Günümüzde fiziğe en ilgisiz kişiler bile özel görelilik teorisine aşinadır. Özel görelilik denince birçok kişi tam anlamasa da ikizler paradoksu, zamanın göreliliği dediğiniz zaman “Ha o muydu?” tepkisini alırsınız. İnternette bu konu hakkında birçok video izleyebilirsiniz. Ben lisedeyken fizik derslerinde ikizler paradoksuyla ilgili videoları açıp beynimiz yanmış vaziyette “Adam bunları nasıl düşünüp bulmuş?” derdik.

Şimdi o zamanlar meseleyi neden anlayamadığımı sorguluyorum ve evet, fizik bakımından çok eksik olmamın yanı sıra sorun ayrıca o videolardaydı. Bu videoların amacı size özel göreliliği öğretmek yerine sadece fiziğe ilgi duymanızı sağlamak. “Vay be, zaman bile göreliymiş” diye düşünmenizi sağlayıp sizi etkilemek ve bunu yapacak biriyseniz ortamlarda yarım bilginizle hava atmanız için size imkan vermek. Bu videolar size bundan fazlasını veremez. Bu seriyi yapma amacım size özel göreliliği tam manasıyla anlama yolunda bir yol haritası sunmak ve sonunda özel göreliliğin aslında ne kadar basit bir şey olduğunu anlamanızı sağlamak.

İlk olarak yapmanız gereken özel göreliliğe gelmeden önce fiziğin ilk kilometre taşı olan gözlemci (observer), referans çerçevesi (reference frame) gibi kavramlara tam hakim olmak. Bu kavramlar özel görelilik kavramları değil fiziğin en temel kavramları ve henüz bu kavramları bilmiyorsanız özel göreliliğin anlaşılmaz gelmesi gayet olağan. Ben de bu yazıda bunları anlamanız için yol göstereceğim ve ödeviniz olacak.

İlk olarak gözlemciden başlayalım. Gözlemci var olan bir olayı gözlemler. Bu sadece bizim bir olayı bakarak gözlemlememiz demek değildir. Örneğin gözlemci manyetik ve elektrik alanları da gözlemleyebilir. Özel görelilikte düşünce deneyleri yaparken daha çok ilk akla gelen normal görerek gözlemeyi kullanacağız. Gözlemci yerine kendinizi koyup olayı izlediğinizi düşünebilirsiniz. Kendinize göre hep hareketsiz olduğunuzdan gözlemciler kendilerini hep hareketsiz olarak görür.

Gözlemcinin bir referans çerçevesi vardır. Referans çerçevesi içinde gözlemciyi sabit tuttuğumuz hayali çerçevedir. Gözlemci bir hızla hareket ediyorsa referans çerçevesi de o hızdadır. Gözlemci duruyorsa referans çerçevesi de duruyordur. Gözlemci kendini hareketsiz görüyordu. Bu da demek ki bir gözlemci, kendi referans çerçevesindeki cisimleri de hareketsiz görür.

Buna bir örnek vereyim. Bir yolda 2 araç 40 km/saat süratle aynı yönde hareket ediyor. 2 referans çerçevemiz var: Yolun çerçevesi ve yola göre 40 km/saat hıza sahip çerçeve. İki araç konumları ne olursa olsun aynı referans çerçevesindedir çünkü hızları aynıdır ve araçlardaki gözlemciler birbirlerini hareketsiz görürler. Trafikte yanınızdaki bir araçla aynı hızla gittiğinizde bir gözlemci olarak kendinizi sabit gördüğünüzden yandaki arabayı da sabitmiş gibi görürsünüz.

Peki diyelim ki o araçlardan birinin içindesiniz. Yolun kenarındaki bir tabelayı nasıl görürsünüz? Unutmayın, siz sabitsiniz ve siz yola göre hareketliyken tabela yola göre hareketli değil; yani hızlarınız, referans çerçeveleriniz farklı. Kendinizi sabit gördüğünüzden tabela size göre hareketli, 40 km/saat hızla geriye gidiyor görünecektir. Biraz kafanızda canlandırdığınızda veya trafiğe çıktığınızda bakınca bunu anlayabilirsiniz.

