Albert Einstein evreni algılayışımızı değiştirdi. Geliştirdiği görelilik kuramları onu Newton’dan sonraki en büyük bilimsel beyin konumuna getirdi. Görelilik, uzay ve zaman kavrayışlarımızı kökten değiştirdi ve daha önce kavranılamaz olan bir dünyayı var etti. Onun ünlü formülü olan e = mc2 maddenin enerjiye dönüşebileceğini göstererek bir bakıma nükleer enerji çağını açtı ve kuantum kuramına çok önemli katkılarda bulundu. İşte özel ve genel görelilik kuramlarının, daha doğrusu 20. yüzyılın başında gerçekleşmiş bir bilimsel devrimin öyküsü…
Paul Strathern
[Tüm yazıları]
Okuyacağınız makale, Paul Strathern’in “Einstein ve Görelilik” adlı kitabından derlenmiştir (“The Big Idea” dizisi, Anchor Books, 1999). İngilizceden çeviriyi R. Ömür Akyüz gerçekleştirdi. Ülkemizin önde gelen fizikçilerinden Prof. Dr. Ömür Akyüz kitabın tamamını Türkçeleştirdi ve eser yakında Bilim ve Gelecek Kitaplığı’ndan çıkacak. Akyüz, metnin bazı yerlerinde açıklayıcı notlar da yazdı (Çv.: işaretiyle). Başlık, spot ve arabaşlıklar bize ait.
Einstein 1902 yılının başında Bern’e gitti. Nihayet patent bürosunda bir iş açılmıştı. Üçüncü dereceden teknik raportör olmuştu. İşi, onay için büroya gönderilmiş çeşitli teknik keşiflerin bir tür sınıflandırılmasıydı. Bunlar arasında tabii ki, dahice aygıtlar, olağanüstü imkânsızlıklar ve üzerlerine finansal imparatorluklar kurulacak basit aygıtlar bulunuyordu! Einstein bunların her birini inceleyip ilişiklerindeki (çoğu kez güya açıkladıkları aygıtın kendisi kadar karmakarışık ve anlaşılamaz) raporları okuyordu. Görevi bu iki aykırı elemanın birbirleriyle ilişkisi olduğundan emin olup hiç olmazsa birisinin anlaşılır bir yanı olup olmadığını anlamaktı. Bu sırada en karmaşık kavramların bile bir takım basit temel ilkelere indirgenebileceğini keşfetti. Bu hiç unutmayacağı bir edinimdi.
Einstein 23 yaşındaydı ve yoksulluk içindeydi. Bu gerçekle yüz yüze gelmemek için kendisini bilimsel araştırmaya gömdü. Bu hep başvurduğu bir kaçış yöntemi olacaktı. İşler ne zaman kötüye gitse Einstein kendi soyut dünyasına kaçıyordu. Bu dönemde ürettiği bilimsel makalelerin bazıları saygın Annalen der Physik dergisinde yayınlandı. Einstein termodinamikle ilgilenmekteydi ve nispeten küçük sıvı ya da gaz hacimlerindeki çok büyük sayılardaki molekülün hareketlerini anlayabilmek için belli istatistiksel yöntemler geliştirmişti. Bu makalelerin özgün bir yanı yoktu; ancak sonradan bakınca gelecekteki büyük keşiflerin ipuçlarını görmek mümkündü.
Einstein’ın yayınlanmış makaleleri pek büyük önem taşımıyor olabilir ama ilgileri ve önsezileri belirgin olarak özgündü. Aslında öylesine özgündü ki, yürüyüş yaparlarken yakın arkadaşı Besso’ya yakındığı gibi bunu bir türlü uygun bir şekilde ifade edemiyordu. Artık Einstein klasik fiziğin tükendiğini fark etmeye başlamıştı. Uzay, zaman ve ışık Newton’un tanımlarına uymuyordu. Evren için yepyeni bir açıklama gerekiyordu.
Einstein, kafasında biçimlenmeye başlayan bu devrimci fikirleri geliştirebilmek için ayırabileceği tüm zamanı harcıyordu. 1905 onun mucizeler yılı (annus mirabilis) oldu. Bu yıl boyunca Annalen der Physik’te dört makalesi çıktı. Bunlar en azından dünyayı değiştirdiler.
Einstein’a gelene dek ışığın yapısına ilişkin kuramlar
Annalen der Physik’te yayınlanan ilk makalesi “Işığın üretilip dönüşümüne ilişkin sezgisel bir bakış üzerine” (Über die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristichen Gesichtspunkt) adını taşıyordu. Einstein’ın kendisi de bu 17 sayfalık makaleyi “çok devrimci” bulmaktaydı. Nitekim makalede ortaya atılan fikirler ışığın doğasına ilişkin tüm anlayışımızı dönüştürecekti. Öyle ki fizik artık hiç eskisi gibi olmayacaktı.
Einstein’ın bu makalesinin önemini anlamak için ışığın bilimsel tarihine göz atalım. Eski Yunan’dan beri filozof ve bilimciler ışığın minicik madde zerreciklerinden oluştuğuna inanmaktaydılar. 17. yüzyılın başlarında teleskopun icadıyla bu görüş sorgulanmaya başlandı. 1678’de Hollandalı astronom ve fizikçi Christiaan Huygens ışığın aslında dalgalardan oluştuğunu ileri sürdü. Ama bir çağcılının itiraz ettiği gibi “denizdeki dalgalar bile tuzlu su olmadan nasıl var olabilirlerdi ki?” Başka deyişle dalgalar her zaman oluşup yayılmak için bir maddeye, “ortama” gereksinirler. Işık dalgaları hava, su ve camda gidebiliyorlar ama uzayda ve vakumda nasıl gidiyorlar? Huygens her yeri dolduran görünmez bir nesne düşündü: esir (Çv.: Bu, Aristo’dan beri vakumu “doldurmak” için varlığı savlanan bir şeydi. Hatta bu nesneye, çok daha ayrıntılı ve de gittiği yönde çok sert, buna dik yönde ise çok gevşek olmak gibi çelişkili özelikler vermek de gerekti. Buna daha sonraları kütlesizlik ve durağanlık nitelikleri de eklendi.).
1704 yılında Isaac Newton ışık üzerine yazdığı büyük eseri Opticks’i yayımladı. Eser, ışığın tüm niteliklerini ve davranış biçimini kapsamlı bir şekilde betimlemekteydi. Çeşitli özelikleri açıklamak için bir korpüzkül/cisimcik (Çv.: “corpuscule”, cisim/gövde anlamına gelen “corpus” kelimesinden gelmektedir.) kuramı ileri sürdü. Bu kuramda ışığın parçacıklardan oluştuğu ama bunların kimi zaman bir tür dalgadan da etkilendiğri ileri sürülüyordu. Ne yazık ki Newton görünürde çelişik bu öğeleri harmanlayan ikna edici bir açıklama getiremedi (Çv.: Oysa 300 yıl sonra Planck ve Einstein’dan başlanarak asıl yapının böyle olduğu ortaya çıkarılacaktı!).
Işığın dalga kuramı, izleyen yüzyılda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in çalışmalarıyla sonuçlanan bir atılım geçirdi. Einstein’ın doğumundan bir yıl önce, 1878’de ölen Maxwell 1860’larda hem elektrik hem de manyetik kuvvetlerin uzayda ışık hızıyla yayılacağını hesapladı. Bundan hemen, ışığın da bir tür elektromanyetik ışınım olduğunu ve esir içinde dalgalar halinde oluşup yayıldığını çıkarsadı. Aynı zamanda ışığın dalgaboyunun elektromanyetik dalgalar tayfının küçük bir aralığını kapsadığını savlayarak değişik dalgaboylarında diğer elektromanyetik dalgalar da bulunacağını öngördü. Bunlar çok geçmeden keşfedilecekti.
1888’de Alman fizikçi Heinrich Hertz radyo dalgalarını keşfetti. Bunlar tam anlamıyla ışık ve ısı ışıması gibi davranıyorlar ve dalga nitelikleri gösteriyorlardı. Hertz yeni bulunan radyo dalgalarını yayımlayıp patentini alan ilk kimseydi, ama 1894’te bunlara bir kullanım yeri bulamadan kan zehirlenmesinden öldü (Hertz’in buluşuna pratik bir uygulama bulmak, İtalyan-İrlandalı fizikçi Guglielmo Marconi ve Alman F. Braun’a nasip olacaktı). Hertz’in çalışmaları, Maxwell’in elektrik ve manyetik kuvvetlerin esir içinde ışıkla aynı hızla yayıldıklarına ilişkin öngörüsünü gerçekliyordu.
Fakat tam o sıralarda kimileri de ışığın dalga kuramının temel dayanağı olan esir kavramına karşı kuşku duymaya başlamıştı. Esir yalnızca tüm uzayı doldurup cisimlerin içlerine nüfuz etmekle kalmayıp, ışık dalgalarını taşıyıp iletecekse aynı zamanda tekdüze dokulu ve rijit olmalıydı.
1887’de ABD’li emekli deniz subayı ve fizikçi Albert Michelson ve iş arkadaşı Edward Morley, dünyanın hızının ışığın yayılmasına yaptığı (?) etkiyi bulmak için bir deney tasarladılar. Bunu dünyanın durağan esire göre olan hareketini kullanarak göstereceklerdi. Ama hiçbir etki görülemediğini buldular. Her yerde her zaman bulunma niteliğine karşın, bu ele avuca gelmez nesneye ilişkin doğrudan bir kanıt bulunamamıştı. Herhangi bir kimse esirin varlığını bir deneyde görememişti. Peki, esir yoksa ışık dalgalarını uzayda ne taşıyacaktı?
Maxwell’in tüm çalışmalarına ve Hertz’in görünürdeki kesin gerçeklemesine karşın, ortaya çıkan yeni belirtiler ışığın dalga kuramıyla çelişir görünüyordu. Belli metallere ışık sıkıldığında bir elektriksel etki, fotoelektrik olay görülüyordu. Bu olay elektron salımıydı. Alman fizikçi Philipp Lenard bunu açıklamak için fotoelektronların metalden, üzerine düşen ışık tarafından söküldüğünü öneriyordu. Eğer böyleyse ışığın şiddetlenmesi çıkan elektronların hızlarını da artırmalıydı. Ancak, böyle olmuyordu. Elektronların sayısı artıyor ama hızları aynı kalıyordu. Derken Lenard daha da tuhaf bir olgu saptadı. Işığın rengini değiştirdiğinde (başka deyişle dalga frekansını değiştirdiğinde) bu, salınan elektronların hızını değiştiriyordu. Frekansla, elektronların hızları da artıyordu.
Bütün bunlar, dalga kuramının çelişkilerini gösteren diğer olgularla birlikte Alman fizikçi Max Planck tarafından incelenmekteydi. Bu olguların fiziğini matematiksel olarak betimlemeye girişen Planck gittikçe daha şaşırtıcı sonuçlara varıyordu. Bunlar 200 yıl önce Newton döneminden beri anlaşıldığı sanılan fizik ilkeleriyle çelişiyordu.
14 Aralık 1900 günü Planck çok önemli bir sonuca vardı. O gün Berlin yakınlarındaki Grünwald koruluğunda oğluyla yürüyüş yaparken “Bugün Newton’unkiyle kıyaslanabilecek bir keşifte bulundum. Klasik fizikten bir adım öteye gittim.” dediği söylenir. Planck’ın bulduklarına göre ışık maddeye düştüğünde, sağduyuya (ve de dalga kuramına) uygun olarak sürekli bir akış halinde soğurulup yayımlanmıyordu. Bunun yerine salınıp soğurulması tek tek enerji püskürmeleri şeklinde, yani daha çok parçacıklar gibi oluyordu. Bu tek tek enerji püskürmelerine kuantum adını verdi, Latince “nicelik, çokluk, miktar” anlamında. Bu kuantumların büyüklükleri ışığın dalga frekansıyla orantılıydı.
Işık kendi kendisiyle çelişir görünüyordu. Aynı zamanda hem dalgalardan hem de parçacıklardan oluşuyordu. Bu kavranması olanaksız bir şeydi, Planck da bunu olduğu gibi kabullenmeyi reddediyordu. Kuramının yalnızca ışık ve madde arasındaki ilişkiyi betimlediğini, ışığın kendi doğasına uygulanamayacağını savlıyordu. Bu süreksiz enerji püskürmelerinin yani kuantumların, maddeden uzakta bir şekilde bir araya gelerek dalga olduklarından emin olduğunu hissediyordu. Ama bunun nasıl olduğunu açıklayamıyordu. Kuantum kuramı yeni başlamıştı ama başlatıcısına bile büyük ölçüde anlaşılamaz geliyordu.
Einstein fiziği değiştiriyor
Sonunda probleme çözüm öneren Einstein oldu. Planck, tıpkı kuantumları gibi, aynı anda iki çelişkili konumdaydı: hem doğru hem yanlış. Kuantumlar ışığın maddeyle ilişkisini açıklıyor ama bundan öte ışığın kendi doğasını da açıklıyordu. Einstein bu fikrini 1905 tarihli makalesinde (“Işığın üretimi ve dönüşümüne ilişkin sezgisel bir bakış üzerine”) matematiksel ve fiziksel şekilde ifade etti. Einstein bunu “çok radikal” olarak tasarlamış olabilir; ama tuhaf bir şekilde geçici olduğunu düşünmüştü. Ulaştığı sonuçları “eldeki oturmuş ilkelerle bağdaşamaz… hatta belki de eninde sonunda savunulamaz çıkabilir” şeklinde nitelemişti.
Einstein’a göre ışık bazı amaçlarla, gaz molekülleri gibi bağımsız parçacıklar olarak işlenebilir, ancak durgunluk kütlesi sıfır alınmalıdır. Böyle durumlarda ışık kuantumlar halindedir (buna daha sonra foton adı verilecekti). Ama bunun yanı sıra ışığın bir dalga davranışı sergilediği, dolayısıyla sırf dalgalardan oluştuğunun düşünülmesini gerektiren başka durumlar da vardı. (Çv.: Bu görünürdeki çelişkinin en anlaşılır çözümü için Richard Feynman’ın “QED” adlı kitabını okuyabilirsiniz: Türkçesi, KEDİ, Pan Yayınları/Nar dizisi, İstanbul.)
Planck, klasik fiziğin alanını aşan yeni bir normaldışılık saptamıştı. Einstein’ın çözümü ise, ışığı ilgilendiren konularda fiziğin klasik görüşlerinin kesin sonu demekti. Daha beteri, mantık kurallarını da sarsıyordu. Işığın aynı anda iki çelişkili şey olması bekleniyordu. Nasıl olur da bir şey hem parçacıklardan oluşur hem de aynı zamanda dalgaboyu ölçülebilen bir dalga olabilir? Fen bilimi, sağduyunun ötesine geçen yeni bir çağa girmişti. Bu gibi durumlarda fen bilimi aslında neler olduğunu anlamayı değil olanları betimlemeyi amaçlar. Tabii ki bunu, çelişkili görülse de görülmese de olguları açıklamakta ve ilerideki bilgileri belirlemekte kullanılabilecek biçimlerde yapar.
