Barış Can KURT
Hectopat
Daha fazla
- Cinsiyet
- Erkek
- Meslek
- Öğrenci
Einstein, ışık hızı için "Evren'in hız limiti." demişti. İddiasına göre ışıktan hızlı gitmek nedensellik prensibini ihlal etmek demekti. Bu konularla ilgili derin bilgisi olmayan okurlarımız için, "nedensellik" ilkesi basitçe bir neden ile sonucu arasında ilişki olması demektir. "Neden-sonuç ilişkisi" olarak da bilinir. Nedensellik ilişkisinin bozulması ise mantık hatalarına neden olur. Buna bir örnek olarak, henüz tetiği çekmemişken, silahınızdan çıkacak merminin hedefi vurması örneğini verebiliriz. Işık hızını aşmak, bazı temel enerji yasalarını ihlal etmek anlamına gelir. Ancak bu yapılabilecek olursa, zamanda yolculuk bile mümkün olacaktır.
Peki neden hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez? Buna dalmadan önce, ışık hızının ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Böylece "evrensel hız sınırı" ile ilgili bazı yanlış anlaşılmaları düzeltebiliriz. Işık hızı, ya da daha doğru ifadesiyle foton hızı, neredeyse kusursuz bir vakum içerisinde saniyede 299.792.458 metreye eşittir. Yani saniyede yaklaşık 299.792 kilometreye. Arabaların hızlarıyla kıyaslamak isteyenler için bu hız, kabaca saatte 1.079.250.000 kilometreye eşittir. Yani saatte 300 kilometre hız yapabildiğiniz bir arabayla çıkabileceğiniz maksimum hızın 3.597.500 katına... Fotonları bu hızda gidiyor gibi görüyoruz, çünkü fotonların kütlesi yoktur. Buna rağmen kinetik enerjileri vardır; ancak buna az sonra geleceğiz.
Fotonlar da dahil olmak üzere evrenimizdeki her parçacık, "Higgs alanı" dediğimiz bir alan içersinde hareket ederler. Bunu su içerisinde yüzmeye benzetebilirsiniz; ya da sert rüzgarlı bir havada, rüzgara karşı yürümeye. Nasıl ki su içerisinde veya rüzgara karşı ilerlemek zorsa, parçacıklar da Higgs alanından geçerken zorlanırlar ve bu onlara kütle kazandırır. Farklı parçacıklar Higgs alanıyla farklı şiddetlerde etkileşime geçerler. İşte bu sebeple bazı cisimler daha ağırdır, bazı diğerleri daha hafiftir. Fotonlar da Higgs alanından geçerler; ancak onunla hiç etkileşmezler, olduğu gibi içinden geçer giderler.
Bu ne anlama gelir? Fotonlar bu alanla etkileşmedikleri için, onların hızını kesecek hiçbir unsur yoktur. Bir diğer deyişle, serbest bir şekilde, hiçbir engele takılmaksızın uzayda hareket ederler. Dolayısıyla tek sınırları, halihazırda var olan sabit hızları gibi gözükmektedir. Bu hız fotonun, dolayısıyla herhangi bir diğer parçacığın da çıkabileceği en yüksek hızdır. Çünkü kütlesiz olup, hiçbir kütle kazandırıcı alanla etkileşmeden gidip de, daha yüksek bir hıza çıkmanız bu evren şartlarında mümkün değildir; mümkün olsaydı, fotonlar o hıza çıkabilirlerdi. Çünkü kütlesizden daha kütlesiz bir yapı var olamaz; dolayısıyla fotondan daha "hafif" olup da, daha hızlı gitmesini hayal edebileceğimiz bir parçacık var olamaz. Evren'imiz bu hızla sınırlanmıştır. Peki bu hız neden bu şekildedir ve saniyede 300.000 kilometre civarındadır? Bu, evrenimizin dokusuyla ilgili bir şey. Belirttiğimiz gibi, "evren bu şekilde olduğu için" böyle. Bir başka evrende, bu sınır tamamen başka bir sayı olabilirdi. Ancak şu anda var olduğumuz evrenden söz ediyorsak, sınırımız budur. Bu tür evrenimize has sabitlere "evrensel sabit" adı verilir.
Evrensel Hız Sabiti
Bunu anlamanın bir diğer yolu şudur: ışığın neden bir başka hızda hareket etmediğini sormak, yerçekiminin neden gökyüzüne doğru değil de yere doğru olduğunu sormak gibidir. Veya neden 2 ya da 4 konumsal boyutlu bir evrende değil de, 3 konumsal boyutlu (en-boy-derinlik) bir evrende yaşadığımızı sormak gibidir. Eğer o evrende yaşıyor olsaydık, "başka bir evrende" yaşıyor olurduk. Tüm bu sayılar, Büyük Patlama anında sabitlenmiş olan sayılardır. Başka şekillerde de sabitlenebilirlerdi ve bu durumda başka bir evrende yaşıyor (veya yaşamıyor) olurduk.
Işık hızı...
