Işık Hızı ile İlgili Temel Bilgiler: Işık Hızını Neden Geçemeyiz?

Işık hızı (fotonların hızı), kusursuz vakumda saniyede 299.792.458 metredir (m/s). Bu, kabaca saatte 1.079.250.000 kilometreye eşittir. Yani saatte 300 kilometre hız yapabildiğiniz bir arabayla çıkabileceğiniz maksimum hızın 3.597.500 katına... Fotonları bu hızda gidiyor gibi görüyoruz, çünkü fotonların kütlesi yoktur. Buna rağmen kinetik enerjileri vardır; ancak buna az sonra geleceğiz.

Einstein ışık hızı için "Evren'in hız limiti" demişti. İddiasına göre ışıktan hızlı gitmek nedensellik prensibini ihlal etmek demekti. Bu konularla ilgili derin bilgisi olmayan okurlarımız için, "nedensellik" ilkesi basitçe bir neden ile sonucu arasında ilişki olması demektir. "Neden-sonuç ilişkisi" olarak da bilinir. Nedensellik ilişkisinin bozulması ise mantık hatalarına neden olur. Buna bir örnek olarak, henüz tetiği çekmemişken, silahınızdan çıkacak merminin hedefi vurması örneğini verebiliriz. Işık hızını aşmak, bazı temel enerji yasalarını ihlal etmek anlamına gelir. Ancak bu yapılabilecek olursa, zamanda yolculuk bile mümkün olacaktır.

Özer Aydoğan

Neden Hiçbir Şey Işıktan Hızlı Gidemez?

Buna dalmadan önce, ışık hızının ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Böylece "evrensel hız sınırı" ile ilgili bazı yanlış anlaşılmaları düzeltebiliriz.

Fotonlar da dahil olmak üzere evrenimizdeki her parçacık, "Higgs alanı" dediğimiz bir alan içerisinde hareket ederler. Bunu su içerisinde yüzmeye benzetebilirsiniz; ya da sert rüzgarlı bir havada, rüzgara karşı yürümeye. Nasıl ki su içerisinde veya rüzgara karşı ilerlemek zorsa, parçacıklar da Higgs alanından geçerken zorlanırlar ve bu onlara kütle kazandırır. Farklı parçacıklar Higgs alanıyla farklı şiddetlerde etkileşime geçerler. İşte bu sebeple bazı cisimler daha ağırdır, diğerleri daha hafiftir. Fotonlar da Higgs alanından geçerler; ancak onunla hiç etkileşmezler, olduğu gibi içinden geçer giderler.

Bu ne anlama gelir? Fotonlar bu alanla etkileşmedikleri için, onların hızını kesecek hiçbir unsur yoktur. Bir diğer deyişle, serbest bir şekilde, hiçbir engele takılmaksızın uzayda hareket ederler. Dolayısıyla tek sınırları, halihazırda var olan sabit hızları gibi gözükmektedir. Bu hız fotonun, dolayısıyla herhangi bir diğer parçacığın da çıkabileceği en yüksek hızdır. Çünkü kütlesiz olup, hiçbir kütle kazandırıcı alanla etkileşmeden gidip de, daha yüksek bir hıza çıkmanız bu evren şartlarında mümkün değildir; mümkün olsaydı, fotonlar o hıza çıkabilirlerdi. Çünkü kütlesizden daha kütlesiz bir yapı var olamaz; dolayısıyla fotondan daha "hafif" olup da, daha hızlı gitmesini hayal edebileceğimiz bir parçacık var olamaz. Evren'imiz bu hızla sınırlanmıştır.

Yani kim olursa olsun ve ne kadar yüksek teknoloji geliştirirsek geliştirelim, bu hıza asla ulaşamayacağız. Bunun sebebi ise çok basit: Kütlemiz var! Kütleli bir nesneyi istediğiniz gibi hızlandırabilirsiniz. Ancak şunu söylemeliyiz ki, "c"ye (Latince'de "celeritas", yani "hız") ulaşabilmeniz için sonsuz enerjiye gerek duyarsınız. Üzülerek söylüyoruz ki, evrende sınırlı bir enerji var. 

