AYT özel görelilik konu anlatımı kapsamında eylemsiz referans sistemleri, Michelson–Morley deneyi, Einstein’ın görelilik ilkeleri, eşzamanlılığın göreliliği, zaman genişlemesi, uzunluk büzülmesi ve kütle–enerji eşdeğerliği işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Referans Sistemleri ve Özel Göreliliğin Temeli
Referans Sistemi ve Eylemsiz Gözlemci
Bir cismin konumu, hızı ve hareket yönü ancak seçilen bir referans sistemine göre tanımlanabilir. Aynı olayın farklı gözlemciler tarafından farklı hızlarla ölçülmesi, olayın fiziksel olarak değiştiği anlamına gelmez; ölçümün hangi koordinat sistemine göre yapıldığını gösterir.
Newton’ın birinci yasasının geçerli olduğu sistemlere eylemsiz referans sistemi denir. Bir eylemsiz sisteme göre sabit hızla doğrusal hareket eden bütün sistemler de eylemsizdir. İvmeli hareket yapan veya dönmekte olan sistemler ise eylemsiz değildir. Bu sistemlerde hareketi Newton yasalarıyla açıklayabilmek için merkezkaç kuvveti gibi eylemsizlik kuvvetleri tanımlanır.
K, yıldızlara göre sabit hızla doğrusal hareket etmektedir.
L, K’ye göre sabit hızla doğrusal hareket etmektedir.
M, L’ye göre düzgün çembersel hareket yapmaktadır.
K eylemsiz kabul edildiğine göre L ve M sistemlerinin niteliği aşağıdakilerden hangisidir?
B) L eylemsiz, M eylemsiz değildir.
C) L eylemsiz değildir, M eylemsizdir.
D) L ve M eylemsiz değildir.
E) M’nin niteliği belirlenemez.
Klasik Mekaniğin Sınırı
Günlük hızlarda Galile dönüşümleri ve klasik hız toplama kuralları çok başarılı yaklaşık sonuçlar verir. Ancak bir cismin hızı ışık hızına yaklaştığında zaman aralıkları, uzunluklar ve enerji için klasik bağıntılar yeterli olmaz. Özel görelilik, birbirine göre sabit hızla hareket eden eylemsiz sistemlerde uzay ve zaman ölçümlerinin nasıl ilişkilendirileceğini açıklar.
Işık hızı c ≈ 3,0 × 108 m/s değerindedir. Kütleli hiçbir cisim eylemsiz bir gözlemciye göre c hızına ulaştırılamaz; kütlesiz parçacıklar boşlukta c ile hareket eder.
Michelson–Morley Deneyi ve Einstein’ın İlkeleri
Esir Varsayımı ve Michelson–Morley Deneyi
On dokuzuncu yüzyılda elektromanyetik dalgaların yayılabilmesi için uzayı doldurduğu düşünülen bir ortama esir adı verilmişti. Dünya bu ortam içinde hareket ediyorsa, Dünya’nın hareket yönüne paralel ve dik doğrultulardaki ışık hızlarının farklı ölçülmesi bekleniyordu.
Michelson ve Morley, ışığı yarı geçirgen bir ışın ayırıcıyla birbirine dik iki kola gönderdi. Aynalardan dönen ışınlar yeniden birleştirildiğinde, iki yolun süreleri farklıysa girişim saçaklarının düzeneğin yönü değiştirildiğinde kayması gerekiyordu.
Beklenen düzenli saçak kayması gözlenmedi. Bu olumsuz sonuç, Dünya’ya göre ölçülen ışık hızında esir rüzgârının öngördüğü yön bağımlılığının bulunmadığını gösterdi ve esir varsayımının terk edilmesine katkı sağladı.
Bu sonuçtan;
I. Işık hızının Dünya’nın esir içindeki hareket yönüne bağlı olduğu doğrulanmıştır.
II. Deneyin öngördüğü esir rüzgârı etkisi saptanmamıştır.
III. Işığın boşlukta yayılması için maddesel bir ortama ihtiyaç duyduğu kanıtlanmıştır.
yargılarından hangilerine ulaşılabilir?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Einstein’ın Özel Görelilik Postülaları
Özel görelilik iki temel postülaya dayanır:
İkinci postüla, klasik hız toplama kuralının ışığa doğrudan uygulanamayacağını gösterir. Bir ışık kaynağı gözlemciye doğru hareket etse de gözlemcinin ölçtüğü ışık hızı c’den büyük olmaz. Kaynağın hareketi ışığın frekansını ve dalga boyunu değiştirebilir; boşluktaki yayılma hızını değiştirmez.
Buna göre;
I. K ışığın hızını c ölçer.
II. L ışığın hızını 1,8c ölçer.
III. K ve L’nin ışık için ölçtüğü frekanslar farklı olabilir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III
Eşzamanlılık ve Zaman Genişlemesi
Eşzamanlılığın Göreliliği
Farklı yerlerde gerçekleşen iki olayın bir referans sisteminde aynı zamana karşılık gelmesi, eşzamanlılık olarak adlandırılır. Bir sistemde eşzamanlı olan olaylar, bu sisteme göre hareket eden başka bir sistemde farklı zamanlarda gerçekleşebilir.
