Işığın ağırlığı nedir?

Akla gelebilecek en büyük tartıydı bu. Ah, evet, aynı zamanda ısıya karşı da dayanıklıydı. Aslında bu tartı o kadar büyüktü ki, bir yıldızın ağırlığını bile taşıyabilirdi. Ve o gün, en yakınımızdaki yıldızı, güneşi tartıyordu. Dijital panel en sonunda sabitlendiğinde, 2 x 10^27 tonu gösterdi. Yani 2’yi takip eden 27 tane sıfır – 2000 milyon milyon milyon milyon ton! Ancak o da ne, yanlış olan bir şey vardı. Tartının ölçüleri aşırı hassastı. Boyutu ve ısıya karşı dayanıklılığının yanında, bir başka çarpıcı özelliği de buydu. Ancak bir saniye sonra paneldeki rakamlar yeniden sabitlendiğinde, bir önceki değere göre, güneşin ağırlığı 4 milyon ton daha düşük çıktı. Neler oluyordu böyle? Gerçekten, güneş her bir saniye içinde, üzerinden bir süper-tankerin ağırlığını atacak kadar hafifliyor olabilir miydi?

Evet, bu doğru! Güneş, sürekli olarak ısı enerjisi kaybediyor ve uzaya saçılan bu enerji bize ışık olarak ulaşıyor. Ve enerjinin gerçekten de bir ağırlığı var. Böylece güneş dışarı ne kadar ışık verirse, aynı ölçüde hafifliyor. Fakat güneşin gerçekten de devasa olduğunu ve her bir saniye içinde kütlesinin yalnızca 10 milyon milyon milyonda birini kaybettiğini de aklımızdan çıkarmayalım. Bunun anlamı, doğumundan bu yana kütlesinin ancak binde birini kaybettiğidir.

Enerjinin bir ağırlığı olduğu gerçeği, bir kuyrukluyıldızın davranışında açık şekilde görülebilir. Bir kuyrukluyıldızın kuyruğu her zaman güneşi gösterir; tıpkı bir rüzgar tulumunun havada oluşmakta olan fırtınayı göstermesi gibi. Peki bu ikisi arasındaki ortak nokta ne olabilir? Her ikisi de güçlü bir rüzgar tarafından itilmektedir. Rüzgar tulumu için konuşacak olursak, bu, havadan oluşan rüzgardır. Kuyrukluyıldızın kuyruğu içinse, güneşten gelmekte olan ışık rüzgarı.

Rüzgar tulumu trilyonlarca hava molekülünün saldırısına uğrar. Kumaşı iten ve şişerek dışarı doğru dalgalanmasını sağlayan durmak bilmeyen bu bombardımandır. Uzayın derinliklerindeki hikaye de buna benzer. Kuyrukluyıldızın kuyruğu sayısız ışık parçacığı tarafından itilir. Kuyrukluyıldızların uzay boşluğunda on milyonlarca kilometre boyunca parıldayarak yol almasını sağlayan da, fotonların makineli tüfek bombardımanından başka bir şey değildir.

Fakat hava molekülleri tarafından itilen rüzgar tulumu ile fotonların saldırısına uğrayan kuyrukluyıldızın kuyruğu arasında önemli bir fark var. Hava molekülleri maddenin katı zerrecikleridir. Rüzgar tulumuna küçük mermiler gibi çarpmaları, tulumun geri tepmesine neden olur. Ancak fotonlar katı maddeler değildir. Kütleleri yoktur. Peki o zaman, kütlesi olan hava molekülleriyle aynı etkiyi nasıl sağlayabiliyorlar?

Fotonların kesinlikle sahip olduğu bir şey varsa, o da enerjidir. Bir yaz günü plajda güneşlenirken, güneş ışınlarının teninize yaydığı ısıyı düşünün. Kaçınılmaz olarak ulaşacağımız sonuç, gerçekten de enerjinin belli bir ağırlığının olduğudur. Konuyu biraz açalım.

Bu durum, ışığın ele geçirilemezliğinin doğrudan bir sonucudur. Işık hızı erişimimizin ötesinde olduğundan, ne denli sert bir şekilde itilirse itilsin, hiçbir kütle ışık hızına ulaşacak kadar hızlanamaz. Işık hızının evrenimizdeki sonsuz hızı temsil ettiğini anımsayın. Bir kütleyi sonsuz hıza çıkarmak için sınırsız miktarda enerjinin gerekmesi gibi, bir kütleyi ışık hızına çıkarmak için de aynı şey gerekli olacaktır: sınırsız enerji. Bir başka noktadan bakacak olursak, ışık hızına çıkılmasının imkansızlığı, bunu başarmak için evrenin içerdiğinden daha fazla enerjiye gereksinim duymamızdan kaynaklanmaktadır.

Peki ama, bir kütleyi ışık hızına yaklaştıracak kadar itseydiniz ne olurdu? Son hız ulaşılamaz olduğundan, son hıza yaklaştırdıkça, kütlenin itilmesinin daha da zorlaşması gerekirdi.

