Işık hızı ve Elektromanyetik Dalgalar

Işığın, Evrenin Üzerinde Kurulu Olduğu Kaya, Zaman ve Uzayın ise Hareket Halindeki Kum Tanecikleri Olduğunu Nasıl Keşfettik

Herkes için gelmiş geçmiş en tuhaf 100 metre yarışıydı bu. Atletler çıkış takozlarından fırlayıp kulvarlarında koşmaya başladığında, tribündeki seyircilere sanki incelmiş gibi göründüler. Coşkulu kalabalığın önünden geçerlerken, krep kadar düzleşmişlerdi.
Ancak olan en tuhaf şey bu değildi.

Atletlerin kolları ve bacakları, sanki havanın değil de ağdalı bir sıvının içinde koşuyorlarmış gibi, ultra-yavaş hareketler sergiliyordu. Kalabalığın alkış ve tezahüratları gittikçe yavaşladı. Seyircilerden bazıları biletlerini yırtıp öfkeyle havaya fırlatıyordu.

Bu zavallı tempoyla, atletlerin finiş ipini göğüslemesi bir saati bulabilirdi.
Sonunda canından bezen seyirciler yerlerinden kalkarak, teker teker stadyumu terk etti.

Böyle bir sahne size tümüyle saçma gelmiş olabilir. Fakat burada hatalı olan tek unsur atletlerin hızıdır. Eğer ki 10 milyon kat daha hızlı koşabilselerdi, stadyumdaki herkes yukarıdaki gibi bir sahne yaşardı. Nesneler ultra-yüksek hızlara çıktığında, zaman yavaşlarken uzay da büzülür. Bu durum önemli bir gerçeğin kaçınılmaz bir sonucudur: ışığı yakalamanın imkansızlığı.

Yakalanamayacak olan tek şeyin ancak sonsuz hızla yol alan bir cisim olabileceğini düşünebilirsiniz. Ne de olsa sonsuzluk, tasavvur edilebilen en büyük sayı olarak tanımlanmaktadır. Hangi sayıyı düşünürseniz düşünün, sonsuzluk ondan daha büyüktür. Bu nedenle, sonsuz hızla yol alabilecek bir şey olsaydı bile onu asla yakalayamayacağımız açık bir şekilde ortadadır. Böyle olsaydı, evrendeki nihai kozmik hız sınırını temsil eden, sonsuz hız olurdu.

Işık muazzam bir hızla yol alır -boşlukta saniyede 300.000 kilometre- fakat bu hız da, sonsuz olarak nitelendirdiğimiz hızın yanında anlamsız kaçmaktadır. Yine de ne denli hızlı olursanız olun, bir ışık huzmesini yakalayamazsınız. Evrende, kimsenin tam olarak anlamlandıramadığı nedenlerden ötürü, ışık hızı sonsuz hızın yerini almıştır. Fiili durumdaki kozmik hız sınırımız ışık hızıdır.

Bu tuhaf gerçeği fark eden ilk kişi, 16 yaşındayken kendine şu soruyu soran Albert Einstein oldu: Yakalayabilecek olsaydınız, ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Einstein’ın böyle bir soru sorarak cevaplandırabilmeyi umması ancak İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in bir keşfi sayesinde mümkün olmuştur. 1868 yılında Maxwell, elektrik motorlarının çalışmasından mıknatısların davranışlarına kadar, bilinen tüm elektrik ve manyetik olaylarını, bir dizi harikulade matematiksel denklemle bir araya getirdi. Maxwell’in denklemlerinin sürprizi ise o güne dek bilinmeyen bir dalganın varlığını öngörüyor olmalarıydı: elektrik ve manyetizma dalgasının.

