Işık, Farklı Ortamlarda Neden Yavaşlıyor? Işığı Tamamen Durdurmak Mümkün mü?

Işık, 1 saniyede 299.792.458 metre yol alabilir.^{[1], [2], [3]} Yani kabaca 1 saniyede 300 milyon metre... Saatte 1 milyar kilometre. Bu, Dünya etrafında 1 saniyede 7 tura karşılık gelir! Dolayısıyla ışığın 32 santimetre uzunluğundaki 2 litrelik bir kola şişesinin bir ucundan diğerine ulaşması 1 nanosaniye sürer. 1 saniyenin milyarda biri...

Siz, modern bir videoyu en yüksek ayarlarda izlerseniz, genellikşe saniyede 60 tane fotoğraf karesi görürsünüz ("60 fps" denen kavram budur). Bu yüksek hızlı kare değişimini beyniniz fark edemez ve bu nedenle o fotoğraf karelerini, "akan bir video" gibi algılarsınız. Eğer saniyede 60 kare değil de, saniyede 1 milyar kare kaydeden bir kameramız olsaydı, bir ışık huzmesinin kola şişesinin bir ucundan girdiği ânı görebilirdik ama bir sonraki karede ışık çoktan diğer uca ulaşmış olurdu. Bu, az çok şöyle gözükürdü:

MIT Media Lab

Dolayısıyla daha da hızlı bir kameraya ihtiyacımız var. 1 saniyede 1 trilyon kare kaydettiğimizi düşünün. Bu durumda ışık, kola şişesinin bir ucundan diğerine ulaşana kadar 1000 civarında kare yakalayabilirdik. Bu kareleri biraz yavaşlatırsak göreceğimiz, bu olurdu:

MIT Media Lab

Ufak bir ışık huzmesinin şişe boyunca hareketi... Bu, MIT Medya Laboratuvarı araştırmacıları tarafından gözlenmiştir.^[4]

Ama bu, elbette ışığı gerçekten yavaşlatmak değildir. Sadece ışığın gerçek hızını kaydetmiş ve o kaydı yavaşlatmış oluruz. Sizin bir yerden bir yere koştuğunuz bir videoyu 2 kat hızlı oynatırsak, sizi 2 kat hızlandırmış olmayız. Veya ışığın hareketine yönelik videoyu 2 kat hızlandırırsak, ışık hızını aşmış olmayız. Çünkü Evren'deki ışık hızı limiti, ışığın kendisiyle ilgili bir özellikten ziyade, Evren'in dokusuyla ilgili bir durumdur. Bu hız limiti, bilgi transferini sınırlandıran bir limittir. Videoyu 2 kat hızlı oynattığınızda, o videodaki ışığın taşıdığı bilgiyi 2 kat hızlı aktarmış olmazsınız. Dolayısıyla hız limiti aşılmamış olur.

Farklı Ortamlarda Işık Hızı ve Işığı Durdurmak

Işığın hızı saniyede 300 milyon metre olduğu bilgisi, sadece vakumda iken doğrudur.^[5] Yani uzay boşluğunda hiçbir atomun var olmadığı, sadece elektrik ve manyetik alanlar gibi uzay-zaman dokusuna kuantum niteliği kazandıran alanların bulunduğu bir ortamda, ışık bu hızda hareket eder.^{[6], [7]}

Ama Dünya gibi gezegenler, vakumda değillerdir. Gezegenimizde bolca madde bulunur. Atmosferi oluşturan gazlar, canlıların saçtığı moleküller, gezegeni oluşturan sıvı ve katılar, ışığın aşması gereken engeller yaratır. Bu ortamlarda ışığı takip ettiğimizde, hızının saniyede 299 milyon 792 bin 458 metre olmadığını görürüz. Örneğin ışığın hızı atmosferde bundan sadece on binde 3 daha yavaştır (299.702.547). Suya girdiğinde, bu hız birden %25 azalır. Camda, %33 yavaşlar. Aşağıda, bir dizi ortamda ışığın hızını görebilirsiniz.

