Işık hızı neden tek ve sabit…? (Why speed of light is unique and constant…?)

Işığın yapısı (tabiatı) ve ışığın hızı , yaşı ne olursa olsun, bilime meraklı kişilerin, asgari seviyede de olsa, öğrenmeleri gereken ‘tabiat varlıklarından’/konulardan biri… Bu bağlamda, önerebileceğimiz ikinci bir konu ‘yaşamın Dünyada ortaya çıkışı’ olabilir…; şüphesiz, ‘bilimsel zeminde’…

Son dönemin parlak You Tube sunucusu, bilim insanı, Çağrı Mert Bakırcı, You Tube’deki (ve aşağıdaki) video-sunumunda ışık konusuna da oldukça tatmin edici seviyede bir açıklama getirdi…: Işık hızı neden sabit…; ışığın evrende başka bir hızla yayınımı (ışıması) mümkün olabilir miydi…?

Aşağıdaki yazı, bu kaynaktan alıntılarla hazırlandı…:

Işık hızının saniyede 299 milyon 792 bin 458 metre, ya da, yuvarlatarak, saniyede 300,000 kilometre olduğu yeterince bilinmekte…

Bakırcı: ‘ Ama neden? Yani neden saatte 1 milyar kilometre veya 25 kilometre değil de, bu sayı’ diye soruyor…; sonra da cevaplıyor…:

‘Işık, öncelikle, bir kinetik enerjinin aktarımı sürecinde, kendisine enerji transferi yapılmış olan (enerjilenmiş, tetiklenmiş) olan elektronların aldıkları bu enerjiyi geri verirken (daha alt enerji seviyesine geri dönerken) foton üretmeleri…; kendilerine transfer edilen enerjiyi foton olarak dışarıya atmaları… Fotonlar da, ‘ışık/ışıma’ olarak gözlediğimiz tabiat olayı… Bir elektrik ampulü dikkate alındığında, ampulün ısınması da, bu enerji transferinin bir ‘dışavurumu’…! Bıçakçı: ‘ Zaten “sıcaklık” dediğimiz şey, bir ortamdaki atomların kinetik enerjilerinin ortalamasıdır’ diyor… Kısaca, bir cismin ısınması onu oluşturan moleküllerin (atomların, atom-altı parçacıkların) kinetik enerjilerinin artması sonucu…

Işığın hem elektromanyetik dalga hem de foton (tanecik; kuantum; enerji paketi) özelliğinin mevcut olduğu biliniyor… Maddeyi oluşturan atom ve atom-altı parçacıkların üç temel özelliği kütle, spin (basite indirgeyerek: eksenel dönme) ve elektrik yükü (elektrik çarpması olarak, yeterince bildiğimiz şey !)… Yük, atom altı parçacığın elektrik özelliğini ( nötr mü, yük taşıyor mu) belirtirken, bir atomun yüklü olması da, proton-elektron dengesinin bozulmuş (iyon durumunda) olması anlamına gelmekte…

Gauss Yasası her yüklü parçacığın etrafında bir elektrik alan yaratacağını söylüyor.

Burada: ‘ρ’ -elektrik yükünün yoğunluğu; değişken bir sayı… Burada, ‘ϵ0′ ise vakumun elektrik yüklenebilirliği; vakumun elektrik geçirgenliği/(sanki, elektrik alanı direnci; elektrik alanı artışına ortamın gösterdiği direnç); *sabit bir sayı…

Bu eşitlikte/denklemde ‘ρ’ arttıkça, Elektrik Alan (E) de artar/şiddetlenir…

Elektrik yüklü parçacıklar (parçacığın merkezinden dışa doğru yönelmiş-tek yönlü-oklu kirpi !) bir elektrik alanı yaratırken, bir mıknatıs da (bir uçtan çıkıp diğer uca ulaşan) manyetik alan (B) yaratır… Bunların her ikisinin de birlikte bulunduğu ortam ise elektromanyetizma ortamı… Elektromanyetizma bünyesinde elektrik ve manyetiklik barındıran bir tabiat olayı; ortamı… Bir manyetik alanın oluşabilmesi için iki kutba ihtiyaç var… Bu sebepledir ki, doğal mıknatıslar daima iki kutuplu olarak vardır…Bir mıknatıs kaç parçaya bölünürse bölünsün daima iki kutuplu olarak ortaya çıkar…; tek kutuplu mıknatıs mevcut değil… (Akış devresinin tamamlanma ihtiyacından olsa gerek…; kapalı bir devre oluşma ihtiyacından…!)