Uzayda, göletteki küçük bir dalga gibi yayılan Maxwell dalgasının çok çarpıcı bir özelliği olduğu anlaşıldı. Bu dalga saniyede 300.000 kilometre hızla yol alıyordu; yani ışıkla aynı hızda. Bunu yalnızca bir tesadüf saymak imkansızdı. Maxwell, elektrik ve manyetizma dalgasının bir ışık dalgasından farksız olduğunu düşündü. Maxwell’ e dek hiç kimse (belki elektriğin öncülerinden Michael Faraday’ı bir kenara koyabiliriz bu noktada) , ışığın elektrik ve manyetizmayla bağlantılı olduğuna dair en ufak fikre sahip değildi. Ancak öyleydi; tam da Maxwell’in denklemlerinde yazdığı gibi: Işık elektromanyetik bir dalgaydı.

Manyetizma, mıknatısın çevresindeki uzayı kaplayan görünmez bir güç alanıdır. Bir mıknatıs çubuğunun manyetik alanı, yakınında bulunan metal objeleri kendine çeker. Bir de elektriksel alan vardır; elektrikle yüklü bir kütlenin etrafındaki uzayı sarmış olan, görünmez bir güç alanıdır bu. Örneğin naylon bir süvetere sürtülen plastik bir tarak, küçük kağıt parçalarını kendisine çekebilir.

Maxwell denklemlerine göre ışık, suda yayılan dalgaları andıracak şekilde, bu görünmez güç alanlarında yayılan bir dalgadır. Su dalgası için konuşacak olursak, dalga geçip giderken değişen unsur suyun düzeyidir – bu düzey artar ve azalır, azalır ve artar. Işıkta ise değişkenlik gösteren unsur manyetik ve elektrik güç alanlarının düzeyidir – güç seviyeleri artar ve azalır (aslında bir alan büyürken diğeri sönümlenir, ancak bunun şu an için bir önemi yok).

Peki ama, elektromanyetik dalganın ne olduğu konusuna neden böylesine girdik? Bunun nedeni, Einstein’ın sorusunu tam olarak anlayabilmemiz için hunun gerekli olması: Yakalayabilecek olsaydınız ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Otoyolda ilerlerken, saatte 1 00 kilometre hızla yol alan bir otomobili yakaladığınızı düşünelim. Yan yana geldiğiniz esnada diğer otomobil nasıl görünecektir? Elbette ki, durağan bir görüntüsü olacaktır. Camınızı açacak olursanız, motor gürültülerinin üzerinden diğer otomobilin şoförüne bağırabilirsiniz bile. Aynı şekilde, bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, bu huzme durağan bir görüntü kazanırdı; tıpkı gölet üzerinde donup kalmış bir dizi dalga gibi.

Öte yandan (ve 16 yaşındaki Einstein tarafından fark edilen esas nokta da budur), Maxwell denklemlerinin donmuş bir elektromanyetik dalga, bir diğer deyişle, elektrik ve manyetik alanları ne büyüyen ne de sönümlenen, sonsuza dek hareketsiz duran bir dalga üzerine önemli bir çıkarımı bulunuyor: Böyle bir şey yok! Durağan bir elektromanyetik dalga, imkansızdır.

Einstein böylece yaşına göre çok erken sorulmuş bu önemli sorusuyla, parmağını fiziğin kurallarında önemli bir paradoksun -ya da tutarsızlığın- üzerine koymuş oldu. Bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, varlığı imkansız olan durağan bir elektromanyetik dalga görecek olurdunuz. Ve imkansız şeyleri görmek de imkansız olduğundan, bunun anlamı hiçbir zaman bir ışık huzmesini yakalayamayacağınızdır! Diğer bir ifadeyle, evrende sonsuz hızın yerini almış olan, asla yakalanamayacak şey, ışıktır.

Biraz kuantumdan zarar gelmez

Aşağıdakilerden biri doğrudur:
• Aldığınız her nefes Marilyn Monroe’nun verdiği nefesten bir atom içerir.
• Yukarı doğru akabilecek bir sıvı türü vardır.
• Bir binanın en üst katında, en alt katına kıyasla daha hızlı yaşlanırsınız.
• Bir atom aynı anda birçok farklı yerde bulunabilir; tıpkı sizin aynı anda hem New York hem de Londra’da bulunmanız gibi.
• Tüm insan ırkı, bir küp şekerin sahip olduğu hacme sığdırılabilir.
• Herhangi bir kanala ayarlanmamış televizyondaki karlanmanın yüzde biri, Büyük Patlama’nın neden olduğu elektromanyetik gürültüdür.
• Zamanda yolculuk fizik kurallarına aykırı değildir.
• Bir fincan sıcak kahvenin ağırlığı, soğuk halinden daha fazladır.
• Ne kadar hızlanırsanız, o kadar incelirsiniz.

