Mach İlkesi, Newton’un Kovası ve Eylemsizlik

Aralarında belirli bir mesafe bulunan farklı kütledeki cisimler birbirlerinin hareketini etkiler mi? Peki bir cismin hareket edip etmediğini nasıl anlarız? Bu yazımızda Einstein’ın izafiyet teorisini ortaya koyarken kullandığı Mach ilkesi kavramını sizler için derledik.

Bir trene bindiğiniz zaman sıklıkla başınıza gelen bir şey de yan peronda bulunan trenin hareket etmesiyle bir an sanki içinde bulunduğunuz trenin hareket ettiği hissine kapılmışsınızdır. Peki aslında hangi tren hareket ediyor? Bunu ispatlamanın bir yolu var mı? İşte hareketin anlaşılması için ortaya konan Mach ilkesi de bu soruları yanıtlıyor.

Avusturyalı fizikçi Ernst Mach bu sorunun çözümüne kafayı takmıştı. Mach aslında Isaac Newton’u takip ediyor onu referans alıyordu. Fakat Newton’un uzayın bir arka plan oluşturduğu fikrine katılmıyordu. Yani Mach, Newton uzayında hareketlerin sabit bir koordinat sisteminde değil, ancak farklı bir nesneye göre ölçülmesinin anlamlı olduğunu savunuyordu. Mach sadece göreli hareketin önemi olduğunu düşünüyordu (Bu konudaki fikirleri de Albert Einstein’a referans olmuştur.). Mach’a göre bir top Fransa’da da Avusturalya’da da aynı şekilde yuvarlanıyordu. Topun kütlesi ve yer çekimi ivmesi Dünya’da değişmediğinden hareketinde de bir farklılık oluşmuyordu. Ancak aynı top Ay yüzeyinde farklı bir şekilde hareket ederdi. Çünkü kütle değişmese de Ay’ın kütle çekimi Dünya’ya göre daha düşük olduğundan topun ağırlığı da daha az olacaktır.(Ağırlık (W)=Kütle (m) *Yer Çekimi İvmesi (g) )

Mach ilkesi, bir cismin hareketinin algılanması için diğer cisimlerin varlığının gerekmesi olarak açıklanabilir. Mesela dönen bir topun dönüşünü, diğer cisimlerin toptan farklı olması ve dönmemesi sayesinde algılarız. Eğer evrende tek cisim top olsaydı onun hareket edip etmediğini anlayamazdık.

Kütle Nedir?

Kütle, bir cismin bünyesindeki madde miktarının bir ölçüsüdür. Örneğin, bir metalin kütlesi, kendisini oluşturan atomların hepsinin kütlesinin toplamına eşittir. Ağırlık ile kütle birbirlerinden farklı kavramlardır. Ağırlık, kütleyi aşağı doğru çeken kütle çekim kuvvetinin bir ölçüsü olarak tanımlanabilir. Örneğin, bir astronotun kütlesi değişmese de Ay’daki ağırlığı, Dünya’dakine göre daha azdır. Çünkü kütle çekim kuvveti Ay yüzeyinde daha düşüktür.

Eylemsizlik Nedir?

Eylemsizlik Latincede tembellik anlamına gelen bir sözcükten türemiştir. Eylemsizlik, kuvvet uygulanan bir cismin hareket etmesindeki güçlüğü anlatır. Eylemsizliği büyük olan bir nesneyi hareket ettirmek daha zordur. Uzayı düşünürsek, hava olmamasına rağmen durmakta olan büyük kütleli bir cismi hareket ettirmek için büyük bir kuvvet gerekmektedir. Örneğin, Dünya’ya yaklaşan dev bir asteroidin çarpmasının engellenmesi için büyük miktarda bir itiş kuvveti gerekmektedir. Bunu sağlamak için de bir nükleer patlamaya gereksinim duyulabilir. Bunun yanı sıra eylemsizliği devasa asteroide göre çok daha az olan uzay gemisi de sadece jet motorlarıyla kolayca hareket ettirilebilir.

