Işık hızı neden sabittir…? (Why is the speed of light constant…?

220px-Frontgroupphase

Işık  dalgası  üzerindeki  farklı  noktaların  farklı  hızda  hareketi.

(Kaynak: Wikipedia)  

Işığın “c”  harfi  ile  gösterilen  vakumdaki  hızı  fizikçiler  için  çok önemli  kabul  edilen  evrensel  bir  fizik  sabitidir…  Işığın  vakum  ortamındaki  hızı   saniyede  299792458  kilometredir… Özel  Görecelik  Kuramına  göre,  evrende  maddenin (matter)  ve enformasyonun (information)  nekledilebilmesinin  mümkün olabileceği  en  büyük  hız ışık  hızıdır…! Işık  hızı tüm  kütlesiz  parçacıkların  ve  ışık  ile  gravitasyon  dalgaları  gibi,   elektromanyetik  radyasyon  alanlarındaki  değişimlerin vakumdaki  hızıdır… Işık  kaynağına  veya gözlemciye (inertial  reference  frame  of  observer) bağlı  kalmadan, bu  kapsamdaki  parçacıklar  ve  dalgalar  ışık  hızında  hareket  eder…Görecelik  teorisinde  ışık  hızı “c” uzay-zaman  ile ilişkilidir…  Ayrıca, ünlü   enerji-kütle  ilişkisi  denkleminde  (E=m.c2 )  yer  alır…!

Işığın cam  veya  hava  gibi  saydam (transparent)   malzemelerde  ilerleme  hızı   “c”den  daha  küçüktür… Benzer  şekilde, radyo  dalgalarının  elektrik  kabloları  içinde  ilerleme  hızı  da “c”den  küçüktür…  Işığın  bir  madde  içindeki  ilerleme  hızı “v”nin “c”ye  oranına  o  malzemenin   “kırılma  indeksi/kırılma  indisi” (refractive  index)  (n = c / v) adı  verilmiştir… Bir  örnek  olarak, görünür  ışık  için  camın  kırılma  indisi 1.5  civarındadır… Yani, ışığın  cam  içinde  yayılma hızı (300 000/1.5)  200 000  kilometre  kadardır…  Benzer  şekilde,  ışığın  hava  içinde  yayılma  hızı “c”den saniyede 90  kilometre  kadar  küçüktür…

Birçok  pratik  amaç  için ışık  ve  diğer  elektromanyetik  dalgaların  anında  yayımlandığı gözlenir… Ancak, çok  uzun  mesafeler  sözkonusu  olduğunda  veya  çok  hassas  deneylerde   ışığın  sonlu  hızının  etkileri  (televizyonda  konuşan  kişinin  ağız  hareketlerinin  duyulan  sesle  uyuşmadığı  durumlar)  kolayca  gözlenir… Dünyadan  uzaktaki  uzay  araçlarıyla  iletişimde  mesajların  Dünyaya  veya  uzay  aracına  ulaşması dakika  mertebesinden saatler  mertebesine  kadar  zaman  alabilmektedir… Yıldızların  görünür  ışıkları  onları  yıllar  öncesinde terketmiştir. Evrenin  derinliklerindeki  cisimlere  bakıldığında,  bir  anlamda, evrenin  tarihinde  de  geriye  bakılmış  olur…

Işığın sonlu  hızı bilgisayarların teorik  maksimum  hızını  da  sınırlar… Işık  hızı,  giden-yansıyan  ışık  anları  ölçülerek, Ayın  Dünyaya  uzaklığı  gibi,  uzak  mesafelerin  hassas  bir  şekilde  ölçülmesinde  de  kullanılır…

Işık  hızının  sonlu  olduğunu (sonsuz  büyüklükte  olmadığını) ilk  defa, 1676’da, astronom  Ole  Romer, Jüpiterin  uydusu Io’nun  görünür  hareketini  inceleyerek  gösterdi…!   1865’te, James Clerk  Maxwell, “elektromanyetizm”  teorisinde,   ışığın  bir  elektromanyetik  dalga  olduğunu  ve  bu  sebeple, “c”  ışık  hızıyla  hereket  edebildiğini  ileri  sürdü…  1905’te,  Albert  Einstein,  ışığın  hızının  herhangi  bir  ölçüm  referansına (inertial  frame)  göre sabit  olduğunu, bu  hız  değerinin ışık  kaynağının  hareketinden  bağımsız  olduğunu  ileri  sürdü… Einstein,  bu  önermenin  olası  sonuçlarını  “özel  görecelik  kuramı”  içinde  inceleyerek,  “c”nin  “elektromanyetizm”le önemli  bir  ilişkisinin  mevcut  olduğunu gösterdi…!

