IŞIK HIZININ PEŞİNDEN

Arkadaşlar hepinize Merhaba,

Aşağıda ışık hızının ölçümü ile ilgili bir parça ve beş soru var. Parçayı okumadan önce lütfen Römer ile ilgili yazıyı okuyunuz. Okuma parçasından ziyade çok araştırma yapmanızı, biraz farklı kaynaklardan okumalar yapmanızı istiyorum. Sorulara Çarşamba akşam 23;59 a kadar cevaplarınızı yazmanız gerekiyor. Sorulara cevap verirken yararlandığınız kaynakları (kitap, dergi, internet adresi, vb.) en alta açık bir şekilde belirtmenizi istiyorum. En az üç arkadaşınıza yorum yazmayı unutmayın.

IŞIK HIZININ PEŞİNDEN

Işık nasıl yayılıyordu? Yayılmak için herhangi bir ortama ihtiyacı var mıydı? Işık hızına yaklaşmak mümkün müydü?  Hatta ışık hızına yakın bir hızda uzay aracına binen bilim insanlarının başlarına neler gelebilirdi? Bu kadar hızlı bir şekilde bir yerden bir yere gitmek (mekan değiştirmek) zamanın değişiminde nasıl bir farklılık oluşturacaktı? Işıkla ilgili benzer sorular insanlığın başlangıcından beri sorulmaktaydı...

Tarihte ışık hızı çeşitli metotlarla ölçülmeye çalışılmıştır. Işığın hızını ilk ölçmeye kalkışanın Galileo olduğu söyleniyor. Galileo bir tepenin üstünde arkadaşı diğer tepenin üstünde, önce Galileo elindeki feneri yakıyor, arkadaşı fenerin ışığını görünce bu sefer o elindeki feneri yakıyor, Galileo arkadaşının fenerinin ışığını görünce geçen toplam zamanı ölçüyor. İki tepe arasındaki mesafeyi geçen zamana böldüklerinde ışığın hızını hesaplıyorlar. Fakat bu sağlam bir yol olmadığından ışığın hızını ölçemiyorlar.

Işığın hızını ilk defa başarılı bir şekilde 1675 yılında Roemer ölçmüştür. Roemer yaptığı uzun süreli ve sabırlı gökyüzü gözlemlerinde Jüpiter’in uydularından Io’nun tutulmasındaki gariplik dikkati çekmişti. Dünya ile Jüpiter birbirine yakınken Io’nun tutulması az, uzaklık artınca da çok sürüyordu. Roemer haklı olarak bunu Dünya ile Jüpiter arasındaki mesafe artınca ışığın daha fazla yol almasınabağladı. Jüpiter, Güneş etrafındaki bir dönüşünü 12 yılda tamamlar. Dünya, Güneş etrafında 180 derece dönünce Jüpiter sadece 15 derece dönüyor. Yani 6 ayda dünya yaklaşık olarak Jüpiter’den Dünya Güneş arası uzaklığın iki katı kadar uzaklaşıyor. Io’nun tutulma süresindeki artışı yaklaşık olarak 20 dakika ölçen Roemer ışığın hızını yaklaşık olarak 2,14.10 8 m/s olarak ölçtü.

1887'de Amerikalı iki fizikçi Albert Michelson ile Edward Morley bu konuyla ilgili deneyi yapmaya çalıştılar. Deney ışık hızını aşmanın ve bu hıza ulaşan uzayadamlarının başlarına gelecek ilginç şeylerin niçin olanaksız olduğunu ortaya koymuştur. İki fizikçi, o zamanın bütün fizikçileri gibi uzayın ışığı ilettiği düşünülen ve "ışıltılı esir" (eter) adıyla anılan gizemli ve görünmez bir varlıkla kaplı olduğunu sanıyorlardı. Yoksa, diye düşünüyorlardı, ışık dalgaları başka nasıl bir yerden bir yere gidebilirdi?

19. yüzyılda bilim insanları, ışık dalgalarının eter içerisinde yayıldığını diğer bir deyişle eterin ışık dalgalarını taşıdığını düşünüyorlardı. Yani eter tüm evreni doldurduğu düşünülen bir maddeydi. Bu kısa açıklama, eteri hava ile kardeş yapan bir biçime sahip. Zaten o dönemin zihinleri de eter kavramını ortaya atarken bu kardeşlikten yola çıkmışlar ve ışık dalgalarına göre daha tanıdık olan başka bir dalganın yapısından benzerlik kurmuşlardı: ses dalgaları.

Biliyoruz ki ses dalgaları ortamda yayılabilmek için bir taşıyıcı maddenin (hava, su, katı) varlığına ihtiyaç duyar. Vakum (havası alınmış) ortamda ses dalgaları yayılamaz. Peki, ışık için de aynı şey söz konusu olabilir mi? Işık da yayılmak için havanın veya daha başka bir taşıyıcı maddenin varlığına ihtiyaç duyar mı?

