Sürat Nedir? Hız Nedir? Vektörel Hız Nedir? Hepsi Aynı Şey midir?

İngilizler bizdeki hız sözcüğü için iki farklı sözcük kullanırlar. Biri “speed” dedikleri bizdeki sürat karşılığı olan sözcüktür, diğeri de “velocity” diye geçer, esas hız dememiz gereken budur. Ama biz yaygın olarak her ikisine de hız diyoruz. 

Her ikisi de alınan mesafenin geçen zamana bölünmesiyle elde edilen “hız” anlamında olsa da, aralarında önemli bir fark vardır.

Velocity vektöreldir. Yani içinde hız bilgisi yanında yön bilgisi de içerir. 

***

Nasıl yani diyorsanız bir örnekle açıklamaya çalışayım:

Sabit bir süratle bir yolda ilerlerken bir süratimiz vardır, ama aynı zamanda bir de gittiğimiz yön vardır. Eğer yol yılan gibi kıvrılan virajlı bir yol ise ve seyahat süratimiz sabitse yol boyunca İngilizlerin “speed” dedikleri sürat değeri değişmez, ama “velocity” dedikleri hız değeri değişir.

Çünkü gittiğimiz yön yoldaki virajlara göre değişmektedir.

İşte bu durumda sabit bir hızla düz olmayan bir yolda ilerlesek bile açı değiştirdiğimiz için açısal momentum sahibi olduğumuz anlamına gelir. 

Açısal momentum ise açısal ivme demektir. 

İvme bildiğiniz gibi kuvvetin bir çarpanıdır. 

Sabit hız ile giderken sürtünmesiz bir ortamda üzerimizde bir kuvvet etkisi hissetmeyiz. Bir trende ya da uçakta kalkıp koridorda düz yolda gidiyormuşuz gibi yürüyebiliriz.

Ama eğer tren yön değiştiriyorsa bizim de yönümüz değişir ve üzerimizde yana doğru bir ivme, yani bir kuvvet etkisi hissederiz.

***

İşte bu durum fizikte “ikizler paradoksu” olarak bilinen ve biri bir roket ile ışık hızına yakın bir hızda uzak bir yere gidip geri dönen ikizlerden roket içindekinin dünyada kalan ikize nazaran daha genç kalmasının açıklamasıdır.

Bu paradoks dünyada kalan ikiz gözüyle bakarsak roket içindeki ikizin bir hız sahibi olduğunu, roket içindeki ikizin gözünden bakacak olursak ise dünyada kalan ikizin rokete relatif olarak aynı hızla kendisinden uzaklaşmakta olması sebebiyle hangi ikizin diğerine karşı daha genç kalacağı konusunda ortaya bir paradoks çıktığından söz eder.

Hız sonuç itibari ile göreceli bir kavramdır. Kime göre, neye göre bir hızımız olduğunu söyleriz? Bakana, gözlemciye nazaran.

O yüzden roket içindeki için dünyada kalan hızla uzaklaşıyor olarak görünür, dünyadaki için ise roket içindeki.

Gerçekte ise roketteki ikiz daha genç kalacaktır, çünkü roket ile sabit hızla da gidiyor olsa, tekrar bir araya gelebilmek için bir noktada geri dönmek zorunda kalacaktır, yani roketle birlikte yön değiştirmek zorunda kalacaktır.

Bu durumda ise roket içindeki ikiz üzerinde açısal ivme etkisi olacaktır. Bu etkiyi roket içindeki ikiz hissedecektir. 

Atalet! Kütle üzerinde bir de atalet dediğimiz bir etki vardır.

Dünyada kalan ikiz hiçbir atalet etkisi hissetmez. 

Bu durum roketteki ikizin dünyadakine nazaran daha genç kalmasının asıl sebebidir. 

Zaten yüksek hızı yüzünden roket içindeki ikiz zamanı daha yavaş hissetmektedir. Aslında böyle bşr şey hissetmez de, zaman dünyadakine nazaran onun için daha yavaş akar. Üzerine bir de ivme, yani kuvvet etkisinde kalmış olduğunda işte ortada paradoks falan kalmaz.

Yani ikizler paradoksu denilen olay aslında bir paradoks değildir. Her iki ikizin tecrübe ettikleri fiziki koşullarda farklılık vardır.

***

Bu bakış açısıyla hızımızın yanında kuvvetin de, yani ivmenin de zaman üzerindeki etkisi olduğunu bilmemiz gerekli.

