Modern Fizik · 1. Ünite: Görelilik (Özel Görelilik)

Lorentz Dönüşümleri

Işık hızının tüm eylemsiz gözlemcilere aynı görünmesi, Galileo dönüşümünün $x' = x - vt,\; t' = t$ biçimiyle bağdaşmaz. Lorentz dönüşümleri, iki eylemsiz çerçevedeki koordinatları birbirine bağlayan ve ışık hızını değişmez bırakan doğru yasadır; zaman genişlemesi, uzunluk kısalması, eş zamanlılığın göreliliği ve hız toplama kuralı bu tek dönüşümden çıkar. Bu konunun sonunda dönüşümü türetebilecek, uzay-zaman aralığının değişmezliğini kullanabilecek, Minkowski diyagramında olayları yorumlayabilecek ve ikiz paradoksunu çerçeve değişimi üzerinden çözebileceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Galileo Dönüşümü Neden Yetmedi?

  2. Lorentz Dönüşümünün Türetilmesi

  3. Galileo Limiti ve Dönüşümün Sonuçları

  4. Uzay-Zaman Aralığı, Işık Konisi ve Nedensellik

  5. Minkowski Diyagramı

  6. İkiz Paradoksu

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Lorentz dönüşümü (Lorentz transformation)
İki eylemsiz çerçevenin koordinatlarını birbirine bağlayan, ışık hızını değişmez bırakan doğrusal dönüşüm: $x' = \gamma(x - vt)$, $t' = \gamma(t - vx/c^2)$.
Lorentz çarpanı (Lorentz factor)
$\gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2}$; $v \to 0$ için 1, $v \to c$ için sonsuza gider.
Olay (event)
Uzay-zamanda $(x, y, z, t)$ ile belirlenen nokta; bir çerçeveden bağımsız fiziksel gerçekliktir, koordinatları çerçeveye bağlıdır.
Uzay-zaman aralığı (spacetime interval)
$s^2 = (c\Delta t)^2 - \Delta x^2 - \Delta y^2 - \Delta z^2$; tüm eylemsiz çerçevelerde aynı değeri alan değişmez.
Işık konisi (light cone)
Bir olaydan geçen $x = \pm ct$ yüzeyleri; nedensel gelecek, nedensel geçmiş ve nedensel bağlantısız bölgeleri ayırır.
Zaman / uzay benzeri aralık (timelike / spacelike)
$s^2 > 0$ zaman benzeri (sırası değişmez, neden-sonuç mümkün); $s^2 < 0$ uzay benzeri (sırası çerçeveye bağlı, nedensel bağ yok).
Minkowski diyagramı (Minkowski diagram)
Eksenleri $x$ ve $ct$ olan uzay-zaman çizimi; hareketli çerçeve eksenleri $x = \beta ct$ ve $ct = \beta x$ doğrularıdır.
Özzaman (proper time)
Saatin kendi dünya çizgisi boyunca ölçtüğü zaman; $d\tau = dt\sqrt{1-u^2/c^2}$.
Hızlılık (rapidity)
$\eta = \operatorname{artanh}\beta$; Lorentz dönüşümleri boyunca toplanabilir olan parametre.
İkiz paradoksu (twin paradox)
Yolculuk yapan ikizin Dünya'da kalan ikizden genç dönmesi; asimetri, yolcunun çerçeve değiştirmesinden (ivmelenmesinden) gelir.

Örnek soru

S' çerçevesi, S çerçevesine göre $+x$ yönünde $v = 0{,}6c$ ile gidiyor ve $t = t' = 0$ anında orijinler çakışıyor. S'de bir olay $x = 10{,}0\,\text{ly}$, $ct = 4{,}0\,\text{ly}$ konumunda gerçekleşiyor. Olayın S' çerçevesindeki konumu $x'$ kaç ışık-yılıdır?

  1. 7,6
  2. 12,5
  3. 15,5
  4. 9,5
  5. 6,1

Doğru cevap: D

Çözüm

1. $\gamma = 1/\sqrt{1 - 0{,}36} = 1{,}25$.
2. $x' = \gamma(x - \beta\,ct) = 1{,}25\,(10{,}0 - 0{,}6\times4{,}0) = 1{,}25\times7{,}6$.
3. Sonuç $x' = 9{,}5$ ly.
Çeldiriciler: $7{,}6$ ly Galileo sonucudur ($\gamma$ unutulmuş), $12{,}5$ ly yalnızca $\gamma x$'tir, $15{,}5$ ly işaret hatasıdır ($x + \beta ct$), $6{,}1$ ly ise $\gamma$'ya bölmenin sonucudur.

Modern Fizik: tüm konular