veö, 14 eylül 2015 12. Fizik Haftası

Işık ve Yerçekiminin Dansı
veö, 14 eylül 2015
12. Fizik Haftası
Declination (dik açıklık) ≣ gökküre ekvatorundan ne
kadar kuzeye çıkıldığının açısı
Yerçekiminin klasik tarihçesi
Galileo, Riccioli, serbest düşüş, eylemsizlik, Kopernik…
Brahe: 20 yıl veri topla => Kepler kanunları => Principia
veo, 14.9.2015
2
Fotoğraf: Cassini, IPA02879, 1.1.2001
Galileo Jüpiter’in uydularının tutulmalarının
saatlerini kullanarak enlem ölçümü yapmayı
öneriyor.
Cassini bu iş için tablolar hazırlıyor.
Rømer hesaplarla gözlemler arasındaki farktan
yola çıkarak ışığın hızını (Dünya-Güneş arası
mesafe bölü zaman cinsinden) ölçüyor.
İo: Galileo tarafından
keşfedilen dört uydudan
Jüpiter’e en yakın olanı.
2015
veo, 14.9.2015
Ole Rømer Işık Hızını Ölçüyor
3
1675
Peder John Michell
1783
Kaçış hızı >= ışık hızı: Karanlık yıldız
“Eğer etrafında dolanan başka yıldız varsa keşfedebiliriz belki.”
veo, 14.9.2015
4
Uyuyan
Güzeller
Google Scholar’ın Eylül 2015 sonuçlarına göre Michell’in
makalesine ilk referans 1978’deki Jaki makalesi. Şimdiyse
200’ün üstünde atıf görünüyor.
Jaki ise Soldner’in bir makalesinden söz ediyor: Işığın
yerçekimi tarafından bükülme miktarının ilk basılmış
hesabı. (Cavendish de aslında aynı hesabı Soldner’den 20
yıl önce yapmış!)
veo, 14.9.2015
Bu güzelleri kim uyuttu?
5
veo, 14.9.2015
6
Fotograf: Andrew Dunn
Young ve Ünlü Deneyi
Gruyères Şatosu ve François Arago
veo, 14.9.2015
7
Augustin-Jean Fresnel
Siméon D. Poisson
veo, 14.9.2015
8
François Arago, Fransa’nın 25. başbakanı
Poisson (Arago) Noktası
Işığın Hızı Yeniden
Ölçmemiz lazım: Işığın dalga-parçacık hikayesine karar vermek için.
[Newton’un tanecikleri; acaba yerçekiminin anlaşılması için de önemli miydiler?]
Ölçmemiz lazım: Astronomik birimi belirleyebilmek için.
Arago’nun çağrısına iki kişi cevap verir: Foucault ve Fizeau. Suda daha yavaş çıkar ışığın hızı.
veo, 14.9.2015
9
Fizeau’nun Deneyi ve Devamı
Cıva üzerinde
yüzdürülen granit
blok
Fizeau girişimölçeri -> Kısmi esir sürüklenmesi -> Michelson ve Morley
deneyi tekrarlar -> PHYS202 vize sınavı sorusu -> Michelson
girişimölçeri -> Michelson-Morley deneyi -> Dalga var ama esir yok ->
Özel görelilik ve zamanın geometriye eklenmesi!
veo, 14.9.2015
10
1907 - Güzel Bir Yıl
Eylül 1907’de Radyoaktivite ve Elektronik Yıllığı dergisinin editörü Johannes Stark görelilik
üzerine bir derleme makalesi ister.
Bu uzun makalenin son 9 sayfasını Einstein görelilik+yerçekimine ve tabi ışığın yerçekimden
etkilenmesine ayırır. Çünkü üzerinde çalışırken aklına yeni bir şeyler gelmiştir:
“When I was busy with a comprehensive summary of my work on the special theory
relativity for the ‘Jahrbuch für Radioaktivität und Elektronik’, I also had to try to modify
Newton's theory of gravitation in such a way that its laws fitted into the theory. Attempts
in this direction showed the feasibility of this enterprise, but did not satisfy me, because
they had to be based upon unfounded physical hypotheses. Then there came to me the
happiest thought of my life in the following form:”
veo, 14.9.2015
11
Tarihsel detaylar için: G. Weinstein,
Einstein's Pathway to the Equivalence
Principle 1905-1907, arXiv:1208.5137
Einstein’ın en mutlu düşüncesi
Çizgiromanın diğer sayfaları için: spark.sciencemag.org/generalrelativity/
“The extremely strange
experimental law that all
bodies fall in the same
gravitational field with the
same acceleration, immediately
receives through this idea a
deep physical meaning. If there
were just one single thing that
fell differently in a gravitational
field from the others, the
observer could recognize with
its help that he was in a
gravitational field and that he
was falling in the latter. But if
such a thing does not exist –
as experience has shown with
great precision – then there is
no objective reason for the
observer to regard himself as
falling in a gravitational field.
veo, 14.9.2015
12
Rather, he has the right to
consider his state at rest with
respect to gravitation, and his
environment as field-free.”