Einstein’ın kapsamlı bir kuram yerine olgulara dayanan “sezgisel bakışı”, fotoelektrik olayı açıklayarak, esiri gereksizleştirdi. Kuantumlar olarak giden ışık, dalgaların aksine parçacıklar biçiminde davranarak taşınmak için bir ortam gerektirmiyordu. Bir süredir birçok kimsenin kuşkulandığı gibi artık bu ele avuca sığmayan nesneye gerek kalmamıştı.
Einstein’ın yeni ışık kuramı klasik fizikte ortaya çıkan diğer bazı normaldışılıkları da açıklayabiliyordu (daha doğrusu normalleştiriyordu Çv.). Einstein’ın ışığa ilişkin görüşü, her ne kadar Newton’un 200 yıl önceki tam olmayan modeline ilginç bir benzerlik taşısa da Newton fiziğinin sonunu belirliyordu. Einstein’ın fiziksel ve matematiksel savı kuantum kuramı için sahneyi kurdu ve Planck’ın özgün kavramını (kuantum) ışığın ta kendi doğası yaptı.
Ne var ki Planck olanları böyle görmüyordu. Silahlarını kuşanarak kuantumların yalnızca ışığın maddeyle etkileşmesinde söz konusu olduğu savını sürdürdü. Planck yıllar sonra, 1912’de bile Berlin Üniversitesi’ndeki derslerinde Einstein’ın bu sezgisel görüşünü eleştiriyordu. (Planck aynı yıl Einstein’ı Berlin’e gelmesi için ikna edecek, ancak onun Kaiser Wilhelm Enstitüsü’nün başına getirilmesi için yazacağı tavsiye mektubunda “Çok iyi bir matematiksel fizikçidir, kuantum fiziği gibi fantezilerle uğraşması bu bakımdan hoş görülebilir” diyecekti.) Bu konuda tek başına da değildi. Bilimin mantığa bu şekilde meydan okuyabileceğine pek az bilim insanı inanmak istiyordu. Einstein’ın ışık kuramı 1915’ten önce pek kabul görmedi. Fakat destekleyici deneysel veriler birikmeye de başlıyordu. 1920’lere gelindiğinde kuantum kuramı 20. yüzyılın temel bilimsel atılımlarından birisi olarak belirmeye başlamıştı. Planck’a 1919’da Nobel ödülü verildi, Einstein’a da iki yıl sonra (Einstein bu övüncü ışık ve kuantumlara ilişkin yaptıklarıyla edindi, görelilikle değil). Uygulayım bakımından Einstein’ın ışık kuramının televizyonun gelişmesinde öncü rolü olacaktı. Ama günümüzde en çok görülen uygulaması kapıları kendiliğinden açan “elektronik göz”dür. Çocukluğunda yatağında manyetik kuvvetin uzayı nasıl aştığını düşünürken uyuyamayan Einstein yirmi yıl sonra ışığın bu özelliğine getirdiği açıklama ile fiziği değiştiriyordu.
Kendine özgü yöntemiyle atomların peşinde
“Molekül Boyutlarının Belirlenmesi İçin Yeni bir Yöntem” (Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen) Einstein’ın Annalen der Physik dergisinin ünlü 17. cildinde (nadir bir cilt olarak geçenlerde 10000 dolar karşılığı el değiştirdiği duyulmuştu) çıkan ikinci makalesidir. Bu ikinci makale şeker molekülünün boyutunun belirlenmesine ilişkin bir yöntemi betimliyordu. Bu makale genellikle, “diğer üç makale yanında köpekbalıkları arasındaki bir sardalya”ya benzetilir.
Bu yan ürünü ortaya çıkardıktan sonra Einstein daha temel konulara döndü. Sonraki makalesi “Durağan bir Sıvı İçinde Asılı Küçük Parçacıkların Isının Moleküler Kinetik Kuramı Uyarınca Hareketi Üzerine” (Über die von der molekulerkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen) adını taşıyordu. Bulanık bir sıvı üzerinde çalışmak yeri yerinden oynatacak bilimsel keşifler için pek umut verici görünmüyor ama Einstein’ın problemlerin tam özüne erişmedeki becerisi durumu tersine çevirdi.
Yine biraz tarihe dönmek gerekecek. 1828’de İskoçyalı botanikçi Robert Brown, botanik araştırmaları sırasında suda asılı çiçek tozlarını gözlemeye başlamıştı. Bunu mikroskop altında incelediğinde tek tek çiçek tozlarının, gelişigüzel hareketler gibi sürekli zigzaglar yaptığını gözledi. Tozlar sanki canlı gibiydi. Ama organik olan çiçek tozları yerine anorganik tozları koyduğunda da yine aynı olayı gözledi. Brown sanki bilimsel bir olanaksızlığın örneğine rastlamış gibiydi: sürekli hareket (devr-i daim). Brown bu olgu karşısında şaşakalmıştı. Bu olgu, tüm bilim topluluğunu 19. yüzyıl boyunca meraklandırdı.
Einstein Brown hareketi üzerinde çalışırken fizik yasalarına karşı bu görünürdeki meydan okumaya takıldı ve ona yakışan özgün ve cesur bir çözüm getirdi. Isıl olayların moleküler kinetik kuramına göre sıvının görünmez molekülleri sürekli hareket halindedir. Bu hareket sıvının sıcaklığı arttıkça daha da yeğinleşir. Einstein’a göre asılı parçacıkların görünüşteki gelişigüzel hareketleri aslında onların sıvıyı oluşturan moleküller tarafından bombardıman edilmesinden ileri gelmekteydi. Bu cesur bir öneriydi, zira hâlâ pek çok saygın bilim kişisinin molekül ve atomların aslında var olmadıklarına dair kanaatleri tamdı. Bu nicelikler hâlâ gözlenmeye karşı direnmekteler. Tıpkı ele avuca sığmaz esir gibi henüz hiç kimse bir molekülü görmedi (Çv.: Aslında on yıldır gelişen taramalı tünelleme mikroskobu sayesinde atomlar ya da moleküller tek tek görüntülenebilmekte, hatta düzenlenebilmektedir.) Ama Einstein bir sahne öteye geçerek bu görünmeyen moleküllerin varlığını kanıtlamaya girişti. İstatistiksel dinamik kullanarak verilen herhangi bir sıvı miktarı içindeki moleküllerin sayısını da tam olarak hesaplamaya çalıştı.
Bunu nasıl başardığının en basit bir özeti bile işin içindeki karmaşıklıkların boyutunu gösterebilir. Sudaki her cisim (ya da her sıvıda ve de gazda) o sıvı ya da gaz moleküllerinin sürekli bombardımanına maruz kalır. Tamamen şans eseri olarak büyükçe bir cisme her yanından çarpan moleküllerin etkileri ortalama olarak birbirini götürür ve cisim yerinden oynamaz. Ancak, bir çiçek tozu gibi çok daha küçük bir parçacık için bir yandan gelen etki diğerlerinden bir an için azıcık daha büyük olabilir. Böylece parçacık önce bir yöne sonra diğerine itilip kakılır. Einstein bu olayı betimlemek için bir formül de elde etti. Bu formüle göre görünen parçacıkların belli bir yöndeki ortalama yerdeğiştirmesi gözlem süresinin karesiyle orantılıdır. Eğer parçacıkların yerdeğiştirmeleri ve süreleri ölçülebilirse böylelikle belli bir hacimdeki sıvı ya da gaz moleküllerin sayısı da hesaplanabillir. Bu şekilde Einstein bir gram hidrojende 3,03 × 1023 (üçyüzüçbinkeremilyonkeremilyonkeremilyon) molekül bulunduğunu hesapladı.
Einstein’ın makalesi yalnızca moleküllerin varlığını kanıtlamayı değil, davranışlarının izlerini ve çarpışmaların ortaya çıkma yoğunluğunu da ortaya koymayı amaçlamıştı.
Einstein’ın kuramsal kanıtı üç yıl sonra Fransız fiziksel kimyacısı Jean Perrin tarafından gerçeklenecekti. Perrin’in gomagut (sarımsı bir reçine) parçacıklarının sudaki Brown hareketlerine ilişkin deneyleri atomların fiziksel varlıklarının ilk pratik kanıtıydı. Perrin’in deneyleri Einstein’ın sırf kuramsal hesaplarının dikkate değer kesinliğini de ortaya koydu.
Einstein’ın çalışmalarının bu deneysel gerçeklenmesi, onun yöntemlerinin özlü bir niteliğini vurgular. Bununla 20. yüzyılın yeni bilimsel yaklaşımı, tıpkı kübizm ve atonal müzik gibi kendi belginliğiyle ortaya çıkıyordu. 19. yüzyıl bilimin birçok dalının bebeklikten tam olgunluğa gelişmesine tanık olmuştu. Bu dönemde bilimsel yöntem büyük ölçüde ampirikti. Gözlemler ve dahice deneylerle büyük ilerlemeler kaydedildi. Ama Einstein’ın yöntemi deneysel değildi. Tam tersine. Kendi yüreğinde hep ıslah olmaz bir kuramcı olarak kaldı. Deneyler, arkadan gelerek onun kuramlarına uyan gerçekleri ortaya çıkartmak içindi. Kuramları deneysel verilerle desteklenen gerçekliklerle kuran eski yöntem, Einstein için çok fazla yavaş ve sıkıcıydı. Onun beyni, deneylerin erişebileceğinden çok ötelerde olabileceklerle karşılaşmak için hızla ilerlemek istiyordu. (Çv.: Ancak, hiçbir zaman gözlemle ilişkisini kesmiyor, bulduğu en şaşırtıcı sonuçlar için bile doğadaki olguları işaret ediyordu. Bir diğer özeliği ise hiçbir zaman kuru varsayımlarla yetinmemesi, düşünce deneylerinde kalsa bile operasyonel oluşu önde tutmasıydı. Bunlar da yeni yöntemin önemli parçalarıdır.)
Böylesine yaklaşımları benimsemekte Einstein yalnız değildi. Bu, gelen yüzyılın yöntemi olacaktı. (Atom bombalarının ve aya giden roketlerin olabileceği, gerçekleşmelerinden çok önceleri belli ayrıntılarıyla kuramsal olarak kanıtlanmıştı.) Artık fen bilimlerinin kesici ağzında hesap cetvelli dahiler (Çv.: en büyük örneği Enrico Fermi) duruyordu, laboratuar kurtları değil.
“Hepsini bırakıyorum, tüm kuramı!”
Einstein ilk makalelerinde, iki temel nesne olarak, ışığın doğasını ortaya koymuş ve atomların varlığını göstermişti. Böylelikle, fen bilimlerinin dünyaya bakış biçimini olduğu gibi değiştirmiş oldu. Bu kendine özgü içseziler onun çağının önde gelen bilim kişilerinden biri olmasına yeterli olabilirdi. Ama bir adım daha ileri gitti. Bu içsezilerini mikrokozmik alemlerle birleştirerek evreni dönüştüren makrokozmik bir kuram yarattı. Bu edim onun insanlık tarihindeki en yaratıcı zekâlar arasında yer almasını sağladı (Newton, Beethoven ve benzerleri arasında).
Einstein sadece 26 yaşında olup nereden baksanız Bern’deki patent bürosunda züğürt bir görevliydi. Arada bir, boş zamanlarında bilimsel makaleler yazıyor olabilirdi ama yerel akademik topluluk bile onu tanımıyordu.
Bu mucizeler yılı boyunca Einstein neredeyse tam bir bilimsel yalıtım içinde çalıştı. İki yüzyıldan azıcık uzun bir süre önce Newton da, ana çalışmalarının çoğunu ürettiği benzeri bir mucizevi yaratıcılık yılı geçirmişti. Einstein’la aynı yaşlardaydı ve vebadan kaçarak sığındığı annesinin çiftliğinde aynı yalıtımdaydı. Ama Newton her gün işe gitmek ve küçük bir dairede karısı ve bebeğiyle yaşamak zorunda değildi. Einstein’ın entelektüel kahramanlığının bilim dünyasında eşi yok gibidir. (Çv.: İlginç bir benzeri, Leonhard Euler idi. Gözleri görmediği halde, çevresinde beş çocuğu oynaşırken, karmaşık bir yakınsak serinin ilk 17 teriminin toplamında uyuşamayan iki öğrencisinin hesaplarını zihninden sağlayıp doğrusunu bulabiliyordu.) Abartılı gelebilecek bu övgünün yerinde olduğu ise dördüncü makalesiyle görülecekti.
Einstein artık bir süredir büyük önem taşıyan fizik kuramlarındaki kesinliğe nasıl erişilebileceği üzerinde kafa yormaktaydı. Tüm değişken niceliklerin ölçülmesinde mîyar olacak ötesi olmayan bir ölçek bulunmalıydı. Yoksa her şey bağıl yahut göreli, yani gözlendiği referans sistemine bağlı olacaktı.
Yaygın inancın tam tersine Einstein bu hususlar üzerinde istihaleye yatmadı (böyle bir süreçte her türlü dalgınca aşırılıklar yapıldığı sanılır). Einstein meslektaşlarının bu görüntüye inanmalarını tercih ederdi, ama gerçek durum bu rahatlığı vermiyordu. Tutkuyla düşünen birisiydi. Kendi sözleriyle, uzun süren derin kuramsal düşünme dönemleri onda “her türlü asabi çelişkilerin getirdiği… ruhsal gerginlik” doğuruyordu. 1905’in baharına gelindiğinde Einstein kendisini, yaşadığı en baş döndürücü zihinsel bunalım içinde buldu.
Patent bürosundan eve yürürken fikirlerini Besso üzerinde deniyordu, ama çok geçmeden düşüncelerinin Besso’nun söyleyeceklerinin ona yararı olamayacağı bir çerçeveye kaydığı görünmeye başladı. Einstein Bern’in ortaçağdan kalma sokakları ve kemerli yollarında, çoğu kez dalgın, nehrin ötesine geçip kırlara uzanarak dolaşıyordu. Bir keresinde kendine geldiğinde sağanak altında sırılsıklam bir kır yolunda yürümekteydi. Einstein’ın istisnai yeteneğinin bir kısmı, en karmaşık problem ve formüllerin ötesine geçerek bunların altındaki daha temel ilkeleri düşünebilmesiydi. Bunlardan giderek, daha derin ve daha temel ilkeleri araştırmak için her türlü çıkarsamayı deniyordu. 1905 baharı boyunca gösterdiği sürekli zihinsel çaba onu sürmenajın eşiğine getirdi. Tükenmişti, manen ve maddeten. Doğru dürüst ne yiyebiliyor ne de uyuyabiliyordu. Daha da beteri zihnini ne denli odaklarsa odaklasın, düşünceleri hep bölük pörçük kalıyordu. Ne yaparsa yapsın parçalar bağdaşmamakta direniyor, herhangi bir tutarlı kurama doğru yakınsayıp kaynaşamıyordu. Oysa varlığından emindi, oralarda bir yerde. Bir açmaza varmıştı, ilerleyecek hiçbir yol görünmüyordu. En sonunda bir akşam Besso’yla eve yürürlerken itiraf etti: “Hepsini bırakıyorum, tüm kuramı!”
O gece umutsuzluk dolu ama tuhaf bir rahatlama duygusuyla yatağa girdi. Uyur uyanık bir havada uzanmıştı. Ertesi sabah aşırı bir zihin bulanıklılığıyla kalktı. “Kafamda sanki fırtına kopmuştu” diye betimliyordu. Bu fırtınanın ortasında da birden bire onca zamandır ona var olmayan fikri yakalayıverdi. Kendi deyişiyle sanki “Tanrının düşüncelerine” erişme izni almış gibiydi.