Parçacıklar hızlanabilmek için kütleye ihtiyaç duyarlar. Kütle yoksa, ivme de yok demektir. Bunu Newton meşhur "F = ma" formülüyle ifade etmiştir. "F" cisme etkiyen kuvvetlerin toplamıdır, "m" kütledir, "a" ise ivmedir, yani zaman içerisinde hızın değişimi. Kütle olmazsa, kuvvet ve ivme de yok demektir. Bir parçacık ışık hızına yaklaştıkça, hızlanmak için daha da fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Bunun sebebi, parçacıklar hızlandıkça kütlelerinin de artmasıdır. Yani daha hızlı gittikçe, daha da ağırlaşırsınız. (Yine de buna güvenerek oturduğunuz yerde zayıflamayı beklemeyin tabii...)
İşte tam olarak bu sebeple eğer ki ışık hızında giden bir elektronu ışık hızından bir gıdım öteye geçirmek isteseydiniz, sonsuz kuvvete (veya sonsuz enerjiye) ihtiyacınız olurdu. Ancak evrende sonsuz enerji yoktur. Dolayısıyla ne yaparsanız yapın, ışık hızına ulaştığınız andan sonra uygulayacağınız enerji hızı arttırmaya yetmez. Bu sebeple ışık hızı, evrenimizin hız sınırıdır.
Fotonun Gözlerinden
Einstein, Özel Görelilik Teorisi'ni formüle etmek için ilginç bir yöntem kullandı: evreni, bir fotonun gözlerinden görmeye çalıştı. Fark etti ki, işler bir fotonun gözünden çok çok farklıydı. Örneğin eğer ki bir fotonsanız, zamanın sizin için hiçbir anlamı yoktur. Var olan her şey, bir anda var oluyormuş gibi gelir.
Diyelim ki 4 milyar ışık yılı ötede bulunan bir yıldızda üretilen mutlu, küçük bir fotonsunuz. Biz de Evrim Ağacı ekibi olarak Dünya'da bulunan kişiler olalım. Bize göre sizin gözümüze ulaşmanız tam 4 milyar yıl sürmüştür. Çünkü o yıldızdan çıkıp bizim gözümüzün retinasına düşmeniz için 4 milyar yıl boyunca yol almanız gerekir, aradaki mesafeyi kat etmek zorundasınız. Öte yandan bir foton olarak sizin gözünüzde işler başkadır: siz, bir anlığına yıldızda var oldunuz ve aynı an içerisinde bizim gözlerimizin içine ulaştınız. Hiçbir zaman geçmedi. Doğumunuz ve ölümünüz aynı anda oldu.
Fotonlarla ilgili sanatsal bir çalışma...
Bu nasıl olabilir? Bunun sebebi, ışık hızına yaklaştıkça zamanın yavaşlaması ve nihayetinde, tam ışık hızına ulaşıldığında durmasıdır. Tabii ki dikkat edilmesi gereken, gözlemcinin gözlerinden böyle olmasıdır. Yani bir foton için zamanın var olmaması, bizim için zamanın var olmadığı anlamına gelmez. Zaman vardır, çünkü biz kütleli cisimleriz ve ışık hızında hareket etmiyoruz. Bunları yapabilecek olsaydık, o zaman siz veya biz olmaz, "foton" olurduk. Fotonların devasa yapıda olmamasının, devasa cisimlerinse foton gibi hareket edememesinin nedenlerinden biri de budur. İşte gözlemcilere göre her şeyin değişiyor olmasından ötürü Einstein'ın o meşhur teorisi "görelilik" adını almıştır. Her şey birbirine görelidir.
Işık hızına yaklaşınca zamanın yavaşlaması ve nihayetinde durması, hiçbir şeyin ışık hızını aşamıyor oluşunun bir diğer nedenidir. Çünkü ışık hızına ulaştıktan sonra daha fazla hızlanmaya çalışmak, en başta belirttiğimiz gibi mantık hatalarını doğurmaya başlatır. Zaman durduktan sonra daha fazla yavaşlayamaz; ancak eğer ki daha da hızlanacaksanız, zamanın daha da yavaşlaması gerekir. Bu mümkün değildir. Bu durum, bir arabayı yavaşlatıp tamamen durdurduktan sonra daha da yavaşlatmaya çalışmaya benzer. Frene ne kadar basarsanız basın, durduktan sonra "daha da" yavaşlamanız mümkün değildir.
Tüm bunları algılamak için ışığı "sonsuz hızda gidiyor" gibi düşünebilirsiniz. Çünkü aksi takdirde insan ister istemez ışık hızını "herhangi bir diğer sınırlı hız" gibi düşünmektedir; bu tamamen yanlıştır. Işığın hızı, yalnızca ona dışarıdan bakan bir gözlemci için sınırlıdır. Siz, o "dışarıdan bakan gözlemci" olduğunuz için ışığın sınırlı bir hızı olduğunu görürsünüz. Ancak evrende her şey görelidir. Fotonun gözlerinden bakacak olursanız, kendisi sonsuz bir hızda ilerlemektedir. Bu durum, bize ilginç bir gerçeği verir: eğer ki fotonlar gibi sonsuz hızda ilerleyebilirseniz, evren içerisindeki herhangi bir noktadan, herhangi bir diğerine, tam olarak 0 (sıfır) saniyede ulaşabilirsiniz.
