Bu ay, bilim tarihinin en yakışıklı teorisi Genel Görelilik Kuramı’nın yüzüncü yıldönümü ve onun onuruna Albert Einstein’in muhteşem buluşuna yön verip esin kaynağı olan, görselleştirilmiş “düşünce deneyleri”ni kutlamak için biraz zaman ayıralım. Einstein Gedankenexperimente adını verdiği, laboratuvarı yerine kafasının içinde dolaştırdığı düşüncelerin keyfini sürdü. Öğretmenler bu duruma “Aklı beş karış havada” der, ama eğer Einstein iseniz buna Gedankenexperimente diyebilirsiniz.

Bu deneylerin bize hatırlattığı üzere, yaratıcılığın temeli hayal gücüdür. Eğer çocukları bilimi sevmeye teşvik etmeyi umuyorsak, matematik ve ezberletilmiş formüllerle zorlamaktan daha fazlasını yapmaya ihtiyacımız var. Onların zihin gözlerini tetiklemeliyiz. Hatta gündüz düşleri kurmalarına da izin vermeliyiz.

Einstein’ın ilk büyük düşünce deneyi 16 yaşında geldi. Görsel hayal gücü yerine ezberci eğitime dayalı Almanya’daki okulundan kaçıp, Johann Heinrich Pestalozzi’nin öğrencileri kavramları görselleştirmeye yüreklendiren eğitimsel felsefesi üzerine kurulu İsviçre’deki bir köy okuluna yazıldı. Bir ışık huzmesine yetişecek kadar hızlı seyahat ederse, neler olacağını burada gözünde canlandırmaya çalıştı. Sonraları, eğer onunla beraber hareket ederse, “sabit halde bir elektromanyetik alan gözlemlemeliyim” diye yazmıştı. Başka bir deyişle, dalga durağan görünecekti. Ancak bu elektromanyetik alanların hareket ve salınımını anlatan Maxwell denklemlerine göre mümkün değildi.

Sonradan hatırladığı üzere avuçları terleyerek gergin bir şekilde dolanıp duruyordu. Düşünce deneyleri ve Maxwell denklemleri arasındaki uyumsuzluk, onda “zihinsel bir gerilim” yaratmıştı. Ergenliğimizde avuçlarımızın terlemesine neden olan şeyleri hepimiz hatırlıyoruz, o şeylerin arasında Maxwell denklemleri yoktu. Ancak bu muhtemelen bizim daha mütevazı düşünce deneyleri yapıyor olmamızdan kaynaklanıyor.

1900’lü yılların başlarındaki çeşitli deneylerde ışığın, gözlemcinin ışıkla görece hareketinden bağımsız olarak, sabit bir hızda hareket ettiğine dair bulgular elde edildi. Fizik camiasının bu durum karşısında kafası karışmıştı., bu sırada Einstein’ın kafasını hâlâ bir ışık huzmesiyle hareket etmek karıştırıyordu. Böylece 1905’te yeni düşünce deneyleri gerçekleştirdi.

AlbertEinstein

O zamanlar İsviçre patent ofisinde çalışıyordu. Her gün bir icadın ve altında yatan kuramsal yapının gerçeklikte nasıl vuku bulacağını gözünde canlandırmaya çalışırdı. Görevleri arasında birbirlerinden uzak saatleri senkronize etmeye yarayan uygulamaları incelemek de vardı. İsviçreliler (İsviçreli oldukları için), ülkedeki tüm saatlerin kusursuz bir şekilde uyumlu olmasına dair bir tutkuya sahiptiler. Harvard bilim tarihçisi Peter Galison’ın bulgularına göre, 1901 ve 1904 arası, saatleri eşlemek için radyo dalgaları gibi elektromanyetik sinyaller kullanan cihazları için 24’ün üzerinde patent başvurusu yapılmıştı.

Einstein’ın gözünde canlandırabildiği şuydu: Eğer saatler saat başını vurduğu anda bir ışık sinyali yollanılırsa, saatlerden birine doğru süper hızla hareket eden birinin saatlerin eş olup olmadıklarına dair gözlemi, aksi yönde aynı hızla hareket eden birininkiyle farklı olacaktı.

Sonraları bu fikri başka bir düşünce deneyiyle açıkladı. Bir tren rayının iki ayrı noktasına yıldırım düştüğünü farz edelim. Bu iki noktanın tam ortasında, kenarda toprak bankette duran bir adam hayal edin. Eğer iki akım da adama aynı anda ulaşırsa, iki yıldırımın eş zamanlı düştüğünü söyleyecektir. Şimdi bu raylar üzerinde hareket eden bir tren ve içinde bir kadın hayal edin. Eğer tren süper hızlı hareket ediyorsa, Kadın, trenin hareket ettiği yöndeki, yani trenin önündeki yıldırımın daha önce düştüğünü söyleyecektir.