Hayır, şaka yapıyorum. Bunların hepsi de doğru!

Bir bilim yazarı olarak, bilimin bilim kurgudan çok daha tuhaf bilgiler içermesi ve evrenin icat edip edebileceğimiz her şeyden çok daha etkileyici oluşu karşısında her zaman hayrete düşmüşümdür. Buna rağmen, 20. yüzyılın sıradışı keşiflerinden pek azı kamuoyunun dikkatini çekebilmiştir. Geçtiğimiz yüzyılın en önemli iki başarısı, atomlar ve bileşenlerini resmeden kuantum teorisi ile uzay, zaman ve kütle çekimini resmeden Einstein’ın genel görelilik teorisidir.

Bu iki teori, dünya ve bizim hakkımızda neredeyse her şeyi açıklamaktadır. Aslına bakılacak olursa, kuantum teorisinin, ayaklarımızın altındaki zeminin neden katı olduğu ve güneşin neden ışıldadığını açıklamanın ötesinde, bilgisayarların, lazer teknolojilerinin ve nükleer santrallerin inşasını mümkün kılarak, bildiğimiz anlamda modern dünyayı yarattığı söylenebilir.

Göreliliğin gündelik yaşam üzerindeki etkileri bu denli aşikar değildir belki. Ne var ki, bu teori bize, hiçbir şeyin, ışığın bile kaçamadığı kara deliklerin varlığını, ezelden beri var olduğu düşünülen evrenimizin aslında Büyük Patlama denilen devasa bir patlamayla oluştuğunu ve zaman makinelerinin -buraya dikkat- mümkün olabileceğini göstermiştir.Bu konular üzerine yazılan önemli kaynakların pek çoğunu okumama ve sahip olduğum bilimsel geçmişe rağmen,getirdikleri açıklamalar beni çoğu zaman şaşkınlığa sürüklemiştir.

Durum böyleyken, bilimle alakası olmayanlar için konunun nasıl görüneceğini düşünemiyorum bile. Edindiğim tecrübelerin tümü, “Temel bilimsel düşüncelerin çoğu özünde basittir ve dolayısıyla herkes tarafından kolaylıkla anlaşılabilecek bir dille ifade edilebilir,”diyen Einstein’ın haklı olduğunu gösteriyor. Bu kitabı yazarken aklımdaki fikir, sıradan insanların 21. yüzyıl fiziğinin temel prensiplerini anlamasına yardımcı olmaktı.Yapmam gereken yalnızca, kuantum teorisi ve genel göreliliğin temel fikirlerini ortaya koymak (ki bu işin aldatıcı derecede basit olduğu ortaya çıktı) ve geriye kalan her şeyin,mantıksal ve kaçınılmaz olarak, nasıl bu fikirlerden türediğini göstermekti.Söylemesi kolay. Kuantum teorisi, geçtiğimiz 80 yıl içerisinde biriken ve kimsenin tam bir elbiseye dönüştüremediği parçalardan oluşmuş bir yamalı bohçaya benzetilebilir.

Dahası, teorinin evre uyumsuzluğu gibi, neden insanların değil, ancak atomların aynı anda iki yerde olabileceğini açıklayan çok önemli parçalarını anlaşılır şekilde aktarmak fizikçilerin gücünün ötesinde görünmektedir.Birçok “uzmanla” konu üzerine görüştükten sonra,onların da bu kavramı tam olarak anlamamış olabileceğini fark ettim. Bu, bir anlamda, beni özgür kılıyordu.