​Bilim insanları, Maddenin ‘manyetiklik’ (mıknatıslanma) özelliğinin bünyesindeki elektronların ‘spin’ özelliği ile ilişkili olduğunu söylüyor…

Bakırcı, ‘her bir mıknatısın, belirli bir spine sahip elektronlar sayesinde manyetik özellik kazandığını söylüyor… Yine de, tüm elektronları ‘tek yönlü bir menyetik alan’ oluşturacak şekilde hizaya getirmek (şimdilik) imkansız…!

Bir mıknatısın varolabilmesi için çift kutbunun mevcut olması zorunluluğu: Gauss’un Manyetizma Yasası’…!

Gerek elektrik yüklü bir parçacık ve grekse bir mıknatıs sabit iken sebep olabildikleri olaylar/etkiler sınırlıdır… Ortamdaki elektrik alanı, bir örnek olarak, baştaki saçları dikleştirirken, mıknatıs da yakınındaki demir tozlarına , manyetik alan çizgileri doğrultusunda şekil verir… Esas ilginç olaylar, gerek elektronların ve gerekse mıknatısların hareket ettiği ortamlarda gerçekleşir… Elektrik alanı manyetik alanı, manyetik alan da elektrik alanı etkiler…; birindeki değişim diğerini tetikler… Elektrik motorlarının var olma/çalışma prensibi…! Bakırcı, ‘Modern teknoloji, neredeyse her şeyini elektromanyetizmaya borçludur’ diyor…!

Faraday Yasası: Manyetik alan değişiminin Elektrik Alan yaratması.

Elektrik alanın zamanla değişiminin manyetik Alan yaratması ise biraz daha karmaşık bir eşitlikle ifade edilmekte…:

Amper Yasası: Elektrik Alanın Manyetik Alanla Değişimi.

Yukarıdaki dört eşitlik Maxwell Eşitlikleri/Denklemleri olarak bilinmekte…

Maxwell, kendinden önceki bilim insanlarının vardığı bu sonuçları birleştirerek, elektrik ve manyetizmanın, aynı paranın iki yüzü olduğunu gösterdi…; Elektromanyetizmayı…!

Amper Yasası Eşitliğinin sağ tarafındaki iki terim Hareket eden elektrik yüklerinin manyetik alan yaratabileceğini söylerken, ikinci terim ise hareket eden elektrik alanların da manyetik alan yaratabileceğini söylemekte…: ‘Yani hem yüklü parçacıklar hem de elektrik alanı hareket edecek olursa manyetizma doğurmaktadır.’…diyor Bakırcı

Bu denklemde yer alan ‘μ0​’: (Manyetik) Geçirgenlik Sabiti…Bu ‘μ0’ ​ da tıpkı ‘ϵ0’ gibi, değeri çok hassas bir şekilde ölçülmüş, sabit bir sayı…:

Ancak, ‘μ0​’ın ‘ϵ0’ın negatif anlamından/etkisinden farklı olarak, pozitif (pekiştirici) bir anlam taşımakta/etki yapmakta… ; serbest uzayın (vakum ortamının) manyetik alan oluşturmaya ne kadar uygun olduğunun bir ölçüsü (1/*sabit sayı) olarak düşünülebilir…

Maxwell Denklemlerinde geçen ‘ϵ0’ı Elektrik Alana Karşı Direnç, ‘μ0​’ı ise Manyetik Alana Karşı Direnç olarak düşünülebilir…

Bakırcı, ‘bu sayıların Evren’in dokusu sonucu oluşmuş sayılar‘ olduğunu söylüyor…; ölçme deneyleriyle hesaplanmış sayılar…

Burada, eğer elektrik alan manyetik alanı ve manyetik alan da elektrik alanı doğuruyorsa, bu ikisi arasında öyle bir denge hali bulunabilir ki, ortamda elektrik alan ve manyetik alan aynı anda mevcut olur…, ya da, birbirinin yok olmasını engeller…! Sürekliliği sağlanmış ve korunmuş bir parçacık/dalgalanma (dalga) hareketi…

Maxwell, üstün becerisiyle, kendi kendine hareketini/yayınımını sürdürebilecek bir parçacığın hızını hesaplamayı mümkün kılacak bir denkleme/eşitliğe ulaştı…

V: Parçacığın/dalganın hızı.