Artan  hassaslıkta  ve  asırlarca  süren ölçümlerden  sonra, 1975’te, ışık hızı    (milyarda  dört  hata  payıyla)  299792458 metre/saniye  olarak  belirlendi… Işık  hızının “c”  harfiyle belirtilmesi  Latincedeki  “celeritas” (hız,  sürat,  çabukluk)   sözcüğünden  gelmektedir…! 

 Işığın  vakum ortamındaki  hızının ışık  dalgasını  yayımlayan  kaynağın  hızından  ve gözlemcinin pozisyonundan (inertial   frame  of  reference)   bağımsız  olması  düşüncesini  Einstein,  1905  yılında, Maxwell’in  elektromanyetizma   teorisinden  etkilenerek  ve   uzayın  “eter”  (luminiferous aether)   maddesi  ile  dolu  olduğuna  kanıt  bulunamamış  olmasını  da  dikkate  alarak, oluşturdu…!  Einstein’in  bu  önermesi  takibeden  dönemde  birçok deneyle  doğrulandı…

Einstein’in  “özel  görecelik  kuramı”nın  bir   olası  sonucu  tüm  kütlesiz  parçacıkların  ve dalgaların  vakumda  da  yayınabilmesiydi …!  Özel  görecelik  kuramının  deneylerle   gösterilmiş  birçok sonuçları  mevcuttur… Bunların  içinde kütle-enerji  eşdeğerliği  (E=M.c2), hareket  eden  cisimlerin  “boylarının  kısalması” (length  contraction),  ve  “zamanın (saatlerin)  yavaşlaması” (time  dilation)  yer  alır… Boy  kısalması/zaman  yavaşlaması  olarak  bilinen “Lorenz  faktörü” (Lorentz  Factor)

y = (1-v2 / c2)-1/2

denklemi  ile  hesaplanır.  Burada, “v”  hareket  eden  cismin  hızıdır…  “C”den  çok  düşük  hız  durumlarında “y”nin  “1”den  farkı  ihmal  edilebilecek  kadar  küçüktür… Bu  sebeple, özel  göreceliğin  gündelik  yaşantıdaki  etkileri, bazı  istisnaların  dışında,  hissedilemez…  Fakat, hızlar  ışık  hızına  yaklaştığında, bu  etki  rahatça  farkedilebilecek  bir  seviyeye  ulaşır… “V”  hızı  “c”  ye  yaklaştığında  ise   “y”  sonsuz  büyüklüğe  ulaşır…!

Özel  görecelik  kuramının sonuçları  uzay  ve  zamanın tek  bir birleşik-yapı (uzay-zaman; spacetime) olarak   dikkate  alınmasıyla özetlenebilir…

“Lorenz  Değişmezliği” (Lorentz Invariance)  kuantum  elektrodinamiği, kuantum  kromodinamiği, parçacık  fiziğinin  Standart  Modeli  ve genel  görecelik   gibi  modern  fizik  kuramlarında  evrensel  bir  varsayımdır…  Gerçekte,   parametre  “c”  modern  fizikte  yaygın  şekilde  yer  almakta  olup, ışıkla  doğrudan  ilgili  olmayan  birçok  farklı  bağlamda  yer  alır… Örnek  olarak, genel  görecelik  kuramı “c”nin    “kütleçekimi  dalgaları”nın  (gravitational  waves) da  yayılma  hızı  olduğunu  söyler…

Özel  göreceliğe  göre,  kütlesi  “m” (rest mass)  ve   hızı “v”  olan  bir  cismin enerjisi