Burada gözlemci, referans çerçevesi kavramlarının önemini anlıyor olmanız gerek. Yolda duran bir adam tabelanın hızını 0 km/saat olarak gözlemlerken araçtaki biri tabelanın hızını geriye doğru 40 km/saat olarak görüyor. Farklı çerçevedeki iki gözlemci aynı cismi farklı şekilde hareket ediyor olarak görüyor. Bundan şu önemli dersi çıkarabiliriz: Fiziksel gerçeklik gözlemciye ve gözlemin yapıldığı referans çerçevesine göre değişir.

Biri size bir arabanın hızlı olduğunu söylüyorsa sormanız gereken soru “Neye/kime göre?” olmalı. Dünya’ya göre sabit bir gözlemciye göreyse 200 km/saat mesela. Dünya’nın Güneş etrafındaki hareketiyle arabanın da Güneş etrafındaki hareketini düşünün. Arabanın hızı Güneş’in referans çerçevesindeki bir gözlemciye göre yaklaşık saniyede 30 kilometre olacaktır. Gerçekten hızlıymış, değil mi? Güneş’in de Samanyolu Galaksisi içindeki hareketini hesaba katarsak Samanyolu Galaksisi’nin referans çerçevesindeki gözlemciye göre arabanın hızı saniyede 30 kilometreden de çok çok fazla olacaktır.

Buraya kadarki yazdıklarımı kısaltacak olursak aynı hıza (sürate değil!) sahip gözlemciler aynı referans çerçevesi içindedir ve bir referans çerçevesindeki gözlemci başta kendi olmak üzere referans çerçevesini oluşturan her şeyin hareketsiz olduğunu gözlemler. Gözlemcinin bulunduğu referans çerçevesini belirlemek fiziksel olayı doğru anlamak için önem taşımaktadır.

Referans çerçeveleri ikiye ayrılır: İvmeli (Non-inertial) ve eylemsiz (Inertial) referans çerçeveleri. Eylemsiz referans çerçeveleri sıfır ivmeye, sabit hıza ve dolayısıyla doğrusal harekete sahiptir (veya durmaktadırlar). İvmeli referans çerçeveleriyse ivmeye sahiptir. Bu doğrusal ivme olacağı gibi dönme hareketinin sebep olduğu ivme de olabilir (dönmede yön dolayısıyla hız değişir). Dönen bir cisim üstündeki gözlemci dolayısıyla eylemsiz referans çerçevesinde olamaz çünkü ivmeli hareket yapmaktadır.

Özel görelilik eylemsiz referans çerçevelerini inceler. İvmeli harekete yer yoktur. Einstein ivmeli hareketi özel göreliliğin yükseltilmiş modeli olan genel görelilik teorisinde açıklamıştır. Konumuz özel görelilik olduğundan sadece eylemsiz referans çerçevelerinden bahsedeceğim.

Koordinat sistemleri ise kendi referans çerçevesinde hareketsiz olan ve cisimlerin konumlarını belirlememize olanak tanıyan araçlardır. Koordinat sistemini herhangi bir yere yerleştirmeniz olayı etkilemez, sadece örneğin konum verilerini sayısal olarak değiştirebilir çünkü olayı gözlemeyi etkileyen referans çerçevesidir. Koordinat sistemleri ise referans çerçevelerinin parçasıdır.

Şimdilik bu kadarı yeterli. Size ödevim de şu şekilde: Günlük hayatınızı yaşarken bu referans çerçevelerini, gözlemcileri aklınıza getirin. Yanınızdan geçen arabayı, tepenizde uçan uçağı, Dünya’yı, Güneş Sistemini, galaksiyi, evreni düşünün. Hangi referans çerçevesindeki gözlemci sizi nasıl gözlemler? Şu an nelerle aynı çerçeve içindesiniz? Hangi çerçeveler eylemsiz veya ivmeli? Bunları düşündükçe gözlemci ve referans çerçevesi kavramlarını tam manasıyla anlamaya zamanla başlayacaksınız ve sonraki derse hazır olacaksınız.