Şöyle bir düşünce deneyi yapalım: Bir çalar saati, çeperleri saydam (içi görülebilen, cam), vakumlu bir kutunun içine koyalım. Çalar saat çalmaya başladığında sesi duyabilmeniz mümkün değildir. Çünkü vakumlu kutunun içinde ses dalgaları oluşamaz. Fakat cam çeperli kutunun içindeki çalar saat çalmaktayken saatin topuzunun titreştiğini görebilirsiniz. Yani ışık, kutuya özgürce girip çıkabilir. Neticede, vakum ortamında ışığın yayılabildiğini deneysel olarak gözlemlersiniz. Öyleyse ışık yayılmak için neye gerek duyarsa duysun biliyoruz ki o ‘şey’ hava değil. Bu son derece akılcı bir çıkarım ama burada durmamız ve bu çıkarımla yetinmemiz gerekiyor olabilir.

Fakat dönemin bilim insanları burada durmayı tercih etmediler. ‘O ‘şey’ hava değilse o zaman başka bir ‘şey’dir’ yorumunu yaptılar ve adeta yokluğun içinden yeni bir kavram türettiler: eter, atomlar arası boşluğu yani evreni dolduran, ağırlığı olmayan, ışığı ileten töz.

Ses dalgalarıyla yapılan karşılaştırma neticesinde böyle bir kavram türediğinden bu fikir bize hiç de yabancı gelmiyor. Neticede bir dalga biçimi yayılmak için havaya ihtiyaç duyuyorsa diğer bir dalga türünün de yayılmak için etere ihtiyaç duyması oldukça mantıklı görünüyor. Fakat ne kadar mantıklı olursa olsun bütün bilimsel görüşler gibi bu görüş de kendisine deneysel kanıtlar bulmaya muhtaç.

Dönemin bilim insanları eteri, bir kabın içini tümüyle dolduran su olarak düşündüler. Dünyamız da bu su dolu kap içerisindeki bir bilyeydi. Bilye hareket ettiği zaman su yüzeyinde dalgalanmalar meydana getirir. Aynı şekilde dünya ve diğer gezegenler, hareketleri esnasında evreni bütünüyle dolduran eter alanında bir dalgalanma meydana getirmeliydi. Bu durum ise bizleri, ışığın hızının bu dalgalanmaların doğrultusu ve büyüklüğünde değişmesi gerektiği sonucuna götürür. Yani eğer eter gerçekten var ise ve evrenin tümünü kaplıyorsa, eter alanında hareket eden ışığın hızı, hareketin doğrultusuna göre farklılık göstermeliydi.

Öyleyse eter teorisini doğrulamak için yapılacak iş basitçe şuydu: eter alanında dalgalanma oluşturan herhangi bir hareketin doğrultusunda ve hareketin olmadığı doğrultuda olmak üzere iki ayrı durum için ışığın hızı ölçülecek ve karşılaştırılacaktı. Eğer bulunan bu iki hız değeri birbirinden farklıysa daha önce sezgisel olarak çıkarsaması yapılmış olan eterin ilk deneysel kanıtı elde edilmiş olacaktı. Diğer yandan iki hız değeri birbirinin aynısı çıkıyorsa eter teorisi çok ciddi bir yara alacaktı.

Burada hareket doğrultusunda yol alan ışığın hızının (eğer eter var ise) daha büyük olması gerektiğini düşünmüş olabilirsiniz. Hatta bu çıkarımı yaparken hep söylenilen “hareketli bir trende ileriye doğru atılan cismin net hızına trenin hızı da eklenir” örneği hatırınıza gelmiş olabilir. Fakat eter söz konusu olduğunda bu örnek durumu izah etmeye yetmez. Eteri, evreni tümüyle dolduran ve kapsadığı cisimlerin hareketine karşı onlara direnç uygulayan bir alan olarak düşünmek gerekir. Burada su üstünde hareket eden tekne örneği daha uygun bir yaklaşım sergiler. Teknede seyir halindeyken elinizi suya daldırdığınızda teknenin hızı ölçüsünde büyüyen bir dirençle karşılaşırsınız. Yani eter içerisinde hareket eden herhangi bir cisimden hareket doğrultusunda gönderilen ışık, cismin hızının büyüklüğü ölçüsünde bir dirençle karşılaşacak ve bunun sonucu olarak daha yavaş hareket edecektir. Bilim adamları bütün uzayı dolduran esirin hareketsiz olduğunu düşünüyorlardı.

Bu iki fizikçinin düşünceleri ise şuydu: Denizde giden bir gemide elimizi denize soksak bir akıntı, direnç hissederiz. Aynı şekilde Güneş etrafındaki yörüngesinde ilerleyen dünyamız hareketsiz esirde bir akıma sebep olacaktır. Bu akımda dünyanın hareket yönünde gönderilen ışığı geciktirecektir. Bu gecikmenin tespit edilmesiyle esirin varlığı deneysel olarak kanıtlanmış olacaktı.