E = y.m.c2

denklemi  ile tanımlanır…  Cismin  hızı   olan “v” = 0  ise,  Lorenz  Faktörü  “y” = 1’dir…  Bu  durumda  ünlü   enerji-kütle  dönüşümü    denklemine  ulaşılır:

E = m.c2

Cismin  hızı “c”  ye  yaklaşırken, “y”  de sonsuz  büyük  değer  kazanır…  Buradan,  kütlesi  mevcut  olan  bir  cismi  ışık  hızına  kadar  hızlandırabilmek  için,  sonsuz  büyüklükte  enerji  gerekeceği  sonucuna  ulaşılır… Işık  hızı, pozitif  kütleye sahip  cisimlerin yaklaşabileceği  hızın  üst  sınırıdır… Tekil  bir  foton  ışık  hızından  daha  büyük  bir  hızla  hareket  edemez… Bu  durum birçok   rölativistik  enerji  ve  momentum  testleriyle  deneysel   olarak  gösterilmiştir…

Bazı  durumlarda maddenin, enerjinin  veya  enformasyonun (önceden konumlandırılmış  atom  altı  parçacıkların) “c”den  daha  büyük  hızlarla yol  aldığı  ileri  sürülmüş  olsa  da, bu  tespitlerin  gerçeği  yansıtmadığı  daha  sonra  anlaşıldı…  Bir  örnek  olarak, x-ışınlarının  cam  içindeki   “faz  hızı” (phase  velocity)   “c”yi  aşıyor  görünse  de, faz  hızı dalgaların enformasyonu  taşıma  hızını  belirlememektedir…

Bir  lazer  ışığı (laser beam)  uzaktaki  bir  hedef üzerinde   hızla süpürüldüğünde (swept) ,  ışık  noktası “c”den  daha  hızlı olarak  hareket  edebilir… Yine  de, ışık noktasının  ilk  hareketi, ışığın  bu  uzak  hedefe  “c” hızında  ulaşması  için  geçmesi  gereken  zaman  kadarlık  bir  gecikmeyle, hedefe  ulaşabilir… Hareket  eden   fiziksel  varlıklar  sadece  lazer  ışık  kaynağı  ve  onun “c” hızıyla  hareket  eden   lazer  ışığıdır…  Benzer  şekilde, uzak  cisimler  üzerine  düşen  gölgelerin  de, zamanda  biraz  gecikme  ile,  “c”den  daha  hızlı  hareket  etmesi  sağlanabilir… (Gerçekte, “gölgenin”  hareket  hızı bir algı  yanılmasıdır…!)  Tüm  bu  olayların  hiç  birinde herhangi bir  madde, enerji  veya enformasyon ışık  hızından  daha  büyük  bir  hızla  hareket  etmez…

Hızları  ışık  hızına  yakın  iki  cismin, aynı  referans  çerçevesinde (frame  of  reference)   birbirine  doğru  hareketi  durumunda, izafi yaklaşma  hızının ”c”yi  aştığı  düşünülebilir… Ancak, Bu  durum  herhangi  bir “tek”  objenin  hızının “c”yi  aştığı  anlamına  gelmez…

“EPR  Paradoksunda”, belirli  kuantum  etkileri  “c”den  daha  hızlı  bir  şekilde,  ani  olarak,  iletilebilir…    Bu  kapsamda  bir  örnek, iki  parçacığın  birbiri  ile  “dolaşık” (entangled)  olması  durumudur…  Her  iki  parçacık gözleninceye  kadar, iki  parçacıkta  da kuantum  durumlarının süperpozisyonu  olarak  mevcuttur… Eğer  parçacıklar  birbirinden  ayrılırsa (uzaklaştırılırsa)  ve bu  parçacıklardan  birinin   kuantum  durumu gözlenirse, diğer  parçacığın  kuantum  durumu ani  olarak belirlenebilir…Burada, kuantum  durumu  bir  parçacıktan  diğerine   ışık  hızından  daha  büyük  bir  hızla iletilmiş  görünür… Yine  de, gözlenen  ilk  parçacığın  kuantum  durumunun oluşma  anını kontrol  etmek  mümkün  olamadığından, enformasyonun  bu  şekilde  transferi mümkün  olamamaktadır…