Işığın Bükülmesi
1911’de Einstein yerçekiminin ışığın
üzerindeki etkisini detaylandırır.
Eylemsizlik ve yerçekimi kütlelerinin
eşitliğine tekrar parmak basar.
Döndük dolaştık 100 küsür yıl sonra
kaç bulduk?
“A light-ray going past the Sun
would accordingly undergo
deflection by the amount of 0.83
seconds of arc.”
Lenard bunu kullanacaktır!
veo, 14.9.2015
13
Hesabın Doğrusu
1915, Einstein “görelilik
kuramının en uç
halini” (genel görelilik)
kullanarak gözden
geçirilmiş hesabını
açıklar. Cevap iki katına
çıkmıştır.
Ölçüm 29 Mayıs 1919’da
gelir: Güneş tutulması
sırasında Einstein’ın
hesabı başarıyla kontrol
edilmiştir.
veo, 14.9.2015
14
Einstein Artısı/Hacı
“Bend it like Einstein”
Pegasus takımyıldızına doğru bakınca 8 milyar yıl önceki bir
kuazarın dört ayrı resmini görüyoruz; bizden 400 milyon ışık
yılı uzaktaki bir galaksinin ışığı bükmesi sayesinde…
www.spacetelescope.org/images/potw1204a/
veo, 14.9.2015
15
Pekiyi sadece bükülme mi?
Pound-Rebka Deneyi
Yerçekimi sebebiyle kızıla ve mora kaymanın
gözlemlenmesi.
Einstein’ın 1916’da önerdiği üç klasik genel
görelilik testinden sonuncusu.
1911 makalesinde tarif edilen düşünce
deneyinin uygulanması.
Mössbauer etkisinin keşfi sayesinde hassas
ölçümler mümkün…
veo, 14.9.2015
16
http://physics.aps.org/story/v16/st1
Lazer, Ay ve
Yerçekimi Testleri
Güçlü özdeşlik ilkesinin testleri. Soru: Acaba Dünya
ve Ay Güneş’e doğru aynı miktarda mı düşüyorlar?
Lazerle Ay menzilini bulma (lunar laser ranging)
ölçümleri Ay ile Dünya arasındaki gravitasyonel
eylemsizlik kütleleri oranı farkını 10^{−13}
ölçeğinde sınırlıyor. (mG/mI)E - (mG/mI)M
Genel göreliliğin alternatifleri (örneğin skalertensör kuramlar) üzerinde sıkı deneysel limitler.
veo, 14.9.2015
17
http://labcit.ligo.caltech.edu/LIGO_web/0209news/livaerial2.jpg
Burada Ne Yapıyorlar?
veo, 14.9.2015
Devasa bir Michelson
girişimölçeri. Kolların
boyunun yerçekim
dalgaları tarafından
oynatılmasını
bekliyoruz…
18
Yerçekimi Dalgaları?
Advanced LIGO veri almaya başlamak
üzere. Advanced Virgo ise 2016-17’i
hedefliyor. Tasarlanmış hassasiyetine
ulaşmaları 2019’u bulacak.
Kaynaşmakta olan iki yıldız
(nötron yıldızı veya karadelik),
kütleleri de tipik karadelik
kütleleri civarında ise yüzlerce
megaparsek uzaklıkta dahi
olsalar gözlenebilecekler.
Astronomide yepyeni bir sayfa.
CMB polarizasyonunda yerçekimi
dalgalarının izlerini arayan, pulsarların
hassas zamanlamasında kaymalar
bakan başka deneyler de var.
veo, 14.9.2015
19
Herşey Güllük Gülistanlık
Hubble Sees a Smiling Lens
veo, 14.9.2015
20
Pek de öyle değil…
https://www.quantamagazine.org/20150803-physics-theories-map/
Elimizde bir sürü temel soru var…
veo, 14.9.2015
21
sammysart.wordpress.com/2013/05/10/winter-is-coming/
Acaba kış mı geliyor?
Çift yıldızlı bir sistemindeyiz.
Yani maalesef bir üç-cisim
problemiyle karşı karşıyayız.
arxiv.org/abs/1304.0445
veo, 14.9.2015
22
Giovanni Battista Riccioli
Riccioli sistematik bir şekilde farklı farklı
sarkaçlar yapıp, onları sabırla kalibre etmiş.