Işığı Yavaşlatabilir Miyiz?
Günümüzde ışıktan hızlı (süperlüminal) hareket edebilmenin bilinen tek bir örneği vardır. Bunu mümkün kılmak için hile yapmamız gerekir: madem biz ışık hızına çıkamıyoruz, ışığı yavaşlatabiliriz. Bu durum, ışık su içerisinden geçerken olur.
Unutmayın: evren içerisinde hiçbir şey saniyede 300.000 kilometreden hızlı gidemez. Ancak bu hızda giden fotonlar, önlerindeki engeller arttırılarak yavaşlatılabilirler. Bunun en tipik örneğini su içerisinde görürüz: suyun içerisinde ışık, tüm hızının 3/4'üne kadar yavaşlar. Yani %25 hız kaybeder.
Bu konudaki bir diğer hile, aslında fotonların hızlarının yavaşlamıyor oluşudur. Unutmayın, fotonlar kütlesizdirler ve evrenimiz içerisindeki en yüksek hızda hareket ederler. Ancak bu, tek bir fotonla ilgili bir durumdur. Burada bilmemiz gereken bir diğer önemli gerçek, ışığın hem parçacık, hem de dalga olarak davranıyor oluşudur. Bu ikilik henüz tam olarak anlaşılamamıştır; ancak ışık duruma göre sanki birbirini takip eden bilyeler gibi parçacıklar halinde hareket eder; kimi zamansa tıpkı su yüzeyindeki çalkalanma sonucu oluşan dalgalara benzer bir harekette bulunur. İşte ışığı yeni bir ortamda yavaşlatan, bu dalgasal özelliğidir.
Işığın 2 tip hızı bulunmaktadır: faz hızı ve grup hızı. Çok detay olacağı için bu terimlerin anlamlarına girmeyeceğiz; ancak dalga halinde yayılan ışık, su veya katı gibi vakuma göre aşırı yoğun bir ortama girdiğinde, grup hızı yavaşlar; faz hızı ise değişmez. Grup hızını dalganın genel hızı olarak düşünebilirsiniz; faz hızı ise tekil bir ışık dalgasının (fazının) genel dalga içerisindeki hızıdır. Bir ışık huzmesi içerisinde birbirinden farklı dalgaboyları ve frekanslarda, farklı ışık dalgaları bulunabilir. Bunların toplam yayılım hızını "grup hızı", tekil hızlarını ise "faz hızı" olarak düşünebilirsiniz. Bu noktayı kavraması birazcık güç olabilir; ancak burada işin kuantumuna girmekten ziyade, temel bilgileri alabilmenizi hedefliyoruz; bir başka yazımızda bunun detaylarını açabiliriz.
Suyun içerisinde ışık...
Işığın yavaşlamasını anlamak için, belirttiğimiz gibi dalga özelliğini anlaşılması gerekmektedir. Ayrıca ışık hızının vakumlu ortamda, yani etkileşecek neredeyse hiçbir şeyin var olmadığı bir ortam için tanımlandığını hatırlayınız. Şimdi bu bilgileri kullanarak, ışığın neden yavaşladığını algılayabiliriz: ışık, yoğun bir ortama girdiğinde, o ortamın atomlarıyla etkileşmeye başlar. Her cismin atomik yapısı birbirinden farklıdır, dolayısıyla ışıkla olan etkileşimi de farklı farklı olacaktır. Örneğin "opak" olarak bildiğimiz cisimler, ışığı tamamen soğururlar ve neredeyse hiç geçirmezler. "Transparan" cisimlerse ışıkla çok az etkileşirler, onu çok az soğururlar ve ışığın içlerinden geçmesini mümkün kılarlar. Bu opaklık seviyesi, bir dizi atomun sıralanmasıyla oluşan cisimlerin fiziksel bir özelliğidir. Farklı sıcaklıklarda bu opaklık değişecektir, çünkü atomların cisim içerisindeki titreşme frekansı değişir ve bunun, ışığın dalga boyuyla etkileşimi değişir. Tıpkı birbiriyle çakıştığı zaman birbirini güçlendiren ya da sıfırlayan dalgalar gibi düşünebilirsiniz bunu. Cisimlerin atomik yapısının titreşme frekansına fonon adı verilir.
Eğer ki ışığın geçmeye çalıştığı cismin fonon yapısı ışığın kendi fiziksel özellikleriyle uyumlu değilse, onu emmeye çalışır; ancak ememeyerek hemen geri bırakır. Fakat bu kısa etkileşim, ışığın grup hızında düşmeye neden olur. Tam olarak bu sebeple ışık yoğun ortamdan geçerken yavaşlar. Yani aslında faz hızı değişmemektedir; ancak ışık dalgası grubunun ortamla etkileşimi ona ufak bir gecikme katmaktadır. Ortam yoğunlaştıkça, bu etkileşimin yoğunluğu da artar ve ışığın hızı daha da düşer. Bu noktada sizi daha da şaşırtmak adına, 15 Temmuz 2013'te Harvard Üniversitesi'nden Lene Vestergaard Hau'nun ışığı geçici olarak tamamen durdurup, sonra hareketine normal şekilde devam etmesini sağlamayı başardığını söyleyebiliriz. Tabii ki buna burada girmeyeceğiz.
