik söz konusudur, ve saçaklar hareket etmemiştir. Sanki dünya güneş etrafında dönmeyip, hiç hareket, etmemiştir. Sonuçta; bu olaylar klasik mekanik ile uyum göstermemektedir, yani hızların toplamı kanunu fiziğe aykırıdır.
  • Işık kaynağının hareketlerinden bağımsız olarak ışık hızı her doğrultuda eşittir. Bu c hızı, saniyede 299 776 kilometreye eşit olup, kütlesi olan hiçbir cisim tarafından aşılamaz. Bu c sabiti, Einstein tarafından ortaya atılan “kısmi izafiyetin” temelini oluşturur.
  • Bu buluşu daha iyi açıklayabilmek için biraz cebirden yararlanalım. Birbirine paralel Ox ve 0’x’ eksenlerinden oluşan bir referans sistemi düşünelim.OY ekseni O x e paralel olarak V hızı ile ilerlesin (daha sonra inceleyeceğimiz örnekte trenin raylara göre durumunda olduğu gibi) ve bir eksenden diğer eksene iletişim, bilinen en hızlı sinyal olan ışık sinyali ile gerçekleşsin. O ve O’ nün kesiştikleri an, zamanın başlangıcı olsun. Lorentz uzay ve zaman arasında şu bağıntıları geliştirmiştir (x ve t Ox sisteminde, x’ ve t’ ise 0’x’ sistemindeki uzay ve zamana tekabül eden koordinatlardır)