Ortaya konmuş tutarlı bir açıklama olmadığından ötürü, farklı kişilerden aldığım görüşleri bir araya getirerek kendi görüşlerimi oluşturmam gerektiğini anladım. Bu yüzden,burada yapılan açıklamaların birçoğunu başka hiçbir yerde bulamayacaksınız. Okuyacağınız sayfaların, modern fiziğin temel fikirlerini sarmış olan sisin bir kısmını dağıtacağını ve böylece ne denli büyüleyici bir evrende bulunduğumuzu görerek bunun değerini vermeye başlayacağınızı temenni ediyorum .

Marcus Chown

Fotoelektrik Etki

Bakır bir levhaya morötesi ışık düştüğünde elektrik üretilir. Bu “fotoelektrik” etki Albert Einstein’a kadar gizemini korumuştu. Max Planck’ın enerji kuantalarından esinlenen Einstein, ışık parçacıkları, yani foton fikrini geliştirdi. Einstein ışığın dalga gibi davranmasının yanında foton parçacıkları gibi davranabildiğini de gösterdi.

Fotonlar 1905 yılında Albert Einstein fotoelektrik etkiyi açıklayan radikal bir fikir ortaya attı. 1921’de ona Nobel Ödülü’nü kazandıran da görelilik kuramı değil, bu çalışmasıdır. Einstein’ın ışık kuantası sonradan foton adını aldı. Fotonların kütlesi yoktur ve ışık hızında hareket ederler. Einstein metalin dalgalar halindeki ışık tarafından değil, tek tek fotonlarca bombardımana uğratıldığını ileri sürdü. Fotonlar metalteki elektronlara bir mermi gibi çarparak onları harekete geçirip fotoelektrik etkiye yol açıyordu.

Eintein’ın ortaya attığı düşünce, tartışmalı olmasının yanında dalga-parçacık ikiliği denen ve ışığın aynı anda hem dalga hem de parçacık olması gibi rahatsız edici bir düşünceyi de gündeme getirdi.

Maxwell Denklemleri

Modern fiziğin dönüm noktalarından biri olan Maxwell’in dört denklemi, evrensel kütleçekim kuramından sonraki en önemli gelişme kabul edilir. Bu denklemler elektrik ve manyetik alanların aslında bir paranın iki yüzü gibi olduklarını ortaya koyar. Her iki alan da gerçekte aynı olgunun -elektromanyetik dalganın- farklı dışavurumlarıdır.

Ondokuzuncu yüzyılın başlarında deneyciler elektrik ile manyetizmanın birbirine dönüştürülebildiğini görmüşlerdi. Ama bütün elektromanyetizma konusu dört denklemle ifade ederek modern fizikteki en önemli başarılardan birini gerçekleştiren kişi James Clerk Maxwell oldu.

Elektrik ve manyetik kuvvetler, elektrik yüklü parçacıkları ve mıknatıslar etkiler. Değişen elektrik alanı bir manyetik alan, değişen manyetik alan da bir elektrik alanı yaratır. Maxwell her ikisinin de aslında tek bir olgudan, hem elektriksel hem de manyetik özellikleri olan elektromanyetik dalgadan çıktığını açıklamıştır. Maxwell elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızını hesaplamış ve ışığın hızıyla aynı olduğunu göstermiştir. Başka çalışmalarla birleştiğinde bu bulgu, ışığın da aslında ilerleyen bir elektromanyetik çalkalanma olduğunu doğrulamıştır. Elektromanyetik alanların uyguladığı elektromanyetik kuvvet, Evren’deki dört temel kuvvetten biridir.

Maxwell dönemin tüm biliminsanlarını şaşırtarak, elektromanyetik olguların hepsini hepi topu dört temel denklemle betimlemeyi başardı. Bu denklemler günümüzde öylesine ünlüdür ki artık tişörtlerde bile yer alıyorlar. Altlarında da “ve Tanrı ışığı yarattı” yazıyor. Bugün elektromanyetizmayı tek bir olgu olarak düşünebiliyoruz ama ortaya atıldığı dönemde bu radikal bir fikirdi ve tıpkı bugün kuantum fiziğiyle kütleçekiminin birleştirilmesinin önemi kadar önem taşıyordu.