Eylemsizlik kavramını ilk olarak 17. yüzyılda İtalyan gökbilimci Galileo Galilei bulmuştur. Buna göre, bir nesneye herhangi bir kuvvet uygulanmazsa, hareketsiz ise durmaya, hareket halindeyse de hareketine devam eder. Isaac Newton ise bu fikri alıp geliştirerek kendi yasalarının ilkini oluşturmuştur.

Mach İlkesi ve Newton’un Kovası

Newton’un kütle çekim yasasına göre, nesneler birbirlerine bir çekim kuvveti uygular. Elmanın ağaçtan düşmesi Dünya’nın çekim kuvvetinin bir sonucudur. Nesneler birbirlerinden uzaklaştığı zaman da birbirleri arasındaki çekim kuvveti büyük oranda azalmakta ama asla sıfır olmamaktadır.

Newton içi su dolu bir kova ile nesneler ile hareket arasındaki ilişkiyi anlatmaya çalıştı. Kova döndürüldüğünde başlangıçta içindeki su sabit kalır, daha sonra su da dönmeye başlar. Su döndükçe kenara doğru yakınlaşır ve ortası çukurlaşır. Bu örnekleme de kovanın dönüp dönmediğini sadece kovaya bakıp anlayabiliriz.

Yüzyıllar sonra Mach bu argümanı tekrar ele aldı. Evrendeki tek şey içi su dolu bir kova olsaydı ne olurdu? Dönenin kova olduğunu anlayabilir miydik? Dönenin kova değil de su olduğunu iddia edebilir miydik? Bu soruları cevaplamak için kovanın evrenine bir nesne daha eklemek gerekir. Bir oda veya yıldız eklersek belirli bir çevre olacağından kovanın döndüğünü algılayabilirdik. Ancak yıldızsız nesnesiz bir boşlukta, dönenin su mu yoksa kova mı olduğunu nasıl anlarız? Gökyüzündeki güneş ve yıldızlara da baktığımızda aynı hissi yaşarız. Dönen yıldızlar mı, yoksa Dünya mı? Bunu nasıl bilebiliriz?

Mach İlkesi ve Hareket

Mach’a göre hareketi algılayabilmemiz için referans alınabilecek farklı nesneler de olmalıdır. Bu yüzden hareket de içerisinde tek bir cisim bile bulundurmayan evren için oldukça anlamsızdır. Mesela Evren’de hiç yıldız olmasaydı Dünya’nın dönüp dönmediğini anlayamazdık. Yıldızlar bir bakıma bize kendilerine göre döndüğümüzü söylerler.

Mach ilkesi bünyesinde ifade edilen mutlak hareket ve göreceli hareket fikirleri başta Einstein olmak üzere birçok fizikçiye ilham kaynağı olmuştur. Öyle ki Albert Einstein’da Ernst Mach’a itafen bu ilkeye onun adını koymuştur. Einstein tüm hareketlerin göreceli olduğu fikrini alarak özel ve genel görelilik kuramlarını oluşturmuştur. Dahası ise Mach’ın fikirlerinden faydalanarak o güne kadar çözülememiş sorulardan birisini de çözmüştür. Buna göre eski bir düşünce olan Dünya merkezli Evren fikrine itafen, eğer Evren’deki herşey Dünya’nın etrafında dönüyor olsaydı, gezegenimizin belirli bir biçimde yalpalamasına yola açan küçük bir kuvvetin hissedilebilmesi gerekirdi.

Kısacası Mach ilkesi, hareket kavramının algılanmasının diğer nesnelerin varlığına bağlı olduğunu belirtmektedir.

Sonuç

Uzayın doğası bilim insanlarını yüzyıllardır şaşırtmayı sürdürmektedir. Modern parçacık fizikçileri doğayı, atom altı parçacıkların sürekli yaratılıp sonra da yok edildiği bir kazana benzetmektedir. Kütle, eylemsizlik, kuvvetler ve hareket, hepsi sonuçta fokurdayan bir kuantum çorbasının dışa vurumları olabilir.

Bu yazımızda Mach ilkesi kavramını hikayeleştirerek sizlere aktarmaya çalıştık. Bu ilke hakkında merak ettiklerinizi yorum olarak belirtmeyi unutmayınız.