Einstein, “Bankete göre eş zamanlı olan, trene göre eş zamanlı değil” diye yazdı. İşin eğlenceli kısmı şöyle ki: Banketin “hareketsiz”, trenin “hareketli” olduğuna dair bir hükümde bulunmak için hiç bir neden yok. Adam, kadın, tren, Dünya, Güneş sistemi, galaksi vs. hepsi birbirlerine görece hareket halindeler ve hiçbiri mutlak sabitlik gibi ayrıcalıklı bir statü üzerinde hak iddia edemiyorlar. Yani “gerçek” ya da “doğru” bir cevap yok. “Eş zamanlılık”, hareket durumunuza bağlı olarak göreli bir şey.

Bu zamanın göreli olduğu anlamına gelir. Eğer ışık hızına yakın hızlarda seyahat ederseniz, zaman yavaşlar. Hemen kavrayamıyorsanız kötü hissetmeyin. Einstein’ın bundan sonra bir üniversitede fizik öğretmeye başlaması dört yılını aldı.

Bu uzay ve zaman göreliliği, Özel Kuram olarak bilinegeldi zira yalnızca gözlemcinin sabit bir hızda hareket ettiği özel bir durum için geçerliydi. İvmelenen, yön değiştiren ya da dönen gözlemcileri de kapsayacak genel bir kuram oluşturmak daha zor. Genel Görelilik Kuramı’nı oluşturması Einstein’ın bir on yılını da alacaktı.

Bir kez daha yolu bir düşünce deneyiyle aydınlandı. “Bern’deki patent ofisinde sandalyemde otururken birden aklıma geldi. Eğer bir insan serbestçe düşüyorsa, kendi ağırlığını hissetmez,” diye hatırlıyor. “Hayatımın en mutlu düşüncesi.”

Einstein fark etti: Eğer bir insan hiçbir penceresi olmayan bir düşme kabinindeyse, düştüğünü anlamayacaktır (en azından yere çarpana kadar). Aslına bakılırsa yerçekiminin olmadığı dış uzayda bir odada olduğunu düşünmesi muhtemel. Ağırlıksız hissedecektir ve eğer cebinden bir cisim çıkarıp boşluğa bırakırsa, o cisim yanıbaşında süzülecektir.

Ve Einstein beklenmeyeni yaptı. Yerçekiminin olmadığı dış uzayda bir odada süzülen bir insan düşünün. Ve şimdi bu odaya dışarıdan bağlanmış, yukarı doğru ivmelenerek hızla çekilen bir halka düşünün. Gözlemci ne hissedecektir? Ayakları yere, tabana yapışacaktır. Eğer cebinden bir cisim çıkarıp boşluğa bıraksa, cisim ivmeli bir hızla düşecektir. “Odadaki insan böylece yerçekimsel bir alanın içinde olduğu sonucuna varacaktır.”

Einstein’ın öne sürdüğü üzere, yerçekimi ve ivmenin yarattıkları etkiler denktir. Bu nedenle aynı nedene sahip olmalıdırlar. Einstein, “Yerçekimi ve ivmeye atfettiğimiz etkiler, tek ve aynı yapı tarafından üretilmektedir,” diye açıklıyor.

Einstein, özel kuramında uzay ve zamanın birbirinden bağımsız olmadığını, aksine beraber uzay-zaman adı verilen bir doku oluşturduğu gösterdi. Şimdi, Genel Görelilik Kuramı olarak adlandırılan, ilk kuramın genel haliyle, bu uzay-zaman dokusu yalnızca cisimlerin içinde bulunduğu bir kaptan daha fazlası haline geldi. Aksine, artık iki yönlü bir dinamiği vardı: hareket eden cisimler dokuyu büküyor ve dokunun bükülen kısımları da cisimlerin hareketlerini etkiliyordu.

Bu yine başka bir düşünce deneyiyle görselleştirilebilir: Bir bowling topunu bir tramboline yuvarladığınızı düşünün. Dokuyu bükecektir. Sonra tramboline bir kaç bilardo topu yuvarlayın. Bilardo topları bowling topuna doğru yuvarlanacaktır. Bu durum bowling topu uzaktan gizemli bir etki uyguladığı için değil, trambolinin dokusunun bükülmüş olmasından kaynaklanıyor. Einstein bunun dört boyutlu uzay-zamanda olduğunu hayal edebiliyordu. Açıkçası bu bizim için pek kolay değil, ama bu nedenle o Einstein’dı ve biz değiliz.