Nükleer reaktörlerde radyoaktif çubuklardan saçılan yüklü parçacıklar, su içerisinde bu şekilde yavaşlatılan ışığın hızını aşabilirler. Fotonların aksine radyoaktif parçacıklar yüklü cisimler oldukları için, ışığın hızından daha hızlı hareket ettikleri sırada Cherenkov Işıması denen elektromanyetik bir ışıma yaparlar. Bunun basit anlamı şudur: Çarptıkları her cismi radyoaktif hale getirirler. İşte bu yüzden nükleer reaktörlerin içerisindeki sular ürpertirici bir şekilde mavi bir renge sahiptir. Işığın hızından hileli bir ortamda da olsa daha hızlı giden bu parçacıkların ışıması sayesinde nükleer reaktörlerde yüksek enerjili yüklü parçacıkların özellikleri test edilebilir. Böylece harcanan yakıt çubuklarının ömürleri hesaplanabilir. Yani mühendisler ve bilim insanları, ışığın bu özelliğinden faydalanarak reaktörlerde tespitlerde bulunabilirler.
Peki Ya Kütleçekim Hızı?
Işığın hızını ve sınırını anladık, sıkıntı yok. Peki ya kütleçekimin bir hızı var mı? İki cismi yan yana koyduğumuzda, birbirlerine aynı anda mı etki ederler, yoksa tıpkı ışıkta olduğu gibi, aşırı küçük de olsa, dış gözlemci tarafından fark edilebilen bir zaman farkıyla mı etki ederler?
Yanıt: Evet, kütleçekiminin de bir hızı vardır. Teknik olarak bu hız, ışık hızıyla birebir aynıdır. Çünkü nedenleri aynıdır: kütleçekimine neden olduğu düşünülen parçacıklar da fotonlar gibi kütlesizdir ve Higgs alanından etkilenmezler. Bu yüzden ışık hızına kadar hızlanabilirler; aynı sebeplerden ötürü bunu geçemezler. Bu durum da uzay-zamanın ana özelliklerinden birisidir.
Birbiri etrafında dönen iki karadelikten etrafa yayılan kütleçekim dalgaları...
Güneş'in ışığı Dünya'ya 8 dakika 20 saniyede ulaşır. Çünkü ışık, dışarıdan bakan gözlemciye göre saniyede 300.000 kilometre hızla ilerler (tabii kendisi için hız sonsuz, süre sıfırdır). Kütleçekim de birebir aynı hızla ilerler. Bu durumda çok ilginç bir gerçekle karşılaşırız: ola ki Güneş bir anda yok olacak olsa, Dünya tam 8 dakika 20 saniye boyunca bunun farkına varmadan yörüngesinde dönmeye devam eder. Çünkü 8 dakika önce Güneş'ten çıkan kütleçekim alanı, halen Dünya'yı aynı yörüngede tutmaktadır. Güneş'in kaybolmasıyla birlikte birden dalgalanan uzay-zamanın Dünya'ya kadar ulaşması 8 dakika 20 saniye sürer. Bu noktadan sonra Dünya'nın yörüngesine etki eden kütleçekim kuvveti ortadan kaybolur ve Dünya savrulmaya başlar.
Sonuç
Bu yazımızda ışığa dair çok ilginç bazı özellikleri olabildiğince yalın bir şekilde anlatmaya çalıştık. Ne yazık ki teorik olarak ışık hızını aşmamız imkansızdır; çünkü bu evren ona izin vermemektedir. Belki öncelikle bir başka evrene geçer, ondan sonra ışık hızını aşabiliriz; ancak muhtemelen o evrenin de kendi sınırları olacaktır. Bunlar, doğanın "dokusundan" kaynaklanan durumlardır.
Cisimlerin kütlesi arttıkça, onları hızlandırmak da zorlaşır. Zaten bu sebeple CERN gibi araştırma kurumları çarpıştırma deneylerinde ufacık protonları kullanırlar. Aynı şeyi bir demir bilye ile yapmaya çalışacak olsanız, binlerce kat güçlü mıknatıslara ihtiyaç duyarsınız, muhtemelen ışık hızına yaklaşmak mümkün olmaz, çünkü bir bilyenin kütlesini o hıza çıkarmak aşırı zordur. Protonları bile %100 ışık hızına çıkarmamız mümkün değildir; ancak ona çok yakın bir hıza eriştirebiliriz. İşte zaten o sebeple ışık hızı aşılamaz. Bilyeyi bile o hıza çıkaramazken, ışık hızına yaklaşan cisimlerin kütlesinin sonsuza yaklaşıyor olması, o "bir gıdımlık daha" hızlanmayı imkansız kılmaktadır.