Ne var ki bu, ''c''nin %90'ına, %99'una ya da %99,9999'una razı olacağımız anlamına da gelmiyor. Bizler her zaman, enerjiden ekstra bir parça daha ekleyerek, hızı ''c''ye yaklaştırıyoruz; ancak ulaşmamızın olanağı bulunmuyor. Buna, yani ışık hızına yaklaşma deneyimlerine en fazla, Higgs bozonunu bulduğumuz CERN'de tanık olduk. 

İki protonu birbiriyle, saniyede 299.792.447'şer metre hızlarla çarpıştırarak (ışık hızından yalnızca 11 m/s düşük), yani iki protonu da zıt yönlerde, aynı hıza çıkararak gerçekleştirdiğimiz çarpışmalarda bizler, Einstein'ın $E=m{c}^2$'sinin sınırladığı enerji aralığında, inanılmaz enerjik parçacıklar elde edebiliyoruz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki güncellemeler tamamlandığında ise söz konusu çarpışma hızı, saniyede 299.792.455 metreye çıkarılacak (yani ışık hızından sadece 3 m/s düşük) ve şimdiye kadar Dünya üzerindeki en hızlı protonlar elde edilecek. Ancak buna ''hemen hemen'' parametresini de eklemeliyiz. 

Sonuçta proton, 1836 katı kadar ağır olduğu, atom çekirdeği etrafındaki elektrona nispeten ağır bir parçacık. Protonları, elektronlardan yüksek enerjilerde elde etmiş olsak bile, elektronları aynı hızlara çıkarmamız için gereken enerji, protonları bu hızlara çıkarmamız için gereken enerjinin 1836'da 1'i olur; yani %0,054'ü. Aradaki oran açık: kütleler, yani enerjiler. Yani $E=m{c}^2$; diğer bir deyişle, bir miktar kütlenin enerji olarak karşılığını, kütleyi, çok büyük bir sayı olan, ışık hızının karesi ile çarparak bulabiliriz. Atom bombalarında da bu prensip işler; çok az bir madde (atomik boyutlardaki izotoplar), inanılmaz bir enerji açığa çıkarır. Konumuza dönelim. 

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın öncülü olan Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, 104,5 GeV'luk (1 GeV, yani ''1 Gigaelectronvolt'': Kabaca bir protonun kütlesinin enerji olarak ifadesi) enerjisiyle müthiş bir başarıya ulaşmış olsa da 2009 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 1180 GeV (1.18 TeV) enerjiye ulaşarak rekoru kırmıştır.

Esasında çıkılması beklenen hız, saniyede 299.792.457,9964 metre; diğer bir deyişle, ışık hızının %99,9999999988'i. Bu hız, vakumda; yani prensipte hiçbir madde parçacığının olmadığı boşlukta, ışık hızından saniyede 3,6 milimetre yavaş. Tabii bunlar, bizim enerji kaynakları kısıtlı Dünya'mızdan çıkan sonuçlar. Evrenden bu bağlamda ne gelir; bilemiyoruz, fakat bizim elektromıknatıslı hızlandırıcılarımızdan yüksek enerjilerde bir şeyler olduğu kesin gibi görünüyor. 

Dış uzay, çöken yıldızlarla, süpernovalarla (yıldız kalıntılarıyla) ve süper kütleli kara deliklerle dolu. Özellikle büyük galaksilerin, süper kütleli kara delikler bulunan aktif merkezleri söz konusu olduğunda, manyetik alanlar, Dünya'mızın manyetik alanıyla veya rutin alanlarla karşılaştırılamayacak derecede, milyarlarca kat daha fazla gözlenir. Uzayda her yönden gelen ve adeta evreni kat eden kozmik ışınlar (yüksek enerjili parçacıklar; genellikle protonlar), bizim dünyada ürettiğimiz her makineyi adeta gözümüzde küçültüyor. 

Evet, daha yüksek enerjilere çıktıkça daha az parçacığa rastlıyoruz; fakat en yüksek enerjiler, artık GeV ile ölçülmüyorlar. GeV'in 1000 katı olan TeV (Teraelectronvolt), hatta TeV'un 1000 katı olan PeV (Petaelectronvolt) söz konusu! Tüm bu rakamların yerine şunu söyleyebiliriz: bu enerjilerin hepsini, 10 milyar GeV'a kadar çıkarabiliyoruz; burada sınırlanıyoruz. 