Bu eşitliğe yakından bakıldığında oldukça ilginç bir özelliği kolayca görülebilir…: V = Sabit (bir) sayı…!

Maxwell şu (çok büyük) gerçeği ortaya koydu…; (belirli bir ortamda) ‘Işık Hızı sabittir…!

Alın size ‘Işık Hızı…!

Melbourne Üniversitesi Fizik Profesörü Dr. David Jamieson, bunu şöyle açıklamış:

‘Bu soruyu 2 farklı şekilde cevaplandırabilirim. Önce teknik ve ‘derin’ olan cevabı vereyim: Işık sadece tek bir hızda hareket edebilir, çünkü yalnızca bu hızda Lorentz Dönüşümleri’ni tatmin edebilir. Ama bunu anlaması biraz zor. Dolayısıyla daha basit olan ikinci cevabı vereyim: 

Sıkı sıkıya gerilmiş bir ipiniz olduğunu düşünün. Parmağınızla ipi azıcık esnetip bıraktığınızda, dalgaların ip boyunca hareket etmeye başladığını görürsünüz. İşte o dalganın hızı, ipin gerginliğine, ağırlığına ve benzeri birkaç tane değişkene (parametreye) bağlıdır. İşte ışık da böyledir; ancak ışık dalgaları ile tel dalgaları arasında büyük bir fark vardır: Işık dalgaları boş uzayda, yani vakum içerisinde hareket edebilir. Tel üzerindeki dalganın aksine, ışık dalgalarının ilerlemek için bir ortama ihtiyacı yoktur.’

Bu son cümle olmasaydı her şey gayet iyi gitmekteydi…; değil mi …? Son cümle işi-biraz-bozdu…! Işığın bir dalga olarak yayılabilmesi için maddi bir ortama ihtiyaç yoktu… Işık, vakumda da (iyi ki yayılabilmekteydi…! Eğer yayılamasaydı, Güneşi göremezdik…; Güneş de bizi…!

(Elbet bir gün ispatlanacaktır…, uzay boşluğunda, ışığın yayılmasını/ışımasını/yol almasını mümkün kılan, sadece, varlığı bugün bilinmeyen uygun ve yeterli bir ortam mevcut…! Tanım olarak ‘ϵ0’ ve ‘μ0​’ bunu söylemiyor mu …? )

Jamieson: ‘Bu iki parametre, aslında tam olarak doğru bir benzetim olmasa da, vakumun tıpkı bir ip gibi gerilip bırakıldığında dalgayı taşıma ‘gerilimi’ gibi düşünebilir. Yüklenebilirlik, elektrik alanın ‘gerilimi’ olarak görülebilir. Geçirgenlik ise manyetik alanın ‘gerilimi’ gibi düşünülebilir. Elektrik alan güçlendiğinde manyetik alan yaratır; manyetik alan güçlendiğinde elektrik alan… Bu ikisi kendi kendisini sürdürebilir bir sistem yaratır. Maxwell, bu iki parametreyi bir araya getirerek ışığı tanımlamaya çalışacak olursanız, o ışığın içerisinde bulunduğu ortamda kendi kendisini sürdürebilmek için ne kadar hızlı ilerlemesi gerektiğini de belirleyeceğinizi ortaya koydu’… diyor.