Işık  hızından  daha  hızlı  harekete örnek  verilen  başka  bir  kuantum  etkisi “Hartman Etkisi” (Hartman Effect) olarak  anılmaktadır… Bu  etkiye  göre,  belirli şartlarda, sanal  bir  parçacığın bir  bariyerden  geçmesi (tunnel  through  a  barrier)  için  gereken  zamanın  sabit  bir  değerde  olmasıdır…    

Genleşen (şişen)  evren  modellerinde  gökadalar  birbirlerinden  uzaklaştıkça  birbirlerinden  uzaklaşma  hızları  da artmaktadır…  Bu  birbirinden  uzaklaşma  uzayın  içinde  bir  hareket  değil, uzayın  bizzat  kendisinin  genleşmesindendir… Bir  örnek  olarak, Dünyadan çok   uzakta  olan  gökadalar   uzaklıklarıyla  orantılı  hızlarla Dünyadan  uzaklaşmaktadır… “Hubble Sphere”  adı  verilen  bir sınırın  ötesinde, Dünyadan  uzaklaşma  hızı ışık  hızından  daha  büyük  olarak  gerçekleşmektedir…! 

Klasik fizikte,  ışık  elektromanyetik  dalganın  bir   tipi  olarak tanımlanmıştır.  Elektromanyetik  dalgaların  klasik  davranışı  Maxwell denklemleriyle   tanımlanmıştır… Buna  göre, elektromanyetik  dalgaların  uzayda  yayılma  hızı  olan “c”   ile ışık  hızı  olan “c”  aynıdır…!

Modern  kuantum  fiziğinde, elektromanyetik  alan kuantum  elektrodinamik  teorisiyle (QED) tanımlanmıştır… Bu  teoride, ışık,  foton  adı  verilen,    elektromanyetik  alandaki  “doğal tetiklemeler” (fundamental excitation; quanta)   olarak  tanımlanmıştır…  QED’de, fotonlar  kütlesiz  parçacıklar  olduğundan, özel  göreceliğe  göre, vakum  ortamında “ışık  hızı”  olarak adlandırılan  hızla  hareket  ederler…

Bazı kuantum  gravitesi  teorilerinin  ileri  sürdüğü, ışık  hızının ışığın  ferekansı  ile  değişmesi, 2009’da  gözlemlenen   “gama  ışığı  patlaması”  (gamma-ray burst;  GRB 090510) gözlemleri  sonunda  doğrulanamadı… Gerçekleştirilen  gözlemlerde, farklı  enerji  seviyelerindeki  fotonların  aynı  hızla  hareket  ettiği  belirlendi…!   Bu  dölçümlerde    Lorenz  Değişmezliğinin  doğruluğu “Plank  Uzunluğu” (Planck  Length)  kadar  küçük  mesafeler  için  de  doğrulanmış oldu…

Işık,  bir  madde (medium)  içinde “c”ye   eşit   bir  hızla  yayılamaz…  İlave  olarak, farklı  tipteki ışık  dalgaları  farklı hızlarda  yayılır…

Işık  bazı  maddeler  içinde (ve  çok soğuk  ortamlarda) yavaşlatılabilir…  Araştırmacılar , bazı  özel  şartlarda (Bose–Einstein condensate)   ışığın rubidium  içinde  durdurulabildiğini  ileri  sürdü…!  Deneylerle  gösterilen  bu  durum, gerçekte,  ışığın tekrar  yayımlanmak  üzere, geçiçi  olarak alıkonmasıydı… Durdurulma  periyodunda  ışık, gerçekte,  ışık  olma  özelliğini  kaybetmekteydi…! Bu  durum, ışığın tüm  saydam  ortamlarda    yavaşlamasının  da gerekçesiydi…

 Işık  hızının  sınırlı  olmasının gündelik  yaşama  yansımaları  sözkonusudur… Çok  hızlı  bilgisayarlarda ışık  hızı prosesörler  arasındaki  veri  akışı  hızını  sınırlandırır…  “Bir  gigahertz”  hızla  çalışan  prosesörlerde, bir  sinyal  tek  bir  çevrimde  en  fazla 30  santimetre  kadar  yol  alabilir… İletişimdeki  gecikmeleri  azaltabilmek  için prosesörlerin  birbirine  yakın  mesafelerde  konumlandırılmaları  gerekir…   Ancak,  bu  yakınlık  da  soğutma  problemlerine  yol  açar…!