Ana Kaynak:
*ÇMB, Evrim Ağacı, "Işığa Dair En Temel Bilgiler: Işık Hızını Neden Geçemeyiz ?
Işığa Dair En Temel Bilgiler: Işık Hızını Neden Geçemeyiz? – Evrim Ağacı
Diğer Kaynaklar ve İleri Okuma:
Peki neden hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez? Buna dalmadan önce, ışık hızının ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Böylece "evrensel hız sınırı" ile ilgili bazı yanlış anlaşılmaları düzeltebiliriz. Işık hızı, ya da daha doğru ifadesiyle foton hızı, neredeyse kusursuz bir vakum içerisinde saniyede 299.792.458 metreye eşittir. Yani saniyede yaklaşık 299.792 kilometreye. Arabaların hızlarıyla kıyaslamak isteyenler için bu hız, kabaca saatte 1.079.250.000 kilometreye eşittir. Yani saatte 300 kilometre hız yapabildiğiniz bir arabayla çıkabileceğiniz maksimum hızın 3.597.500 katına... Fotonları bu hızda gidiyor gibi görüyoruz, çünkü fotonların kütlesi yoktur. Buna rağmen kinetik enerjileri vardır; ancak buna az sonra geleceğiz.
Fotonlar da dahil olmak üzere evrenimizdeki her parçacık, "Higgs alanı" dediğimiz bir alan içersinde hareket ederler. Bunu su içerisinde yüzmeye benzetebilirsiniz; ya da sert rüzgarlı bir havada, rüzgara karşı yürümeye. Nasıl ki su içerisinde veya rüzgara karşı ilerlemek zorsa, parçacıklar da Higgs alanından geçerken zorlanırlar ve bu onlara kütle kazandırır. Farklı parçacıklar Higgs alanıyla farklı şiddetlerde etkileşime geçerler. İşte bu sebeple bazı cisimler daha ağırdır, bazı diğerleri daha hafiftir. Fotonlar da Higgs alanından geçerler; ancak onunla hiç etkileşmezler, olduğu gibi içinden geçer giderler.
Bu ne anlama gelir? Fotonlar bu alanla etkileşmedikleri için, onların hızını kesecek hiçbir unsur yoktur. Bir diğer deyişle, serbest bir şekilde, hiçbir engele takılmaksızın uzayda hareket ederler. Dolayısıyla tek sınırları, halihazırda var olan sabit hızları gibi gözükmektedir. Bu hız fotonun, dolayısıyla herhangi bir diğer parçacığın da çıkabileceği en yüksek hızdır. Çünkü kütlesiz olup, hiçbir kütle kazandırıcı alanla etkileşmeden gidip de, daha yüksek bir hıza çıkmanız bu evren şartlarında mümkün değildir; mümkün olsaydı, fotonlar o hıza çıkabilirlerdi. Çünkü kütlesizden daha kütlesiz bir yapı var olamaz; dolayısıyla fotondan daha "hafif" olup da, daha hızlı gitmesini hayal edebileceğimiz bir parçacık var olamaz. Evren'imiz bu hızla sınırlanmıştır. Peki bu hız neden bu şekildedir ve saniyede 300.000 kilometre civarındadır? Bu, evrenimizin dokusuyla ilgili bir şey. Belirttiğimiz gibi, "evren bu şekilde olduğu için" böyle. Bir başka evrende, bu sınır tamamen başka bir sayı olabilirdi. Ancak şu anda var olduğumuz evrenden söz ediyorsak, sınırımız budur. Bu tür evrenimize has sabitlere "evrensel sabit" adı verilir.
Evrensel Hız Sabiti
Bunu anlamanın bir diğer yolu şudur: ışığın neden bir başka hızda hareket etmediğini sormak, yerçekiminin neden gökyüzüne doğru değil de yere doğru olduğunu sormak gibidir. Veya neden 2 ya da 4 konumsal boyutlu bir evrende değil de, 3 konumsal boyutlu (en-boy-derinlik) bir evrende yaşadığımızı sormak gibidir. Eğer o evrende yaşıyor olsaydık, "başka bir evrende" yaşıyor olurduk. Tüm bu sayılar, Büyük Patlama anında sabitlenmiş olan sayılardır. Başka şekillerde de sabitlenebilirlerdi ve bu durumda başka bir evrende yaşıyor (veya yaşamıyor) olurduk.
Işık hızı...
Parçacıklar hızlanabilmek için kütleye ihtiyaç duyarlar. Kütle yoksa, ivme de yok demektir. Bunu Newton meşhur "F = ma" formülüyle ifade etmiştir. "F" cisme etkiyen kuvvetlerin toplamıdır, "m" kütledir, "a" ise ivmedir, yani zaman içerisinde hızın değişimi. Kütle olmazsa, kuvvet ve ivme de yok demektir. Bir parçacık ışık hızına yaklaştıkça, hızlanmak için daha da fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Bunun sebebi, parçacıklar hızlandıkça kütlelerinin de artmasıdır. Yani daha hızlı gittikçe, daha da ağırlaşırsınız. (Yine de buna güvenerek oturduğunuz yerde zayıflamayı beklemeyin tabii...)