Görebileceğiniz gibi bu listeye eklediğimiz ortamlar arasında en yavaşı, saniyede 115 milyon 394 bin 791 metre hızla kurşundur. Ama ışığı bundan çok daha fazla yavaşlatmak mümkündür. Örneğin bundan 20 sene kadar önce Harvard ve Cambridge'den bilim insanları, maddenin mutlak sıfırda aldığı Bose-Einstein Yoğuşuğu adı verilen çok özel bir hâlinden faydalanarak, ışığı saatte 60 kilometreye kadar yavaşlattılar.^[8] Bu, arabanızla rahatlıkla erişebildiğiniz bir hızdır. Örneğin Usain Bolt, 2009'da saatte 45 kilometre hıza erişmişti.^[9] Yani biraz daha zorlasa, ışığın en yavaş hallerinden birini geçebilecekti. Bu bakımdan, Bolt'un neredeyse ışık hızında gittiği söylenebilir.

Bu tarihi başarıdan 2 sene sonra bilim insanları 1 saniyeden çok daha kısa bir süreliğine ışığı tamamen durdurmayı başardılar.^[10] 2013'te Georgia Teknik Üniversitesi araştırmacıları 16 saniye boyunca ışığı dondurmayı başardılar.^[11] Aynı yıl Darmstadt Üniversitesi 1 dakika boyunca ışığı hapsetmeyi başardılar.^[12] Bu, ileride uzun menzilli kuantum ağlar inşa ederken kullanılabilir veya ışık yardımıyla kuantum veri depolama teknolojilerini mümkün kılabilir.^[13]

Daha önce de anlattığımız gibi, ışık hızını 2 diğer temel sabitten çıkarabilmekteyiz: Manyetik geçirgenlik (${\mu }_0$) ve elektrik geçirgenlik (${\epsilon }_0$) sabitleri. Maxwell Denklemleri'ne göre vakumda ışık hızının ne olacağını, elektrik ve manyetik alanların birbirini beslemesi belirlemektedir. Bu durumda, nasıl olup da farklı ortamlarda ışık hızının farklı olabildiğini merak edebilirsiniz? Çünkü daha önceden de vurguladığımız gibi, elektromanyetik dalga birbirini besleyecek dengede olmazsa, ışığın sönmesi gerekir.

Ancak bu durumla karşılaşmayız, çünkü sözünü ettiğimiz manyetik geçirgenlik ve elektrik geçirgenlik sabitleri, vakumda tanımlı sabitlerdir. Vakum olmayan her ortamda, bu sabitlerin de değeri değişmektedir: Hava için farklı, cam için farklı, kurşun için farklı... Buna, göreli manyetik geçirgenlik (İng: "relative permeability") ve göreli elektrik geçirgenlik (İng: "relative permittivity") denmektedir.^{[14], [15]} Bunlar, şöyle hesaplanır:

${\mu }_r=\frac{\mu }{{\mu }_0}$

${\epsilon }_r(\omega )=\frac{\epsilon (\omega )}{{\epsilon }_0}$

Burada lise fizik veya üniversitede giriş düzeyindeki fizik dersleriyle kurabileceğiniz bir bağlantı, göreli elektrik geçirgenliğinin eski adının dielektrik sabiti olduğudur. Kapasitörler ile ilgili hesaplamalarda karşımıza çıkan "sığa" hesabında, $C=4\pi {\epsilon }_{0}R$ gibi formüllerde kullandığımız veya kimi zaman $\kappa$ şeklinde karşımıza çıkan dielektrik sabiti, işte elektrik alanın vakumdaki veya farklı ortamlardaki geçirgenliği ile ilgilidir.

Eğer bu değerlere göre ışığın hızını farklı ortamlarda hesaplarsanız, vakum harici bu ortamlarda elektromanyetik dalgayı sürdürecek hızın da saniyede 300 milyon metrenin altında olduğunu görürsünüz. Dolayısıyla bu ortamlarda ışık hızı (ve diğer tüm elektromanyetik dalgalar), kendini sürdürebilmeleri için var olan tek hızda hareket etmektedirler - ki bu hız, yukarıdaki tabloda farklı ortamlar için verilmiştir.