Bir şeyin itilmesinin zor olması, büyük bir kütlesi olduğu anlamına gelir. Aslına bakılacak olursa, bir cismin kütlesi bu özellikle tanımlanır; itilmesinin ne denli zor olduğuyla. Yerinden kımıldatmanın zor olduğu, ağzına kadar dolu bir buzdolabının büyük bir kütlesi, rahatlıkla hareket ettirilebilecek bir tost makinesinin ise küçük bir kütlesi olduğunu söyleriz. Bu bağlamda, bir cismin itilmesi, söz konusu cisim ışık hızına yaklaştıkça zorlaşıyorsa, bunun anlamı cismin kütlesinin arttığıdır. Aslında bir madde ışık hızına çıkabilecek olsaydı, sonsuz bir kütleye ulaşması gerekirdi. Diğer bir deyişle, ivmelenmesi için sonsuz miktarda enerji gerekirdi. Bütün bunlar elbette imkansız.

Enerjinin ne yaratılabileceği ne de yok edilebileceği, yalnızca bir görünümden diğerine geçtiği doğanın temel kanunlarından biridir. örneğin elektrik enerjisi bir ampulün içerisinde ışık enerjisine, ses enerjisi bir mikrofon içinde diyaframın hareket enerjisine dönüşür. O halde, ışık hızına yakın bir hızda yol alan bir cismi itmek için kullanılan enerjiye ne olmaktadır? Halihazırda ışık hızına yakın bir hızda seyreden bir cisim zaten son hız sınırına dayandığından, enerjinin cismin hızını arttırmak için kullanıldığını söyleyemeyiz.

Daha da sert bir şekilde itildikçe artan tek şey, cismin kütlesidir. O zaman enerjinin tümünün gittiği yer de bu olmalı. Fakat enerjinin yalnızca bir türden diğer bir türe dönüştürülebileceğini anımsayın. Kaçınılmaz ve Einstein tarafından keşfedilmiş olan sonuç, kütlenin kendisinin de bir enerji türü olduğudur. Bir madde yığınının kütlesi (m) içine hapsolmuş enerjinin denklemi, bilim tarihinin en ünlü denkleminde verilmiştir: E=mc². Denklemde c ışık hızını temsil eder.

Enerji ve kütle arasındaki bağlantı, Einstein’ın özel görelilik teorisinin tüm çıkarımları içinde belki de en dikkate değer olanıdır. Uzay ve zaman arasındaki bağlantı gibi, bu da çift taraflı bir durum. Yalnızca kütle bir enerji türü değildir; aynı zamanda enerji de etkin bir kütle sahibidir.

Kaba bir şekilde ortaya koyacak olursak, enerjinin bir ağırlığı vardır.

Ses, ışık ya da elektrik; düşünebileceğiniz tüm enerji türlerinin bir ağırlığı vardır. Bir fincan kahveyi ısıttığınızda, yüklediğiniz şey ısı enerjisidir. Ve ısı enerjisinin bir ağırlığı vardır. Dolayısıyla sıcak bir fincan kahve, soğuk haline kıyasla çok az daha ağırdır. Buradaki önemli sözcük, “çok az.” Çünkü ağırlıkta oluşan bu farklılık ölçülemeyecek derecede küçüktür. Aslında enerjinin bir ağırlığının olduğu gerçeği açık olmaktan öylesine uzaktır ki, bunu ilk kez Einstein gibi bir dehanın keşfetmesi kimseye şaşırtıcı gelmemeli. Yine de en azından bir enerji türü (Güneş ışığı enerjisi) , bir kuyrukluyıldızla etkileşime girdiğinde kütlesini açığa çıkarıyor.

Işık bir kuyrukluyıldızın kuyruğunu itebilir, çünkü ışık enerjisinin bir ağırlığı vardır. Fotonların ise sahip oldukları enerjiden ötürü, etkin bir kütleleri vardır.

Diğer bir tanıdık enerji türü de, hareket enerjisi. Hızla gitmekte olan bir bisikletçinin yoluna çıkacak olursanız, hareket enerjisine dair hiç şüphenizin kalmayacağına sizi temin edebilirim. Diğer tüm enerji türleri gibi, hareket enerjisinin de elbette bir ağırlığı var. Örneğin koşarken, yürüdüğünüz zamana kıyasla biraz daha ağırlık kazanırsınız.

Güneş ışığının saçtığı fotonların neden bir kuyrukluyıldızın kuyruğunu itebildiğini açıklayan şey, hareket enerjisidir. Bu noktada bir açıklamaya gereksinim olduğunu söyleyebiliriz, çünkü fotonların gerçekte içkin bir kütleleri yoktur. Eğer kütleleri olsaydı, kütle sahibi hiçbir cismin erişemeyeceği ışık hızında yol almaları imkansız olurdu. Işığın sahip olduğu şey hareket enerjisi nedeniyle sahip olduğu etkin bir kütledir.

Hareket enerjisinin mevcudiyeti, aynı zamanda, bir fincan sıcak kahvenin, soğuk olduğu ana kıyasla neden daha ağır olduğunu da açıklar. Isı, mikroskobik düzeyde bir harekettir. Sıvı ya da katı madde içindeki atomlar sadece titreşirken, bir gaz içindeki atomlar ise şuraya buraya doğru uçuşur. Sıcak bir fincan kahve içindeki atomlar, soğuk bir fincan içindeki atomlara nazaran daha hızlı bir hareket içinde olduklarından dolayı, daha fazla hareket enerjisine sahip olurlar. Dolayısıyla da, sıcak bir fincan kahve daha ağırdır.