Bu ilahı ile kişisel bir görüşme değildi tabi. Einstein her zaman, bir kişisel Tanrıya inanmadığını söylerdi. Ama o dönemin pek çok önde gelen zekâsı (Picasso, Wittgenstein ve zaman zaman Freud) ile ortak olarak “Tanrı” kelimesini, insanın anlayabilirliğinin sınırlarını zorlayan büyük gerçeklerle ilişkili olarak kullanmayı sürdürüyordu. Bu bile içinde uyanan dehşet duygusunu göstermeye yeter. Görünüşe göre, Einstein da Picasso da derin hayranlıkla Eflatun’dan Kant’a kadar büyük filozofların yanı sıra zikredilmeyi yaşadılar.
Newton’u sorgulama cesareti
Einstein anladıklarını şöyle betimliyor: “Çözüm birdenbire aklıma geldi. Düşündüğüm şuydu: uzay ve zamana ilişkin yasa ve kavramlarımız, yalnızca deneyimlerimizle açık seçik bir bağlantı kurulabildiği kadar geçerlilik savı yürütebilir. Bu deneyimler ise bu kavram ve yasaların değişmelerine yol açabilir. Eşanlılık kavramını daha yumuşak ve işlenebilir biçim vermek üzere elden geçirerek özel görelilik kuramına eriştim.” Bu basit özeti kavramak (düşünerek okursak) belki görece kolay olabilir, ama kanıtlarken işin içine giren fiziksel-matematiksel savlar ve formüller kolay değildir. Bunları Einstein 31 sayfalık “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” (yahut tarihsel Almanca başlığı: Zur Elektrodynamik bewegter Körper) başlıklı makalesinde ortaya koydu. Einstein’ın özel görelilik kuramını (koyduğu ad buydu) anlamak için yerine geçtiği Newtoncul sistemi akılda tutmak gerekir. Gerçekten de gündelik amaçlar için bu Newtoncul sistem hâlâ dünyayı görmeye devam ettiğimiz biçimin ta kendisidir. Newton’a göre yörüngedeki gezegenlerden düşen elmaya kadar her şey aynı yasaya -kütleçekimi kuvveti- uymak durumundaydı. Evren mantıksal görülüyor, yasaları nerede ve hangi koşullar altında uygulanırlarsa uygulansınlar tutarlı kalıyorlardı. Bu sağduyu aleminin temelleri ise uzay ve zamandı. Newton’un, Principia’da çok güvenli olarak saptadığı gibi: “Mutlak, doğru ve matematiksel zaman, kendinden ve kendi doğasından eşit olarak ve hiçbir dış bağlantısı olmadan akar ve bir diğer adı süredir.” Benzer olarak “mutlak uzay kendi doğasından hiçbir dış bağlantısı olmadan hep benzer ve hareketsiz kalır.” Başka deyişle uzay ve zaman mutlaktı; ya da öyle görünüyordu.
Ne zaman birileri Newton’u bu konuda sorgulama cesaretini toplayabilse, Newton onları Tanrı’ya havale ediyordu. İşler olmaları gerektiği gibi oluyordu; evren tam böyle yoluna sokulmuştu. Ama neden? Newton nereden biliyordu? (Çv.: Ama Newton hiçbir zaman açıklama bulamadığı noktada kendisi Tanrı’yı işin içine karıştırmıyor, “gereksiz varsayım kullanmıyorum” diyordu.) Bu gibi soruları sormak bilimsel sorgulamanın görevidir. Ama Newton’un otoritesi o denli güçlüydü ki pek az kimse sormaya cesaret ediyordu. Asıl saldırı ise başka bir cepheden gelecekti. Deneysel veriler evrenin Newtoncul betimiyle uyumsuzluklar göstermeye başladıysa da klasik fiziğin tüm yapısını sorgulamayı düşünenlerin sayısı başlangıçta çok azdı.
Newton’un klasik fiziği, bağıl hareketle çok iyi baş edebiliyordu. Hamağında uzanan bir gemici kendisini gemisine göre durgunlukta olarak düşünebilir; ama kıyıda duran ve geminin gidişini gözleyen bir kimse için gemicinin bir bağıl hareketi vardır. Benzer şekilde kıyıda duran gözleyicinin kendisi de, uzaydan gözlendiğinde büyük bir bağıl hızla gittiği görülür çünkü uzayda ilerleyen dünyanın hızına o da sahiptir. Ama bu noktada görelilik (yani bağıl hareket) durur; çünkü uzay duruk ve hareket edemezdir (tıpkı onu doldurduğu sanılan ele avuca sığmaz esir gibi). Bu, mutlak referans standardı ve onunla birlikte mutlak zamandır.
İşlerin bu gidişine karşı, 1860’larda Maxwell’in elektromanyetik dalga kuramına dek bir kuşku uyanmadı (Bu kuram Einstein’ın hareketli cisimler makalesi için temel bir rol oynamıştı). Maxwell’in kuramı Newton’un klasik mekaniğiyle hareketli cisimlerin hızlarına gelindiğinde bir sorun çıkarttı. Işığın hızı gözlemcinin ya da kaynağının hızından etkilenmeyebilir miydi? Bu 1887’deki ünlü Michelson-Morley deneyince doğrulanmış gibiydi (deney ışığın esir içindeki hızını ölçmeyi amaçlıyordu). Gördüğümüz gibi bu, duruk ve her yere girebilen bir esirin varlığına kuşku düşürdü. Deney bundan çok fazlasını yaptı. Özünde amaç ışığın hızını, dünyanın yörünge hareketiyle aynı ve zıt yönlerde ve bir de bunlara dik yönde ölçüp kıyaslamaktı (Çv.: Bu ünlü nehir-sandal problemlerine benzer. Akıntı yönünde gidip gelme süresi ile aynı yolu akıntıya dik gidip gelme süresi farklıdır, bu fark ölçülerek akıntının hızı ya da sandalın hızı belirlenebilir.) Ancak, ışığın gidip gelme süreleri şaşırtıcı bir şekilde eşit çıktı. Dünyanın hızı görünüşe göre ışığın hızı üzerinde hiçbir etki yapmıyordu. Ama bu nasıl doğru olurdu ki? Sağduyuya aykırı bir şey (Newton fiziğine aykırılığı da cabası!).
Aynı sıralarda Mach da Newton’un mutlak uzay ve mutlak zaman fikirlerini sorgulamaya başlamıştı. Mach’ın deneysel tanıt ve gerçeklikler üzerinde ısrarla durması bu fikirleri “deneyimlere yansıtılamayan saf zihinsel kavramlar”a indirgiyordu.
20. yüzyıla girilirken çağın en büyük matematikçisi, Fransız Jules Henri Poincaré’nin de mutlak zaman ve mutlak uzay kavramlarına ilişkin kuşkuları vardı. Zekice bir sav yürüttü: bir gece herkes uyurken evrenin boyutları birdenbire bin kat artsa, evren kesinkes benzer kalır. Ne olduğunu nasıl anlayabiliriz? Boyutlardaki bu değişmeyi nasıl ölçeceğiz? Anlayamayız, ölçemeyiz! Demek ki uzay kavramı ölçü yapılan referans sistemine göre oluşuyor. Klasik fizik bir bunalıma varıyordu ve Poincaré bunun farkına varmıştı. Şunu önerdi: “Belki de mekaniği bütünüyle… ışık hızının aşılamaz bir limit olacağı şekilde yeniden kurmalıyız.” Tüm bilimsel bilgiyi kargaşaya sürükleyecek böylesine bir adımı atmaktan Poincaré çekindi. Ama Einstein çekinmedi.
Özel görelilik kuramı
Klasik fizikte karşılaşılmaya başlanan pek çok normaldışılığa bir çözüm bulan Einstein oldu. Einstein ileri sürdüğü kuramda yalnızca bu normaldışılıkları açıklamakla kalmadı, bu arada evrenin bütünüyle yeni bir açıklamasını verdi. Özünde bunu “ışık hızının uzayda sabit olduğunu ve bunun ne ışık kaynağının ne de gözlemcinin hareketine bağlı olduğu”nu söyleyerek yaptı. Aynı zamanda da mutlak hareket diye bir şey olmadığını ileri sürdü. Bunun anlamı mutlak durgunluk diye bir şeyin de olmamasıdır. Bu durumda da her hızın anlamı kendi belli referans sistemine göredir (oysa ışık hızı referans sistemi ne olursa olsun aynı kalır).
Buraya kadarı iyi: ilk öneri Michelson-Morley deneyini açıkladı, ikincisi ise Poincaré’nin gösterdiği ve benzeri normaldışılıklara açıklık getirdi. Açıkça görülebileceği gibi Einstein’ın bu iki önerisi çelişkili görünüyor. Eğer ışığın hızı hep aynı olacaksa mutlak hareket nasıl olamaz?
Einstein dananın kuyruğunu koparttı. Her iki öneriyi de doğru yapacak bir yol vardı. Bu hem uzayın hem de zamanın bağıl/göreli olduğunu kabullenmekti. Ama bu nasıl olacaktı? Poincaré uzayın nasıl bağıl/göreli olduğunu göstermişti; verdiği bin kat genleşmiş evren örneğinde zamanın da bağıl/göreli oluşu gizliydi. Einstein bunu onayladı ve şaşırtıcı çıkarsamalara göğüs gerdi.
Einstein’a göre “Zamanın önemli rol oynadığı tüm yargılarımız hep zamandaş olaylara ilişkin yargılardır. Örneğin şu dediğime bakın: Tren saat yedide varacak. Aslında demek istediğim şöyle bir şey: saatimin akrebinin yediyi göstermesiyle trenin varışı zamandaş olaylardır.” Einstein’ın önerisi bu zorlukların yalnızca “zaman” kelimesi yerine “saatimin akrebinin yeri” sözünü koymakla ortadan kalktığıdır. Bu ise yalnızca saatin bulunduğu yerden söz ederken uygundur. “Ama farklı yerlerdeki birkaç olayı zamanla bağlamak artık doğru değildir.” diyen Einstein şöyle devam ediyor: “Benzer olarak, uzaktaki olayları saatle ilişkilendirmek de doyurucu değildir.”
Einstein hep kuramı deneye üstün tuttu (Çv.: Ancak her makalesinin sonunda, bulduklarının gözlenmiş ya da gözlenebilecek hangi olayı açıkladığını ya da açıklayacağını belirtirdi. Asıl görüşü ise genç bir fizikçiye dediği “deneyin neyi ölçeceğini kuram söyler” doğrultusundaydı.). Aynı zamanda usavurmayı da matematiğe üstün tuttu. Özel görelilik kuramına ilişkin makalesinin ilk çeyreğinde hiç matematiksel formül görülmez. Kalan kısmının da çoğu formülle dolu değildir. Einstein’ın kuvvetli yanlarından biri karmaşık matematiksel yapıları en basit şekilde göz önüne getirebilme yeteneğidir. Örneğin göreliliğe ilişkin düşünceleri, tramvayda giderken Bern’in ortaçağdan kalma ünlü saat kulesine dalgın dalgın bakarken dürtüklenmiş olabilirdi. Tramvay ışık hızıyla gitseydi ne görebilirdi? Geliştirmekte olduğu özel görelilik kuramına göre kuledeki saat durmuş gibi görünmeliydi. Ama cebindeki saat işlemesini sürdürecekti (Einstein’ın kuramının bir vargısına göre hızlar ışık hızına yaklaştığında gözlenen olaylar yavaşlamış görünüp, ışık hızına varıldığında durur). Hızlar arttıkça her gözlemci için zaman aynı değildir.
Gene de apaçık itiraz geliyor: peki “gerçek” zamana ne oldu? Saat kulesiyle cepteki saat “gerçek” zamanda tabii ki uyuşmalıdır. Ama Einstein mutlak zamanın olmadığı savını ileri sürmemiş miydi? Mutlak zaman yoktur. Zaman yalnızca ölçüldüğü noktaya özgüdür. Zamanı ölçebilecek, başkaca bir yol yoktur.
Bu kimi merak verici durumlara yol açabilir. “İkizler paradoksunu” ele alalım. İkizlerden birisi ışık hızına çok yakın bir hızla uzun bir uzay yolculuğuna çıkar. Einstein’a göre astronot ikiz, döndüğünde kardeşinden daha genç olacaktır. Onun zamanı gezisi süresince yavaşlarken, gitmeyen ikiz “normal” zamanında yaşamayı sürdürecektir (Çv.: Bunun gizemi hızlanma ve yavaşlamanın getirdiği farklılıktadır).
Yeri yerinden oynatacak formül: e = mc2
Einstein özel görelilik üzerindeki makalesini bitirdikten sonra bunun matematiksel sonuçlarını incelemeye başladı. Bunlar çok daha hayranlık verici sonuçlara işaret ediyordu. Özellikle de görelilik ilkesi Maxwell’in geliştirdiği ışığın elektromanyetik kuramına ilişkin denklemlere uygulandığında. Einstein, hızı ışığınkine yaklaştıkça parçacıkların kütlelerinin arttığını gösterdi; daha da hızlanmaları için gittikçe daha da artan miktarlarda enerji gerekecekti. (Çv.: Tam ışık hızına varması için sonsuz enerji gerekir. Einstein aslında yalnızca enerji soğuran cisimlerin durgunluk kütlelerinin arttığını, e = mc2 bağıntısının bununla ilgili olduğunu gösterip, hareketli cisimlerin kinetik enerjisinin bu değere eklendiğinde “hızla değişe kütle”yi sandıran bağıntıyı verdi. Aynı sanı, momentumun görelilikli ifadesinden de edinilir.)
1905’te Einstein can alıcı bir konunun farkına vardı. (Çv.: Einstein’ın farkına vardığı olgu şöyleydi: Bir vagonun ön duvarındaki bir atom bir ışık kuantumu salsa, bunun momentumuyla vagon geri teper; ışık diğer duvarda soğurulduğunda da bu kez verdiği momentumla vagon durur. Bu olgu özel göreliliğin gerektirdiği gibi çözümlendiğinde kuantumu salan vagonun “ışığın enerjisi bölü c2” yani ışık hızının karesi kadar kütle, m, yitireceği, kuantum karşı duvarda soğurulduğunda ise vagonun aynı kütleyi bu kez kazanacağı ortaya çıkıyordu: e = mc2.) Bu ona yalnız kuantumların doğasına ilişkin bir anlayış vermedi, aynı zamanda daha da çarpıcı gelişmelere zemin hazırladı. Görünüşe göre ışık kuantumları kütlesiz parçacıklar olup dolayısıyla salt ışık hızında giden enerjidirler (Çv.: Bunlar duramazlar, durmaları enerjilerini aktarıp yok olmaları demektir). Kütle, enerji ve ışık hızı bir biçimde bağlantılı olmalıydı.