Einstein önce özel görelilik kuramını geliştirmiş, ama özel görelilik sadece cisimlerin birbirine relatif hızları üzerine bir kuram olduğu için, bu kurama kuvveti nasıl dahil ederim diye uzunca yıllar oldukça çok uğraşmış.

Sonuç yıllar sonra ortaya koyduğu genel görelilik kuramı!

Özel görelilik genel göreliliğin özel bir hali sadece, kuvvet etkisinin sıfır değerde olduğu, hızın sabit olduğu özel hal.

Formüllere ivme de dahil olduğunda mecburen maddeyi, yani kütleyi de dahil etmek durumunda kalıyorsunuz. Çünkü kuvvet kütle ve ivmenin çarpımı demek. F=m.a

Kütle ise aynı zamanda enerji demek. E=m.c2

Demek ki genel görelilik aynı zamanda bir enerji formülü. 

Enerji ise korunan bir değer. İçinde bulunduğumuz evrende enerji hiç bir şekilde yok olmuyor!

(Gerçi bu konu benim aklımı kurcalayıp duruyor, gerçekten hiç bir şekilde enerji yok olmuyor mu acaba? Entropi etkisiyle enerji eksiliyor olabilir mi? Ama şimdi konumuz bu değil, o yüzden parantezi kapatıyorum.)

Kütlenin enerjiye, enerjinin kuvvete, kuvvetin ivmeye ve ivmenin de hıza ve hızımızdaki yön değişimlerine ilgisini açıklayan, tüm bu ilişki ağı içinde zamanın doğrusal değil de, bükümlü bir yapısı olduğunu, dolayısıyla uzay-zaman boyutlarını bükerek bu hayatı yaşamakta olduğumuzu açıklayan muhteşem bir formül Einstein’ın genel görelilik formülü.

Biraz karışık, ama yine de muhteşem!

***

Bugünlerde bu formüldeki olası hatalar ve daha farklı yorumlanıp yorumlanamayacağı üzerine bilim insanları oldukça çok kafa yoruyorlar.

Bu konular üzerine daha önce de yazılar yazmıştım. İlgili olanlar hatırlayacaktır.

***

Evrende Einstein’ın genel göreliliği ile açıklanamayan birtakım olaylar gözleniyor. Anomaliler!

Aynı bir zamanlar Newton’un kütle çekim formülleri ile Merkür’ün yörünge sapması açıklanamadığı gibi, bugün de Einstein’ın genel görelilik formülleri bir şekilde yetersiz olabilir mi acaba diye ünlü teorik fizikçiler oldukça çok uğraşıyorlar.

Gerçi yapılan deneylerin hepsinden genel görelilik başarıyla çıkmış görünüyor. Pratikte de çoktan hayatımıza girmiş durumda. 

Meşhur konu, GPS uydularının yörünge hızlarından kaynaklanan genel görelilik etkisi dikkate alınarak bize bilgi yollaması sayesinde araçlarımızdan navigatörlerimiz doğru zamanlamayla düzgün çalışıyorlar konusunu biliyorsunuzdur sanırım.

***

Ama unutmayalım, zamanında Newton’un formülleri de eğer Vulkan adındaki hipotetik gezegen bulunabilseydi Merkür’ün yörünge sapmasına bir çözüm olduğunu gösteriyordu.

Yıllarca gökyüzünde Vulkan gezegeni aranmıştı. Ama bulunamamıştı. Çünkü böyle bir gezegen yoktu!

Bugün de benzer şekilde eğer “kara madde” varsa Einstein’ın genel görelilik formülleri ile uzak galaksilerdeki yıldızların galaksi merkezi etrafındaki dönüş hızlarındaki anormalliklere bir açıklama yapılabiliyor.

Kara madde ise bir zamanların farazi gezegeni Vulkan gibi onca incelemeye ve araştırmaya rağmen halen daha bilimsel olarak bulunabilmiş değil.

Belki gerçekten kara madde diye bir şey yoktur! Belki gerçekten Einstein’ın formüllerinde bir sorun vardır!

Olamaz mı?

***

Evet, Einstein’ın formüllerinin eksik olduğunu düşünenler de var fizikçiler arasında.

Bir takım yeni bakış açıları arıyor kimi fizikçiler.

Bu yeni bakış açılarından biri de MOND teorisi, Modified Newtonian Dynamics. Detaylarına girmeyeceğim, MOND diye yazınca detaylı bilgi bulabilirsiniz internette.

Bu teori Newton kütle çekim teorisinin geliştirilmiş hali, uzaydaki galaksi anormalliklerine bir çözüm arayan bir teori. 