İşte tam olarak bu sebeple eğer ki ışık hızında giden bir elektronu ışık hızından bir gıdım öteye geçirmek isteseydiniz, sonsuz kuvvete (veya sonsuz enerjiye) ihtiyacınız olurdu. Ancak evrende sonsuz enerji yoktur. Dolayısıyla ne yaparsanız yapın, ışık hızına ulaştığınız andan sonra uygulayacağınız enerji hızı arttırmaya yetmez. Bu sebeple ışık hızı, evrenimizin hız sınırıdır.
Fotonun Gözlerinden
Einstein, Özel Görelilik Teorisi'ni formüle etmek için ilginç bir yöntem kullandı: evreni, bir fotonun gözlerinden görmeye çalıştı. Fark etti ki, işler bir fotonun gözünden çok çok farklıydı. Örneğin eğer ki bir fotonsanız, zamanın sizin için hiçbir anlamı yoktur. Var olan her şey, bir anda var oluyormuş gibi gelir.
Diyelim ki 4 milyar ışık yılı ötede bulunan bir yıldızda üretilen mutlu, küçük bir fotonsunuz. Biz de Evrim Ağacı ekibi olarak Dünya'da bulunan kişiler olalım. Bize göre sizin gözümüze ulaşmanız tam 4 milyar yıl sürmüştür. Çünkü o yıldızdan çıkıp bizim gözümüzün retinasına düşmeniz için 4 milyar yıl boyunca yol almanız gerekir, aradaki mesafeyi kat etmek zorundasınız. Öte yandan bir foton olarak sizin gözünüzde işler başkadır: siz, bir anlığına yıldızda var oldunuz ve aynı an içerisinde bizim gözlerimizin içine ulaştınız. Hiçbir zaman geçmedi. Doğumunuz ve ölümünüz aynı anda oldu.
Fotonlarla ilgili sanatsal bir çalışma...
Bu nasıl olabilir? Bunun sebebi, ışık hızına yaklaştıkça zamanın yavaşlaması ve nihayetinde, tam ışık hızına ulaşıldığında durmasıdır. Tabii ki dikkat edilmesi gereken, gözlemcinin gözlerinden böyle olmasıdır. Yani bir foton için zamanın var olmaması, bizim için zamanın var olmadığı anlamına gelmez. Zaman vardır, çünkü biz kütleli cisimleriz ve ışık hızında hareket etmiyoruz. Bunları yapabilecek olsaydık, o zaman siz veya biz olmaz, "foton" olurduk. Fotonların devasa yapıda olmamasının, devasa cisimlerinse foton gibi hareket edememesinin nedenlerinden biri de budur. İşte gözlemcilere göre her şeyin değişiyor olmasından ötürü Einstein'ın o meşhur teorisi "görelilik" adını almıştır. Her şey birbirine görelidir.
Işık hızına yaklaşınca zamanın yavaşlaması ve nihayetinde durması, hiçbir şeyin ışık hızını aşamıyor oluşunun bir diğer nedenidir. Çünkü ışık hızına ulaştıktan sonra daha fazla hızlanmaya çalışmak, en başta belirttiğimiz gibi mantık hatalarını doğurmaya başlatır. Zaman durduktan sonra daha fazla yavaşlayamaz; ancak eğer ki daha da hızlanacaksanız, zamanın daha da yavaşlaması gerekir. Bu mümkün değildir. Bu durum, bir arabayı yavaşlatıp tamamen durdurduktan sonra daha da yavaşlatmaya çalışmaya benzer. Frene ne kadar basarsanız basın, durduktan sonra "daha da" yavaşlamanız mümkün değildir.
Tüm bunları algılamak için ışığı "sonsuz hızda gidiyor" gibi düşünebilirsiniz. Çünkü aksi takdirde insan ister istemez ışık hızını "herhangi bir diğer sınırlı hız" gibi düşünmektedir; bu tamamen yanlıştır. Işığın hızı, yalnızca ona dışarıdan bakan bir gözlemci için sınırlıdır. Siz, o "dışarıdan bakan gözlemci" olduğunuz için ışığın sınırlı bir hızı olduğunu görürsünüz. Ancak evrende her şey görelidir. Fotonun gözlerinden bakacak olursanız, kendisi sonsuz bir hızda ilerlemektedir. Bu durum, bize ilginç bir gerçeği verir: eğer ki fotonlar gibi sonsuz hızda ilerleyebilirseniz, evren içerisindeki herhangi bir noktadan, herhangi bir diğerine, tam olarak 0 (sıfır) saniyede ulaşabilirsiniz.
Işığı Yavaşlatabilir Miyiz?
Günümüzde ışıktan hızlı (süperlüminal) hareket edebilmenin bilinen tek bir örneği vardır. Bunu mümkün kılmak için hile yapmamız gerekir: madem biz ışık hızına çıkamıyoruz, ışığı yavaşlatabiliriz. Bu durum, ışık su içerisinden geçerken olur.