Bu, e = mc2 formülü yeri yerinden oynatacak gibiydi. Buna göre madde katılaşmış enerjiydi. Eğer kütle bir şekilde enerjiye dönüştürülebilse, azıcık bir miktar madde bile akılları durduracak kadar çok enerji salabilir. (Çv.: Aslında her türlü enerji böyle oluşuyor. Her cismin m kütlesi sabit olup hareketle değişmez, hareket sırasında değişen, cismin e = mc2 olarak tanımlanan “durgunluk enerjisi”ne eklenmesi gereken kinetik enerjidir. mc2’nin değişmesi için cismin değişmesi gerekir: ya bir radyoaktif çekirdek, ya bir uyarılmış atom fazla enerjisini verip kütlesini azaltacak ya da örneğin bir kimyasal tepkimede birleşen atomların kütleleri azalarak bağ enerjisine dönüşecek. Einstein’ın kendisi de bunu kastetmişti ama her şeyi olduğundan daha derin ve şaşırtıcı görmek isteyenler yıllarca okullarda yanlış olarak kütlenin hızla değiştiğini öğrettiler.) Einstein’ın formülünü m = e/c2 şeklinde düşünürsek, ışık hızı 300 000 km/s olduğuna göre 1 g kütle 25 milyon kilowatt-saat enerji üretecektir.
Bu, fen bilimcilerinin akıllarını kurcalayan pek çok sorunun anahtarı olacaktı. Örneğin güneşin ve tüm diğer yıldızların nasıl da milyarlarca yıldır o denli çok enerjiyi ışıdıklarını açıklayacak gibiydi. Şu ya da bu şekilde kütleleri enerjiye dönüşüyor olmalıydı. Ama nasıl? Polonyalı-Fransız fizikçi Marie Sklodowska-Curie’nin 1898’de yaptığı deneyler, 30 gram radyumun sürgit, saatte 1 watt-saat enerji verdiğini gösteriyordu (Çv.: Einstein’ın 1905’teki dördüncü makalesini bitirirken verdiği örnek radyumun verdiği bu olağanüstü enerjiye ilişkindi). Radyum radyoaktif bir elementtir. Kararsız olup radona dönüşür, bu arada da enerji salar. Einstein’ın formülü ne olduğunu ortaya koyuyordu. Madam Curie nasıl olduğuna ilişkin ipucu verdiyse de Einstein’ın formülünün tam gerçeklenebilmesi için 25 yıl daha geçecekti. Einstein bu ünlü formülün kendi özel görelilik kuramından çıkan en önemli gelişme olacağını düşünmüştü ama o ilk günlerde neye yarayacağına ilişkin hiçbir fikri yoktu.
Genel görelilik kuramına doğru…
1905’e geri dönelim. Einstein özel göreliliğe ilişkin makalesini bitirip Annalen der Physik’e gönderdi ve 26 Eylül 1905’te yayımlandı. Mükemmel bir dahinin marifeti olduğunu düşündüğü bir çalışmayı yeni bitiren her gencin yaptığı gibi arkasına yaslanarak dünyanın afallama ve hayranlığını beklemeye başladı. Ama böylesi kutsamalar tıpkı gerçek dahiler gibi az ve seyrek görülür. Hele bunların bir araya gelmesine ise iyice seyrek rastlanır. Mevcut durum ise bundan farklı olmayacaktı.
Aylarca hiçbir şey olmadı. Acaba bir hesap hatası mı yapmıştı? Ama bu kesinlikle dört makalesinin hepsinde birden olamazdı. Yaz sonu güze, güz kışa döndü. Einstein gene sobayı tutuşturacak odunları kırmaya ve çuvalla kömürü, tüten sobada yakmak için yukarıya taşımaya başladı. Derken, yeni yılın başlarında Max Planck’tan bir mektup aldı. Planck göreliliğe ilişkin makalesindeki bazı hesaplar için açıklama istiyordu. Einstein, çalışmasının önemini günün en büyük fen bilimcilerinden birisinin fark ettiğini hemen anlamıştı. Başkalarının da izleyeceğinden emindi. Gene de tepkilerin gelişi yavaştı. Einstein’ın fikirleri öyle devrimci, sağduyuya öyle aykırıydı ki pek çok kişi bunları ciddiye almak istemiyor, ya da belki alamıyordu. Fiziğin bildikleri şekliyle tükenişini görmek fizikçiler için kolay bir şey değildi.
Bu arada Einstein patent bürosunda çalışmaya devam ediyordu. Ara sıra fikirlerini bir kahvehanede dostu Besso ile tartışıyordu. Bu kahvehane üniversitenin fen fakültesi hocalarının uğrak yeriydi, ama diğer masalardaki akademisyenler Einstein’ı hâlâ tanımıyordu. Einstein bir yandan da görelilik kuramını kütleçekimine uyarlamak istiyordu. Bu en az görelilik kavramının kendisi kadar karmaşık ve hırslı bir işti.
Einstein’ın özel göreliliğe ilişkin yaptıklarının önemini en çabuk anlayanlardan birisi, eski matematik hocası Minkowski oldu, Einstein için dediklerini hatırlayın (Rus asıllı Alman Prof. Hermann Minkowski derslere çok seyrek giden Albert’e “tembel köpek” diye bağırmış ve “hiçbir şey olabileceğini sanmadığını” söylemişti). Demek ki Albert gençliğinde matematiğe gerçekten yeterince ilgi göstermemişti. Özel görelilik kuramının kapatılması gereken açıkları vardı ve bunların çoğu fiziksel değil matematikseldi.
Bir kere, üç boyutlu geometrinin artık evreni açıklamaya yetmeyeceği ortaya çıktı. Yeni bir geometri gerekliydi. 1907’de Minkowski Uzay ve Zaman adlı bir kitap yazdı. Bu kitapta, zamana dördüncü boyut olarak bakılabileceğini çok iyi anlatıyordu. Gösterdi ki artık zamanın da uzayın da ayrı ayrı var oldukları söylenemezdi. Zaman, içinde aktığı söylenen uzaydan ayrı değilken, uzay da zaman içinde olmadıkça var değildir. Görünüşe göre evren, kaynaşmış bir “uzay-zaman”dan yapılı olmalıydı. Minkowski, bunu destekleyecek matematiksel yapıyı da ortaya koydu.
Bunlar Einstein için esin ve güdü kaynağı oldu. Diğerleri onun alanında kaba kuvvetle ilerlemeye uğraşırlarken Minkowski’nin önerileri ona derin bir içgörü verdi. Kütleçekimini görelilikle nasıl bir araya getirebileceğini de gördü. Newton kütleçekimine cisimleri birbirlerine çektiren bir kuvvet olarak bakıyordu. Ama kütleçekimine bir etkileşme alanı olarak bakılırsa ne olurdu? Böylesine düşünürken maddenin varlığının uzayı eğriltebileceğini akıl etti. Einstein bu esini “hayatının en mutlu fikri” olarak görmüştü. Genel görelilik kuramı doğmuştu; ama tamamlanması için daha en az altı yıl geçecekti.
En sonunda Einstein akademik bir görev bulmuştu (Çv.: Önce Bern Üniversitesi’nde ders verme yetkisi aldı (privat dozent), sonra da Zürih Üniversitesi’nde). Ancak bu göreve daha önce eski sınıf arkadaşı Carl Adler de başvurmuş ve “Professor extraordinarius” olarak (Çv.: günümüzdeki eşdeğeri “doçent”. O günlerde bir kürsüde yalnızca başkan “professor ordinarius” yani sıradan profesör unvanını alır, diğerlerine de yukarıdaki unvan verilirdi.) kabul edilmişti. Politik idealizmi her türlü davranışını da etkileyen Adler, Einstein’ın aynı göreve istekli olduğunu öğrendiğinde onun lehine çekildiğini bildirdi: “Üniversiteye Einstein gibi bir kimseyi alabilmek söz konusuysa benim atanmam saçmalık olur.”
Einstein 1909’da Zürih’e gitti. Ertesi yıl oğlu Eduard doğdu. Eşi Mileva öğrenciliğini geçirdiği kentte kendini daha huzurlu hissediyordu. Einstein görevine başladı. Öğrenciler önce bu kılıksız görünüşlü gencin karşısında şaşaladılar. Paçaları kısa, saçları uzun, kürsünün yanında elindeki buruşuk kartvizitle dikilmiş duruyor. Kartvizit aslında Einstein’ın ders notlarından başka bir şey değildi, ama biraz sonra bunu da bıraktı; işi düşüncelerinin akışına bırakmayı tercih etmişti. Sonraları da öğrencilerini konuşmalarını sürdürmek için köşedeki Café Terasse’a davet edecekti.
1911’de Einstein’a Prag’daki Alman Üniversitesinden “Profesör”lük önerildi. Burada da her şey aynıydı. Giriş kapısına ilk geldiğinde görevliler onun ışıkları onaracak elektrikçi olduğunu sandılar.
1914’te Einstein Berlin’deki Kaiser Wilhelm Enstitüsü’nün müdürü yapıldı. (Çv.: Bu görev için Max Planck onu ikna etmek için Zürih’e gitti, çünkü 1912’de Einstein’ı öğrenciliğini geçirdiği ETH’ya profesör atamışlardı. İkinci gelişinde Einstein onu istasyonda yakasında bir çiçekle karşıladı, bu evet yanıtını gösteriyordu. Planck onu bu göreve tavsiye ederken “kendisi çok iyi bir matematiksel fizikçidir, ama kuantum fiziği gibi fantezilerle de uğraşır. Ne var ki böylesine değerli bilim kişilerinin bu kadar fanteziyle uğraşma hakları vardır.” diye yazmıştı.) 35 yaşındaydı ve akademik olgunluğa erişmişti. Kaiser Wilhelm Enstitüsü dünyanın en önde gelen akademik merkezlerinden birisiydi. Oradaki en saygın meslektaşlarından birisi de Max Planck’tı. Burada Einstein araştırmalarını hiç rahatsız edilmeden sürdürecek, yalnız arada sırada Berlin Üniversitesi’nde konferanslar verecekti. Enstitüde çalışması için de Alman vatandaşlığına başvurması gerekti.
1914 Ağustosunda Birinci Dünya Savaşı koptu. Almanya, Avrupa’daki diğer muharipler gibi bir aşırı milliyetçilik çılgınlığına kapıldı: askeri birlikler caddelerden geçerek cepheye giderken alkışlarla uğurlanıyordu ama onları bekleyen vahşeti hiç akıllarına getirmiyorlardı. Einstein afallamıştı. Enstitü bile işin içine giriyordu. Einstein’ın kimi çalışma arkadaşları etkili bir zehirli gaz üretimi için görevlendirilmişlerdi.
Eğri uzay-zaman ve yeni geometri
Einstein kendi sığınağına çekilerek genel görelilik kuramı üzerinde çalışmayı sürdürdü; çoğu zaman günlerce ortaya çıkmıyordu. Birkaç kişiyi aşmayan konukları çıplak döşemelerden söz ediyordu. Raflarda hiç kitap yoktu, bunun yerine her tarafta en son bilimsel dergiler ve hesaplarla dolu kâğıtlar duruyordu. Çoğu kez kapıya yalın ayak çıkıyordu; geceleri de sanki partal bir battaniye ile örtünüyordu. Ağarmaya başlayan bakımsız ve dağınık saçları sonraki yıllarında karikatürcülerin çok sevdiği biçimine girmeye başlamıştı. Seyrek ziyaretçilerinden birisi onu “daha yeni elektrik çarpmış bir yaşlı aslana” benzetiyordu.
Einstein’ın önceki özel görelilik kuramı birbirlerine göre düzgün hareketli cisimler için geçerliydi. Genel görelilik kuramı ise ivmeli bağıl hareketi, örneğin bırakılan cisimlerin hız kazandığı kütleçekimini içine alacak şekilde genişletilmiştir. Bunu yapmak amacıyla Einstein önce Newton’un, kütleçekiminin etkisini iki cisim arasında gösteren bir kuvvet olduğu kavramını bir kenara bıraktı. Ona, bunun yerine maddenin kendisinden yayımlanan bir enerji alanı olarak baktı (Çv.: Aslında bu bir kuvvet alanı ve bunun taşıdığı enerji olup, M. Faraday ve J. C. Maxwell’den bu yana elektromanyetizma da kütleçekimi de bu gözle görülmekteydi).
Bu ufak bir iş gibi görünebilir ama Einstein’ın katkıları can alıcıydı. Newton tüm evreni (Çv.: O günün anlayışıyla güneş sistemi) kusurlu bir kütleçekimi kavrayışına oturtmuştu. Kütleçekimine bir kuvvet olarak bakan Newton’a göre güneşin gezegenlere ve gezegenlerin uydularına olan etkisi ani oluyordu. Ama Einstein’ın özel görelilik kuramına göre hiçbir şey ışık hızından daha büyük bir hızla gidemez. Gezegenler ışık hızının 1/1000’i kadar hızlarla gittiklerinden dolayı, bu uyuşmayan görüşlere dayalı hesaplardaki farklar sonsuz küçükler mertebesindeydi. Ama temel sonuç şu ki ortada bir fark vardı ve bunlardan sadece biri evrenin işleyişini gösterebilirdi.
Einstein’ın bakışı daha da çarpıcı sonuçlara götürüyordu. Einstein 1905’ten beri ışığa ilişkin kuramını da genellemeye uğraşıyor, ışığın hem dalga hem parçacık olarak davranmasını kavramaya çalışıyordu. Ama parçacık olduğunu (Çv.: Aslında enerji taşıdığını ve bunun da kütleye eşdeğer olduğunu) düşününce, ışığın kütleçekimi alanından geçerken sapması gerekeceğini anladı. Başka deyişle ışık yeğin bir kütleçekimi alanından geçerken gittiği yol eğrilmek zorundadır.
Ama doğru çizgi kavrayışımız neredeyse olduğu gibi ışığın gidişiyle belirlenmiştir. Demek ki bu eğrilmiş alanda iki nokta arasındaki en kısa yol bir doğru çizgi olmayacaktı. Tıpkı Londra ile Los Angeles arasındaki en kısa yolun bir eğri olması gibi.
Benzer olarak en uç hız (dolayısıyla uzay ve zaman) kavrayışımızı da artık ışık hızı belirliyor. Eğer bir ışık huzmesi kütleçekimi alanından geçerken bükülüyorsa bu, hiçbir şeyin bu eğri yol üzerindeki iki nokta arasını ışıktan daha çabuk aşamayacağı anlamına gelir. Başka deyişle bu iki nokta arasında, bu eğri yoldan daha kısası olamaz (Eğri uzayın anlamı da budur).
Bunun sonucu olarak klasik Euklides geometrisi artık evreni betimlemeye yeterli olmayacaktı. Bu noktada Einstein’ın matematikteki zayıflığı onu yaya bıraktı. Yerine koyacak bir şey bulamıyordu. Matematiksel bir zemin olmadıkça kuramı sırf bir önermeden ileri gidemeyecek, bundan bir-iki sonuçtan ötesi çıkarılamayacaktı.
Einstein’ın şansına Euklidesçi olmayan geometri üzerine 19. yüzyılda Almanya’da Georg Friedrich Bernhard Riemann (Çv.: Ayrıca Rus Nikolay İvanoviç Lobaçevski ve Alman Karl Friedrich Gauss) çok iş yapmıştı. Yarım yüzyıl kadar bir süre Riemann’ın eğri yüzeylere ilişkin matematiği olağanüstü parlak ama o denli de kullanımı olmayan bir iş olarak görülüyordu. Riemann, bu eğri geometride iki nokta arasından istenilen sayıda “doğru” çizgi geçirilebileceğini gösteriyordu.