Optik  fiber  kullanan  iletişim  ağlarında enformasyonun  iletim hızı ışık  hızının  yüzde  otuzbeşi  kadardır… Bu  durumda, bir  verinin  Dünya  ekvatoru üzerinden,  bir  yarıküreden  diğerine  iletilebilmesi  için  gereken  süre 67  milisaniyeden  daha  büyük  olarak  gerçekleşir…  Dünyadan Ay’a  gönderilen  ışığın  Ay’a  ulaşması 1.255  saniye  kadar  sürer… Bu  zaman  gecikmesi  Ay’a  yolculuklarda net  olarak  hissedilmiştir…! Marsa  gönderilen  araçlar  ile iletişimdeki  gecikmeler, Mars-Dünya izafi   pozisyonlarına  da  bağlı  olarak, 5-20  dakika  arasında  gerçekleşmektedir…

Uzaktaki  gökadaların  nisbeten  genç  görünmeleri, onların henüz  gençken  gönderdikleri  ışığın  Dünyaya  henüz  ulaşıyor  olmasındandır… Güçlü  teleskoplarla  çok  uzaktaki  gökadalara  bakmak,  bir  anlamda  “geçmişe  yolculuk”tur…!

Uzayda  mesafeler  çok  büyüdüğünden, Dünya  üzerinde  kullanılan  ölçüm  birimleri işe  yaramaz  hale  gelmektedir…  Bunun  bir  örneği  mesafe  ölçümlerinde  yaşanır… Astronomik  mesafeler,  pratiklik  gerekçesiyle,  “ışık-yılı”  birimi  üzerinden  ölçülür…  Bir  “ışık-yılı”  ışığın  bir  yıl  süresinde  gittiği  yoldur (yaklaşık 10  trilyon kilometre) … Dünyaya  en  yakın  yıldız  olan “Proxima Centauri”  4.2  ışık-yılı  uzaklıktadır…

Işık  hızı  bir  çok  farklı  yöntemle  ölçülebilmektedir…  Işığın frekansı  ve  dalgaboyu bağımsız  olarak  ölçülerek   de, bunların  çarpımına  eşit  ( c = f. λ)   olan    ışık  hızı  hesaplanabilir…

Işık  hızı  neden  sabit…?

Bu  soru  Richard  Feynman’a  sorulsaydı, herhalde,  şöyle  cevaplardı : “Öyle  olduğu  için”…!  “Deneyler, ölçümler  böyle olduğunu  gösteriyorsa, gerisine  kafayı  takmayın…  Sonuçlara  bakın…”!

Bilim insanları “ışık  hızının  sabit  oluşuna”  teorik  bir gerekçe/doğrulama (justification)  getiremese  de, gerçekleştirilen  çok  hassas  deneylerle bu  düşüncenin  doğruluğu ortaya  kondu…

Bu  deneylerin  en  ünlüsü    “Michelson-Morley”  Deneyiydi (Michelson-Morley Experiment)… Farklı  doğrultulardan  ölçülen  ışık  hızının  Dünyanın  hareketinden  etkilenip,  etkilenmediğinin araştırıldığı  deney…  Bu  deney sonunda  gösterildi  ki, “ışık hızı”  Dünyanın  hareketinden  etkilenmemekteydi…!

Bu  deneyin  Hils  ve Hall  tarafından  gerçekleştirilen   modern  versiyonunda,  Dünyanın  hareket  yönünde  ve  bu  yöne  dik  doğrultuda  gerçekleştirilen  ölçümlerde,   ölçülen  ışık  hızları  arasındaki  fark   1/ 5x1025x1012   sayısından  (beşmilyondabir) küçüktü…! 