İşte buradaki sayı oldukça ilginç! Çünkü 40 veya 50 milyar GeV'un üzerine çıkıp o enerjilerde kalmanıza, evren izin vermiyor! "Sorun nerede?" öyle değil mi? İster inanın, ister inanmayın, parçacığınız ne kadar yüksek enerjilere çıkarsa çıksın, Büyük Patlama'dan kalan bir radyasyon banyosunun içinden geçmek zorunda! Bu radyasyon, 2.725 Kelvin (-270 Santigrat derece) değerine karşılık gelen bir sıcaklığa sahip, yani bizler için çok soğuk. Eğer bizler her bir fotonun uzaydaki ortalama enerjisini hesaplarsak, 0,00023 electronvolt gibi çok küçük bir enerjiye ulaşırız. Her zaman, bir yüksek enerjili ve yüklü parçacık, bir fotonla etkileşme olasılığına sahip olur. Bu, etkileşen tüm parçacıkların sahip olduğu olasılıkla aynı olasılıktır: eğer $E=m{c}^2$ izin veriyorsa, yeni bir parçacığın oluşabilmesi olasılığı var demektir. 

Şu işe bakın ki, gözlemler de 50 milyar GeV sınırının üzerinde, kozmik ışın bulunmadığını ortaya koyuyor! Protonlar bu enerjiyle hareket ettiği sürece hızlarının ne olacağını tahmin edebilir misiniz? Hızları bu durumda tam olarak, saniyede 299.792.457,999999999999918 metre olurdu. Bu, en yakın galaksiye göndereceğimiz proton ve fotonun yarışında, fotonun, Dünya'mıza sadece 22 mikronluk (mikron: milimetrenin 1000'de 1'i) bir farkla önce ulaşacağı demek. 

Sonuç: evrendeki tüm yüklü parçacıklar (her kozmik ışın, her atom çekirdeği, her proton) ışık hızı ile sınırlanmıştır. Aslında Büyük Patlama'nın kalıntısı sebebiyle, "Tam olarak ışık hızıyla bile değil; ışık hızına çok yakın bir hızla sınırlanmıştır." demek, daha doğru olur. 

Neden Bir Evrensel Hız Sınırı Var?

Peki bu hız neden bu şekildedir ve saniyede 300.000 kilometre civarındadır? Bu, evrenimizin dokusuyla ilgili bir şey. Belirttiğimiz gibi, "evren bu şekilde olduğu için" böyle. Bir başka evrende, bu sınır tamamen başka bir sayı olabilirdi. Ancak şu anda var olduğumuz evrenden söz ediyorsak, sınırımız budur. Bu tür evrenimize has sabitlere "evrensel sabit" adı verilir.

Bunu anlamanın bir diğer yolu şudur: Işığın neden bir başka hızda hareket etmediğini sormak, yerçekiminin neden gökyüzüne doğru değil de yere doğru olduğunu sormak gibidir. Veya neden 2 ya da 4 konumsal boyutlu bir evrende değil de, 3 konumsal boyutlu (en-boy-derinlik) bir evrende yaşadığımızı sormak gibidir. Eğer o evrende yaşıyor olsaydık, "başka bir evrende" yaşıyor olurduk. Tüm bu sayılar, Büyük Patlama anında sabitlenmiş olan sayılardır. Başka şekillerde de sabitlenebilirlerdi ve bu durumda başka bir evrende yaşıyor (veya yaşamıyor) olurduk. 

Parçacıklar hızlanabilmek için kütleye ihtiyaç duyarlar. Kütle yoksa, ivme de yok demektir. Bunu Newton meşhur "F = ma" formülüyle ifade etmiştir. "F" cisme etkiyen kuvvetlerin toplamıdır, "m" kütledir, "a" ise ivmedir, yani zaman içerisinde hızın değişimi. Kütle olmazsa, kuvvet ve ivme de yok demektir. Bir parçacık ışık hızına yaklaştıkça, hızlanmak için daha da fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Bunun sebebi, parçacıklar hızlandıkça toplam enerjilerinin de katlanarak artmasıdır. Bu durum, ışık hızının civarlarına ulaştığınızda giderek sonsuza yakınsar. 

