Özel görelilik tarihi

Özel görelilik kuramı tarihi, birçok teorik sonuçtan ve Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré ve diğerleri tarafından elde edilmiş ampirik bulgulardan oluşmaktadır. Tüm bunlar Albert Einstein ve daha sonrasında Max Planck, Hermann Minkowski ve diğerleri tarafından önerilen özel görelilik kuramının bir sonucudur.

Giriş

Isaac Newton fiziği mutlak bir uzay ve zaman üzerine kurulu olmasına rağmen aynı zamanda Galileo Galilei'nin görelilik ilkesiyle bağdaşır. Bu durum şu şekilde ifade edilebilir: mekanik yasaları ile ne kadar ilişkilendirildiğine bağlı olarak eylemsiz hareket eden bütün gözlemciler eşit ayrıcalıklara sahiptir. Ayrıca herhangi bir özel gözlemciye atfedilen hareketin özel olarak seçilmiş bir durumu yoktur. Ancak elektromanyetik teori ve elektrodinamikte olduğu gibi 19. yüzyıl boyunca ışığın dalga teorisi ışık medyumunda meydana gelen bir bozukluk veya Luminiferous ether olarak çoğunlukla kabul görüyordu. Teori en gelişmiş haline James Clerk Maxwell'in çalışmaları neticesinde ulaşmayı başardı. Maxwell'in teorisine göre bütün optik ve elektriksel fenomenler deneysel olarak belirlenebilecek şekilde birbirine göre göreli bir hareket yapmasıyla mümkün olabilmesi gerektiği düşünülen bu medyum boyunca yayılıyordu.

Isaac Newton fiziği mutlak bir uzay ve zaman üzerine kurulu olmasına rağmen aynı zamanda Galileo Galilei'nin görelilik ilkesiyle bağdaşır. Bu durum şu şekilde ifade edilebilir: mekanik yasaları ile ne kadar ilişkilendirildiğine bağlı olarak eylemsiz hareket eden bütün gözlemciler eşit ayrıcalıklara sahiptir. Ayrıca herhangi bir özel gözlemciye atfedilen hareketin özel olarak seçilmiş bir durumu yoktur. Ancak elektromanyetik teori ve elektrodinamikte olduğu gibi 19. yüzyıl boyunca ışığın dalga teorisi ışık medyumunda meydana gelen bir bozukluk veya Luminiferous eter olarak çoğunlukla kabul görüyordu. Teori en gelişmiş haline James Clerk Maxwell'in çalışmaları neticesinde ulaşmayı başardı. Maxwell'in teorisine göre bütün optik ve elektriksel fenomenler deneysel olarak belirlenebilecek şekilde birbirine göre göreli bir hareket yapmasıyla mümkün olabilmesi gerektiği düşünülen bu medyum boyunca yayılıyordu. Eter boyunca yayılan hareketi gözlemlemek için bilinen deneylerin başarısızlığı Hendrik Lorentz tarafından hareketsiz ışık saçan etere (Lorentz bu eterin yapısı hakkında teorik olarak düşünmemiştir), fiziksel uzunluğun kısalmasına ve formunu Maxwell denklemlerindeki yerel zamanın bütün referans sistemlerine göre korunmasına dayanan bir elektromanyetik teori geliştirmek için 1892 yılında başladı. Lorentz’in eter teorisi için birlikte çalıştığı Henri Poincaré henüz gelişmekte olan, 1905 yılında Lorentz’in ön dönüşüm formüllerini düzeltmek için kullanılmış ve şimdi Loretz dönüşüm formülleri olarak bilinen tam bir denklem setinin ortaya çıkmasını sağlamış, doğanın genel bir yasası olarak düşünülebilecek (elektrodinamik ve gravitasyonu içeren) bir özel görelilik prensibi önerdi. Albert Einstein, aynı yıl içerisinde ve kısa bir süre sonra kendisine özgü, ayrıca görelilik prensibine dayanan özel görelilik isimli bir makale yayınladı. Bu makaleyi Einstein, bağımsız bir şekilde türetmişti ve uzay zaman aralığının temel tanımlarını değiştirerek Lorentz dönüşümlerinin temelinden yeniden yorumlamıştı. Bu yorumlama Galilean kinematiğinin mutlak eşzamanlılığına karşı çıkmaya ve bu sebepten dolayı klasik elektrodinamikteki ışık saçan eterin herhangi bir referans noktasını göz ardı etmeye dayanıyordu. Daha sonra ise Hermann Minkowski’nin özel göreliliğin Einstein versiyonu için geliştirdiği 4 boyutlu uzay-zaman geometrisi modeli çalışması Einstein’ın genel görelilik teorisini geliştirmesine büyük bir katkı sağlayacak ve rölativistik alan teorisinin temellerini atacak bir çalışma haline dönecekti.

