Işık Hızı Neden Sabittir?

Bilim çoğunlukla kurgusal bir yapıdır, bilimsel kuramlar belli çerçeveler içinde anlaşılır. Bu çerçeveler, aslında temelinde bazı varsayımlar ve gözlemler yatan matematiksel yapılardır. Çerçeveler, olguları modellememizi sağlarlar. Bu çerçeveler şunlardır:

• Klasik Fizik,
• Görelilik (Özel ve Genel),
• Kuantum Elektrodinamiği,
• Standart Kuram,
• Sicim Kuramları (henüz tamamlanmadı).

Var olan 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 büyük deneysel fizikçi Faraday‘ın yaptığı birçok deneyle Elektrik ve Manyetik olayların birbiriyle ilişkili olduğu anlaşılmış, ancak elektrik ve manyetizma ile ilgili olgular genel kuramsal bir çerçeveye oturtulamamıştı. Bu konuda çalışan diğer bilim insanları da (Ampere ve Gauss) birtakım keşiflerde bulunmuşlardı. Sonunda 1861-1862 yıllarında Maxwell bu üç bilim insanının çalışmalarını tek bir çerçeve içine oturtmayı başardı ve elektrik ve manyetizma ile ilgili bilinen her şeyi dört denklemde özetledi (Maxwell Denklemleri). Bunlar diferansiyel denklemlerdi ve elektrik ve manyetizma kanunlarını ifade ediyorlardı. (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 sistem Hertz tarafından boşlukta hareket eden ışık için çözüldü ve ışık hızı elde edildi. Kısaca açıklamak gerekirse, Maxwell denklemleri elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızını veriyordu.

Aslında, bu olguyu domino taşlarının birbirini devirmesi ile örnekleyebiliriz. Bir tele dokunduğumuzda bir titreşim yaratırız. Bu titreşim tel boyunca belli bir hızla hareket eder. Tıpkı bunun gibi, bir elektrik alana “dokunduğunuzda”, az ilerisinde bir manyetik alan oluşturmuş olursunuz. Bu manyetik alandaki değişim de hemen komşusunda bir elektrik alanı yaratır. Bu tıpkı domino taşlarının birbirini devirmesi gibidir. Nasıl ki devrilen domino taşlarının bir hızı vardır, aynı şekilde, birbirini etkileyen elektrik ve manyetik alanların yayılmasının da bir hızı vardır. İşte Maxwell’in denklemlerinin anlatmaya çalıştığı şey buydu. Hertz, işte bu hızı ölçtü.

Şaşırtıcı olan, Hertz’in kuramsal olarak bulduğu değerin, ışığın daha önce ölçülmüş olan hızına eşit çıkmasıydı. Işığın bir elektromanyetik dalga olduğu böylece anlaşılmış oldu. Sonradan Hertz bunu deneysel olarak da doğruladı. Laboratuvarında çeşitli anten düzenekleri oluşturdu ve elektromanyetik dalgaların varlığını kanıtlayarak, hızlarını ölçtü. Çıkan değer, ışık hızına eşitti.

Macera burada bitmiyor. Maxwell denklemlerinin ışık için çözümü incelendiğinde ışık hızının, kaynağın hızından bağımsız olduğu görülür.

Aşağıdaki denklem, ışık hızının değerini elektrik ve manyetik sabit denen iki sayıya bağlıyor. Bu iki sayı da sabittir ve değişmez. O halde ışığın hızı (c), bu iki sabitin çarpımının karekökünün tersine eşit olduğundan, ışık hızı da değişemez. Maxwell denklemlerinden elde edilen sonuç buydu.

Yukarıdaki denklem Hertz’in çözümüdür. Dikkat edilirse bu denklemde kaynağın hızı (v) bulunmuyor.

Yani kaynağın hızı ne olursa olsun, ışık hep aynı hızda hareket etmek zorundaydı. Bu sonuç, Michelson ve Morley‘in deneyleriyle de doğrulandı. Yani ışık gerçekten de kaynağın hızından bağımsız olarak hep aynı hızda hareket ediyordu.

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 getirilmişti ve bilim insanları bu kuramla ters düşmeye cesaret edemiyordu. Ama Maxwell, Hertz ve Michelson-Morley’in çalışmaları bu ilkelerin geçerli olmadığını söylüyordu. Birçok klasik fizikçi bu paradoksu çözmeye çalıştı ama başarılı olamadı. İçlerinden yalnızca biri, yani Einstein paradigmayı değiştirecek cesur adımı atarak ışık hızının sabit olması gerektiğini kabul etti ve bunun tuhaf sonuçlarını inceledi. Sonuçta ortaya Özel ve Genel Görelilik ilkeleri çıktı.

Maxwell denklemleri klasik fizik çerçevesi içinde yer almasına rağmen klasik fiziği yıkan adımın atılmasına neden olmuştur. Kütleçekim kuvveti uzayzamanı eğer, ışık ise eğri uzayda en kısa yolu izler, bu da ışığın yolunun kütle tarafından bükülmüş gibi görünmesine yol açar. Yani ışığın kütle çekiminden etkileniyormuş gibi görünmesini sağlar.

Görelilik

Görelilik Kuramı’nın çok ilginç bir iddiası vardır:

Evrendeki her nesnenin sahip olduğu tek hız, ışık hızıdır.

Buna göre şu an hepimiz ışık hızında hareket ediyoruz. Ancak sahip olduğumuz bu hız, uzay ve zaman boyutları tarafından paylaşılır. Duran bir nesnenin bütün hızı zaman boyutundadır, yani duran bir nesne zaman içinde ışık hızıyla yol alıyor demektir. Cisim hareket ettiğinde sahip olduğu hızın bir kısmını uzaya aktarır. Bir cisim uzay içinde hızlandığında, zaman içinde yavaşlamak zorundadır.

Işığa gelince… Işık, sadece uzay boyutunda hareket ettiği için zaman boyutunda hareketsizdir. Bu yüzden fotonlar için zaman hiç geçmez. Kütleli cisimlerin hızlarının büyük çoğunluğu zaman boyutunda olduğundan uzay boyutunda hızları ışık hızından küçük olmak zorundadır. Özetle, bütün cisimler tek bir hıza sahiptir ve bu hız uzay ve zaman boyutları arasında paylaşılır. Bu nedenle bir cisim ışıktan hızlı gidemez.

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.

Uzay içinde ışık hızında hareket eden bir cisim zaman içinde hareket edemez, yani donmuştur. Bu nedenle ışık için zaman hiç geçmez. Her ışık zerresi, ilk doğduğu andaki yaşındadır, onun için zaman durmuştur. Bize en yakın büyük spiral galaksi 2 milyon ışık yılı uzaklıktaki Andromeda Galaksisi‘dir. Andromeda’dan ışığın bize gelmesi 2 milyon yıl sürer (bizim için), ancak ışığa göre bu anlık bir olaydır. Çünkü ışık zaman içinde donmuştur, ışığın gözünden her şey bir anda olup biter: Evren bir anda doğar, bütün zaman bir anda akıp gider, zamanın sonu bir anda gelir.