Işık Hızı Neden Sabittir? | Taş Duvarla Konuşmalar
By reset / 25/05/2015 / Bilim / Yorum bırakın
Bilim çoğunlukla kurgusal bir yapıdır, bilimsel kuramlar belli çerçeveler içinde anlaşılır. Bu çerçeveler, aslında temelinde bazı varsayımlardan ve gözlemler yatan matematiksel yapılardır. Çerçeveler, olguları modellememizi sağlarlar.
Bu çerçeveler şunlardır:
1. Klasik Fizik,
2. Görelilik (Özel ve Genel),
3. Kuantum Mekaniği,
4. Standart Kuram,
5. Sicim Kuramları (henüz tamamlanmadı).
Varolan her türlü bilimsel olguyu (mesela ışık) bu çerçeveler içinde anlamaya çalışırız. Burada ışık hızının sabit olması olgusunu ele alacağız.
Işık Hızının “Klasik Fizik” Çerçevesinde Anlaşılması:
Klasik fizikte özellikle Faraday yaptığı bir çok deneyle Elektrik ve Manyetik olayların birbiriyle ilişkili olduğunu keşfetmiş, ancak elektrik ve manyetizma ile ilgili olguları genel kuramsal bir çerçeveye oturtamamıştı. Elektrik ve manyetizma konusunda çalışan diğer bilim adamları da (Ampere ve Gauss) bir takım keşiflerde bulunmuşlardı. Maxwell bu üç bilim adamının çalışmalarını tek bir çerçeve içine oturtmayı başardı ve o zamana kadar elektrik ve manyetizma ile ilgili bilinen her şeyi 4 denklemde özetledi (Maxwell Denklemleri). Bunlar diferansiyel denklemlerdi ve sizin anlatmaya çalıştığınız elektrik ve manyetizma kanunlarını ifade ediyordu. (Mesela elektrik alandaki bir değişimin bir manyetik alan, manyetik alandaki bir değişimin de bir elektrik alan doğuracağı olgusu bu denklemlerin içinde özetlenmişti.)
Maxwell’in dört denklemden oluşan bu sistemi Hertz tarafından boşlukta hareket eden ışık için çözüldü ve ışık hızın elde edildi.
Şaşırtıcı olan şuydu ki daha önceden ölçülen ışık hızı değerine Hertz kuramsal olarak ulaşmıştı. Daha önce ölçülen ışık hızıyla Maxwell’in denklemlerinden ulaşılan sayının aynı olması bir çok insanı şaşırttı ve ışığın aslında bir elektromanyetik dalga olduğu böylece anlaşılmış oldu. Sonradan Hertz‘in çalışmalarıyla ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu netleşti.
Macera burada bitmiyor. Maxwell denklemleri ve onun ışık için çözümü incelendiğinde ışık hızının kaynağın hızından bağımsız olduğu görüldü. Yani ışık kaynağının hızı ne olursa olsun, ışık hep aynı hızda hareket etmek zorundaydı.
Bu sonuç, Michelson ve Morley tarafından yapılan ölçümlerle doğrulandı. Yani ışık gerçekten de kaynağın hızından bağımsız olarak hep aynı hızda hareket ediyordu. (Dikkat edin bu sonuç kuramsal olarak Maxwell tarafından, deneysel olarak da Michelson-Morley tarafından desteklenmişti.)
Işık hızının sabit olması, klasik fiziği sarsıyordu. Buna göre Galileo‘dan beri geçerli kabul edilen hızların toplanması ilkesi geçerliliğini yitiriyordu. Bu ilke, Newton tarafından fiziğin temeli haline getilirmiş ve klasik fizik buradan doğmuştu. Şimdi bu ilkelerin geçerli olmadığı keşfediliyordu.
Bir çok klasik fizikçi bu paradoksu çözmeye çalıştı ama başarılı olamadı.
İçlerinden yalnızca biri, yani Einstein paradigmayı değiştirecek kadar cesur çıktı ve ışık hızının sabit olmasının tuhaf sonuçlarını inceledi ve sonuçta ortaya Özel ve Genel Görelilik ilkelerini koydu.