uzayzaman_einstein
Kasım 1915’te arka arkaya dört Perşembe, Einstein Genel Görelilik Kuramı’nı Berlin’deki Prusya Bilim Akademisi’nde sundu. 25 Kasım’daki son dersinde, yerçekimsel eylemsizlik alanlarını açıklamak için kurduğu denklemlerini ortaya çıkardı. Einstein’ın genişleyen karmaşıklıkları kargacık burgacık sembol ve alt-sembollere dönüştüren skıştırılmış tensör[i] gösterimleriyle kurduğu nihai denklemleri, fizik hayranları için bir tişörte basılabilecek kadar kısaltılmış bir hale geliyor. Denklerim çeşitlemelerinden biri şu şekilde gösterilebiliyor: Rμν – ½ Rgμν = 8 π G Tμν [ii]  [iii]

Denklemin sol kısmı cisimlerin nasıl uzay-zamanı eğip büktüklerini tanımlarken, sağ kısmı bu eğik ve bükük alanın cisimlerin hareketlerini nasıl belirlediğini gösteriyor. Fizikçi John Wheeler’ın dediği gibi: “Madde uzay-zamana nasıl büküleceğini, ve bükük uzay da maddeye nasıl hareket edeceğini söyler.”

Yerçekimi ve ivmenin denk olmasının sonuçlarından biri, yerçekiminin ışığı bükebilmesi gereksinimidir. Einstein bunu da yine bir düşünce deneyiyle gösteriyor. Yukarı doğru ivmelenen bir oda düşünün. Duvarlardan birindeki bir iğne deliğinden bir lazer ışını geliyor. Işın diğer duvara ulaştığında vurduğu nokta yere daha yakın olacaktır, çünkü oda yukarı doğru hareket etti. Eğer gidiş yolunun izini sürebilseydiniz, gidişatı bükük olacaktır çünkü yukarı doğru olan hareket ivmeleniyordu. Denklik ilkesinde göre, yerçekiminin etkisi ivmenin etkisiyle ile aynı olmalı. Yani ışık yerçekimsel alandan geçerken bükülmeli.

Bilim insanlarının kuramı test etmek için makul bir test oluşturmaları neredeyse on yıl sürdü. Mayıs 1919’daki bir güneş tutulması sırasında, Britanyalı astronom Arthur Eddington’ın başını çektiği bir ekip, bir yıldızdan gelen ışığın güneşin yerçekimsel alanından geçerken nasıl büküldüğünü ölçebildi. Sonuçlar Einstein’ın kuramını doğruluyordu.

Einstein bu durumu haber veren bir telegram aldığında, asistan öğrencisine gösterdi. Öğrencisinin sorduğu soru ise, eğer sonuçlar onu çürütseydi Einstein’ın ne hissedeceğiydi. “Yüce tanrı için üzülürdüm” diye cevap verdi Einstein. “Bu kuram doğru.” Gazeteler o zamanlarda nasıl manşet atılacağını biliyordu ve New York Times’daki manşet ve spot bir klasik haline geldi: “GÖKLERDE EĞRİLİYOR TÜM IŞIKLAR / Bilimadamları Tutulma Gözlemleri Hakkında Takriben Arzulu / Einstein’ın Kuramı Muzaffer / Yıldızlar Göründükleri ya da Hesaplandıkları Yerlerde Değiller Ama Telaşa Mahal Yok

Yıllar sonra küçük oğlu Eduard ona neden bu kadar ünlü olduğunu sorduğunda, Einstein, yerçekiminin uzay-zamanı büktüğü yönündeki öngörüsünü açıklamak için bir düşünce deneyi daha kullandı. “Kör bir böcek, eğri bir dalın yüzeyini dolandığında, yürüdüğü yolun eğri olduğunu algılamaz. Ben yalnızca böceğin fark edemediğini fark edecek kadar şanslıydım.”

Aslına bakılırsa Einstein, böceğin göremediğini fark etmekten daha fazlasını yaptı. Düşünce deneyleri kullanarak hayal kurmayı becerdi. Görünmeyeni görselleştirmek, daima yaratıcı zekânın anahtarı oldu. Einstein’ın da söylediği gibi, “Hayal gücü, bilgiden daha önemlidir.”

* Bu yazı, Walter Isaacson’un nytimes.com’da yayımlanan makalesinden çevrilmiştir.

[i]  Tensör: Vektörel, skaler ve diğer tensörler arasındaki doğrusal ilişkileri tanımlayan geometrik nesne.
[ii]  Rμν : Ricci eğrilik tensörü
R    : Skaler (vektörel yani yön bilgisi olmayan) tensör
gμν   : Metrik tensör
G    : Newton’un yerçekimi sabiti
Tμν   : Stres-Enerji tensörü
[iii] Ç.N.: 1917’de statik evren modelini doğrulamak adına Einsten tarafından denkleme bir ekleme yapıldı.
Rμν – 1/2Rgμν + Λgμν = 8πG
Λ   : Kozmolojik sabit.
Hubble ve genişleyen evren modelinin kabulünden sonra bu eklemenin bir hata olduğu ortaya çıktı.