İşte tam olarak bu sebeple eğer ki ışık hızında giden bir elektronu ışık hızından bir gıdım öteye geçirmek isteseydiniz, sonsuz kuvvete (veya sonsuz enerjiye) ihtiyacınız olurdu. Ancak evrende sonsuz enerji yoktur. Dolayısıyla ne yaparsanız yapın, ışık hızına ulaştığınız andan sonra uygulayacağınız enerji hızı arttırmaya yetmez. Bu sebeple ışık hızı, evrenimizin hız sınırıdır.

Fotonun Gözlerinden...

Einstein, Özel Görelilik Teorisi'ni formüle etmek için ilginç bir yöntem kullandı: evreni, bir fotonun gözlerinden görmeye çalıştı. Fark etti ki, işler bir fotonun gözünden çok çok farklıydı. Örneğin eğer ki bir fotonsanız, zamanın sizin için hiçbir anlamı yoktur. Var olan her şey, bir anda var oluyormuş gibi gelir.

Diyelim ki 4 milyar ışık yılı ötede bulunan bir yıldızda üretilen mutlu, küçük bir fotonsunuz. Biz de Evrim Ağacı ekibi olarak Dünya'da bulunan kişiler olalım. Bize göre sizin gözümüze ulaşmanız tam 4 milyar yıl sürmüştür. Çünkü o yıldızdan çıkıp bizim gözümüzün retinasına düşmeniz için 4 milyar yıl boyunca yol almanız gerekir, aradaki mesafeyi kat etmek zorundasınız. Öte yandan bir foton olarak sizin gözünüzde işler başkadır: siz, bir anlığına yıldızda var oldunuz ve aynı an içerisinde bizim gözlerimizin içine ulaştınız. Hiçbir zaman geçmedi. Doğumunuz ve ölümünüz aynı anda oldu.

The Register

Bu nasıl olabilir? Bunun sebebi, ışık hızına yaklaştıkça zamanın yavaşlaması ve nihayetinde, tam ışık hızına ulaşıldığında durmasıdır. Tabii ki dikkat edilmesi gereken, gözlemcinin gözlerinden böyle olmasıdır. Yani bir foton için zamanın var olmaması, bizim için zamanın var olmadığı anlamına gelmez. Zaman vardır, çünkü biz kütleli cisimleriz ve ışık hızında hareket etmiyoruz. Bunları yapabilecek olsaydık, o zaman siz veya biz olmaz, "foton" olurduk. Fotonların devasa yapıda olmamasının, devasa cisimlerinse foton gibi hareket edememesinin nedenlerinden biri de budur. İşte gözlemcilere göre her şeyin değişiyor olmasından ötürü Einstein'ın o meşhur teorisi "görelilik" adını almıştır. Her şey birbirine görelidir.

Işık hızına yaklaşınca zamanın yavaşlaması ve nihayetinde durması, hiçbir şeyin ışık hızını aşamıyor oluşunun bir diğer nedenidir. Çünkü ışık hızına ulaştıktan sonra daha fazla hızlanmaya çalışmak, en başta belirttiğimiz gibi mantık hatalarını doğurmaya başlatır. Zaman durduktan sonra daha fazla yavaşlayamaz; ancak eğer ki daha da hızlanacaksanız, zamanın daha da yavaşlaması gerekir. Bu mümkün değildir. Bu durum, bir arabayı yavaşlatıp tamamen durdurduktan sonra daha da yavaşlatmaya çalışmaya benzer. Frene ne kadar basarsanız basın, durduktan sonra "daha da" yavaşlamanız mümkün değildir.

Agora Bilim Pazarı

Erdemler Serisi: Çocuklar İçin 9 Bilim Kitabı

Ülkemizde ve yurt dışında modern bilimin en önemli isimlerin hayatlarını Serhat Filiz’in harika çizimleriyle öğrenmeye ne dersiniz? Edineceğiniz kitapların detaylarını aşağıda bulabilirsiniz.