Sağa doğru sabit hızla hareket eden bir vagonun arka ucunda A, ön ucunda B ışık algılayıcısı bulunmaktadır. Vagonun tam ortasındaki lamba, iki uca doğru aynı anda birer kısa ışık atması gönderir. Algılayıcılar ışık kendilerine ulaştığında çalışır. Karşılaştırılan iki olay, ışığın A’ya ulaşması ve ışığın B’ye ulaşmasıdır.
Vagona göre: Lamba ile algılayıcılar durgundur. Lambanın iki uca uzaklığı eşittir ve ışık iki yönde de c hızıyla ilerler. Bu nedenle ışık, A ve B’ye aynı anda ulaşır; iki algılayıcı eşzamanlı çalışır.
Yere göre: Işık iki yönde yine c hızıyla ilerlerken vagon sağa hareket eder. Arka uçtaki A, kendisine doğru gelen ışığa yaklaşır; ön uçtaki B ise kendisine doğru gelen ışıkla aynı yönde ilerleyerek ondan uzaklaşır. Işık A’ya daha erken, B’ye daha geç ulaşır. Dolayısıyla A’nın çalışması, B’nin çalışmasından önce gerçekleşir.
Bu fark, bir gözlemcinin olayları gözüyle geç görmesinden kaynaklanmaz. Her referans sistemi, olayların gerçekleşme zamanlarını kendi sisteminde eşzamanlanmış saatlerle belirler. Vagon sisteminde aynı zamana karşılık gelen iki varış olayı, yer sisteminde farklı zamanlara karşılık gelir.
Buna göre;
I. Yerde orta noktada bulunan gözlemci iki ışığı aynı anda alır.
II. Trendeki orta gözlemci B’den gelen ışığı önce alır.
III. Trendeki gözlemciye göre A ve B parlamaları eşzamanlıdır.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Lorentz Çarpanı
Özel görelilik bağıntılarında hızın etkisi Lorentz çarpanı ile ifade edilir:
γ = 1 / √(1 − v2/c2)
v = 0 iken γ = 1’dir. Hız arttıkça γ büyür; v ışık hızına yaklaştığında γ çok büyük değerlere ulaşır. AYT hesaplarında 0,6c için γ = 1,25; 0,8c için γ = 5/3 değerleri sık kullanılır.
γ2/γ1 oranı kaçtır?
B) 5/4
C) 4/3
D) 3/2
E) 5/3
Öz Zaman ve Zaman Genişlemesi
İki olay aynı konumda gerçekleşiyorsa bu olaylar arasındaki süreyi ölçen saat olaylarla birlikte durmaktadır. Bu sistemde ölçülen en kısa süreye öz zaman Δt0 denir. Olayların gerçekleştiği saate göre hareket eden gözlemci daha uzun bir süre ölçer:
Δt = γΔt0 = Δt0 / √(1 − v2/c2)
Işık saati düşünce deneyinde araç içindeki gözlemci fotonun aynalar arasında düşey gidip geldiğini görür. Dış gözlemci için araç ilerlediğinden ışığın yolu daha uzundur. Işık hızı iki gözlemci için de c olduğuna göre dış gözlemcinin ölçtüğü süre daha büyük olmalıdır.
Aynalar arası uzaklığı 30 cm olan bir ışık saatinde, ışığın alt aynadan çıkıp üst aynadan yansıyarak yeniden alt aynaya dönmesi bir tam gidiş-dönüştür. Saatle birlikte duran gözlemciye göre toplam yol 60 cm’dir. Işık 1 ns’de 30 cm ilerlediğinden öz zaman 2 ns olur.
Saat yere göre 0,6c hızıyla hareket ettiğinde Lorentz çarpanı 1,25’tir. Yer sisteminde aynı gidiş-dönüş 2,5 ns sürer; ışık bu sürede 75 cm yol alır. Işığın daha uzun sürede dönmesinin nedeni hızının azalması değil, hareket eden aynalar arasında daha uzun bir yol izlemesidir. İki olay, saatin kendi sisteminde aynı alt aynada ve aynı konumda; yer sisteminde ise farklı konumlarda gerçekleşir.
Görselin sağındaki silik çizimler farklı saatleri değil, aynı saatin ışığın çıkışı ve yansıması sırasındaki önceki konumlarını gösterir. Mavi çizim dönüş anındaki konumdur. Görsel, düzenek ve ışık yolunun nitel karşılaştırmasıdır; uzunluklar ölçekli çizilmemiştir.
Fotonun alt aynadan çıkıp üst aynaya ulaşarak yeniden alt aynaya dönmesi için K’nin ve L’nin ölçtüğü süreler sırasıyla kaç ns’dir? (c = 3 × 108 m/s)
B) 20 ve 25
C) 20 ve 33,3
D) 30 ve 50
E) 33,3 ve 20
Buna göre aracın Dünya’ya göre hızının büyüklüğü kaç c’dir?