Unutmayın: evren içerisinde hiçbir şey saniyede 300.000 kilometreden hızlı gidemez. Ancak bu hızda giden fotonlar, önlerindeki engeller arttırılarak yavaşlatılabilirler. Bunun en tipik örneğini su içerisinde görürüz: suyun içerisinde ışık, tüm hızının 3/4'üne kadar yavaşlar. Yani %25 hız kaybeder.
Bu konudaki bir diğer hile, aslında fotonların hızlarının yavaşlamıyor oluşudur. Unutmayın, fotonlar kütlesizdirler ve evrenimiz içerisindeki en yüksek hızda hareket ederler. Ancak bu, tek bir fotonla ilgili bir durumdur. Burada bilmemiz gereken bir diğer önemli gerçek, ışığın hem parçacık, hem de dalga olarak davranıyor oluşudur. Bu ikilik henüz tam olarak anlaşılamamıştır; ancak ışık duruma göre sanki birbirini takip eden bilyeler gibi parçacıklar halinde hareket eder; kimi zamansa tıpkı su yüzeyindeki çalkalanma sonucu oluşan dalgalara benzer bir harekette bulunur. İşte ışığı yeni bir ortamda yavaşlatan, bu dalgasal özelliğidir.
Işığın 2 tip hızı bulunmaktadır: faz hızı ve grup hızı. Çok detay olacağı için bu terimlerin anlamlarına girmeyeceğiz; ancak dalga halinde yayılan ışık, su veya katı gibi vakuma göre aşırı yoğun bir ortama girdiğinde, grup hızı yavaşlar; faz hızı ise değişmez. Grup hızını dalganın genel hızı olarak düşünebilirsiniz; faz hızı ise tekil bir ışık dalgasının (fazının) genel dalga içerisindeki hızıdır. Bir ışık huzmesi içerisinde birbirinden farklı dalgaboyları ve frekanslarda, farklı ışık dalgaları bulunabilir. Bunların toplam yayılım hızını "grup hızı", tekil hızlarını ise "faz hızı" olarak düşünebilirsiniz. Bu noktayı kavraması birazcık güç olabilir; ancak burada işin kuantumuna girmekten ziyade, temel bilgileri alabilmenizi hedefliyoruz; bir başka yazımızda bunun detaylarını açabiliriz.
Suyun içerisinde ışık...
Işığın yavaşlamasını anlamak için, belirttiğimiz gibi dalga özelliğini anlaşılması gerekmektedir. Ayrıca ışık hızının vakumlu ortamda, yani etkileşecek neredeyse hiçbir şeyin var olmadığı bir ortam için tanımlandığını hatırlayınız. Şimdi bu bilgileri kullanarak, ışığın neden yavaşladığını algılayabiliriz: ışık, yoğun bir ortama girdiğinde, o ortamın atomlarıyla etkileşmeye başlar. Her cismin atomik yapısı birbirinden farklıdır, dolayısıyla ışıkla olan etkileşimi de farklı farklı olacaktır. Örneğin "opak" olarak bildiğimiz cisimler, ışığı tamamen soğururlar ve neredeyse hiç geçirmezler. "Transparan" cisimlerse ışıkla çok az etkileşirler, onu çok az soğururlar ve ışığın içlerinden geçmesini mümkün kılarlar. Bu opaklık seviyesi, bir dizi atomun sıralanmasıyla oluşan cisimlerin fiziksel bir özelliğidir. Farklı sıcaklıklarda bu opaklık değişecektir, çünkü atomların cisim içerisindeki titreşme frekansı değişir ve bunun, ışığın dalga boyuyla etkileşimi değişir. Tıpkı birbiriyle çakıştığı zaman birbirini güçlendiren ya da sıfırlayan dalgalar gibi düşünebilirsiniz bunu. Cisimlerin atomik yapısının titreşme frekansına fonon adı verilir.
Eğer ki ışığın geçmeye çalıştığı cismin fonon yapısı ışığın kendi fiziksel özellikleriyle uyumlu değilse, onu emmeye çalışır; ancak ememeyerek hemen geri bırakır. Fakat bu kısa etkileşim, ışığın grup hızında düşmeye neden olur. Tam olarak bu sebeple ışık yoğun ortamdan geçerken yavaşlar. Yani aslında faz hızı değişmemektedir; ancak ışık dalgası grubunun ortamla etkileşimi ona ufak bir gecikme katmaktadır. Ortam yoğunlaştıkça, bu etkileşimin yoğunluğu da artar ve ışığın hızı daha da düşer. Bu noktada sizi daha da şaşırtmak adına, 15 Temmuz 2013'te Harvard Üniversitesi'nden Lene Vestergaard Hau'nun ışığı geçici olarak tamamen durdurup, sonra hareketine normal şekilde devam etmesini sağlamayı başardığını söyleyebiliriz. Tabii ki buna burada girmeyeceğiz.