Riemann, benzer olarak bu eğri geometride sonsuz uzunlukta bir doğru çizgi olamayacağını da gösteriyordu (Londra’dan San Francisco’ya yerküre üzerinde çizilen bir doğru, Los Angeles’ten geçmek zorundaydı). (Çv.: Bu konularda bir uzman olan eski sınıf arkadaşı Marcel Grossmann gene imdadına yetişti. Onun yardımıyla bu geometriyi öğrenen) Einstein, uzay eğriyse bu durumun evrene de
Paul Strathern
[Tüm yazıları]
Okuyacağınız makale, Paul Strathern’in “Einstein ve Görelilik” adlı kitabından derlenmiştir (“The Big Idea” dizisi, Anchor Books, 1999). İngilizceden çeviriyi R. Ömür Akyüz gerçekleştirdi. Ülkemizin önde gelen fizikçilerinden Prof. Dr. Ömür Akyüz kitabın tamamını Türkçeleştirdi ve eser yakında Bilim ve Gelecek Kitaplığı’ndan çıkacak. Akyüz, metnin bazı yerlerinde açıklayıcı notlar da yazdı (Çv.: işaretiyle). Başlık, spot ve arabaşlıklar bize ait.
Einstein 1902 yılının başında Bern’e gitti. Nihayet patent bürosunda bir iş açılmıştı. Üçüncü dereceden teknik raportör olmuştu. İşi, onay için büroya gönderilmiş çeşitli teknik keşiflerin bir tür sınıflandırılmasıydı. Bunlar arasında tabii ki, dahice aygıtlar, olağanüstü imkânsızlıklar ve üzerlerine finansal imparatorluklar kurulacak basit aygıtlar bulunuyordu! Einstein bunların her birini inceleyip ilişiklerindeki (çoğu kez güya açıkladıkları aygıtın kendisi kadar karmakarışık ve anlaşılamaz) raporları okuyordu. Görevi bu iki aykırı elemanın birbirleriyle ilişkisi olduğundan emin olup hiç olmazsa birisinin anlaşılır bir yanı olup olmadığını anlamaktı. Bu sırada en karmaşık kavramların bile bir takım basit temel ilkelere indirgenebileceğini keşfetti. Bu hiç unutmayacağı bir edinimdi.
Einstein 23 yaşındaydı ve yoksulluk içindeydi. Bu gerçekle yüz yüze gelmemek için kendisini bilimsel araştırmaya gömdü. Bu hep başvurduğu bir kaçış yöntemi olacaktı. İşler ne zaman kötüye gitse Einstein kendi soyut dünyasına kaçıyordu. Bu dönemde ürettiği bilimsel makalelerin bazıları saygın Annalen der Physik dergisinde yayınlandı. Einstein termodinamikle ilgilenmekteydi ve nispeten küçük sıvı ya da gaz hacimlerindeki çok büyük sayılardaki molekülün hareketlerini anlayabilmek için belli istatistiksel yöntemler geliştirmişti. Bu makalelerin özgün bir yanı yoktu; ancak sonradan bakınca gelecekteki büyük keşiflerin ipuçlarını görmek mümkündü.
Einstein’ın yayınlanmış makaleleri pek büyük önem taşımıyor olabilir ama ilgileri ve önsezileri belirgin olarak özgündü. Aslında öylesine özgündü ki, yürüyüş yaparlarken yakın arkadaşı Besso’ya yakındığı gibi bunu bir türlü uygun bir şekilde ifade edemiyordu. Artık Einstein klasik fiziğin tükendiğini fark etmeye başlamıştı. Uzay, zaman ve ışık Newton’un tanımlarına uymuyordu. Evren için yepyeni bir açıklama gerekiyordu.
Einstein, kafasında biçimlenmeye başlayan bu devrimci fikirleri geliştirebilmek için ayırabileceği tüm zamanı harcıyordu. 1905 onun mucizeler yılı (annus mirabilis) oldu. Bu yıl boyunca Annalen der Physik’te dört makalesi çıktı. Bunlar en azından dünyayı değiştirdiler.
Einstein’a gelene dek ışığın yapısına ilişkin kuramlar
Annalen der Physik’te yayınlanan ilk makalesi “Işığın üretilip dönüşümüne ilişkin sezgisel bir bakış üzerine” (Über die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristichen Gesichtspunkt) adını taşıyordu. Einstein’ın kendisi de bu 17 sayfalık makaleyi “çok devrimci” bulmaktaydı. Nitekim makalede ortaya atılan fikirler ışığın doğasına ilişkin tüm anlayışımızı dönüştürecekti. Öyle ki fizik artık hiç eskisi gibi olmayacaktı.
Einstein’ın bu makalesinin önemini anlamak için ışığın bilimsel tarihine göz atalım. Eski Yunan’dan beri filozof ve bilimciler ışığın minicik madde zerreciklerinden oluştuğuna inanmaktaydılar. 17. yüzyılın başlarında teleskopun icadıyla bu görüş sorgulanmaya başlandı. 1678’de Hollandalı astronom ve fizikçi Christiaan Huygens ışığın aslında dalgalardan oluştuğunu ileri sürdü. Ama bir çağcılının itiraz ettiği gibi “denizdeki dalgalar bile tuzlu su olmadan nasıl var olabilirlerdi ki?” Başka deyişle dalgalar her zaman oluşup yayılmak için bir maddeye, “ortama” gereksinirler. Işık dalgaları hava, su ve camda gidebiliyorlar ama uzayda ve vakumda nasıl gidiyorlar? Huygens her yeri dolduran görünmez bir nesne düşündü: esir (Çv.: Bu, Aristo’dan beri vakumu “doldurmak” için varlığı savlanan bir şeydi. Hatta bu nesneye, çok daha ayrıntılı ve de gittiği yönde çok sert, buna dik yönde ise çok gevşek olmak gibi çelişkili özelikler vermek de gerekti. Buna daha sonraları kütlesizlik ve durağanlık nitelikleri de eklendi.).
1704 yılında Isaac Newton ışık üzerine yazdığı büyük eseri Opticks’i yayımladı. Eser, ışığın tüm niteliklerini ve davranış biçimini kapsamlı bir şekilde betimlemekteydi. Çeşitli özelikleri açıklamak için bir korpüzkül/cisimcik (Çv.: “corpuscule”, cisim/gövde anlamına gelen “corpus” kelimesinden gelmektedir.) kuramı ileri sürdü. Bu kuramda ışığın parçacıklardan oluştuğu ama bunların kimi zaman bir tür dalgadan da etkilendiğri ileri sürülüyordu. Ne yazık ki Newton görünürde çelişik bu öğeleri harmanlayan ikna edici bir açıklama getiremedi (Çv.: Oysa 300 yıl sonra Planck ve Einstein’dan başlanarak asıl yapının böyle olduğu ortaya çıkarılacaktı!).
Işığın dalga kuramı, izleyen yüzyılda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in çalışmalarıyla sonuçlanan bir atılım geçirdi. Einstein’ın doğumundan bir yıl önce, 1878’de ölen Maxwell 1860’larda hem elektrik hem de manyetik kuvvetlerin uzayda ışık hızıyla yayılacağını hesapladı. Bundan hemen, ışığın da bir tür elektromanyetik ışınım olduğunu ve esir içinde dalgalar halinde oluşup yayıldığını çıkarsadı. Aynı zamanda ışığın dalgaboyunun elektromanyetik dalgalar tayfının küçük bir aralığını kapsadığını savlayarak değişik dalgaboylarında diğer elektromanyetik dalgalar da bulunacağını öngördü. Bunlar çok geçmeden keşfedilecekti.
1888’de Alman fizikçi Heinrich Hertz radyo dalgalarını keşfetti. Bunlar tam anlamıyla ışık ve ısı ışıması gibi davranıyorlar ve dalga nitelikleri gösteriyorlardı. Hertz yeni bulunan radyo dalgalarını yayımlayıp patentini alan ilk kimseydi, ama 1894’te bunlara bir kullanım yeri bulamadan kan zehirlenmesinden öldü (Hertz’in buluşuna pratik bir uygulama bulmak, İtalyan-İrlandalı fizikçi Guglielmo Marconi ve Alman F. Braun’a nasip olacaktı). Hertz’in çalışmaları, Maxwell’in elektrik ve manyetik kuvvetlerin esir içinde ışıkla aynı hızla yayıldıklarına ilişkin öngörüsünü gerçekliyordu.
Fakat tam o sıralarda kimileri de ışığın dalga kuramının temel dayanağı olan esir kavramına karşı kuşku duymaya başlamıştı. Esir yalnızca tüm uzayı doldurup cisimlerin içlerine nüfuz etmekle kalmayıp, ışık dalgalarını taşıyıp iletecekse aynı zamanda tekdüze dokulu ve rijit olmalıydı.
1887’de ABD’li emekli deniz subayı ve fizikçi Albert Michelson ve iş arkadaşı Edward Morley, dünyanın hızının ışığın yayılmasına yaptığı (?) etkiyi bulmak için bir deney tasarladılar. Bunu dünyanın durağan esire göre olan hareketini kullanarak göstereceklerdi. Ama hiçbir etki görülemediğini buldular. Her yerde her zaman bulunma niteliğine karşın, bu ele avuca gelmez nesneye ilişkin doğrudan bir kanıt bulunamamıştı. Herhangi bir kimse esirin varlığını bir deneyde görememişti. Peki, esir yoksa ışık dalgalarını uzayda ne taşıyacaktı?
Maxwell’in tüm çalışmalarına ve Hertz’in görünürdeki kesin gerçeklemesine karşın, ortaya çıkan yeni belirtiler ışığın dalga kuramıyla çelişir görünüyordu. Belli metallere ışık sıkıldığında bir elektriksel etki, fotoelektrik olay görülüyordu. Bu olay elektron salımıydı. Alman fizikçi Philipp Lenard bunu açıklamak için fotoelektronların metalden, üzerine düşen ışık tarafından söküldüğünü öneriyordu. Eğer böyleyse ışığın şiddetlenmesi çıkan elektronların hızlarını da artırmalıydı. Ancak, böyle olmuyordu. Elektronların sayısı artıyor ama hızları aynı kalıyordu. Derken Lenard daha da tuhaf bir olgu saptadı. Işığın rengini değiştirdiğinde (başka deyişle dalga frekansını değiştirdiğinde) bu, salınan elektronların hızını değiştiriyordu. Frekansla, elektronların hızları da artıyordu.
Bütün bunlar, dalga kuramının çelişkilerini gösteren diğer olgularla birlikte Alman fizikçi Max Planck tarafından incelenmekteydi. Bu olguların fiziğini matematiksel olarak betimlemeye girişen Planck gittikçe daha şaşırtıcı sonuçlara varıyordu. Bunlar 200 yıl önce Newton döneminden beri anlaşıldığı sanılan fizik ilkeleriyle çelişiyordu.
14 Aralık 1900 günü Planck çok önemli bir sonuca vardı. O gün Berlin yakınlarındaki Grünwald koruluğunda oğluyla yürüyüş yaparken “Bugün Newton’unkiyle kıyaslanabilecek bir keşifte bulundum. Klasik fizikten bir adım öteye gittim.” dediği söylenir. Planck’ın bulduklarına göre ışık maddeye düştüğünde, sağduyuya (ve de dalga kuramına) uygun olarak sürekli bir akış halinde soğurulup yayımlanmıyordu. Bunun yerine salınıp soğurulması tek tek enerji püskürmeleri şeklinde, yani daha çok parçacıklar gibi oluyordu. Bu tek tek enerji püskürmelerine kuantum adını verdi, Latince “nicelik, çokluk, miktar” anlamında. Bu kuantumların büyüklükleri ışığın dalga frekansıyla orantılıydı.
Işık kendi kendisiyle çelişir görünüyordu. Aynı zamanda hem dalgalardan hem de parçacıklardan oluşuyordu. Bu kavranması olanaksız bir şeydi, Planck da bunu olduğu gibi kabullenmeyi reddediyordu. Kuramının yalnızca ışık ve madde arasındaki ilişkiyi betimlediğini, ışığın kendi doğasına uygulanamayacağını savlıyordu. Bu süreksiz enerji püskürmelerinin yani kuantumların, maddeden uzakta bir şekilde bir araya gelerek dalga olduklarından emin olduğunu hissediyordu. Ama bunun nasıl olduğunu açıklayamıyordu. Kuantum kuramı yeni başlamıştı ama başlatıcısına bile büyük ölçüde anlaşılamaz geliyordu.
Einstein fiziği değiştiriyor
Sonunda probleme çözüm öneren Einstein oldu. Planck, tıpkı kuantumları gibi, aynı anda iki çelişkili konumdaydı: hem doğru hem yanlış. Kuantumlar ışığın maddeyle ilişkisini açıklıyor ama bundan öte ışığın kendi doğasını da açıklıyordu. Einstein bu fikrini 1905 tarihli makalesinde (“Işığın üretimi ve dönüşümüne ilişkin sezgisel bir bakış üzerine”) matematiksel ve fiziksel şekilde ifade etti. Einstein bunu “çok radikal” olarak tasarlamış olabilir; ama tuhaf bir şekilde geçici olduğunu düşünmüştü. Ulaştığı sonuçları “eldeki oturmuş ilkelerle bağdaşamaz… hatta belki de eninde sonunda savunulamaz çıkabilir” şeklinde nitelemişti.
Einstein’a göre ışık bazı amaçlarla, gaz molekülleri gibi bağımsız parçacıklar olarak işlenebilir, ancak durgunluk kütlesi sıfır alınmalıdır. Böyle durumlarda ışık kuantumlar halindedir (buna daha sonra foton adı verilecekti). Ama bunun yanı sıra ışığın bir dalga davranışı sergilediği, dolayısıyla sırf dalgalardan oluştuğunun düşünülmesini gerektiren başka durumlar da vardı. (Çv.: Bu görünürdeki çelişkinin en anlaşılır çözümü için Richard Feynman’ın “QED” adlı kitabını okuyabilirsiniz: Türkçesi, KEDİ, Pan Yayınları/Nar dizisi, İstanbul.)
Planck, klasik fiziğin alanını aşan yeni bir normaldışılık saptamıştı. Einstein’ın çözümü ise, ışığı ilgilendiren konularda fiziğin klasik görüşlerinin kesin sonu demekti. Daha beteri, mantık kurallarını da sarsıyordu. Işığın aynı anda iki çelişkili şey olması bekleniyordu. Nasıl olur da bir şey hem parçacıklardan oluşur hem de aynı zamanda dalgaboyu ölçülebilen bir dalga olabilir? Fen bilimi, sağduyunun ötesine geçen yeni bir çağa girmişti. Bu gibi durumlarda fen bilimi aslında neler olduğunu anlamayı değil olanları betimlemeyi amaçlar. Tabii ki bunu, çelişkili görülse de görülmese de olguları açıklamakta ve ilerideki bilgileri belirlemekte kullanılabilecek biçimlerde yapar.
Einstein’ın kapsamlı bir kuram yerine olgulara dayanan “sezgisel bakışı”, fotoelektrik olayı açıklayarak, esiri gereksizleştirdi. Kuantumlar olarak giden ışık, dalgaların aksine parçacıklar biçiminde davranarak taşınmak için bir ortam gerektirmiyordu. Bir süredir birçok kimsenin kuşkulandığı gibi artık bu ele avuca sığmayan nesneye gerek kalmamıştı.