Benim Adım Aziz Sancar
İdealist Olmanın Önemi
İdealistti Aziz Sancar. Yaşamını bunun üzerine kurmuştu. Çalışmış, başarmış, ideallerini gerçekleştirmişti. Bütün dünya onu tanıyor ve başarılarını alkışlıyordu. Onu, bugünlere getirenleri hiç unutmadı Aziz Sancar.

Benim Adım Albert Einstein
Azimli Olmanın Önemi
Ben bir bilim insanıyım. Ben de herkes gibi bu dünyada yaşadım ve zamanı gelince ayrıldım. Ama eserlerim, buluşlarım, getirdiğim yenilikler asla unutulmayacak. Yeryüzündeki şartların düzelmesi, savaşların bitmesi, her şeyin güzel olması sadece bilimsel buluşlarla değil, ahlaklı ve doğru bir yaşamla sağlanır. Bunu asla unutmayın!

Benim Adım Graham Bell
Yardımlaşmanın Önemi
Ben Graham Bell. Bir bilim insanıyım. Hayatım boyunca insanların hayatını kolaylaştırmak için çalıştım. Bunun için icatlar yaptım, yeni aletler keşfettim. Tüm bunları yardımlaşmak için, insanlara faydalı olmak için yaptım. Çalışmalarımda, başka bilim dallarında çalışan arkadaşlarımdan yardım aldım. Çünkü insan her konuda anlamıyla bilgi sahibi olamaz. Bilmediğimiz konuları bir başkasına sormak, başkalarının fikirlerini almak bir eksik değil, büyük bir erdemdir.

Benim Adım Louis Pasteur
Disiplinli Olmanın Önemi
Ben bir bilim insanıyım, bir doktorum. Bilim ve barışın, cehaleti yeneceğinden eminim. Milletlerin, yıkmak ve yok etmek için değil, barışı ve yaşamayı yüceltmek için bir gün birleşeceğine inanıyorum. Geleceğimizi, bu yolda uğraş verenlere, bu yolu ışıklandıranlara
borçluyuz.

Benim Adım Marie Curie
Sözünü Tutmanın Önemi
Marie Curie, Nobel Ödülü’nü alan ilk kadın bilim insanıdır. Onun yaşadığı dönemde kadınlar günümüzdeki gibi özgür değillerdi. Bu nedenle bilimsel çalışmalarını yaparken birçok zorlukla karşılaştı. Buna karşın eşi Pierre Curie’ye pes etmemeye dair söz vermişti. Eşinin ölümünden
sonra sözünü tutarak insanlık adına çok faydalı buluşlara imza attı. Nobel Ödülü’nü iki kez alan bilim insanı olarak da tarihe geçti.

Benim Adım Nikola Tesla
Hayal Kurmanın Önemi
Hayal kuran insanları başarıya götüren şey, hayallerinden vazgeçmemeleri ve kararlı olmalarıdır. Bugün düşünüp üzerinde çalışmaya başladığınız bir fikir eğer vazgeçmezseniz ileride insanlığın kaderini değiştiren faydalı bir buluş olabilir. Başarının en büyük sırrı asla pes etmemek, sabırlı olmak ve çok çalışmaktır.

Benim Adım Galileo
Paylaşmanın Önemi
Bir insanın diğer insanların yanında kıymeti, bildiklerini paylaştığı zaman çoğalır. Bu sayede keşfettiğimiz ya da öğrendiğimiz bazı bilgiler diğer insanlara da yol gösterici olur. Sadece bilgiyi değil, elimizdekileri de diğer insanlarla ya da hayvanlarla paylaşmak
hepimizin eşit şartlara ulaşmasında ve birbirimizi sevmede etkilidir. Dünyanın daha güzel bir yer olması kardeşçe yaşamakla mümkün olur.

Benim Elon Musk
Kararlı Olmanın Önemi
Yapmak istediğimiz bir şeyde kararlı olmak o işi başarmakta çok etkilidir. Hayallerimizden, isteklerimizden vazgeçmediğimiz ve onları gerçekleştirmek için çalıştığımız sürece üstesinden gelemeyeceğimiz zorluk yoktur. Yeter ki kendimize inanalım ve güvenelim.

