Elektrik ve manyetizma birbirini tetikliyorsa (indüklüyorsa), bunlar arasında bir gecikme olması gerekmez mi? Böyle bir faz farkı veya gecikme var mı?

Elektromanyetik dalgalar, modern teknoloji ve komünikasyonun neredeyse her alanında yer almasıyla beraber günümüzde artık birçok insanın aşina olduğu bir kavram olarak karşımıza çıkmaktadır. Tartışılmaz derecede kullanışlı olmaları bir kenara, doğaları ve günümüz fiziğindeki önemli yerleri gerek akademik çerçevede gerek popüler bilim camiasında onları gerçekten de anlatılmadan geçilemeyecek bir duruma getirmiştir (Evrim Ağacı'nın konu hakkındaki yazısı burada). Fakat bu popülaritesinin getirdiği dolaylı bir sonuç olsa gerek; elektromanyetik dalgaların nasıl oluştuğuna dair günümüzde ezbere geçip düzeltilmesi gereken, yanlış anlaşılmalara çok müsait kalıp bir açıklama bulunmaktadır.

İndükleme Açıklaması

Elektromanyetik dalgaların oluşma sebebi ile ilgili göreceğiniz en yaygın açıklama muhtemelen değişen elektrik ve manyetik alanların birbirlerini tetiklemesi (indüklemesi) olacaktır. Bu ifadede yanlış bir şey yok, öyle ki elektromanyetizma konusunun temelinde yatan Maxwell Denklemleri'nin ^[1] içeriğinin büyük bir yoğunluğunu bile kapsamakta. Fakat örneğimizdeki uygulaması için aynı şeyi söylemek pek mümkün değil.

National Oceanic and Atmospheric Administration

Verilen şekilde gördüğünüz birbirine dik kırmızı ve mavi renkli oklar belirtildiği üzere elektrik ve manyetik alanları temsil etmektedir. Burada kafanızı kurcalayabilecek sorulardan bir tanesi de birbirlerine dik iki alan vektörü ele alındığında bunların nasıl aynı anda eşit şiddette (gösterim bakımından uzunlukta) olacağıdır. Şayet eğer ki biri diğerini indüklüyor ise bir sebep-sonuç ilişkisi söz konusudur ve etken alan ile edilgen alan arasında zaman bakımından bir faz farkı bulunmalıdır, fakat göreceğiniz herhangi bir animasyonda da gerçekte de durum bu değildir.

Özel Görelilik Teorisi'nin Payı

Ana motivasyonlarından biri Maxwell Denklemleri'ni bütün eylemsiz referans sistemlerinde geçerli bir fizik yasası haline getirmek olan Özel Görelilik Teorisi ile burada karşılaşmak şaşırtıcı olmasa gerek. Özel Görelilik Teorisi'nin önümüze sunduğu hız sınırı kavramı fiziksel bütün ögelerde geçerli olduğu gibi bilgi aktarımı için de geçerlidir. Bu gerçek, bir parçacığın hareketi sonucu gerçekleşmesi gereken herhangi bir olayın da gecikmeli olarak gerçekleşeceği gerçeğini beraberinde getirir. Bu örnek elektriksel yükler göz önünde bulundurulduğunda bize bir ipucu olabilir.

İvmelenen Bir Elektriksel Yük

Elektriksel yüklerin durgun halden harekete geçtiği bir örneği ele aldığımızda, belirli bir konuma eski yerinde olduğundan (elektrik alan şiddeti yükten olan mesafeye bağlı olduğu için) farklı bir elektrik alan sağlayacak ve akım oluşturarak bir manyetik alan ortaya çıkaracaktır.

Bahsi geçen konuma atanacak olan bu yeni alan değerleri de, yüklü parçacığın konum ve hız bilgilerinin iletimi yukarıda bahsettiğimiz üzere anlık olmayıp sınırlı bir hızda iletildiğinden dolayı, belirli bir zaman içerisinde iletilecektir. Bu olay, yabancı literatürde "Retarded potentials" ^[2] olarak geçmektedir. İsimlendirmedeki "retarded" kelimesi iletimdeki gecikmeye, "potentials" kelimesi de elektromanyetik alanın potansiyeline karşılık gelmektedir. Bu örnekteki bahsi geçen (alan değerlerini kontrol ettiğimiz) konumu herhangi bir çizgi üzerindeki sırayla bütün konum noktalarına uyguladığınızda elde edeceğiniz gecikmeli elektromanyetik alan güncellemeleri bütünü, aslında başından beri hakkında konuştuğumuz elektromanyetik dalgalardır. Parçacık bu çizgide ileri geri hareketine devam ettiği sürece elektromanyetik dalgalar paketler halinde (kuantumlanmış şekilde) gönderilmeye devam edilecektir.