zes

  • Biraz karmaşık gibi gözüken bu iki formül bize bir eksenden diğer eksene geçildiğinde koordinatların aynı olmadığını gösterir. Yani X’, X’e eşit değildir ve t’, t’den farklıdır. Diğer bir deyişle aynı bir olay (yanan bir lamba, geçen bir tren vs.) koordinat eksenlerinden birinde veya diğerinde olma şartı ile farklı şekilde görülür.
  • Bu sonuçlar birer paradoks niteliğindedirler: Aynı olma kavramı her iki eksen için geçerli değildir. Ox eksenine yerleşmiş bir gözlemci için (rayların kenarında) geçerli aynı anda olan iki olay, 0’x’ eksenin yerleşmiş (ilerleyen tren) ikinci bir gözlemci için aynı değildir. t=0 anı, ikinci formüle göre t’ nün hiçbir zaman sıfıra eşit olamayacağını görürüz. Hareket halindeki çeşitli gözlemcilerin değerlendirdiği bir olayın süresi, her bir gözlemciye göre değişen bir miktardır ve gözlemcinin konum ve hızına bağlıdır.
  • Bu olayı tren örneği üzerinde açıklayalım. Birbirlerine, tren boyunda uzaklıkta bulunan, tren yolu kenarına yerleştirilmiş 1 ve L2 lambalarını düşünelim. Lj,L2’nin ortasında demir yolu kenarındaki I gözlemcisi olsun. 2. gözlemcisi ise trenin tam ortasında ayakta dursun. Ve özel bir durum olarak lokomotifin ön tarafının L] yüksekliğe geldiğinde bu lambanın yandığını ve lokomotifin arka kısma  ulaştığında bu lambanın da yandığını farz edelim.
  • Her iki lambayı da aynı anda görmesi bir çift ayna ile sağlanan I gözlemcisine göre, tren geçtiğinde her iki lamba da aynı anda yanmıştır. Oysa; L2’den uzaklaşarak, Le yaklaşan II gözlemcisine göre L,L2 lambasından önce yanmıştır. Yani ikinci gözlemciye göre trenin uzunluğu LrL2 uzaklığından daha fazladır.
  • Sonuç olarak, izafi hareket halindeki iki gözlemcinin zaman ve uzunluk değerlendirmeleri farklıdır. “Uzunluk daralması” ve “süre genleşmesi” söz konusudur. Gözlemcisinin ölçtüğü bir uzunluk, II gözlemcisine göre daha kısa olacaktır, “gerçek uzunluk” veya trenin durma anındaki boyu II. gözlemci tarafından belirlenendir. Aynı şekilde, çok hızlı bir yolcunun hayat süresi bize çok daha uzun gelecektir.
  • Bu sonucu “Langevin’in yolcusu” ile açıklayabiliriz. Bu yolcu aslında gerçekleştirilmesi imkânsız hayali bir yolcu olup izafi zamanın getirdiği bir yeniliktir. Langevin adlı fizikçi, ultra hıza sahip bir füze ile dünyayı terkeden bir yolcu hayal etmiştir. Bu füzenin hızı, hiçbir hareketlinin aşamayacağı c ışık hızından biraz daha azdır, yani saniyede 299 750 kilometre hız yapmaktadır. Langevin bu yolcunun yolculuk süresini füze içerisine yerleştirilmiş bir saat ile ölçer.
  • Langevin, yolculuk için gidiş süresi olarak bir sene kabul eder (bu süre füze içindeki saate göredir) ve füze bir seneyi dünyaya dönüş esnasında geçirir. Bu şekilde yolcuya göre seyahati, iki yıl sürmüştür. Ancak, dünyaya döndüğünde kendi yaşıtlarının 200 yıl yaşlandığını görür, yani zamanda “en kestirmeden gitmek” kabildir. Langevin paradoksu, Lorentz eşitliklerinin kaçınılmaz bir sonucudur. Bu paradoksa sebep olan geriye dönüştür, bu da hız işaretinin değişimi ile gerçekleşen bir sıfıra eşitlenmeyi ifade eder. Oysa kısmi izafiyet hızının sabit olduğu durumlarda, birbirlerine göre düzgün doğrusal hareket halindeki eksenler için söz konusu olabilir.
  • 1971 yılında, J. Hafele ve R. Keating adlarındaki iki Amerikalı fizikçi şu deneyi gerçekleştirmişlerdir: Olabildiğince hassas, sez-yumlu iki atom saati alınarak aynı zamana ayarlanmışlardır. Bu saatlerden birini sabit hızla dünyanın etrafını dolaşan bir uçağa, diğerini ise, uçağın kalkış yeri olan hava alanı pistine koymuşlardır. Uçak dünyanın etrafını dolaşıp, hava alanına döndüğünde, her iki saatin gösterdiği zaman kontrol edildiğinde, 273 nano saniyelik (saniyenin milyarda biri bir nano saniyeye eşittir) bir fark gözlenmiştir. Uçağın içindeki saat, dünya yüzeyindeki saate göre daha ileridedir  yani “daha az yaşlanmıştır”.kara-deik
  • Zaman ve uzaklık kavramlarından sonra, kütle kavramı da izafiyet sayesinde yeni boyutlar kazanmıştır. Hareketli bir cismin kütlesi hızı ile orantılı artar. Bunu doğrulayan deney şöyledir: Bir deşarj tübünün katodu tarafından yayınlanan elektronların hızlan, tüpün uçlarına uygulanan gerilimle orantılı olduğunda, saniyede 200.000 kilometrelik hızlara ulaşırlar.Bu arada kütlelerinin de hareketsiz haldeki kütlelerinin %40’ı oranında arttığı gözlenir. Hız, c ışık hızına yaklaştıkça, kütlesi de o oranda artar, c ışık hızı hiçbir hareketlinin aşamayacağı bir hızdır, bu hız aşıldığında kütle sonsuza ulaşır.
  • Enerji de kütleye bağlı bir kavramdır. Her kütleye bir enerji tekabül eder. O halde, enerjinin sükûnetinden söz edilebilir. Einstein‘in bu buluşu insanoğlunun nükleer reaksiyonları gerçekleştirmesini sağlamıştır.
  • 1912 yılında Einstein “Genel izafiyet” teori s ini ortaya atmıştır. Bu izafiyete göre çekim de eylemsizlik olarak kabul edilir. Genel izafiyet ölçüm ve astronomi deneylerinde de büyük rol oynamıştır.
  • Cisimler tarafından (bilya, optik cam, güneş, yıldız vs.) oluşturulan fiziksel nesneler civarında alanlar bulunur. Bu alanların özelliklerinin ortaya çıkarılması için öncelikle, bu alanların içersine yerleştirilmiş cisimlerin davranışlarının incelenmesi gerekir. İki tür alan söz konusudur, elektrikte incelenen elektromagnetik alan ve, bundan daha az tanınan gravitasyon (çekim) alanı. Bütün fiziksel nesnelerin gravitasyon alanları vardır, ancak bu alanın önemi söz konusu olan nesnenin kozmik boyutlarda olması ile ortaya çıkar: Güneş veya yıldız örneğinde olduğu gibi, gravitasyon alanların temel özelliği, kütlesi ve yükü ne olursa olsun, bütün cisimler bu alanda benzer şekilde davranırlar.
  • Dünyanın çekimi söz konusu olduğunda, serbest düşme kanunu kurşun veya cam bir ağırlık için aynıdır. Einstein, bir gravitasyon alanında ışığın saptığını ortaya koymuştur; yörüngesi güneşe teğet olan bir ışık ışını 1,70 saniye sapar, bu deneysel olarak doğrulanmıştır.
  • Ayrıca klasik mekanikte belirlendiği gibi gravitasyon alan etkisinde uzay Euclidien değildir, Riemann geometrisine uyar. (Matematikçi Rie-mann’ın ortaya attığı geometri). İlk bakışta şaşırtıcı olan bir dizi sonuç gravitasyon alanın sonucudur. Zaman aralıkları alana bağlıdır, zaman uzayın her noktasında aynı şekilde akmaz. Evrenin geometrik özellikleri zaman ile değişir, evren sürekli genleşme halindedir.
  • Kuanta ve bağıllık teorisine göre Albert Einstein çağdaş bilimin fikirlerini ortaya atmıştır. Yeni bir fizik modeli geliştirerek, araştırmacılara yeni ufuklar sağlamış ve bizim görüş açımızı geliştirerek, atom bileşenlerinden, galaksilerin sonsuzluğuna ulaşmamızı sağlamıştır.

Etiketler:

Yorumlar

Henüz yorum yapılmamış.

odev