Eter ve hareketli cisimlerin elektrodinamiği

Eter modelleri ve Maxwell denklemleri

Thomas Young (1804) ve Augustin-Jean Fresnel (1816) yürüttüğü çalışmaların ardından ışığın ışık saçan eter olarak isimlendirilen elastik bir ortamın içinde enine dalgalar olarak yayıldığı düşünülmeye başlandı. Ancak optik ve elektrodinamik fenomenler arasında bir ayrım yapıldı. Bu ayrımın neticesinde bütün doğal fenomenler için özel eter modelleri yaratmak gerekli hale geldi. Bu modelleri birleştirmek veya modellerin tam anlamıyla mekanik bir açıklamasını sunmak için atılan adımlar başarılı olamadı, ancak daha sonra Michael Faraday ve Lord Kelvin’in de içlerinde bulunduğu birçok bilim insanı yadırganamayacak derecede başarılı çalışmalar yaptılar. 1864 yılında James Clerk Maxwell, elektrik, manyetizma ve indüksiyondan türetilen, Maxwell denklemleri olarak anılan bir dizi denklem ile çığır açıcı elektromanyetizma teorisini yarattı. Maxwell, ışığın elektrik ve manyetik fenomenler neticisinde ortaya çıkan aynı eter ortamında bir dalgalanma olduğunu yani elektromanyetik bir radyasyondan kaynaklandığını öne süren ilk kişiydi. Fakat Maxwell’in teorisi hareket eden cisimlerin optiğini düşündüğümüzde başarısız sayılırdı ve tam anlamıyla matematiksel bir model sürebiliyorken, eterin mekanik tutarlılığı hakkında bir fikir sağlayamıyordu.

1887 yılında Heinrich Hertz elektromanyetik dalgaların varlığını gösterdikten sonra Maxwell’in denklemleri geniş bir kitlede saygı duyulur hale geldi. Dahası Oliver Heaviside ve Hertz ayrıca teoriyi geliştirdi ve Maxwell denklemlerinin modern versiyonu için temelleri attı. "Maxwell-Hertz" ya da "Heaviside-Hertz" denklemleri elektrodinamiğin daha da geliştirilmesi için önemli bir temel teşkil ediyordu ve Heaviside'nin notasyanı günümüzde halen kullanılmaktadır. Maxwell denklemlerine yapılan diğer önemli katkılar ise George FitzGerald, Joseph John Thomson, John Henry Poynting, Hendrik Lorentz ve Joseph Larmor tarafından sağlandı.

Eter arayışı

Göreceli hareket ve madde-eter karşılıklı etkileşimi hakkında üzerinde uzlaşılamayan iki farklı teori vardı. Bunlardan biri Fresnel (ve sonrasında Lorentz) tarafından geliştirildi. Hareketsiz Eter Teorisi olarak isimlendirilen bu model ışığın enine bir dalga olarak yayıldığını ve eterin kısmen maddenin sabit bir katsayısıyla birlikte sürüklendiğini varsayıyordu. Fresnel bu varsayıma dayanarak ışığın sapmasını ve birçok optiği içine alan birçok doğal olayı açıklayabiliyordu. Diğer kuram ise 1845 yılında eterin madde tarafından tamamıyla sürüklendiğini belirten (ve daha sonra bu bakış açısı Hertz ile de paylaşılmıştır) George Gabriel Stokes tarafından öne sürüldü. Bu modelde eter hızlı objeler için katı ve yavaş objeler için akışkan (çam zift benzetmesiyle) olabiliyordu. Böylelikle Dünya oldukça özgür bir şekilde hareket edebiliyor ama ışığı taşımak için katı olması gerekiyordu. Fresnel’in teorisi galip geldi çünkü onun sürtünme katsayısı 1851 yılında gerçekleştirilen ışığın sıvı bir ortamdaki hızını ölçmüş Fizeau deneyi ile doğrulanmıştı.

