Işık, Işığın Yapısı ve Işık Hızı
Işık Nedir?
İlk önce ışığın tanımıyla başlayalım. Işık başlıca bir kaynaktan gelen kütlesiz fotonlar (yani bir başka deyişle enerji paketleri) dizisidir. Peki nedir bu fotonun ve ışığın yapısı?
Işığın Yapısı
Işık; foton denilen kütlesiz (ağırlıksız değil, kütlesiz) ve yüksüz atom-altı parçacıklardan oluşur.Tüm parçacıklar gibi fotonlar da dalga özelliği gösterirler. Yani bir dalga boyları ve bir frekansları vardır. Işık ışınları da, fotonların ilerlerken aldıkları yoldan başka bir şey değildirler. Fotonlar, kaynaklarından çıktıktan sonra -eğer önlerinde hiçbir engel yoksa- düz doğrultuda ve hiç sapmadan yayılırlar. Herhangi bir cisme çarpınca da cismin şeffaf olup olmamasına göre yansır veya kırılırlar.
Günümüzde ışığın hareketi, dual (ikili, çift) model denilen dalga ve parçacık teorilerinin birleşmesinden oluşmuş bir teori ile açıklanıyor. Dalga-parçacık düalitesi, fizikte elektromanyetik dalgaların aynı zamanda parçacık özelliğine sahip oldukları ve parçacıkların da (mesela elektronların) aynı zamanda dalga özelliklerine sahip oldukları anlamına gelir. Başka bir deyişle, ışık ve madde, aynı anda hem parçacık hem dalga özelliklerine sahiptirler; ne başlı başına bir dalga ne de başlı başına bir parçacıktırlar.
Işığın ve maddenin küçük taneciklerden mi oluştuğu, yoksa uzaya yayılmış bir dalga olarak mı görülmeleri gerektiği sorularının kökeni çok eskiye dayanır. 19. yüzyılın sonunda, kuantum kuramının gelişmesinden hemen önce J. C. MAXWELL'in elektromanyetik kuramı, ışık için çok sağlam bir dalga modeli sunuyordu. Aynı zamanda atomların keşfi ile maddenin küçük taneciklerden oluştuğu fikri de netlik kazanmıştı. Böylece, ışık için dalga modelinin, madde için ise tanecik modelinin geçerli olduğudüşünülüyordu. Kuantum kuramının gelişmesiyle, hem ışığın foton denilen taneciklerden oluştuğu, hem de atomu oluşturan parçaçıkların aynı zamanda dalga özelliklerinin olduğu keşfedildi. Böylece ne ışık için, ne de madde için belli tek bir modelin geçerli olamayacağı görüldü. Her ne kadar insan tahayyülünün dışında da olsa, madde ve ışığın hem parçacık hem de dalga özelliklerinin bulunduğu sonucuna varıldı. Dalga-parçacık düalitesi, madde ve ışığın bu ikili doğasına verilen isimdir. Gerçekte dalga ve tanecik modelleri, birbirlerini dışlayan varlık biçimleri olduğundan, bir nesnenin bir anda hem dalga hem de parçacık olarak görünmesi mümkün değildir. Dalga-parçacık düalitesinden kasıt, madde veya ışığın belli koşullarda dalga, belli koşullarda ise parçacık özellikleri göstermesidir. Dalga olarak mı yoksa parçacık olarak mı görüneceği ise onun nasıl gözlemlendiğine bağlıdır. Madde parçacıkları, eğer konumunu ortaya çıkaran bir gözlemde bulunulursa parçacık gibi, momentumunu (hız-kütle çarpımını) ortaya çıkaran bir gözlemde bulunulursa dalga gibi görünmektedirler. Maddenin bu ikili karakteri yalnızca atom seviyesindeki gözlemlerde (mikroevrende) ortaya çıkmaktadır.
Işık Hızı ve Einstein
İşe önce, Einstein'ın çözmeye çalıştığı sorunu anlatmakla başlayalım. XX. yüzyılın başına kadar yapılan birçok deney, ışığın boşluktaki hızının değerinin, bir ''sabit'' olduğunu gösteriyordu; simgesi, Latince celeritas (hız) ismine adden "c'' olan bu hız, kabaca saniyede 300.000 km olarak biliniyordu. Birçok bilim insanı için bu değerin her yön için aynı olması, beklenmedik bir sonuçtu. Bunun nedeni, üzerinde yaşadığımız Dünya'nın, hem kendi çevresinde, hem de Güneş çevresinde dönmesi; dolayısıyla sürekli hareket halinde olması. Bu nedenle ışığın, bazı yönlerde farklı hızla yayılması bekleniyordu.
