Eylemsiz sistemlerde fizik yasaları

1. Konuşlanma​

Bir cismin hareketini belirleyebilmek için onun ne zaman, nerede olduğunu bilebilmemiz gerekir. Nerede olduğunu söyleyebilmek için bir koordinat sistemine gerekseme vardır. Koordinat sisteminde hangi pozisyonda hangi zamanda bulunduğunu söyleyebilmek için de bir saat'e gereksememiz vardır. Burada saat sözcüğü, zamanı ölçen bir boyut gibi düşünülebilir. Şimdilik böyle düşünmekte bir sakınca yoktur, ama görelilik kuramında, zaman (saat) kavramı koordinat eksenlerinden farklı bir işleve sahip olacaktır.

2. Eylemsiz Konuşlanma (Inertial Frames)​

Newton 'un eylemsizlik yasası, der ki

1. Bir cisim hareketsiz ise ve hiç bir kuvvet ona etki etmiyorsa, o cisim hareketsiz kalmaya devam eder;
2. Bir cisim düzgün doğrusal bir hareket (bir doğru boyunca sabit bir hızla hareket) yapıyorsa ve hiç bir kuvvet ona etki etmiyorsa, o cisim düzgün doğrusal hareketine devam eder;

Fizik derslerinde öğrendiklerimizin aksine, iki yüz yıl boyunca bilimin ve teknolojinin temeli olan bu yasa doğru değildir; en azından, her yerde doğru değildir. Bu yasanın doğruluğu, hangi konuşlanma sistemine göre konuştuğumuza bağlıdır. Buna örnekler verebiliriz:

• Koordinat sisteminin merkezi ile cismin kütle merkezi çakışık iseler, cisim nasıl hareket ederse etsin, sözkonusu koordinat sistemine göre hareketsizdir.
• Yerküre çevresinde hızla dönen bir uzay gemisindeki kumanda masası, gemiye göre, hareketsizdir; ama o gravitasyonun ve gemiyi yörüngede döndüren kuvvetin etkisi altındadır.
• Bir arabanın boş bagajına konulmuş bir top düşünelim. Araba hızlanırken, top bagajda geriye doğru, araba fren yaparak yavaşlarken ileriye doğru yuvarlanır. Oysa bagajdaki topa etki eden bir kuvvet yoktur.

O halde, ne zaman Newton'un eylemsizlik yasasından söz ediyorsak, o yasanın geçerli olduğu bir konuşlanma sistemine göre konuşuyoruz demektir. Bu tür konuşlanma sistemlerine Eylemsiz Konuşlanma Sistemleri diyeceğiz. Başka bir deyişle, bir Eylemsiz Konuşlanma Sistemi ivmesiz bir koordinat sistemidir. Dolayısıyla, bir eylemsiz koordinat sistemi , bir yere göre, sabittir ya da düzgün doğrusal hareket eder.

Böyle sistemlerin var olup olmadıkları düşünülebilir. Şimdilik, şunu söylemekle yetineceğiz. Bir eylemsiz konuşlanma sistemi varsa, sonsuz tane eylemsiz konuşlanma sistemi kurulabilir. Gerçekten, birinci sisteme göre düzgün doğrusal hareket eden her konuşlanma sistemi eylemsiz bir sistemdir.

İçinde eylemsizlik yasasının geçerli olmadığı konuşlanma sistemlerine eylemli konuşlanma sistemleri denilir.
Bu sistemler, eylemsiz sistemlere göre bir ivmeye sahip sistemlerdir.

3. Eylemsiz Sistemlerde Fizik Yasaları​

Eylemsiz sistemlerde fizik yasaları aynıdır. Daha açık söylemek gerekirse, birisi ötekine göre düzgün doğrusal hareket eden iki eylemsiz sistemin birisinde geçerli olan fizik kuralları diğerinde de aynen geçerlidir. Dolayısıyla, bir eylemsiz sistemin ötekine üstünlüğü yoktur. Bu özelik, fizik yasaları için istediğimiz eylemsiz konuşlanma sistemini seçebileceğimiz anlamına gelir.

K ve K' iki eylemsiz konuşlanma sistemi olsun ve K' sistemi K ya göre sabit v hızıyla Ox doğrultusunda hareket etsin. Bir P noktasının (cisminin - şekildeki top) bu iki sisteme göre konaçları (koordinatları), sırasıyla, (x,t) ve (x',t') olsun. Bu konaçlar arasında
x' = x - vt , t' = t

bağıntısı vardır. Burada, her iki sistemde zaman koordinatlarının (saatlerin) aynı olduğunu varsayıyoruz (t = t') K sistemi içindeki bir gözlemciye göre bir t anında topun yatay eksendeki konumu x = x' + vt dir. K' sistemi içindeki bir gözlemciye göre ise aynı t = t' anında topun yatay eksendeki konumu x' dür. Yukarıdaki bağıntıdan
x = x' + vt , t = t'

yazabiliriz. Galilei dönüşümü denilen bu bağıntıları kullanarak, cismin bir eylemsiz sistemdeki konumunu biliyorsak, öteki sistemdeki konumunu daima bulabiliriz.

Yukarıda söylediğimiz kuralı, şöyle de ifade edebiliriz:

"Fizik kuralları Galilei dönüşümü altında değişmezler."

Newton'un eylemsizlik yasalarının geçerli olduğu eylemsiz konuşlanma sistemlerini anlatan bu açıklama oldukça detaylı ve bilgilendirici. Eylemsiz sistemlerde fizik yasalarının aynı olduğunu belirtmek, farklı konuşlanma sistemlerinde de aynı fizik yasalarının geçerli olduğunu vurgulamak önemlidir. Bu sayede, farklı eylemsiz sistemler arasında geçiş yaparken kullanılan Galilei dönüşümünün de önemi ortaya çıkmış olur. Yazarın detaylı bilgilerle desteklediği açıklamalar, okuyuculara sistematik bir şekilde konuyu kavramalarını sağlayabilir.