Foucault sarkacı
1850'lerde Foucault Paris'teki Pantheon'un kubbesine 67 m
uzunluğunda bir sarkaç astı. Sarkaç topu her salınımda
yaklaşık 1 cm presesyon yaptı. Bu, Dünyanın gerçekten
döndüğüne dair doğrudan ilk delildi.
Sarkaç her yöne salınacak şekilde asılmıştı. İleri geri
salındıkça hareket düzlemi de düşey bir eksen etrafında
yavaş yavaş salınıyordu. Orta enlemlerde yaklaşık 1,5 günde
bir tam dönme gerçekleşiyordu. Bu presesyon Yerin dönmesi
sebebiyleydi. Hareket düzlemi bir eylemsizlik sistemine göre
sabitti, ancak altındaki Yerküre dönüyordu.
Foucault Sarkacı Dünyanın döndüğünü dramatik bir şekilde
göstermekle birlikte derin bir sır da taşır. Bu sarkacı
Kuzey Kutbu'na götürdüğümüzü düşünelim. Presesyon aşikar bir
yanılgıdır. Altındaki Dünya dönerken hareket düzlemi sabit
kalır. Neye göre? Sarkaç düzlemi sabit yıldızlara, mesela
Kutup Yıldızı'na, göre sabit kalır. Bu nasıl olabilir?
Sarkaç sabit yıldızlara göre durgun bir düzlemde dönmesi
gerektiğini nereden "biliyor" da düzgün bir oranda dönen
düzleme göre dönmüyor?
Bu soru Newton'un da başını ağrıtmıştı. O bunu başka bir
deneyle gösterdi: Durmakta olan bir kovanın içindeki suyun
yüzeyi düzdür. Kova sabit bir oranla ekseni etrafında
döndürülürse, bir süre sonra su yüzeyi dönme parabolü
şeklini alır. Kova birden durdurulsa bile suyun yüzeyi bir
süre daha şeklini korur. Açıkça görülüyor ki sıvı yüzeyinin
şeklini belirlemede kovaya göre hareket önemli değildir. Su
döndükçe yüzeyin biçimi değişir. Newton buradan şu sonuca
vardı: Su yüzeyini gözleyerek başka hiç bir harici nesneye
bakmaksızın dönme hareketini tespit edebildiğimize göre,
dönme hareketi mutlaktır.
Bir taraftan dönme hareketinin mutlak oluşunda gerçekte hiç
bir paradoks yoktur. Galileo dönüşümleri lokal olarak sabit
hızla hareket eden sistemleri ayırt edemeyeceğimizi söyler.
Fakat bu, ivmeli sistemleri ayırt edemeyeceğimiz anlamına
gelmez. Suyun dönme hareketi yaptığını hiç bir yere bakmadan
anlamamız Galileo invaryansına ters düşmez.
Ancak diğer taraftan ortada bir muamma var. Hem Foucault
Sarkacı hem de dönen kova hareketlerini sabit yıldızlara
ayarlamaktadır. Sabit yıldızlar nasıl olur da bir
eylemsizlik sistemi belirleyebilir? Sarkaç düzlemini sabit
yıldızlara göre de dönmekten alıkoyan nedir? Ya da kovadaki
su yüzeyi kova sabit yıldızlara göre durgunken niçin düz
kalmaktadır?
1883 yılında Newton fiziği hakkında ilk ciddi kritiği yazan
Ernst Mach problemi şöyle ele aldı: Kovayı sabit tutarak
bütün yıldızları döndürmeye başladığımızı farz edelim.
Fiziksel olarak bunun önceki durumdan farkı yoktur, bir tek
farkla ki su yüzeyi yine parabolik biçim alır. Görünüşe
bakılırsa kovadaki suyun hareketi evrenin çok uzaklarındaki
maddenin hareketiyle bağlantılıdır. Daha da müthişi şudur:
Evrendeki bütün yıldızları, sadece kovamız kalacak şekilde
teker teker evren dışına çıkardığımızı farz edelim. Bu
sırada kova dönüyorsa ne olur? Kovadaki suyun nasıl
davranacağını kestirmenin hiç bir yolu yoktur. Uzayın
eylemsizlik özellikleri tamamen değişmiş olabilir.
Bu çok acayip bir durumdur: Uzayın lokal özellikleri çok
uzaklardaki maddeye bağlı, yine de kovayı döndürdüğümüzde su
yüzeyi derhal biçim değiştirmeye başlıyor, üstelik uzak
yıldızlara sinyal gönderip cevap alacak kadar bile zaman
geçmeden. Kovadaki su evrenin geri kalanının ne yapmakta
olduğunu nereden "biliyor"?
Uzayın eylemsizlik özelliklerinin çok uzaklardaki maddenin
varlığına bağlı olduğu prensibi Mach prensibi olarak
bilinir. Bu prensip bazı fizikçiler tarafından kabul edilir,
ancak garip sonuçlara götürebilir. Mesela, evrendeki
maddenin Dünya etrafında düzgün olarak dağıldığına inanmak
için bir sebebimiz yok. Güneş sistemi galaksimiz diskinin
dışlarına yakın bir yerdedir ve galaksi diski de ince bir
düzlem oluşturur. Eylemsizlik uzaktaki maddenin varlığına
bağlıysa onun farklı yönlerde farklı olmasını ve kütlenin
ivmenin yönüne bağlı olmasını beklerdik. Böyle bir olay
şimdiye kadar hiç gözlenmedi.