Örneğin, eğer saatte 100 km hızla giden bir otomobili, saatte 90 km hızla takip edersek, otomobilin bize göre daha yavaş; saatte 10 km hızla gittiğini görürüz. Ne yazık ki, aynı işlem ışık için uygulanamıyordu. Gerçi Dünya'nın hızı (Güneş çevresinde, saniyede 30 km kadar) ışığın hızına göre oldukça düşük kalıyor ama; Dünya ne kadar yavaş olursa olsun, aynı yönde ilerleyen ışığın, biraz daha yavaş yayıldığını görmemiz gerekirdi. Uygun deneylerden en ünlüsü, Michelson-Morley deneyi. Bu denli küçük hız değişimlerini ölçebilecek hassaslıkta olmasına karşın, bu deneyde en küçük bir fark bile ölçülememişti. Bir anlamda, bütün deneyler Dünya’nın hareket etmediğini, yerinde durduğunu söylüyordu (Dünya ve Güneş sistemi konusunda edindiğimiz sağlam bilgilerin tam tersini). Bu son yorum, yani aslında hareket etmesine karşın Dünya’nın duruyormuş gibi görünmesi, bilim insanlarına pek yabancı değil. Birkaç yüzyıl önce Galileo'nun öne sürdüğü görelilik ilkesi, Dünya'nın hareketinin, bizim yaşamımız üzerine neden etkisi olmadığını açıklıyor.
Örnek olarak bir aracın yere göre 0,9c hızıyla (yani ışık hızının %90’ı) hareket ettiğini düşünelim. Bu aracın hareket doğrultusuyla aynı yönde, yine yere göre c hızıyla ilerleyen bir ışık ışını gönderelim. Bu durumda ışının, araca göre 0,1c hızıyla ilerlemesi beklenir. Buna karşın, yapılan bütün deneyler beklentimizin yanlış olduğunu, ışığın hızının yere göre de, araca göre de aynı, c değerine sahip olduğunu söylüyor. Bu oldukça garip bir şey: ışığın peşinden ne kadar hızlı giderseniz gidin, o hala sizden aynı hızla uzaklaşıyor.
Bu problemin, Einstein'ı uzun süre meşgul ettiğini ve İsviçre Patent Ofisi'nde çaıştığı sıralarda, yakın arkadaşı Michele Besso ile tartıştığını biliyoruz. Çözümü, 1905 yılı ilkbaharında buldu. Eğer aracın içindeki saatler daha yavaş işliyorsa, o zaman ışığın araca göre hızının hala c değerine eşit olması mümkündü. Fakat, görelilik ilkesini ihlal etmemek için, araçtaki gözlemcinin, saatlerin gerçekten yavaş işlediğini fark etmemesi gerekir. Bu da ancak çalışma ilkesi ne olursa olsun, bütün saatlerin aynı oranda yavaşlamasıyla mümkün olabilir. Örneğin, mekanik veya atomik, bütün fiziksel saatlerle beraber, bütün kimyasal saatler (eğer bir mum bir saatte yanıp bitiyorsa, araç içinde de oradaki saatlere göre bir saatte yanıp bitmeli) ve bütün biyolojik saatler aynı oranda yavaşlamalı (hücre bölünmesi için veya gözlemcinin sıkıntıdan patlaması için bir saat gerekiyorsa, araç içinde de bunlar oradaki saatlere göre bir saatte olmalı). Kısacası, bütün fiziksel olaylar aynı oranda yavaşlamalı. Ancak bu koşul altında araçtaki gözlemci, saatlerinin yavaşladığını fark edemez ve dolayısıyla arac›n hızıyla ilişkilendiremez; yani görelilik ilkesi güvendedir. (Günümüzdeki gelişmeler pek öyle göstermese de...)