1881 yılında Albert A. Michelson bir girişimölçer kullanarak Fresnel’in teorisinde beklendiği gibi Dünya’nın ve eterin göreceli hareketini ölçmeyi denedi. Michelson herhangi bir göreceli hareket tespit edemedi ve böylece çalışmasını Stokes’in teorisinin bir doğrulaması gibi ifade etti. Ancak 1886 yılında Lorentz Michelson’un hesaplamasının yanlış olduğunu ve ölçümün hassaslığının abartılmış olduğunu gösterdi. Bu büyük bir hata payıyla birlikte Michelson’in deney sonuçlarını ikna edici olmayan bir pozisyona sürükledi. Dahası, Lorentz, Stokes’in tamamıyla sürüklenen eter ortamının tartışmalı sonuçları olduğunu gösterdi ve böylelikle Fresnel’inkine benzer bir şekilde eter teorisini destekledi. Fresnel’in teorisini yeniden kontrol etmek için 1886 yılında Michelson ve Edward W. Morley, Fizeau deneyinin bir tekrarını yaptılar. Bu sayede Fresnel’in sürtünme katsayısı oldukça kesin bir şekilde onaylanmış oldu ve Michelson artık Fresnel’in hareketsiz eter teorisinin doğru olduğunu düşünüyordu. Durumu aydınlığa kavuşturmak için 1887 yılında Michelson ve Morley, Michelson’ın 1881 yılında yaptığı deneyi hassasiyeti olabildiğince arttırmaya çalışarak tekrarladı. Ancak ünlü Michelson ve Morley deneyi yeniden olumsuz bir sonuca perde aralamıştı. Bu olumsuz sonuç keşfedilmeye çalışılan (Dünya’nın kış aylarındaki hızının yaz aylarındaki hızından 60 km/s farklı olmasına rağmen) eter boyunca hareket aparatının olmamasıydı. Böylece fizikçiler iki farklı görünüşe bürünmüş birbiriyle çelişen deneylerle yüzleşmiş oldu: 1886 yılındaki Fresnel’in sabit eter teorisini doğrulayan deney ve 1887 yılındaki Stokes’in tamamıyla sürüklenen eter teorisini onaylayan deney.

Probleme olası bir çözüm 1887 yılında, sıkışmaz elastik ortamda yayılan Doppler kaymasını araştırmış, boş uzayda değişmeden kalabilen dalga denklemlerinin dönüşüm ilişkilerini çıkarmış ve Michelson-Morley deneyinin olumsuz sonuçlarını açıklamış olan Woldemar Voigt tarafından gösterildi. Voigt dönüşümleri y- ve z- koordinatları için Lorentz faktörünü $\scriptstyle {1/{\sqrt {1-{v^{2}}/{c^{2}}}}}$ ve daha sonra yerel zaman olarak isimlendirilecek olan yeni bir zaman değişkenini $\scriptstyle {t'=t-vx/c^{2}}$ içeriyordu. Ancak, Voigt’in çalışması çağdaşları tarafından tamamen görmezden gelindi.

1889 yılında FitzGerald Michelson-Morley deneyinin olumsuz sonuçlarının açıklanması için farklı bir açıklama sundu. Voigt’in aksine Gerald, kuramsal olarak malzeme yüzeylerinin hareket doğrultusu boyunca kısalacağından dolayı (uzunluk kısalması), moleküller arası kuvvetlerin elektriksel kökenli olabileceği öne sürdü. Bu 1887 yılında, hareket halindeki elektrostatik alanın ışık hızında belirlenemeyen fiziksel koşullar sebebiyle deforme olduğunu gösteren Heaviside’nin çalışması (Heaviside Elipsoidi) ile bağlantılıydı. Ancak, FitzGerald'ın fikri uzun bir süre bilinmez halde kaldı ve Oliver Lodge 1892 yılında bu fikir hakkında bir özet yayınlayana kadar hiç tartışılmadı. Ayrıca Lorentz, yine 1892 yılında Michelson-Morley deneyini açıklamak amacıyla FitzGerald'dan bağımsız bir şekilde uzunluk kısalmasını önerdi. Makul sebeplerden dolayı Lorentz bu durumu elektrostatik alanların büzülmesine bağlıyordu ve konu hakkında bir benzetme sundu. Ancak Lorentz bile bunun yeterli bir sebep olmadığını ve ad hoc hipotezinin sonuç olarak uzunluk kısalması olarak kaldığını kabul etti.