Genel  Görecelik  Kuramında, ışık  hızının  mahalli (local)  bölgeler  için  sabit  olduğu öngörülür… İki  cisim  arasındaki  mesafenin  ışık  hızından  daha  büyük  bir  hızla  artabileceği  (evrenin  şişmesi…) öngörülse  de, ışık  hızının tanımlanmış  hızı aşması  mümkün olamaz…

Kuantum Teorisine  göre, “ışık  hızı”  istatistiksel  bir özelliktir… Yani, bir  fotonun  tanımlanmış “ışık  hızı”ndan  daha  hızlı  veya  daha  yavaş  olarak  hareket  etmesi  mümkündür…!  Ortalama  hızı  “ışık  hızı”dır…! Ancak,  fotonun  hızındaki  bu  değişim  doğrudan  gözlenemeyecek  kadar  küçüktür…

Özet  olarak, ışığın  uzay ortamında sadece  tek bir  hızı  mevcut…  Bu  hız : “c”… Ses  hızının onu  yayımlayan  aracın hızına  bağlı  olmaması  gibi, ışık  hızı  da  yayımlayan  kaynağa (veya  referansa)  bağımlı  değil… Herne  kadar, uçaklar (ve  kara  araçları) ses  hızından  daha  büyük  bir  hızla  hareket  edebilirlerse  de, bu  durum  ışık  hızı  sözkonusu  olduğunda  geçerli  değildir…! Hiçbir  şey, ışık hızından  daha  büyük  bir  hıza  ulaşamaz…  Kütlesi  olan  cisimlerin  hızını  ışık  hızına  yaklaştırabilmek  için  gereken  enerji  çok  büyük  miktarlarda  artmaktadır… Işık  hızına  erişebilmek  için  gereken  enerji  “sonsuz  büyüklükte”  olarak  hesaplanmaktadır…

“Einstein  göreceliği”nin kafa  karıştıran  tarafı ışık  hızının, ölçümde  dikkate  alınan  referansa  (reference  frame)  bağlı  kalmadan,  sabit  olması… Bir  ambulansın  sireninin  sesindeki  değişimden,   onun  bize (veya  bizim  ona) yaklaştığını  anlayabiliriz… Ancak,  bu  hissetme  durumu,  onun  bize  mi, yoksa,  bizim  ona  mı  yaklaştığımızı kesin olarak belirlemeye  yetmez…!  Çünkü, her  iki  olasılık  da mümkündür…

Yine  de, iki noktada  kafa  karıştırıcı husus  mevcut… Bunlardan  birincisi, ışığın  hızının ışığı  üreten  kaynağın  hızından  etkilenmemesinin şaşırtıcı  bir  durum  olmaması… Ancak, ışık  hızının birbirine  göre  hareket  etmekte  olan  iki gözlemcinin referansından  da  bağımsız  olması…İşte, esas   garip  olan  bu…!

Einstein’in  bu  keşfi  nasıl  yaptığı  merak  edilebilir… “Michaelson-Morley  Deneyi”  ve  Maxwell Denklemleri  sayesinde…!  Maxwell  Denklemleri gerekli  motivasyonu  sağladı…  “Michaelson-Morley  Deneyleri”  de bunun  doğru  olduğunu  gösterdi…!  Maxwell Denklemleri,  ışık hızının  elektromanyetik  dalga  hızında  olduğu, kütleçekimi  sabiti (g)  gibi, doğal  bir  sabit   olduğu anlaşılır… Doğa  kanunları  tüm  referanslarda  aynı  olmak  durumundadır… Işık  hızı “c”  için  de  durum  böyledir…

  

Yararlanılan  Kaynaklar:

https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light

https://www.youtube.com/watch?v=vX6WFNqkP2A

http://physics.stackexchange.com/questions/2230/why-and-how-is-the-speed-of-light-in-vacuum-constant-i-e-independent-of-refer

2 thoughts on “Işık hızı neden sabittir…? (Why is the speed of light constant…?

  1. Evrende en yüksek hız ışık hızı ise elektronlar,protonlar ve diğer parçacıklar ışıktan nasıl daha hızlı oluyorlar.

    Beğen

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

w

Connecting to %s