Einstein’ın yeni ışık kuramı klasik fizikte ortaya çıkan diğer bazı normaldışılıkları da açıklayabiliyordu (daha doğrusu normalleştiriyordu Çv.). Einstein’ın ışığa ilişkin görüşü, her ne kadar Newton’un 200 yıl önceki tam olmayan modeline ilginç bir benzerlik taşısa da Newton fiziğinin sonunu belirliyordu. Einstein’ın fiziksel ve matematiksel savı kuantum kuramı için sahneyi kurdu ve Planck’ın özgün kavramını (kuantum) ışığın ta kendi doğası yaptı.
Ne var ki Planck olanları böyle görmüyordu. Silahlarını kuşanarak kuantumların yalnızca ışığın maddeyle etkileşmesinde söz konusu olduğu savını sürdürdü. Planck yıllar sonra, 1912’de bile Berlin Üniversitesi’ndeki derslerinde Einstein’ın bu sezgisel görüşünü eleştiriyordu. (Planck aynı yıl Einstein’ı Berlin’e gelmesi için ikna edecek, ancak onun Kaiser Wilhelm Enstitüsü’nün başına getirilmesi için yazacağı tavsiye mektubunda “Çok iyi bir matematiksel fizikçidir, kuantum fiziği gibi fantezilerle uğraşması bu bakımdan hoş görülebilir” diyecekti.) Bu konuda tek başına da değildi. Bilimin mantığa bu şekilde meydan okuyabileceğine pek az bilim insanı inanmak istiyordu. Einstein’ın ışık kuramı 1915’ten önce pek kabul görmedi. Fakat destekleyici deneysel veriler birikmeye de başlıyordu. 1920’lere gelindiğinde kuantum kuramı 20. yüzyılın temel bilimsel atılımlarından birisi olarak belirmeye başlamıştı. Planck’a 1919’da Nobel ödülü verildi, Einstein’a da iki yıl sonra (Einstein bu övüncü ışık ve kuantumlara ilişkin yaptıklarıyla edindi, görelilikle değil). Uygulayım bakımından Einstein’ın ışık kuramının televizyonun gelişmesinde öncü rolü olacaktı. Ama günümüzde en çok görülen uygulaması kapıları kendiliğinden açan “elektronik göz”dür. Çocukluğunda yatağında manyetik kuvvetin uzayı nasıl aştığını düşünürken uyuyamayan Einstein yirmi yıl sonra ışığın bu özelliğine getirdiği açıklama ile fiziği değiştiriyordu.
Kendine özgü yöntemiyle atomların peşinde
“Molekül Boyutlarının Belirlenmesi İçin Yeni bir Yöntem” (Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen) Einstein’ın Annalen der Physik dergisinin ünlü 17. cildinde (nadir bir cilt olarak geçenlerde 10000 dolar karşılığı el değiştirdiği duyulmuştu) çıkan ikinci makalesidir. Bu ikinci makale şeker molekülünün boyutunun belirlenmesine ilişkin bir yöntemi betimliyordu. Bu makale genellikle, “diğer üç makale yanında köpekbalıkları arasındaki bir sardalya”ya benzetilir.
Bu yan ürünü ortaya çıkardıktan sonra Einstein daha temel konulara döndü. Sonraki makalesi “Durağan bir Sıvı İçinde Asılı Küçük Parçacıkların Isının Moleküler Kinetik Kuramı Uyarınca Hareketi Üzerine” (Über die von der molekulerkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen) adını taşıyordu. Bulanık bir sıvı üzerinde çalışmak yeri yerinden oynatacak bilimsel keşifler için pek umut verici görünmüyor ama Einstein’ın problemlerin tam özüne erişmedeki becerisi durumu tersine çevirdi.
Yine biraz tarihe dönmek gerekecek. 1828’de İskoçyalı botanikçi Robert Brown, botanik araştırmaları sırasında suda asılı çiçek tozlarını gözlemeye başlamıştı. Bunu mikroskop altında incelediğinde tek tek çiçek tozlarının, gelişigüzel hareketler gibi sürekli zigzaglar yaptığını gözledi. Tozlar sanki canlı gibiydi. Ama organik olan çiçek tozları yerine anorganik tozları koyduğunda da yine aynı olayı gözledi. Brown sanki bilimsel bir olanaksızlığın örneğine rastlamış gibiydi: sürekli hareket (devr-i daim). Brown bu olgu karşısında şaşakalmıştı. Bu olgu, tüm bilim topluluğunu 19. yüzyıl boyunca meraklandırdı.
Einstein Brown hareketi üzerinde çalışırken fizik yasalarına karşı bu görünürdeki meydan okumaya takıldı ve ona yakışan özgün ve cesur bir çözüm getirdi. Isıl olayların moleküler kinetik kuramına göre sıvının görünmez molekülleri sürekli hareket halindedir. Bu hareket sıvının sıcaklığı arttıkça daha da yeğinleşir. Einstein’a göre asılı parçacıkların görünüşteki gelişigüzel hareketleri aslında onların sıvıyı oluşturan moleküller tarafından bombardıman edilmesinden ileri gelmekteydi. Bu cesur bir öneriydi, zira hâlâ pek çok saygın bilim kişisinin molekül ve atomların aslında var olmadıklarına dair kanaatleri tamdı. Bu nicelikler hâlâ gözlenmeye karşı direnmekteler. Tıpkı ele avuca sığmaz esir gibi henüz hiç kimse bir molekülü görmedi (Çv.: Aslında on yıldır gelişen taramalı tünelleme mikroskobu sayesinde atomlar ya da moleküller tek tek görüntülenebilmekte, hatta düzenlenebilmektedir.) Ama Einstein bir sahne öteye geçerek bu görünmeyen moleküllerin varlığını kanıtlamaya girişti. İstatistiksel dinamik kullanarak verilen herhangi bir sıvı miktarı içindeki moleküllerin sayısını da tam olarak hesaplamaya çalıştı.
Bunu nasıl başardığının en basit bir özeti bile işin içindeki karmaşıklıkların boyutunu gösterebilir. Sudaki her cisim (ya da her sıvıda ve de gazda) o sıvı ya da gaz moleküllerinin sürekli bombardımanına maruz kalır. Tamamen şans eseri olarak büyükçe bir cisme her yanından çarpan moleküllerin etkileri ortalama olarak birbirini götürür ve cisim yerinden oynamaz. Ancak, bir çiçek tozu gibi çok daha küçük bir parçacık için bir yandan gelen etki diğerlerinden bir an için azıcık daha büyük olabilir. Böylece parçacık önce bir yöne sonra diğerine itilip kakılır. Einstein bu olayı betimlemek için bir formül de elde etti. Bu formüle göre görünen parçacıkların belli bir yöndeki ortalama yerdeğiştirmesi gözlem süresinin karesiyle orantılıdır. Eğer parçacıkların yerdeğiştirmeleri ve süreleri ölçülebilirse böylelikle belli bir hacimdeki sıvı ya da gaz moleküllerin sayısı da hesaplanabillir. Bu şekilde Einstein bir gram hidrojende 3,03 × 1023 (üçyüzüçbinkeremilyonkeremilyonkeremilyon) molekül bulunduğunu hesapladı.
Einstein’ın makalesi yalnızca moleküllerin varlığını kanıtlamayı değil, davranışlarının izlerini ve çarpışmaların ortaya çıkma yoğunluğunu da ortaya koymayı amaçlamıştı.
Einstein’ın kuramsal kanıtı üç yıl sonra Fransız fiziksel kimyacısı Jean Perrin tarafından gerçeklenecekti. Perrin’in gomagut (sarımsı bir reçine) parçacıklarının sudaki Brown hareketlerine ilişkin deneyleri atomların fiziksel varlıklarının ilk pratik kanıtıydı. Perrin’in deneyleri Einstein’ın sırf kuramsal hesaplarının dikkate değer kesinliğini de ortaya koydu.
Einstein’ın çalışmalarının bu deneysel gerçeklenmesi, onun yöntemlerinin özlü bir niteliğini vurgular. Bununla 20. yüzyılın yeni bilimsel yaklaşımı, tıpkı kübizm ve atonal müzik gibi kendi belginliğiyle ortaya çıkıyordu. 19. yüzyıl bilimin birçok dalının bebeklikten tam olgunluğa gelişmesine tanık olmuştu. Bu dönemde bilimsel yöntem büyük ölçüde ampirikti. Gözlemler ve dahice deneylerle büyük ilerlemeler kaydedildi. Ama Einstein’ın yöntemi deneysel değildi. Tam tersine. Kendi yüreğinde hep ıslah olmaz bir kuramcı olarak kaldı. Deneyler, arkadan gelerek onun kuramlarına uyan gerçekleri ortaya çıkartmak içindi. Kuramları deneysel verilerle desteklenen gerçekliklerle kuran eski yöntem, Einstein için çok fazla yavaş ve sıkıcıydı. Onun beyni, deneylerin erişebileceğinden çok ötelerde olabileceklerle karşılaşmak için hızla ilerlemek istiyordu. (Çv.: Ancak, hiçbir zaman gözlemle ilişkisini kesmiyor, bulduğu en şaşırtıcı sonuçlar için bile doğadaki olguları işaret ediyordu. Bir diğer özeliği ise hiçbir zaman kuru varsayımlarla yetinmemesi, düşünce deneylerinde kalsa bile operasyonel oluşu önde tutmasıydı. Bunlar da yeni yöntemin önemli parçalarıdır.)
Böylesine yaklaşımları benimsemekte Einstein yalnız değildi. Bu, gelen yüzyılın yöntemi olacaktı. (Atom bombalarının ve aya giden roketlerin olabileceği, gerçekleşmelerinden çok önceleri belli ayrıntılarıyla kuramsal olarak kanıtlanmıştı.) Artık fen bilimlerinin kesici ağzında hesap cetvelli dahiler (Çv.: en büyük örneği Enrico Fermi) duruyordu, laboratuar kurtları değil.
“Hepsini bırakıyorum, tüm kuramı!”
Einstein ilk makalelerinde, iki temel nesne olarak, ışığın doğasını ortaya koymuş ve atomların varlığını göstermişti. Böylelikle, fen bilimlerinin dünyaya bakış biçimini olduğu gibi değiştirmiş oldu. Bu kendine özgü içseziler onun çağının önde gelen bilim kişilerinden biri olmasına yeterli olabilirdi. Ama bir adım daha ileri gitti. Bu içsezilerini mikrokozmik alemlerle birleştirerek evreni dönüştüren makrokozmik bir kuram yarattı. Bu edim onun insanlık tarihindeki en yaratıcı zekâlar arasında yer almasını sağladı (Newton, Beethoven ve benzerleri arasında).
Einstein sadece 26 yaşında olup nereden baksanız Bern’deki patent bürosunda züğürt bir görevliydi. Arada bir, boş zamanlarında bilimsel makaleler yazıyor olabilirdi ama yerel akademik topluluk bile onu tanımıyordu.
Bu mucizeler yılı boyunca Einstein neredeyse tam bir bilimsel yalıtım içinde çalıştı. İki yüzyıldan azıcık uzun bir süre önce Newton da, ana çalışmalarının çoğunu ürettiği benzeri bir mucizevi yaratıcılık yılı geçirmişti. Einstein’la aynı yaşlardaydı ve vebadan kaçarak sığındığı annesinin çiftliğinde aynı yalıtımdaydı. Ama Newton her gün işe gitmek ve küçük bir dairede karısı ve bebeğiyle yaşamak zorunda değildi. Einstein’ın entelektüel kahramanlığının bilim dünyasında eşi yok gibidir. (Çv.: İlginç bir benzeri, Leonhard Euler idi. Gözleri görmediği halde, çevresinde beş çocuğu oynaşırken, karmaşık bir yakınsak serinin ilk 17 teriminin toplamında uyuşamayan iki öğrencisinin hesaplarını zihninden sağlayıp doğrusunu bulabiliyordu.) Abartılı gelebilecek bu övgünün yerinde olduğu ise dördüncü makalesiyle görülecekti.
Einstein artık bir süredir büyük önem taşıyan fizik kuramlarındaki kesinliğe nasıl erişilebileceği üzerinde kafa yormaktaydı. Tüm değişken niceliklerin ölçülmesinde mîyar olacak ötesi olmayan bir ölçek bulunmalıydı. Yoksa her şey bağıl yahut göreli, yani gözlendiği referans sistemine bağlı olacaktı.
Yaygın inancın tam tersine Einstein bu hususlar üzerinde istihaleye yatmadı (böyle bir süreçte her türlü dalgınca aşırılıklar yapıldığı sanılır). Einstein meslektaşlarının bu görüntüye inanmalarını tercih ederdi, ama gerçek durum bu rahatlığı vermiyordu. Tutkuyla düşünen birisiydi. Kendi sözleriyle, uzun süren derin kuramsal düşünme dönemleri onda “her türlü asabi çelişkilerin getirdiği… ruhsal gerginlik” doğuruyordu. 1905’in baharına gelindiğinde Einstein kendisini, yaşadığı en baş döndürücü zihinsel bunalım içinde buldu.
Patent bürosundan eve yürürken fikirlerini Besso üzerinde deniyordu, ama çok geçmeden düşüncelerinin Besso’nun söyleyeceklerinin ona yararı olamayacağı bir çerçeveye kaydığı görünmeye başladı. Einstein Bern’in ortaçağdan kalma sokakları ve kemerli yollarında, çoğu kez dalgın, nehrin ötesine geçip kırlara uzanarak dolaşıyordu. Bir keresinde kendine geldiğinde sağanak altında sırılsıklam bir kır yolunda yürümekteydi. Einstein’ın istisnai yeteneğinin bir kısmı, en karmaşık problem ve formüllerin ötesine geçerek bunların altındaki daha temel ilkeleri düşünebilmesiydi. Bunlardan giderek, daha derin ve daha temel ilkeleri araştırmak için her türlü çıkarsamayı deniyordu. 1905 baharı boyunca gösterdiği sürekli zihinsel çaba onu sürmenajın eşiğine getirdi. Tükenmişti, manen ve maddeten. Doğru dürüst ne yiyebiliyor ne de uyuyabiliyordu. Daha da beteri zihnini ne denli odaklarsa odaklasın, düşünceleri hep bölük pörçük kalıyordu. Ne yaparsa yapsın parçalar bağdaşmamakta direniyor, herhangi bir tutarlı kurama doğru yakınsayıp kaynaşamıyordu. Oysa varlığından emindi, oralarda bir yerde. Bir açmaza varmıştı, ilerleyecek hiçbir yol görünmüyordu. En sonunda bir akşam Besso’yla eve yürürlerken itiraf etti: “Hepsini bırakıyorum, tüm kuramı!”
O gece umutsuzluk dolu ama tuhaf bir rahatlama duygusuyla yatağa girdi. Uyur uyanık bir havada uzanmıştı. Ertesi sabah aşırı bir zihin bulanıklılığıyla kalktı. “Kafamda sanki fırtına kopmuştu” diye betimliyordu. Bu fırtınanın ortasında da birden bire onca zamandır ona var olmayan fikri yakalayıverdi. Kendi deyişiyle sanki “Tanrının düşüncelerine” erişme izni almış gibiydi.