Araya kara madde gibi onca aramaya rağmen halen daha bulunamamış olan farazi maddeleri de katmadan, uzak galaksiler üzerinde yıldızların yörünge hareketlerine çözüm bulmaya çalışan bir teori.

Bu teori üzerinde oldukça çok inceleme yapılmış. Einstein’ın formülleri bir yanda, MOND teorisi diğer yanda, yıldız hareketleri üzerine teleskoplarla elde edilmiş binlerce done üzerinde her iki teori ile incelemeler yapılmış ve ortaya çıkan sonuçlar yine de Einstein’ın daha tutarlı bir formül geliştirmiş olduğunu göstermiş.

Yani MOND yanlılarının hevesleri şimdilik kursaklarında kalmış görünüyor.

Bu konuda incelemeler devam ediyor olsa da, büyük ihtimalle MOND teorisi hatalı bir teori olarak tarih olacak.

***

Bir başka deneme de Einstein formüllerinin revize edilmesi üzerine. 

Bu konuya kuantum gravity, yani kuantize edilmiş kütle çekimi deniyor. 

Gerçi şimdilik bu konuda da yeterince gelişme yok. 

Kütle çekim etkileri doğadaki diğer kuvvetler gibi parçacıklar üzerine kurulu etkiler değiller. 

Bir süreklilik içeren bir etki kütle çekimi dediğimiz şey. Boyutlardaki bükülme, zamanda bükülme!

Einstein’ın formüllerine göre de gerçekte bir kuvvet bile değil kütle çekimi. 

Uzay-zaman bükülmesi! Kütlenin hareketindeki en kısa patika, ama bükümlü bir patika!

Ancak eğer diğer kuvvetler gibi parçacıklar üzerine bir formüle oturtulabilirse, doğadaki diğer formüllerin de içine dahil olduğu bir “her şeyin formülü” bulunmuş olacak.

Einstein kendisi de bu konu üzerine çok uğraşmış, ama maalesef vakti yetmemiş.

***

Böyle bir formülün geliştirilebilmesi aynı zamanda atom altı kuantum dünyası ile evrende gözlediğimiz galaksiler boyutundaki madde hareketlerinin tek bir formül ile açıklanabilir olması demek.

İşte kimi teorik fizikçiler de bu konularda uğraşıp duruyorlar.

Rahmetli Hawking de ömrünün büyük kısmını bu konuda harcamış. Ama o da bir sonuca ulaşamamış.

***

Tabii teorik fizikçiler diyorum, ama ortaya konan tüm bu teorileri inceleyip deneyler yapan deneysel fizik konusunda da oldukça çok çalışan var.

Bilmiyorum, bir gün gerçekten kara maddenin varlığı ispat edilebilecek mi acaba?

Cern’de hızlandırıp hızlandırıp atomları parçalayıp duruyorlar, belki bir gün gerçekten kara maddeyi bulurlar.

Kara maddenin varlığı ispatlanabilirse Einstein gerçekten haklıymış denilecek. 

***

Ya da Einstein gibi bir bilim insanı çıkıp da yepyeni bir bakış açısıyla bambaşka bir formül de ortaya koyabilir. Böylece farazi kara madde falan olmadan evrende gözlenen anormalliklere bir çözüm bulunabilir.

Tüm bu çalışmaların bir sonuca ulaşması için bu konulara kafa yoracak bilim insanları gerekli. En az Einstein kadar, Newton kadar akıllı birisi!

Teorik fizikçiler dünya çapında bile oldukça azlar, ama bizim aramızdan da bu sorunlara çözüm bulabilecek birileri çıkabilse keşke!

Onca üniversitemiz var ve birçoğunda fizik mühendisliği bölümü de var.

Bizden de birileri çıkar mı acaba bir gün?

***

Gerçi bizim dilimizde hız üzerine bile ikinci bir sözcük yokken nasıl olacak o iş diye düşünmeden de edemiyorum.

Yön bilgisi de içeren hız için bir sözcük önerisi olan var mı?

Ne diyelim de ikisini birbirinden ayıralım?

“Yönü belli hız” desek olur mu sizce? Vektörel hız mı diyelim?

Sürat var ya diyenleri duyar gibiyim. Sürat yön bilgisi olmayan olsun, hız ise yön bilgisi de içersin!

Evet, olur, biri Farsça, diğeri ise Arapça!

Yok mudur bunun Türkçesi?

Bilimle kalın! Ama önce şu dilimize bir çare bulalım isterseniz.

Moskova’dan herkese sevgi ve saygılarımla