Benim Thomas Edison
Yaratıcı Olmanın Önemi
Hayatın en büyük hataları, başarıya ne kadar yaklaştıklarını bilmeyen insanların, vazgeçmelerinden dolayı olur. Yaratıcılığımızdan ve hayallerinden vazgeçmeyin. Başarıya ancak bu şekilde ulaşılır.

Set İçindeki Ürünler:

•  Benim Adım Aziz Sancar
•  Benim Adım Albert Einstein
•  Benim Adım Graham Bell
•  Benim Adım Louis Pasteur
•  Benim Adım Marie Curie
•  Benim Adım Nikola Tesla
•  Benim Adım Galileo
•  Benim Elon Musk
•  Benim Thomas Edison

Bilgiler ve Uyarılar:

1. Bu ürün sipariş alındıktan 1-3 gün içinde postalanacaktır.
2. Bu eserler, okuma-yazma bilen 5-8 yaş grubuna uygundur.
3. Lütfen sipariş vermeden önce iade ve ürün değişikliği ile ilgili bilgilendirmemizi okuyunuz.
4. Bu kampanya, Panama Yayıncılık tarafından Evrim Ağacı okurlarına sunulan fırsatlardan birisidir.

Devamını Göster

₺600.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Tüm bunları algılamak için ışığı "sonsuz hızda gidiyor" gibi düşünebilirsiniz. Çünkü aksi takdirde insan ister istemez ışık hızını "herhangi bir diğer sınırlı hız" gibi düşünmektedir; bu tamamen yanlıştır. Işığın hızı, yalnızca ona dışarıdan bakan bir gözlemci için sınırlıdır. Siz, o "dışarıdan bakan gözlemci" olduğunuz için ışığın sınırlı bir hızı olduğunu görürsünüz. Ancak evrende her şey görelidir. Fotonun gözlerinden bakacak olursanız, kendisi sonsuz bir hızda ilerlemektedir. Bu durum, bize ilginç bir gerçeği verir: eğer ki fotonlar gibi sonsuz hızda ilerleyebilirseniz, evren içerisindeki herhangi bir noktadan, herhangi bir diğerine, tam olarak 0 (sıfır) saniyede ulaşabilirsiniz.

Işığı Yavaşlatabilir miyiz?

Günümüzde ışıktan hızlı (süperlüminal) hareket edebilmenin bilinen tek bir örneği vardır. Bunu mümkün kılmak için hile yapmamız gerekir: madem biz ışık hızına çıkamıyoruz, ışığı yavaşlatabiliriz. Bu durum, ışık su içerisinden geçerken olur.

Unutmayın: evren içerisinde hiçbir şey saniyede 300.000 kilometreden hızlı gidemez. Ancak bu hızda giden fotonlar, önlerindeki engeller arttırılarak yavaşlatılabilirler. Bunun en tipik örneğini su içerisinde görürüz: suyun içerisinde ışık, tüm hızının 3/4'üne kadar yavaşlar. Yani %25 hız kaybeder. 

Bu konudaki bir diğer hile, aslında fotonların hızlarının yavaşlamıyor oluşudur. Unutmayın, fotonlar kütlesizdirler ve evrenimiz içerisindeki en yüksek hızda hareket ederler. Ancak bu, tek bir fotonla ilgili bir durumdur. Burada bilmemiz gereken bir diğer önemli gerçek, ışığın hem parçacık, hem de dalga olarak davranıyor oluşudur. Bu ikilik henüz tam olarak anlaşılamamıştır; ancak ışık duruma göre sanki birbirini takip eden bilyeler gibi parçacıklar halinde hareket eder; kimi zamansa tıpkı su yüzeyindeki çalkalanma sonucu oluşan dalgalara benzer bir harekette bulunur. İşte ışığı yeni bir ortamda yavaşlatan, bu dalgasal özelliğidir. 