Bakırcı’ya göre ‘Işık Hızı Bir Tercih Değil, Bir Zorunluluk …! Işık, İşte tam da bu nedenle kütlesiz olan ve kendi kendine yayılan her dalga, ışık hızında gitmek zorunda. Çünkü bu hızdan başka bir hızda giden bir dalga, kendi kendini sürdüremez. Ya elektrik alan baskın gelir, ya manyetik alan baskın gelir. Ama tam bu hızda giden bir dalga, kendi kendini sürdürebilen dalga olur. O dalganın “ışık” olması şart değil; mesela gluonlar da bu hızda gitmekte. Kütleçekimi ışık hızında etki edebildiği için (!), onu taşıyan parçacık olarak varsayılan ama henüz doğrulanmamış olan gravitonların (gravitasyon kuvveti taşıyıcı parçacık) da bu hızda hareket ettiği düşünülmekte’… (Bu noktada, kütleli parçacık-ışık hızı konusu-hafiften-gölgede kalabilir…!)

Bakırcı’ya göre: ‘Aynı nedenle ışık, saniyede 300 milyon metre hıza bir arabanın ivmelenmesi gibi erişmez. Işık, saniyede 300 milyon metre hıza, kaynaktan çıktığı anda erişir, çünkü zaten kaynaktan ışık olarak çıkabilmesinin tek yolu o hızda olmasıdır. Fotonlar kütlesiz bir parçacık ve bir dalga oldukları için, başka bir hızda gidemezler; ışık hızında gitmek zorundadırlar.

Ayrıca buradan şunu da anlıyoruz: Işık hızının kendisi özel bir sabit değildir. Evren’in dokusunu oluşturan ve boş uzay veya vakum dediğimiz şeyin elektrik alanına ve manyetik alana gösterdiği direnç (veya geçirgenlik), kendi kendine yayılan bir dalganın hızını otomatik olarak belirlemektedir. Bu ikisi temel sabitler olduğu için, ışık hızı da temel sabit olarak görülmektedir. Bir başka evrende, bu geçirgenlik veya direnç farklı değerde olabilirdi. O evrende ışık hızı, bambaşka bir sayı olurdu. Ama bu Evren’de, bu değerler böyle ve ondan dolayı ışığın hızı tek bir sayıya sabitlenmiş haldedir.

Tam da bu yüzden, uzay-zaman dokusu içindeki nesneler için ışık hızı evrensel bir hız limitidir – sonuçta kütlesizden daha kütlesiz olamazsınız ve dolayısıyla ışık hızından daha hızlı gidemezsiniz. Eğer kütleniz varsa, bu kütlenin Higgs Alanı ile etkileşmesinden ötürü bir çeşit “sürtünme” oluşacaktır ve asla ışık hızına erişmeniz mümkün olmayacaktır (en azından “sonsuz enerjiye” erişiminiz yoksa).

Öte yandan, tam da bu nedenle Evren’in kendisi, ışık hızından daha hızlı genişleyebilir çünkü Evren’in dışında bir şey var mı bilmesek de, varsa bile onun Evren’in genişlemesi üzerine koyduğu sınır ışık hızıyla sınırlı olmak zorunda değildir. Bir başka değer de olabilir, sınırsız da olabilir! Ama Evren’in içindeki her şey, ışık hızı sınırına uymak zorundadır. 

Bu sebeple ne biz, ne de (yeşil/mavi,…!) ‘uzaylılar’ bu hız sınırını aşamaz… (Yaklaşabilmeleri ayrı bir konu…!)

Işık bir taraftan, 1 saniyede Dünya’nın etrafında 8 tur atabilecek kadar hızlı iken, diğer taraftan Güneşten Dünyaya ulaşabilmesi için 8 dakika 20 saniye kadar bir zaman gerektiren yavaş bir dalgadır/parçacık… Evren’in bir ucundan diğer ucuna ışığın ulaşması on milyarlarca yıl alır!

Sonuç olarak, ışığın hızı, aslında ışığın “özel” bir şey olmasından kaynaklanmamakta; ışığın kütlesiz fotonlarla taşınmasından kaynaklanmakta. Kütlesiz her cisim, varlığını sürdürebilmek için ışık hızında hareket etmek zorunda – çünkü bu hız, bizim Evrenimiz içinde o dalganın (veya parçacığın) varlığını sürdürebileceği tek hız.

Yararlanılan Kaynaklar:

https://evrimagaci.org/isik-hizi-neden-saniyede-300-bin-kilometre-neden-farkli-bir-deger-degil-isik-farkli-bir-hizda-gidebilir-miydi-3639