Doğal olarak, bu tip devrimsel iddiaları ortaya atmadan önce, bunları sağlam temellere oturtmaya ihtiyaç var. Einstein, bulduğu sonuçları yayımladığı makalede, bütün iddiaların sadece iki temel varsayımdan hareket edilerek elde edilebileceğini gösteriyor. Bunlar: (1) Görelilik ilkesi: sabit hızla hareket eden bütün gözlemciler için geçerlidir ve (2) ışığın hızı, bütün gözlemcilere göre c'dir. Tüm kuramın böylesine basit iki iddiaya dayandırılması, kuramın artılarından biri. Bu nedenle eğer bu iddialara itirazınız yoksa, o zaman özel görelilik kuramına da olamaz. Einstein, birbirlerine göre sabit hızla hareket eden iki gözlemci düşünüyor. Bu gözlemcilerden birisi, belli bir olayın nerede ve ne zaman olduğunu saptamış olsun. Bu durumda bir matematiksel dönüşümle, aynı olayın diğer gözlemciye göre yer ve zamanı, bunlar cinsinden elde ediliyor. Bu dönüşümün en önemli özelliği, zamanın göreli olması. Örneğin, iki olay arasında geçen zamanı her iki gözlemci daha farklı buluyor. Bu, Newton'un öne sürdüğü ''mutlak zaman'' kavramının yıkılması demek. Yani her yerde aynı işleyen, herkes için aynı bir zamandan söz edemiyoruz. Zamandan bahsederken, bunun hangi gözlemcinin saatine göre olduğunu söylemek zorundayız. Mutlak zaman diye bir şeyin olmaması dışında görelilik kuramı, zamanın olayların gerçekleştiği yerlere de bağlı olduğunu söylüyor. Örneğin, masanızda duran bir mumu belli bir anda yaktınız (A olayı). Bundan tam bir saniye sonra mumun söndüğünü varsayalım (B olayı). Mumun söndüğü anda, masadan 10 metre ötede bir saksı kırılsın (C olayı). Size göre A ve B olayları arasındaki süre ile A ve C arasında geçen süre aynıdır (1 saniye). Fakat size göre hareket eden bir başka gözlemci, A-B süresi ile A-C süresinin farklı olduğunu görecektir. Kısacası zaman, göreli olmasının dışında, ayrılmaz biçimde, olayların konumlarına bağlı. Birçok kişinin uzay ve zamandan beraber bahsetmesinin temel nedeni bu. Ne yazık ki bu ayrıca, görelilik dönüşümü formüllerini kullanmayı bilmeyen birinin bu kuramı anlamakta zorluklarla karşılaşacağı anlamına da geliyor.
Görelilik kuramının en önemli sonuçlarından birisi de, ışığın boşluktaki hızının hiçbir şekilde aşılamayacağını söylemesi. Bu nedenle, en yakın yıldızları bir gün ziyaret etme planlarımız büyük engellerle karşılaşıyor. Çünkü bu yıldızlardan bize en yakını 4 ışık yılı uzaklıkta, yani ışığın 4 yılda alabileceği mesafe kadar. Dolayısıyla, bunlara ulaşmak için bugün yola çıksak, 4 yıldan önce amacımıza ulaşamayacağımız kesin. En az bir 4 yıl daha dönüş yolculuğunu eklerseniz, kaşiflerin neler bulduğunu öğrenmemiz için en az 8 yıl geçmesi gerekir. Bu, en iyimser tahmin; çünkü bir uzay gemisini ışık hızına yakın hızlara ulaştırmak bile çok zor, bugünkü teknolojinin ötesinde bir şey. İnsanlık, kendisinin sınırlanmasından pek hoşlanmadığı için, birçok kişi aslında böyle bir sınırın olmadığını, dolayısıyla bir gün aşılabileceğini düşünüyor. Üstelik, bugüne kadar bir şeylerin ışıktan daha hızlı gittiği birçok fiziksel olay öne sürülmüş ve bunların çoğu deneysel olarak da saptanmış. Ama hepsinde de, detaylı bir analiz sonunda görelilik kuramına aykırı herhangi bir şey bulunamamış. Burada amacımız, bu deneyleri inceleyerek, hangi anlamda kurama aykırı olmadığını anlatmak değil. Amacımız sadece, kuramın bu ünlü sonucunun nasıl elde edildiğini açıklamak. Mantık yürütmelerden bir tanesi şöyle: Duran bir cismi iterek hızlandırmak ve böylece ışık hızını geçmek istediğimizi düşünelim. Cismi iterken ona bir miktar enerji aktarırız. Sadece hareketinden dolayı, cismin sahip olduğu bu enerjiye biz ''kinetik enerji'' diyoruz. Einstein'ın ünlü enerjinin kütleye özdeşliği bağıntısı (E=mc²) uyarınca, bu kinetik enerji aynı zamanda kütle işlevi görecektir. Yani cismi iterek, toplam kütlesinin artmasına neden oluyoruz. Bu gerçek bir etki. Eğer tartabilseydik, cismin daha ağır olduğunu görebilirdik. Fakat, kütle artması etkisini, cismi iten kişi hisseder. Daha kütleli olduğu için, cisim artık daha zor hızlanacaktır. Böylece hızını aynı miktar artırmak için cisme daha fazla enerji aktarmamız gerekir. Bu da, kütlesinin daha da fazla artmasına neden olacaktır. Bu şekilde devam ettiğimizde, cisim ışık hızına yakın hızlara yaklaştığında, kütlesi inanılmaz boyutlara ulaşır. Özellikle cisim, tam olarak ışık hızına erişirse, sonsuz kütlesi, yani sonsuz enerjisi olması gerekir. Görebildiğimiz evrende bile ancak sonlu miktarda enerji olduğu için, cisme bu enerjiyi verebilmek dolayısıyla ışık hızına erişmek imkansızdır. Dolayısıyla bütün cisimler, ışıktan yavaş hareket etmeli. Cisimlerin ışık hızında veya daha hızlı gitme olasılıkları yok.
Alıntıdır...
Yazısı için Emre Oral'a teşekkürler... # AydınAdam