Einstein, Maxwell’in fikirlerini alıp kendi görelilik kuramına dahil etmiştir. Einstein’ın denklemlerinde manyetizma ile elektrik, aynı olgunun farklı referans çerçevelerinden bakan gözlemciler tarafından görünüşleridir. Bu açıdan, elektrik ve manyetik alanların bir ve aynı şey olduğunu nihai olarak gösteren kişi Einstein’dır denebilir.

Brown Hareketi

Brown hareketi, bir sıvının veya gazın içindeki çok küçük parçacıkların dört bir yana yaptığı gelişigüzel hareketlerdir. İlk olarak mikroskobunun ıslak lamında hareket eden polenleri gören botanikçi Robert Brown tarafından gözlenmiştir. Hareketi matematiksel olarak açıklayan kişiyse Albert Einstein olmuştur. Brown hareketi, durgun suda veya havada kirliliğin nasıl yayıldığını açıkladığı gibi, su taşkınları veya borsa hareketleri gibi birçok rassal süreci de açıklar. Aynı zamanda fraktalların oluşumunda devreye girer.

Einstein, Brown’ın gözlemlediği hareketleri başarılı bir şekilde açıklamak için moleküllerin çarpışmasına dayanan ısı kuramından yararlanmıştır.

Tarihin Akışını Etkileyen Rüyalar

Uyanıkken bir türlü içinden çıkamadığımız soruların cevaplarını rüyada bulmak mümkün mü? Ya da rüyadan zihnimizde yaratıcı bir fikirle uyanmak? Her ne kadar kanıtlanması zor olsa da, tarihin akışını etkileyen kimi keşiflerin ardında rüyaların payı varmış gibi görünüyor:

Niels Bohr – Atomun Yapısı: Kuantum mekaniğinin babası olan Bohr, 1911’de doktorasını tamamladıktan sonra atomun yapısı üzerinde çalışmaya başlamış, ama uzun bir süre arayışı sonuçsuz kalmıştı. Derken bir gece rüyasında atomlar gördü: Elektronlar, güneşin etrafında dönen gezegenler gibi çekirdeğin etrafında dönüyordu. Bu rüyadan sonra laboratuvar çalışmalarıyla bu modelin doğruluğunu kanıtlayan Bohr, 1922 yılında bu buluşu için Nobel Ödülü aldı.

Albert Einstein – Işık Hızı: Görelilik kuramını keşfetmeden çok önce, henüz gençken Einstein rüyasında kızakla kaydığını görmüştü. Kızak giderek hızlanıyor, öyle ki ışık hızına yaklaşıyor ve gökteki yıldızlar da bunun sonucunda birbirine karışmış, biçimsizleşmiş görünüyordu. O an Einstein erişebileceğimiz hızın bir sınırının olması gerektiğini anladı ve uzun yıllar boyunca bu teorisini kanıtlamaya çalıştı. Başardığında, tarihin muhtemelen en ünlü teorisini ortaya koymuştu.
Devamını oku “Tarihin Akışını Etkileyen Rüyalar”

Mach İlkesi

Atlıkarıncada dönen bir çocuk uzaktaki yıldızlar tarafından yukarı doğru çekilir. Bu Mach ilkesidir: Oradaki kütle buradaki eylemsizliği etkiler. Kütleçekim etkisiyle, uzaktaki nesneler yakındaki nesnelerin harketini ve dönüşlerini etkiler.

Newton’un uzayı, tıpkı grafik kağıdı gibi ızgara şeklinde bir koordinat sistemi içeriyordu. O da bütün hareketleri bu sabit ızgara sistemine göre ifade ediyordu. Avusturyalı fizikçi ve düşünür Ernst Mach buna katılmıyor, hareketin bir ızgara sistemine göre değil, ancak başka bir nesneye göre ölçülmesinin anlamlı olduğunu ileri sürüyordu. Leibniz’in eski fikirlerinden etkilenen Mach, yalnızca göreli hareketin bir anlamı olduğunu düşünme konusunda Albert Einsten’in öncüsüydü.

Mach ilkesi, belirli bir bölgedeki hareketin başka bir referans noktasına göre hareketin belirlenmesi büyük ölçekteki madde dağılımına dayalı olduğunu belirtir.