B) 0,5c
C) 0,6c
D) 0,75c
E) 0,8c
İkizler Paradoksu
İkizlerden biri yüksek hızla uzay yolculuğu yapıp Dünya’ya dönerse yolcu ikizin öz zamanı, Dünya’da kalan ikizin ölçtüğü süreden küçük olabilir. Son buluşmada yolcu daha az yaşlanmıştır. Bu durum gerçek bir çelişki değildir; yolcu ikiz dönüş yaparken referans sistemi değiştirir ve yolculuğun tamamı boyunca tek bir eylemsiz sistemde kalmaz. Dünya’da kalan ikiz ise ideal modelde aynı eylemsiz sistemde kalır.
B ikizinin yolculuk boyunca ölçtüğü toplam süre kaç yıldır?
B) 18
C) 20
D) 24
E) 50
Uzunluk Büzülmesi
Öz Uzunluk ve Hareket Doğrultusundaki Uzunluk
Bir cismin kendisiyle birlikte duran gözlemci tarafından ölçülen uzunluğuna öz uzunluk L0 denir. Cisme göre hareket eden gözlemci, cismin hareket doğrultusundaki uzunluğunu daha küçük ölçer:
L = L0√(1 − v2/c2) = L0/γ
Büzülme yalnız hareket doğrultusundaki boyutta gerçekleşir. Harekete dik doğrultudaki genişlik ve yükseklik değişmez. Bir çubuğun uzunluğunu ölçmek için iki ucun konumları aynı anda belirlenmelidir; bu nedenle uzunluk büzülmesi eşzamanlılığın göreliliğiyle de ilişkilidir.
Dünya gözlemcisinin ölçtüğü araç uzunluğu kaç metredir?
B) 9
C) 10
D) 12
E) 25
Yerdeki gözlemcinin ölçtüğü köşegen uzunluğu kaç metredir?
B) 12
C) 4√10
D) 13
E) 5√7
Kütle–Enerji Eşdeğerliği
Durgun Enerji ve Toplam Enerji
Bir cismin durgun kütlesi m ise durgun enerjisi
E0 = mc2
bağıntısıyla verilir. Bir sistem enerji kaybettiğinde sistemin kütlesi Δm = ΔE/c2 kadar azalır; enerji aldığında artar. Nükleer tepkimelerde çok küçük kütle farklarının büyük enerji değişimlerine karşılık gelmesi c2 çarpanından kaynaklanır.
Modern kullanımda durgun ya da değişmez kütle gözlemciye bağlı değildir. Bir parçacığın hızı arttıkça “kütlesi artıyor” demek yerine toplam enerjisinin ve momentumunun arttığı belirtilir. Kütleli bir parçacığın toplam enerjisi durgun enerjisinden büyüktür.
Sistemin durgun kütlesindeki azalma kaç kilogramdır? (c = 3 × 108 m/s)
B) 10−3
C) 1
D) 103
E) 106
B) 1,8 × 108
C) 9 × 1010
D) 1,8 × 1011
E) 9 × 1013
B) mK > mL; K enerji alırken L enerji vermiştir.
C) mK < mL; sıcak cisim daha hafiftir.
D) Yalnız K’nin kütlesi değişir.
E) Yalnız L’nin kütlesi değişir.
Özel Görelilikte Birleşik Uygulamalar
Kararsız Parçacıkların Yaşam Süresi
Yüksek hızla hareket eden kararsız parçacıkların laboratuvarda ölçülen yaşam süresi, parçacığın öz yaşam süresinden uzundur. Bu nedenle kozmik ışınların atmosferde oluşturduğu müonlar, klasik öngörünün aksine bozunmadan önce yeryüzüne ulaşabilir. Laboratuvarın ölçtüğü yol, d = vΔt bağıntısıyla ve genişlemiş süre kullanılarak bulunur.
Laboratuvar gözlemcisine göre parçacığın ortalama yaşam süresi ve bu sürede aldığı yol sırasıyla nedir? (c = 3 × 108 m/s)
B) 4 μs ve 960 m
C) 5 μs ve 1200 m
D) 5 μs ve 1500 m
E) 8 μs ve 1920 m
Zaman ve Uzunluğun Birlikte Değerlendirilmesi
Aynı bağıl hız için zaman genişlemesi ve uzunluk büzülmesi birbirinin ters Lorentz çarpanlarını içerir: hareketli saatin öz zamanı γ ile büyütülürken hareketli cismin öz uzunluğu γ’ya bölünür. Bununla birlikte iki bağıntıda öz niceliğin hangi sistemde ölçüldüğü ayrı ayrı belirlenmelidir.
Dünya gözlemcisinin ölçtüğü araç uzunluğu ile iki olay arasındaki süre sırasıyla kaçtır?
B) 20 m ve 10 s
C) 20 m ve 6,4 s
D) 31,25 m ve 10 s
E) 31,25 m ve 6,4 s
Önceki Konu: Radyoaktivite
Sonraki Konu: Fotoelektrik Olay