Alexandre Koyré’nin bir makalesinden:
“For six consecutive hours, from nine
o’clock in the morning to three o’clock in
the afternoon, he counts .... The result is
disastrous: 21,706 oscillations instead of
21,660. Moreover, ... sundial itself lacks the
wanted precision. Another pendulum is
prepared and “with the aid of nine Jesuit
fathers,” he starts counting anew; this
time, the second of April 1642, for twentyfour consecutive hours, from noon to noon:
the result is 87,998 oscillations whereas
the solar day contains only 86,640 seconds.
... decides to make a fourth trial, ... three
nights, three days, ...”
veo, 14.9.2015
23
Proceedings of the American Philosophical Society, Vol. 97, No.
2 (Apr. 30, 1953), pp. 222-237
Riccioli’nin Verileri
g=9.4±0.2 m/s2
veo, 14.9.2015
24
Anatomy of a fall: Giovanni Battista Riccioli and the story of
g, by Christopher M. Graney, Phys. Today 65(9), 36 (2012);
doi: 10.1063/PT.3.1716
Bahtsız Riccioli
Işık kaprisli bir kılavuz
Ah şu Young, Fresnel, Airy, vs. iki yüzyıl önce
yaşasalardı. Brahe ve Riccioli gibi iyi bilimciler
de o zaman dünyamerkezci olmazlardı.
Bazen zamanında önce gelen fikirler olduğu
gibi, bazen de geç kalan fikirler oluyor.
veo, 14.9.2015
25
Bazen yanıt yüzyıllardır bize bakıyor…
Fizik 101 - Birim Analizi
Bir üçgeni özgün bir
şekilde tanımlamak için
en az kaç tane sayı
gerekir?
3 kenar
2 kenar + 1 açı
1 kenar + 2 açı
Neden 3 açı
olmuyor?
veo, 14.9.2015
26
Pisagor Fayans Kaplama
Aynı probleme
bambaşka bir bakış…
veo, 14.9.2015
27
Neyrizi gibi matematikçiler 9. yy.’da
Pisagor teoremini bu yöntemle
kanıtlamışlardı.
Gauss, Pisagor Üçgeni ve Dünyadışı Zeka
Evet, geodesiyle
ilgilenmiş; evet, dağların
tepesinde üçgenler
ölçmüş; evet Öklid dışı
geometrilerle ingilenmiş;
evet, Gauss-Bonnet
teoremi düşünmüş. Ama
hayır, dünya yüzeyinin
yuvarlaklığından öte
evrenin Öklid dışı olup
olmadığını test ettiğini
zannetmiyoruz.
Onun yerine uzaylılar
bağlantı kurmaya karar
vermiş.
veo, 14.9.2015
28
Öklid Öğeler 1. Kitap
Özer Öztürk, David Pierce, 2011-14
Geminiano Rondelli, 1719
Müsellesin, zaviyetan-ı dahiletan mecmu’ü
180 derecedir (iki amûd zâviye?).
veo, 14.9.2015
29
Sex Priora Euclidis Elementa,
quibus accesserunt undecimum & duodecimum
İki Dik Açı = Duobus Rectis
veo, 14.9.2015
30
H. E. Burton, 1945
Öklid Optik
Işık/ışın baştan beri “doğru”nun tanımı!
veo, 14.9.2015
31
Son söz: Pekiyi bize ne lazım?
Acaba gözümüzün önünden kaçırdığımız birşeyler mi var?
Markapoulou: “Boolean mantık kurallarından vaz geçelim.”
Fikirlerin çarpıştığı temel düşünce deneylerini kurcalayalım.
Karadelik bilgi paradoksu. Ateş duvarı. ER=EPR?
Yeni ölçümler gerekli.
Yerçekimini hep pasif kullandık. Biraz daha aktif olarak kullanacak deneyler tasarlayabilir
miyiz? Örneğin Güneş’in yerçekimini karanlık madde parçacıklarının önünde bir lens gibi
kullanabilir miyiz?
Yerçekimi dalgalarını astrofizikte, kozmolojide kullabilir miyiz? LISA vs. gibi deneylerle
astronomik boyutlarda üçgenler çizip kenarlarını ölçebilir miyiz?
Bilimin tüm alanlarıyla etkileşmeliyiz. Mössbauer etkisini keşfetmemiş olsaydık, PoundRebka deneyi hayal olurdu.
Ancak tüm bunlar için önce sakin kafayla oturup, küçük çocuklar gibi öğrenmeliyiz. Temel
bilgileri kendimize göre yorumlamalıyız. Başkalarının ne dediğinden, ne not verdiğinden, nasıl
öğrendiğinden bağımsız!
Genel göreliliğin yüzüncü yılında, keyfini çıkara çıkara öğrenmeye bakın…
veo, 14.9.2015
32