Nükleer reaktörlerde radyoaktif çubuklardan saçılan yüklü parçacıklar, su içerisinde bu şekilde yavaşlatılan ışığın hızını aşabilirler. Fotonların aksine radyoaktif parçacıklar yüklü cisimler oldukları için, ışığın hızından daha hızlı hareket ettikleri sırada Cherenkov Işıması denen elektromanyetik bir ışıma yaparlar. Bunun basit anlamı şudur: Çarptıkları her cismi radyoaktif hale getirirler. İşte bu yüzden nükleer reaktörlerin içerisindeki sular ürpertirici bir şekilde mavi bir renge sahiptir. Işığın hızından hileli bir ortamda da olsa daha hızlı giden bu parçacıkların ışıması sayesinde nükleer reaktörlerde yüksek enerjili yüklü parçacıkların özellikleri test edilebilir. Böylece harcanan yakıt çubuklarının ömürleri hesaplanabilir. Yani mühendisler ve bilim insanları, ışığın bu özelliğinden faydalanarak reaktörlerde tespitlerde bulunabilirler.
Peki Ya Kütleçekim Hızı?
Işığın hızını ve sınırını anladık, sıkıntı yok. Peki ya kütleçekimin bir hızı var mı? İki cismi yan yana koyduğumuzda, birbirlerine aynı anda mı etki ederler, yoksa tıpkı ışıkta olduğu gibi, aşırı küçük de olsa, dış gözlemci tarafından fark edilebilen bir zaman farkıyla mı etki ederler?
Yanıt: Evet, kütleçekiminin de bir hızı vardır. Teknik olarak bu hız, ışık hızıyla birebir aynıdır. Çünkü nedenleri aynıdır: kütleçekimine neden olduğu düşünülen parçacıklar da fotonlar gibi kütlesizdir ve Higgs alanından etkilenmezler. Bu yüzden ışık hızına kadar hızlanabilirler; aynı sebeplerden ötürü bunu geçemezler. Bu durum da uzay-zamanın ana özelliklerinden birisidir.
Birbiri etrafında dönen iki karadelikten etrafa yayılan kütleçekim dalgaları...
Güneş'in ışığı Dünya'ya 8 dakika 20 saniyede ulaşır. Çünkü ışık, dışarıdan bakan gözlemciye göre saniyede 300.000 kilometre hızla ilerler (tabii kendisi için hız sonsuz, süre sıfırdır). Kütleçekim de birebir aynı hızla ilerler. Bu durumda çok ilginç bir gerçekle karşılaşırız: ola ki Güneş bir anda yok olacak olsa, Dünya tam 8 dakika 20 saniye boyunca bunun farkına varmadan yörüngesinde dönmeye devam eder. Çünkü 8 dakika önce Güneş'ten çıkan kütleçekim alanı, halen Dünya'yı aynı yörüngede tutmaktadır. Güneş'in kaybolmasıyla birlikte birden dalgalanan uzay-zamanın Dünya'ya kadar ulaşması 8 dakika 20 saniye sürer. Bu noktadan sonra Dünya'nın yörüngesine etki eden kütleçekim kuvveti ortadan kaybolur ve Dünya savrulmaya başlar.
Sonuç
Bu yazımızda ışığa dair çok ilginç bazı özellikleri olabildiğince yalın bir şekilde anlatmaya çalıştık. Ne yazık ki teorik olarak ışık hızını aşmamız imkansızdır; çünkü bu evren ona izin vermemektedir. Belki öncelikle bir başka evrene geçer, ondan sonra ışık hızını aşabiliriz; ancak muhtemelen o evrenin de kendi sınırları olacaktır. Bunlar, doğanın "dokusundan" kaynaklanan durumlardır.
Cisimlerin kütlesi arttıkça, onları hızlandırmak da zorlaşır. Zaten bu sebeple CERN gibi araştırma kurumları çarpıştırma deneylerinde ufacık protonları kullanırlar. Aynı şeyi bir demir bilye ile yapmaya çalışacak olsanız, binlerce kat güçlü mıknatıslara ihtiyaç duyarsınız, muhtemelen ışık hızına yaklaşmak mümkün olmaz, çünkü bir bilyenin kütlesini o hıza çıkarmak aşırı zordur. Protonları bile %100 ışık hızına çıkarmamız mümkün değildir; ancak ona çok yakın bir hıza eriştirebiliriz. İşte zaten o sebeple ışık hızı aşılamaz. Bilyeyi bile o hıza çıkaramazken, ışık hızına yaklaşan cisimlerin kütlesinin sonsuza yaklaşıyor olması, o "bir gıdımlık daha" hızlanmayı imkansız kılmaktadır.
Ana Kaynak:
*ÇMB, Evrim Ağacı, "Işığa Dair En Temel Bilgiler: Işık Hızını Neden Geçemeyiz ?
Işığa Dair En Temel Bilgiler: Işık Hızını Neden Geçemeyiz? – Evrim Ağacı
Diğer Kaynaklar ve İleri Okuma:
- Physical Review Letters
- University of Virginia
- Photonics
- Space
- Speed Light
- ZidBits
- The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants, Jean-Philippe Uzan, Bénédicte Leclercq