Işığın 2 tip hızı bulunmaktadır: faz hızı ve grup hızı. Çok detay olacağı için bu terimlerin anlamlarına girmeyeceğiz; ancak dalga halinde yayılan ışık, su veya katı gibi vakuma göre aşırı yoğun bir ortama girdiğinde, grup hızı yavaşlar; faz hızı ise değişmez. Grup hızını dalganın genel hızı olarak düşünebilirsiniz; faz hızı ise tekil bir ışık dalgasının (fazının) genel dalga içerisindeki hızıdır. Bir ışık huzmesi içerisinde birbirinden farklı dalgaboyları ve frekanslarda, farklı ışık dalgaları bulunabilir. Bunların toplam yayılım hızını "grup hızı", tekil hızlarını ise "faz hızı" olarak düşünebilirsiniz. Bu noktayı kavraması birazcık güç olabilir; ancak burada işin kuantumuna girmekten ziyade, temel bilgileri alabilmenizi hedefliyoruz; bir başka yazımızda bunun detaylarını açabiliriz.

Işığın yavaşlamasını anlamak için, belirttiğimiz gibi dalga özelliğini anlaşılması gerekmektedir. Ayrıca ışık hızının vakumlu ortamda, yani etkileşecek neredeyse hiçbir şeyin var olmadığı bir ortam için tanımlandığını hatırlayınız. Şimdi bu bilgileri kullanarak, ışığın neden yavaşladığını algılayabiliriz: ışık, yoğun bir ortama girdiğinde, o ortamın atomlarıyla etkileşmeye başlar. Her cismin atomik yapısı birbirinden farklıdır, dolayısıyla ışıkla olan etkileşimi de farklı farklı olacaktır. Örneğin "opak" olarak bildiğimiz cisimler, ışığı tamamen soğururlar ve neredeyse hiç geçirmezler. "Transparan" cisimlerse ışıkla çok az etkileşirler, onu çok az soğururlar ve ışığın içlerinden geçmesini mümkün kılarlar. Bu opaklık seviyesi, bir dizi atomun sıralanmasıyla oluşan cisimlerin fiziksel bir özelliğidir. Farklı sıcaklıklarda bu opaklık değişecektir, çünkü atomların cisim içerisindeki titreşme frekansı değişir ve buna bağlı olarak atomların, ışığın dalga boyuyla etkileşimi değişir. Tıpkı birbiriyle çakıştığı zaman birbirini güçlendiren ya da sıfırlayan dalgalar gibi düşünebilirsiniz bunu. Cisimlerin atomik yapısının titreşme frekansına fonon adı verilir.

Eğer ki ışığın geçmeye çalıştığı cismin fonon yapısı ışığın kendi fiziksel özellikleriyle uyumlu değilse, onu emmeye çalışır; ancak ememeyerek hemen geri bırakır. Fakat bu kısa etkileşim, ışığın grup hızında düşmeye neden olur. Tam olarak bu sebeple ışık yoğun ortamdan geçerken yavaşlar. Yani aslında faz hızı değişmemektedir; ancak ışık dalgası grubunun ortamla etkileşimi ona ufak bir gecikme katmaktadır. Ortam yoğunlaştıkça, bu etkileşimin yoğunluğu da artar ve ışığın hızı daha da düşer. Bu noktada sizi daha da şaşırtmak adına, 15 Temmuz 2013'te Harvard Üniversitesinden Lene Vestergaard Hau'nun ışığı geçici olarak tamamen durdurup, sonra hareketine normal şekilde devam etmesini sağlamayı başardığını söyleyebiliriz. Tabii ki buna burada girmeyeceğiz, meraklılar kaynaklarımıza giderek söz konusu makaleyi okuyabilirler. Durmuş bir ışık! 

İşte nükleer reaktörlerde radyoaktif çubuklardan saçılan yüklü parçacıklar, su içerisinde bu şekilde yavaşlatılan ışığın hızını aşabilirler. Fotonların aksine radyoaktif parçacıklar yüklü cisimler oldukları için, ışığın hızından daha hızlı hareket ettikleri sırada Cherenkov Işıması denen elektromanyetik bir ışıma yaparlar. Bunun basit anlamı şudur: çarptıkları her cismi radyoaktif hale getirirler. İşte bu yüzden nükleer reaktörlerin içerisindeki sular ürpertirici bir şekilde mavi bir renge sahiptir. Işığın hızından hileli bir ortamda da olsa daha hızlı giden bu parçacıkların ışıması sayesinde nükleer reaktörlerde yüksek enerjili yüklü parçacıkların özellikleri test edilebilir. Böylece harcanan yakıt çubuklarının ömürleri hesaplanabilir. Yani mühendisler ve bilim insanları, ışığın bu özelliğinden faydalanarak reaktörlerde tespitlerde bulunabilirler.

