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
HAVACILIK VE UZAY 
Evrende en yüksek hız ışık hızı ise elektronlar,protonlar ve diğer parçacıklar ışıktan nasıl daha hızlı oluyorlar.
BeğenBeğen
Yazıda böyle bir iddia veya ima yoktur…!
BeğenBeğen