Maxwell denklemleri klasik fizik çerçevesi içinde yer almasına rağmen klasik fiziği yıkan ilk adımın atılmasına neden olmuştur. Bu da ilginç bir noktadır.
Işığın kütlesi olduğu ve kütleçekimden etkilendiği doğru değildir. Kütleçekim kuvveti uzayı eğer, ışık ise eğri uzayda her zaman yaptığı gibi en kısa yolu izler, yani eğri bir yol izler. İşte bu da ışığın kütle çekiminden etkileniyormuş gibi görünmesini sağlar.
Böylece Görelilik Çerçevesine geliyoruz:
Görelilik Kuramına göre duran herhangi bir cismin sahip olduğu tek bir hız vardır, o da ışık hızıdır. Ancak bu hız, uzay ve zaman boyutları arasında paylaşılmıştır. Işık, sadece uzay boyutunda hareket eder, zaman boyutunda hiç hareket etmez, bu yüzden fotonlar için zaman hiç geçmez. (Fotonun çerçevesinden tabi). Diğer cisimler (kütleye sahip olanlar) zaman içinde de hareket ettikleri için, hızlarının bir kısmını bu boyuta aktarırlar, dolayısıyla öbür boyutlardaki (uzay boyutları) hızları ışık hızından küçük olur. Tek bir hız olduğu ve bu hız da uzay ve zaman boyutları arasında paylaşıldığı için, hiç bir cisim ışıktan hızlı gidemez, çünkü bütün cisimler için var olan tek hız “ışık hızı”dır.
Evrendeki her nesnenin sahip olduğu tek bir hız vardır, o da ışık hızıdır. Ancak sahip olunan bu muazzam hız, zaman ve uzay tarafından paylaşılmıştır. Duran bir nesnenin bütün hızı zaman boyutundadır, yani duran bir nesne zaman içinde ışık hızıyla yol alır. Cisim hareket ettiğinde sahip olduğu bu doğal hızının bir kısmını uzaya aktarır. Yani uzay içinde hızlanıldığında, zaman içinde yavaşlanır. İşte bu nedenle hareketli cisimler için saatler yavaşlar. Hızın ne kadar fazlası uzaya aktarılırsa, zaman içinde o kadar hız kaybedilir. Uzay içindeki hız arttıkça, zaman daha da yavaş geçmeye başlar. Işık hızı uzayda ulaşılabilecek en yüksek hızdır ve bu hıza (uzay içinde) sadece ışık ulaşabilir; bu yüzden ışık zaman içinde hareket edemez, yani donmuştur. Yine bu nedenle ışık için zaman hiç geçmez. Her ışık zerresi, ilk doğduğu andaki yaşındadır, onun için zaman durmuştur. Bize en yakın galaksi 2 milyon ışık yılı uzaklıktaki Andromeda Galaksisidir. Andromeda’dan ışığın bize gelmesi 2 milyon yıl sürer (bizim için), ancak ışığa göre Andromeda’dan bize gelmesi anlık bir olaydır. Çünkü ışık zaman içinde donmuştur, ışığın gözünden herşey bir anda olup biter: Evren bir anda doğar, bütün zaman bir anda akıp gider ve zamanın sonu bir anda gelir.
Diğer çerçeveler (yani Kuantum Elektro Dinamiği ve Standart Kuram) konusunda bilgilerime ya da anlayışıma güvenemediğim için bu konularda bir şey yazmıyorum. Yarım yamalak bilgi vermek istemem.
Bu konuda söyleyebileceğim tek şey Kuantum Mekaniği çerçevesinden bakıldığında ışık hızının sabit olmadığını, çok küçük boyutlarda ışığın herhangi bir hızda hareket edebileceğidir.
Kuantum Elektrodinamiği ve Feynmann hakkında biraz daha yazılacak.
Maxwell denklemleri de biraz daha geniş ele alınacak.
Işığın yayılması ile ilgili Ether kuramı da ele alınacak, bu konuda yazdığmı bir başka yazıya link bağlanacak.