Bu ilahı ile kişisel bir görüşme değildi tabi. Einstein her zaman, bir kişisel Tanrıya inanmadığını söylerdi. Ama o dönemin pek çok önde gelen zekâsı (Picasso, Wittgenstein ve zaman zaman Freud) ile ortak olarak “Tanrı” kelimesini, insanın anlayabilirliğinin sınırlarını zorlayan büyük gerçeklerle ilişkili olarak kullanmayı sürdürüyordu. Bu bile içinde uyanan dehşet duygusunu göstermeye yeter. Görünüşe göre, Einstein da Picasso da derin hayranlıkla Eflatun’dan Kant’a kadar büyük filozofların yanı sıra zikredilmeyi yaşadılar.
Newton’u sorgulama cesareti
Einstein anladıklarını şöyle betimliyor: “Çözüm birdenbire aklıma geldi. Düşündüğüm şuydu: uzay ve zamana ilişkin yasa ve kavramlarımız, yalnızca deneyimlerimizle açık seçik bir bağlantı kurulabildiği kadar geçerlilik savı yürütebilir. Bu deneyimler ise bu kavram ve yasaların değişmelerine yol açabilir. Eşanlılık kavramını daha yumuşak ve işlenebilir biçim vermek üzere elden geçirerek özel görelilik kuramına eriştim.” Bu basit özeti kavramak (düşünerek okursak) belki görece kolay olabilir, ama kanıtlarken işin içine giren fiziksel-matematiksel savlar ve formüller kolay değildir. Bunları Einstein 31 sayfalık “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” (yahut tarihsel Almanca başlığı: Zur Elektrodynamik bewegter Körper) başlıklı makalesinde ortaya koydu. Einstein’ın özel görelilik kuramını (koyduğu ad buydu) anlamak için yerine geçtiği Newtoncul sistemi akılda tutmak gerekir. Gerçekten de gündelik amaçlar için bu Newtoncul sistem hâlâ dünyayı görmeye devam ettiğimiz biçimin ta kendisidir. Newton’a göre yörüngedeki gezegenlerden düşen elmaya kadar her şey aynı yasaya -kütleçekimi kuvveti- uymak durumundaydı. Evren mantıksal görülüyor, yasaları nerede ve hangi koşullar altında uygulanırlarsa uygulansınlar tutarlı kalıyorlardı. Bu sağduyu aleminin temelleri ise uzay ve zamandı. Newton’un, Principia’da çok güvenli olarak saptadığı gibi: “Mutlak, doğru ve matematiksel zaman, kendinden ve kendi doğasından eşit olarak ve hiçbir dış bağlantısı olmadan akar ve bir diğer adı süredir.” Benzer olarak “mutlak uzay kendi doğasından hiçbir dış bağlantısı olmadan hep benzer ve hareketsiz kalır.” Başka deyişle uzay ve zaman mutlaktı; ya da öyle görünüyordu.
Ne zaman birileri Newton’u bu konuda sorgulama cesaretini toplayabilse, Newton onları Tanrı’ya havale ediyordu. İşler olmaları gerektiği gibi oluyordu; evren tam böyle yoluna sokulmuştu. Ama neden? Newton nereden biliyordu? (Çv.: Ama Newton hiçbir zaman açıklama bulamadığı noktada kendisi Tanrı’yı işin içine karıştırmıyor, “gereksiz varsayım kullanmıyorum” diyordu.) Bu gibi soruları sormak bilimsel sorgulamanın görevidir. Ama Newton’un otoritesi o denli güçlüydü ki pek az kimse sormaya cesaret ediyordu. Asıl saldırı ise başka bir cepheden gelecekti. Deneysel veriler evrenin Newtoncul betimiyle uyumsuzluklar göstermeye başladıysa da klasik fiziğin tüm yapısını sorgulamayı düşünenlerin sayısı başlangıçta çok azdı.
Newton’un klasik fiziği, bağıl hareketle çok iyi baş edebiliyordu. Hamağında uzanan bir gemici kendisini gemisine göre durgunlukta olarak düşünebilir; ama kıyıda duran ve geminin gidişini gözleyen bir kimse için gemicinin bir bağıl hareketi vardır. Benzer şekilde kıyıda duran gözleyicinin kendisi de, uzaydan gözlendiğinde büyük bir bağıl hızla gittiği görülür çünkü uzayda ilerleyen dünyanın hızına o da sahiptir. Ama bu noktada görelilik (yani bağıl hareket) durur; çünkü uzay duruk ve hareket edemezdir (tıpkı onu doldurduğu sanılan ele avuca sığmaz esir gibi). Bu, mutlak referans standardı ve onunla birlikte mutlak zamandır.
İşlerin bu gidişine karşı, 1860’larda Maxwell’in elektromanyetik dalga kuramına dek bir kuşku uyanmadı (Bu kuram Einstein’ın hareketli cisimler makalesi için temel bir rol oynamıştı). Maxwell’in kuramı Newton’un klasik mekaniğiyle hareketli cisimlerin hızlarına gelindiğinde bir sorun çıkarttı. Işığın hızı gözlemcinin ya da kaynağının hızından etkilenmeyebilir miydi? Bu 1887’deki ünlü Michelson-Morley deneyince doğrulanmış gibiydi (deney ışığın esir içindeki hızını ölçmeyi amaçlıyordu). Gördüğümüz gibi bu, duruk ve her yere girebilen bir esirin varlığına kuşku düşürdü. Deney bundan çok fazlasını yaptı. Özünde amaç ışığın hızını, dünyanın yörünge hareketiyle aynı ve zıt yönlerde ve bir de bunlara dik yönde ölçüp kıyaslamaktı (Çv.: Bu ünlü nehir-sandal problemlerine benzer. Akıntı yönünde gidip gelme süresi ile aynı yolu akıntıya dik gidip gelme süresi farklıdır, bu fark ölçülerek akıntının hızı ya da sandalın hızı belirlenebilir.) Ancak, ışığın gidip gelme süreleri şaşırtıcı bir şekilde eşit çıktı. Dünyanın hızı görünüşe göre ışığın hızı üzerinde hiçbir etki yapmıyordu. Ama bu nasıl doğru olurdu ki? Sağduyuya aykırı bir şey (Newton fiziğine aykırılığı da cabası!).
Aynı sıralarda Mach da Newton’un mutlak uzay ve mutlak zaman fikirlerini sorgulamaya başlamıştı. Mach’ın deneysel tanıt ve gerçeklikler üzerinde ısrarla durması bu fikirleri “deneyimlere yansıtılamayan saf zihinsel kavramlar”a indirgiyordu.
20. yüzyıla girilirken çağın en büyük matematikçisi, Fransız Jules Henri Poincaré’nin de mutlak zaman ve mutlak uzay kavramlarına ilişkin kuşkuları vardı. Zekice bir sav yürüttü: bir gece herkes uyurken evrenin boyutları birdenbire bin kat artsa, evren kesinkes benzer kalır. Ne olduğunu nasıl anlayabiliriz? Boyutlardaki bu değişmeyi nasıl ölçeceğiz? Anlayamayız, ölçemeyiz! Demek ki uzay kavramı ölçü yapılan referans sistemine göre oluşuyor. Klasik fizik bir bunalıma varıyordu ve Poincaré bunun farkına varmıştı. Şunu önerdi: “Belki de mekaniği bütünüyle… ışık hızının aşılamaz bir limit olacağı şekilde yeniden kurmalıyız.” Tüm bilimsel bilgiyi kargaşaya sürükleyecek böylesine bir adımı atmaktan Poincaré çekindi. Ama Einstein çekinmedi.
Özel görelilik kuramı
Klasik fizikte karşılaşılmaya başlanan pek çok normaldışılığa bir çözüm bulan Einstein oldu. Einstein ileri sürdüğü kuramda yalnızca bu normaldışılıkları açıklamakla kalmadı, bu arada evrenin bütünüyle yeni bir açıklamasını verdi. Özünde bunu “ışık hızının uzayda sabit olduğunu ve bunun ne ışık kaynağının ne de gözlemcinin hareketine bağlı olduğu”nu söyleyerek yaptı. Aynı zamanda da mutlak hareket diye bir şey olmadığını ileri sürdü. Bunun anlamı mutlak durgunluk diye bir şeyin de olmamasıdır. Bu durumda da her hızın anlamı kendi belli referans sistemine göredir (oysa ışık hızı referans sistemi ne olursa olsun aynı kalır).
Buraya kadarı iyi: ilk öneri Michelson-Morley deneyini açıkladı, ikincisi ise Poincaré’nin gösterdiği ve benzeri normaldışılıklara açıklık getirdi. Açıkça görülebileceği gibi Einstein’ın bu iki önerisi çelişkili görünüyor. Eğer ışığın hızı hep aynı olacaksa mutlak hareket nasıl olamaz?
Einstein dananın kuyruğunu koparttı. Her iki öneriyi de doğru yapacak bir yol vardı. Bu hem uzayın hem de zamanın bağıl/göreli olduğunu kabullenmekti. Ama bu nasıl olacaktı? Poincaré uzayın nasıl bağıl/göreli olduğunu göstermişti; verdiği bin kat genleşmiş evren örneğinde zamanın da bağıl/göreli oluşu gizliydi. Einstein bunu onayladı ve şaşırtıcı çıkarsamalara göğüs gerdi.
Einstein’a göre “Zamanın önemli rol oynadığı tüm yargılarımız hep zamandaş olaylara ilişkin yargılardır. Örneğin şu dediğime bakın: Tren saat yedide varacak. Aslında demek istediğim şöyle bir şey: saatimin akrebinin yediyi göstermesiyle trenin varışı zamandaş olaylardır.” Einstein’ın önerisi bu zorlukların yalnızca “zaman” kelimesi yerine “saatimin akrebinin yeri” sözünü koymakla ortadan kalktığıdır. Bu ise yalnızca saatin bulunduğu yerden söz ederken uygundur. “Ama farklı yerlerdeki birkaç olayı zamanla bağlamak artık doğru değildir.” diyen Einstein şöyle devam ediyor: “Benzer olarak, uzaktaki olayları saatle ilişkilendirmek de doyurucu değildir.”
Einstein hep kuramı deneye üstün tuttu (Çv.: Ancak her makalesinin sonunda, bulduklarının gözlenmiş ya da gözlenebilecek hangi olayı açıkladığını ya da açıklayacağını belirtirdi. Asıl görüşü ise genç bir fizikçiye dediği “deneyin neyi ölçeceğini kuram söyler” doğrultusundaydı.). Aynı zamanda usavurmayı da matematiğe üstün tuttu. Özel görelilik kuramına ilişkin makalesinin ilk çeyreğinde hiç matematiksel formül görülmez. Kalan kısmının da çoğu formülle dolu değildir. Einstein’ın kuvvetli yanlarından biri karmaşık matematiksel yapıları en basit şekilde göz önüne getirebilme yeteneğidir. Örneğin göreliliğe ilişkin düşünceleri, tramvayda giderken Bern’in ortaçağdan kalma ünlü saat kulesine dalgın dalgın bakarken dürtüklenmiş olabilirdi. Tramvay ışık hızıyla gitseydi ne görebilirdi? Geliştirmekte olduğu özel görelilik kuramına göre kuledeki saat durmuş gibi görünmeliydi. Ama cebindeki saat işlemesini sürdürecekti (Einstein’ın kuramının bir vargısına göre hızlar ışık hızına yaklaştığında gözlenen olaylar yavaşlamış görünüp, ışık hızına varıldığında durur). Hızlar arttıkça her gözlemci için zaman aynı değildir.
Gene de apaçık itiraz geliyor: peki “gerçek” zamana ne oldu? Saat kulesiyle cepteki saat “gerçek” zamanda tabii ki uyuşmalıdır. Ama Einstein mutlak zamanın olmadığı savını ileri sürmemiş miydi? Mutlak zaman yoktur. Zaman yalnızca ölçüldüğü noktaya özgüdür. Zamanı ölçebilecek, başkaca bir yol yoktur.
Bu kimi merak verici durumlara yol açabilir. “İkizler paradoksunu” ele alalım. İkizlerden birisi ışık hızına çok yakın bir hızla uzun bir uzay yolculuğuna çıkar. Einstein’a göre astronot ikiz, döndüğünde kardeşinden daha genç olacaktır. Onun zamanı gezisi süresince yavaşlarken, gitmeyen ikiz “normal” zamanında yaşamayı sürdürecektir (Çv.: Bunun gizemi hızlanma ve yavaşlamanın getirdiği farklılıktadır).
Yeri yerinden oynatacak formül: e = mc2
Einstein özel görelilik üzerindeki makalesini bitirdikten sonra bunun matematiksel sonuçlarını incelemeye başladı. Bunlar çok daha hayranlık verici sonuçlara işaret ediyordu. Özellikle de görelilik ilkesi Maxwell’in geliştirdiği ışığın elektromanyetik kuramına ilişkin denklemlere uygulandığında. Einstein, hızı ışığınkine yaklaştıkça parçacıkların kütlelerinin arttığını gösterdi; daha da hızlanmaları için gittikçe daha da artan miktarlarda enerji gerekecekti. (Çv.: Tam ışık hızına varması için sonsuz enerji gerekir. Einstein aslında yalnızca enerji soğuran cisimlerin durgunluk kütlelerinin arttığını, e = mc2 bağıntısının bununla ilgili olduğunu gösterip, hareketli cisimlerin kinetik enerjisinin bu değere eklendiğinde “hızla değişe kütle”yi sandıran bağıntıyı verdi. Aynı sanı, momentumun görelilikli ifadesinden de edinilir.)
1905’te Einstein can alıcı bir konunun farkına vardı. (Çv.: Einstein’ın farkına vardığı olgu şöyleydi: Bir vagonun ön duvarındaki bir atom bir ışık kuantumu salsa, bunun momentumuyla vagon geri teper; ışık diğer duvarda soğurulduğunda da bu kez verdiği momentumla vagon durur. Bu olgu özel göreliliğin gerektirdiği gibi çözümlendiğinde kuantumu salan vagonun “ışığın enerjisi bölü c2” yani ışık hızının karesi kadar kütle, m, yitireceği, kuantum karşı duvarda soğurulduğunda ise vagonun aynı kütleyi bu kez kazanacağı ortaya çıkıyordu: e = mc2.) Bu ona yalnız kuantumların doğasına ilişkin bir anlayış vermedi, aynı zamanda daha da çarpıcı gelişmelere zemin hazırladı. Görünüşe göre ışık kuantumları kütlesiz parçacıklar olup dolayısıyla salt ışık hızında giden enerjidirler (Çv.: Bunlar duramazlar, durmaları enerjilerini aktarıp yok olmaları demektir). Kütle, enerji ve ışık hızı bir biçimde bağlantılı olmalıydı.
Bu, e = mc2 formülü yeri yerinden oynatacak gibiydi. Buna göre madde katılaşmış enerjiydi. Eğer kütle bir şekilde enerjiye dönüştürülebilse, azıcık bir miktar madde bile akılları durduracak kadar çok enerji salabilir. (Çv.: Aslında her türlü enerji böyle oluşuyor. Her cismin m kütlesi sabit olup hareketle değişmez, hareket sırasında değişen, cismin e = mc2 olarak tanımlanan “durgunluk enerjisi”ne eklenmesi gereken kinetik enerjidir. mc2’nin değişmesi için cismin değişmesi gerekir: ya bir radyoaktif çekirdek, ya bir uyarılmış atom fazla enerjisini verip kütlesini azaltacak ya da örneğin bir kimyasal tepkimede birleşen atomların kütleleri azalarak bağ enerjisine dönüşecek. Einstein’ın kendisi de bunu kastetmişti ama her şeyi olduğundan daha derin ve şaşırtıcı görmek isteyenler yıllarca okullarda yanlış olarak kütlenin hızla değiştiğini öğrettiler.) Einstein’ın formülünü m = e/c2 şeklinde düşünürsek, ışık hızı 300 000 km/s olduğuna göre 1 g kütle 25 milyon kilowatt-saat enerji üretecektir.