Peki Ya Kütleçekim Hızı?

Işığın hızını ve sınırını anladık, sıkıntı yok. Peki ya kütleçekimin bir hızı var mı? İki cismi yan yana koyduğumuzda, birbirlerine aynı anda mı etki ederler, yoksa tıpkı ışıkta olduğu gibi, aşırı küçük de olsa, dış gözlemci tarafından fark edilebilen bir zaman farkıyla mı etki ederler? 

Yanıt evet, kütleçekimin de bir hızı vardır. Teknik olarak bu hız, ışık hızıyla birebir aynıdır. Çünkü nedenleri aynıdır: kütleçekimine neden olduğu düşünülen parçacıklar da fotonlar gibi kütlesizdir ve Higgs alanından etkilenmezler. Bu yüzden ışık hızına kadar hızlanabilirler; aynı sebeplerden ötürü bunu geçemezler. Bu durum da uzay-zamanın ana özelliklerinden birisidir.

Güneş'in ışığı Dünya'ya 8 dakika 20 saniyede ulaşır. Çünkü ışık, dışarıdan bakan gözlemciye göre saniyede 300.000 kilometre hızla ilerler (tabii kendisi için hız sonsuz, süre sıfırdır). Kütleçekim de birebir aynı hızla ilerler. Bu durumda çok ilginç bir gerçekle karşılaşırız: ola ki Güneş bir anda yok olacak olsa, Dünya tam 8 dakika 20 saniye boyunca bunun farkına varmadan yörüngesinde dönmeye devam eder. Çünkü 8 dakika önce Güneş'ten çıkan kütleçekim alanı, halen Dünya'yı aynı yörüngede tutmaktadır. Güneş'in kaybolmasıyla birlikte birden dalgalanan uzay-zamanın Dünya'ya kadar ulaşması 8 dakika 20 saniye sürer. Bu noktadan sonra Dünya'nın yörüngesine etki eden kütleçekim kuvveti ortadan kaybolur ve Dünya savrulmaya başlar.

Sonuç

Bu yazımızda ışığa dair çok ilginç bazı özellikleri olabildiğince yalın bir şekilde anlatmaya çalıştık. Ne yazık ki teorik olarak ışık hızını aşmamız imkansızdır; çünkü bu evren ona izin vermemektedir. Belki öncelikle bir başka evrene geçer, ondan sonra ışık hızını aşabiliriz; ancak muhtemelen o evrenin de kendi sınırları olacaktır. Bunlar, doğanın "dokusundan" kaynaklanan durumlardır.

Cisimlerin kütlesi arttıkça, onları hızlandırmak da zorlaşır. Zaten bu sebeple CERN gibi araştırma kurumları çarpıştırma deneylerinde ufacık protonları kullanırlar. Aynı şeyi bir demir bilye ile yapmaya çalışacak olsanız, binlerce kat güçlü mıknatıslara ihtiyaç duyarsınız, muhtemelen ışık hızına yaklaşmak mümkün olmaz, çünkü bir bilyenin kütlesini o hıza çıkarmak aşırı zordur. Protonları bile %100 ışık hızına çıkarmamız mümkün değildir; ancak ona çok yakın bir hıza eriştirebiliriz. İşte zaten o sebeple ışık hızı aşılamaz. Bilyeyi bile o hıza çıkaramazken, ışık hızına yaklaşan cisimlerin kütlesinin sonsuza yaklaşıyor olması, o "bir gıdımlık daha" hızlanmayı imkansız kılmaktadır.

Eğer ışığın doğası ile ilgili daha fazla bilgi almak isterseniz, buradaki makalemizi okuyabilirsiniz.