İnterferometre adlı bir aygıtla gerçekleştirdikleri deneyde ışık kaynağından çıkan ışınlar,45 derecelik açıyla duran yarı gümüşlenmiş ayna tarafından ikiye ayrılıyor. Bu iki ışının biri dünyanın hareketi yönünde, diğeri bu doğrultuya dik bir yönde ilerliyor. Daha sonra bu iki ışın yarı gümüşlenmiş aynadan eşit uzaklıktaki Özdeş aynalardan yansıyarak geri dönüyorlar. Dünyamız güneş etrafında ortalama 30 km/s hızla yol aldığı için dünyanın hareket yönünde gönderilen ışığın hızı (300.000-30) 299.970 km/s olarak ölçülmesi gerekiyordu. Dik doğrultuda gönderilen ışın ise esir akımından etkilenmez. Sonuçta iki ışık ışınlarının hızlan arasında çok az bile olsa bir farkın olması gerekir. Fakat deney sonunda beklenen olmadı. Çok hassas aletler kullanıldığı halde bir fark tespit edilemedi. Deney tekrarlandı. Günün değişik saatlerinde, yılın farklı mevsimlerinde dâhi sonuç değişmedi. Işık hızında en ufak bir sapma gözlenemedi. Sonuç tam bir başarısızlık(mıy)dı.?

Michelson – Morley deneyi insanlığa ışığın yapısıyla ilgili önemli gerçekleri fısıldadığından ve Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi’ne deneysel destek sağlaması nedeniyle modern fiziğin ilk basamağını oluşturmuştur. Felsefi kökeni antik dönemlere kadar giden 18. ve 19. yüzyıllarda giderek tanınan dalga mekaniğiyle birlikte ses dalgalarının karakteriyle ilişkilendirilerek sezgisel olarak gerekliliği anlaşılan eter (esir) fikri, ne yazık ki bu deneyden sonra ‘gereksiz’ görülerek terk edilmiştir. Bugün ses dalgalarında olduğu gibi bir ortam gereksiniminin ışığın hareketi için söz konusu olmadığını biliyoruz. Işığın standart hızını boşlukta tanımlıyoruz. Evrensel hız sabitimiz ışık hızı ve bu hızı aşmak bu evrende mümkün görünmüyor. İşte bu bilgilere, böyle bir deney ve macera sonucunda vakıfız.

Einstein 1905'te Michelson-Morley deneyinin olumsuz sonucunun, her türlü art fikirden bağımsız olarak, bize 1) ışığın yayılması bakımından uzayın eş yönlü (izotrop) olmasından başka bir şeye delâlet etmediğini ve, 2) Esîr diye bir ortamın mevcut olmadığını gösterdiğini savundu. (Esîrin ışığın yayılması için fuzûli ve varlığı hiçbir şekilde ortaya konamayan boş ve sübjektif bir varsayım olduğudur)

Einstein; eğer ışık onun kaynağına doğru gitseniz de ondan uzaklaşsanız da hep aynı hızla yol alıyorsa, o zaman çok yüksek hızlarda saatinizin yavaşlayıp durması gerekir diyordu. İkiz paradoksu denilen bu durum ortaya attığı Özel Görelilik Kuramının belki de en ilginç yönüdür. Paradoks şöyledir;

İkiz kardeşler saatlerini ayarlarlar, biri evde kalır, diğeri bir uzay aracına binerek uzun bir geziye çıkar, eve geri döndüğünde saati evdeki kardeşinin saatinden biraz daha erken bir saati gösterecektir. Fakat uzaya giden kardeş ışık hızına yakın bir hızla ve daha uzak mesafelere gittiği zaman bir kaç saat içinde geri döndüğünde ikiz kardeşinin çok yaşlandığını hatta yaşlılıktan öldüğünü görecektir. Çünkü o uzayda galaksiler arasında gezerken Dünya da çok uzun zaman geçmiş olacaktır.

SORULAR

1- Bilim ne ile başlar, parçadan örneklerle açıklayınız? Işık hızı ile ilgili tarihsel gelişim nasıl olmuştur?

2- Parçada geçen " Deney ışık hızını aşmanın ve bu hıza ulaşan uzay adamlarının başlarına gelecek ilginç şeylerin niçin olanaksız olduğunu ortaya koymuştur" ifadesini açıklayınız.

3- Bilim insanları yüzyıllarca neden ışığın esir'in (eter) içinde yayıldığını düşünüyorlardı? Bilimsel bilginin oluşumunda yaratıcı-hayal gücünün rolünü parçadan örneklerle açıklayınız.

4- Parçaya göre Albert Michelson ile Edward Morley'i diğer insanlarından ayıran özellikler nelerdi? Albert Michelson ve Edward Morley yüzyıllardır herkesin sezgisel olarak bildiği ve kabul ettiği esir (eter) için neden deneysel kanıt arıyorlardı?

5- Nasıl olmuşta Albert Michelson ve Edward Morley'in bu başarısız deneyi Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi’ne deneysel destek sağlamıştır? Bilimin gelişimi açısından bunu açıklayınız.