Bu, fen bilimcilerinin akıllarını kurcalayan pek çok sorunun anahtarı olacaktı. Örneğin güneşin ve tüm diğer yıldızların nasıl da milyarlarca yıldır o denli çok enerjiyi ışıdıklarını açıklayacak gibiydi. Şu ya da bu şekilde kütleleri enerjiye dönüşüyor olmalıydı. Ama nasıl? Polonyalı-Fransız fizikçi Marie Sklodowska-Curie’nin 1898’de yaptığı deneyler, 30 gram radyumun sürgit, saatte 1 watt-saat enerji verdiğini gösteriyordu (Çv.: Einstein’ın 1905’teki dördüncü makalesini bitirirken verdiği örnek radyumun verdiği bu olağanüstü enerjiye ilişkindi). Radyum radyoaktif bir elementtir. Kararsız olup radona dönüşür, bu arada da enerji salar. Einstein’ın formülü ne olduğunu ortaya koyuyordu. Madam Curie nasıl olduğuna ilişkin ipucu verdiyse de Einstein’ın formülünün tam gerçeklenebilmesi için 25 yıl daha geçecekti. Einstein bu ünlü formülün kendi özel görelilik kuramından çıkan en önemli gelişme olacağını düşünmüştü ama o ilk günlerde neye yarayacağına ilişkin hiçbir fikri yoktu.
Genel görelilik kuramına doğru…
1905’e geri dönelim. Einstein özel göreliliğe ilişkin makalesini bitirip Annalen der Physik’e gönderdi ve 26 Eylül 1905’te yayımlandı. Mükemmel bir dahinin marifeti olduğunu düşündüğü bir çalışmayı yeni bitiren her gencin yaptığı gibi arkasına yaslanarak dünyanın afallama ve hayranlığını beklemeye başladı. Ama böylesi kutsamalar tıpkı gerçek dahiler gibi az ve seyrek görülür. Hele bunların bir araya gelmesine ise iyice seyrek rastlanır. Mevcut durum ise bundan farklı olmayacaktı.
Aylarca hiçbir şey olmadı. Acaba bir hesap hatası mı yapmıştı? Ama bu kesinlikle dört makalesinin hepsinde birden olamazdı. Yaz sonu güze, güz kışa döndü. Einstein gene sobayı tutuşturacak odunları kırmaya ve çuvalla kömürü, tüten sobada yakmak için yukarıya taşımaya başladı. Derken, yeni yılın başlarında Max Planck’tan bir mektup aldı. Planck göreliliğe ilişkin makalesindeki bazı hesaplar için açıklama istiyordu. Einstein, çalışmasının önemini günün en büyük fen bilimcilerinden birisinin fark ettiğini hemen anlamıştı. Başkalarının da izleyeceğinden emindi. Gene de tepkilerin gelişi yavaştı. Einstein’ın fikirleri öyle devrimci, sağduyuya öyle aykırıydı ki pek çok kişi bunları ciddiye almak istemiyor, ya da belki alamıyordu. Fiziğin bildikleri şekliyle tükenişini görmek fizikçiler için kolay bir şey değildi.
Bu arada Einstein patent bürosunda çalışmaya devam ediyordu. Ara sıra fikirlerini bir kahvehanede dostu Besso ile tartışıyordu. Bu kahvehane üniversitenin fen fakültesi hocalarının uğrak yeriydi, ama diğer masalardaki akademisyenler Einstein’ı hâlâ tanımıyordu. Einstein bir yandan da görelilik kuramını kütleçekimine uyarlamak istiyordu. Bu en az görelilik kavramının kendisi kadar karmaşık ve hırslı bir işti.
Einstein’ın özel göreliliğe ilişkin yaptıklarının önemini en çabuk anlayanlardan birisi, eski matematik hocası Minkowski oldu, Einstein için dediklerini hatırlayın (Rus asıllı Alman Prof. Hermann Minkowski derslere çok seyrek giden Albert’e “tembel köpek” diye bağırmış ve “hiçbir şey olabileceğini sanmadığını” söylemişti). Demek ki Albert gençliğinde matematiğe gerçekten yeterince ilgi göstermemişti. Özel görelilik kuramının kapatılması gereken açıkları vardı ve bunların çoğu fiziksel değil matematikseldi.
Bir kere, üç boyutlu geometrinin artık evreni açıklamaya yetmeyeceği ortaya çıktı. Yeni bir geometri gerekliydi. 1907’de Minkowski Uzay ve Zaman adlı bir kitap yazdı. Bu kitapta, zamana dördüncü boyut olarak bakılabileceğini çok iyi anlatıyordu. Gösterdi ki artık zamanın da uzayın da ayrı ayrı var oldukları söylenemezdi. Zaman, içinde aktığı söylenen uzaydan ayrı değilken, uzay da zaman içinde olmadıkça var değildir. Görünüşe göre evren, kaynaşmış bir “uzay-zaman”dan yapılı olmalıydı. Minkowski, bunu destekleyecek matematiksel yapıyı da ortaya koydu.
Bunlar Einstein için esin ve güdü kaynağı oldu. Diğerleri onun alanında kaba kuvvetle ilerlemeye uğraşırlarken Minkowski’nin önerileri ona derin bir içgörü verdi. Kütleçekimini görelilikle nasıl bir araya getirebileceğini de gördü. Newton kütleçekimine cisimleri birbirlerine çektiren bir kuvvet olarak bakıyordu. Ama kütleçekimine bir etkileşme alanı olarak bakılırsa ne olurdu? Böylesine düşünürken maddenin varlığının uzayı eğriltebileceğini akıl etti. Einstein bu esini “hayatının en mutlu fikri” olarak görmüştü. Genel görelilik kuramı doğmuştu; ama tamamlanması için daha en az altı yıl geçecekti.
En sonunda Einstein akademik bir görev bulmuştu (Çv.: Önce Bern Üniversitesi’nde ders verme yetkisi aldı (privat dozent), sonra da Zürih Üniversitesi’nde). Ancak bu göreve daha önce eski sınıf arkadaşı Carl Adler de başvurmuş ve “Professor extraordinarius” olarak (Çv.: günümüzdeki eşdeğeri “doçent”. O günlerde bir kürsüde yalnızca başkan “professor ordinarius” yani sıradan profesör unvanını alır, diğerlerine de yukarıdaki unvan verilirdi.) kabul edilmişti. Politik idealizmi her türlü davranışını da etkileyen Adler, Einstein’ın aynı göreve istekli olduğunu öğrendiğinde onun lehine çekildiğini bildirdi: “Üniversiteye Einstein gibi bir kimseyi alabilmek söz konusuysa benim atanmam saçmalık olur.”
Einstein 1909’da Zürih’e gitti. Ertesi yıl oğlu Eduard doğdu. Eşi Mileva öğrenciliğini geçirdiği kentte kendini daha huzurlu hissediyordu. Einstein görevine başladı. Öğrenciler önce bu kılıksız görünüşlü gencin karşısında şaşaladılar. Paçaları kısa, saçları uzun, kürsünün yanında elindeki buruşuk kartvizitle dikilmiş duruyor. Kartvizit aslında Einstein’ın ders notlarından başka bir şey değildi, ama biraz sonra bunu da bıraktı; işi düşüncelerinin akışına bırakmayı tercih etmişti. Sonraları da öğrencilerini konuşmalarını sürdürmek için köşedeki Café Terasse’a davet edecekti.
1911’de Einstein’a Prag’daki Alman Üniversitesinden “Profesör”lük önerildi. Burada da her şey aynıydı. Giriş kapısına ilk geldiğinde görevliler onun ışıkları onaracak elektrikçi olduğunu sandılar.
1914’te Einstein Berlin’deki Kaiser Wilhelm Enstitüsü’nün müdürü yapıldı. (Çv.: Bu görev için Max Planck onu ikna etmek için Zürih’e gitti, çünkü 1912’de Einstein’ı öğrenciliğini geçirdiği ETH’ya profesör atamışlardı. İkinci gelişinde Einstein onu istasyonda yakasında bir çiçekle karşıladı, bu evet yanıtını gösteriyordu. Planck onu bu göreve tavsiye ederken “kendisi çok iyi bir matematiksel fizikçidir, ama kuantum fiziği gibi fantezilerle de uğraşır. Ne var ki böylesine değerli bilim kişilerinin bu kadar fanteziyle uğraşma hakları vardır.” diye yazmıştı.) 35 yaşındaydı ve akademik olgunluğa erişmişti. Kaiser Wilhelm Enstitüsü dünyanın en önde gelen akademik merkezlerinden birisiydi. Oradaki en saygın meslektaşlarından birisi de Max Planck’tı. Burada Einstein araştırmalarını hiç rahatsız edilmeden sürdürecek, yalnız arada sırada Berlin Üniversitesi’nde konferanslar verecekti. Enstitüde çalışması için de Alman vatandaşlığına başvurması gerekti.
1914 Ağustosunda Birinci Dünya Savaşı koptu. Almanya, Avrupa’daki diğer muharipler gibi bir aşırı milliyetçilik çılgınlığına kapıldı: askeri birlikler caddelerden geçerek cepheye giderken alkışlarla uğurlanıyordu ama onları bekleyen vahşeti hiç akıllarına getirmiyorlardı. Einstein afallamıştı. Enstitü bile işin içine giriyordu. Einstein’ın kimi çalışma arkadaşları etkili bir zehirli gaz üretimi için görevlendirilmişlerdi.
Eğri uzay-zaman ve yeni geometri
Einstein kendi sığınağına çekilerek genel görelilik kuramı üzerinde çalışmayı sürdürdü; çoğu zaman günlerce ortaya çıkmıyordu. Birkaç kişiyi aşmayan konukları çıplak döşemelerden söz ediyordu. Raflarda hiç kitap yoktu, bunun yerine her tarafta en son bilimsel dergiler ve hesaplarla dolu kâğıtlar duruyordu. Çoğu kez kapıya yalın ayak çıkıyordu; geceleri de sanki partal bir battaniye ile örtünüyordu. Ağarmaya başlayan bakımsız ve dağınık saçları sonraki yıllarında karikatürcülerin çok sevdiği biçimine girmeye başlamıştı. Seyrek ziyaretçilerinden birisi onu “daha yeni elektrik çarpmış bir yaşlı aslana” benzetiyordu.
Einstein’ın önceki özel görelilik kuramı birbirlerine göre düzgün hareketli cisimler için geçerliydi. Genel görelilik kuramı ise ivmeli bağıl hareketi, örneğin bırakılan cisimlerin hız kazandığı kütleçekimini içine alacak şekilde genişletilmiştir. Bunu yapmak amacıyla Einstein önce Newton’un, kütleçekiminin etkisini iki cisim arasında gösteren bir kuvvet olduğu kavramını bir kenara bıraktı. Ona, bunun yerine maddenin kendisinden yayımlanan bir enerji alanı olarak baktı (Çv.: Aslında bu bir kuvvet alanı ve bunun taşıdığı enerji olup, M. Faraday ve J. C. Maxwell’den bu yana elektromanyetizma da kütleçekimi de bu gözle görülmekteydi).
Bu ufak bir iş gibi görünebilir ama Einstein’ın katkıları can alıcıydı. Newton tüm evreni (Çv.: O günün anlayışıyla güneş sistemi) kusurlu bir kütleçekimi kavrayışına oturtmuştu. Kütleçekimine bir kuvvet olarak bakan Newton’a göre güneşin gezegenlere ve gezegenlerin uydularına olan etkisi ani oluyordu. Ama Einstein’ın özel görelilik kuramına göre hiçbir şey ışık hızından daha büyük bir hızla gidemez. Gezegenler ışık hızının 1/1000’i kadar hızlarla gittiklerinden dolayı, bu uyuşmayan görüşlere dayalı hesaplardaki farklar sonsuz küçükler mertebesindeydi. Ama temel sonuç şu ki ortada bir fark vardı ve bunlardan sadece biri evrenin işleyişini gösterebilirdi.
Einstein’ın bakışı daha da çarpıcı sonuçlara götürüyordu. Einstein 1905’ten beri ışığa ilişkin kuramını da genellemeye uğraşıyor, ışığın hem dalga hem parçacık olarak davranmasını kavramaya çalışıyordu. Ama parçacık olduğunu (Çv.: Aslında enerji taşıdığını ve bunun da kütleye eşdeğer olduğunu) düşününce, ışığın kütleçekimi alanından geçerken sapması gerekeceğini anladı. Başka deyişle ışık yeğin bir kütleçekimi alanından geçerken gittiği yol eğrilmek zorundadır.
Ama doğru çizgi kavrayışımız neredeyse olduğu gibi ışığın gidişiyle belirlenmiştir. Demek ki bu eğrilmiş alanda iki nokta arasındaki en kısa yol bir doğru çizgi olmayacaktı. Tıpkı Londra ile Los Angeles arasındaki en kısa yolun bir eğri olması gibi.
Benzer olarak en uç hız (dolayısıyla uzay ve zaman) kavrayışımızı da artık ışık hızı belirliyor. Eğer bir ışık huzmesi kütleçekimi alanından geçerken bükülüyorsa bu, hiçbir şeyin bu eğri yol üzerindeki iki nokta arasını ışıktan daha çabuk aşamayacağı anlamına gelir. Başka deyişle bu iki nokta arasında, bu eğri yoldan daha kısası olamaz (Eğri uzayın anlamı da budur).
Bunun sonucu olarak klasik Euklides geometrisi artık evreni betimlemeye yeterli olmayacaktı. Bu noktada Einstein’ın matematikteki zayıflığı onu yaya bıraktı. Yerine koyacak bir şey bulamıyordu. Matematiksel bir zemin olmadıkça kuramı sırf bir önermeden ileri gidemeyecek, bundan bir-iki sonuçtan ötesi çıkarılamayacaktı.
Einstein’ın şansına Euklidesçi olmayan geometri üzerine 19. yüzyılda Almanya’da Georg Friedrich Bernhard Riemann (Çv.: Ayrıca Rus Nikolay İvanoviç Lobaçevski ve Alman Karl Friedrich Gauss) çok iş yapmıştı. Yarım yüzyıl kadar bir süre Riemann’ın eğri yüzeylere ilişkin matematiği olağanüstü parlak ama o denli de kullanımı olmayan bir iş olarak görülüyordu. Riemann, bu eğri geometride iki nokta arasından istenilen sayıda “doğru” çizgi geçirilebileceğini gösteriyordu.
Riemann, benzer olarak bu eğri geometride sonsuz uzunlukta bir doğru çizgi olamayacağını da gösteriyordu (Londra’dan San Francisco’ya yerküre üzerinde çizilen bir doğru, Los Angeles’ten geçmek zorundaydı). (Çv.: Bu konularda bir uzman olan eski sınıf arkadaşı Marcel Grossmann gene imdadına yetişti. Onun yardımıyla bu geometriyi öğrenen) Einstein, uzay eğriyse bu durumun evrene de