Kırılma İndisi Nedir?

Tüm bunlar kafanızı karıştırdıysa, hepsini yine lise fizik derslerinden aşina olduğunuz tek bir sayıya indireceğiz ve birdenbire hepsi çok daha anlaşılır hale gelecek.

Örneğin camdaki elektrik ve manyetik geçirgenlik sabitlerinden yola çıkarak veya cam ile yaptığınız deneyler sonucunda ışık hızını saniyede 194 bin 670 bin 427 metre olarak buldunuz diyelim. Sonrasında vakumdaki ışık hızı sabitini, ışığın cam içindeki hızına böldüğünüzde, 1.54 gibi bir sayı çıkacaktır. Vakumda bu sayı 1, havada 1.0003, suda 1.33, elmasta 2.42, kurşunda 2.6 olur Bu sayılar daha tanıdık geldi mi?

Lisede fizik okuyanlar, bu sayıyı "kırılma indisi" olarak gördüler. Meşhur Snell Yasası'nı hatırladınız mı? Snell Yasası, ışığın farklı ortamlardan geçerken ne kadar kırıldığını belirleyen basit ve zarif bir doğa yasasıdır ve şöyle ifade edilir:

$\frac{n_1}{n_2}=\frac{\sin {\theta }_2}{\sin {\theta }_1}$

İşte o sınav sorularını çözerken kullandığınız $n_1$ ve $n_2$ gibi sayılar, ışığın bu farklı ortamlardaki hızından gelmektedir. Vakumdaki ışık hızını ortamdaki ışık hızına böldüğünüzde, kırılma indisini bulursunuz.

Işık, Farklı Ortamlarda Neden Yavaşlar?

Işığın farklı ortamlarda neden yavaş gitmesi gerektiğini, elektromanyetizma sabitleriyle kolayca anlamak mümkündür; dolayısıyla burada aynı matematiğe tekrar girerek işleri karıştırmayacağız. Ancak bu yavaşlamanın "fiziksel" karşılığı nedir? Evren'in dokusu mu değişiyor da ışık yavaşlıyor?

Yani aşağıdaki görselden de görüleceği üzere, mesela havadan cama giren ışık biraz yön değiştirir, o yönde cam boyunca ilerler, sonra normalde gideceği yöne geri döner ve kaymış bir şekilde de olsa yoluna devam eder. Üstelik camdan havaya tekrar çıktığı anda ışık, cama girmeden önceki hızına geri döner. Bu nasıl olur?

Yanlış/Eksik Açıklamalar

İşin doğrusuna geçmeden önce, FermiLab'den Dr. Don Lincoln'ün de yaptığı gibi, derslerde ve ders kitaplarında sıklıkla başvurulan ama yanlış veya en iyi ihtimalle eksik olan 2 yaygın açıklamaya bakış atalım.^[16]

Işığın Atomlardan Sekme Gereksinimi

Bununla ilgili en yaygın açıklamalardan biri, daha yoğun bir ortama giren ışığın, ortamdaki yoğun atomlardan sekmek zorunda kalması ve bu sırada yavaşlaması ile ilgilidir.

Bu açıklamaya göre, vakumda "mutlu mesut" yoluna devam eden ışık, birden sudaki veya camdaki atomlara çarpmaya başlar. Bu çarpmanın etkisiyle ışık, bir o atoma bir bu atoma yansır. Bu açıklamaya göre ışık, aslında iki atom arasında yol alırken hep ışık hızında gider; ama o atomlara çarpma anında yön değiştirdiği için, normalde o atomlara çarpmasa olacağından daha uzun bir yol kat etmesi gerekir. Daha uzun yol kat etmek, efektif olarak, ortalamada daha yavaş gitmek gibidir. Dolayısıyla camın bir tarafından girip diğer tarafından çıkan ışığı dışarıdan gözleyen bizler, cam içinde yön değiştirerek yolunu uzatan ve zaman kaybeden ışığın yavaşladığını düşünürüz.

Bu, oldukça saçma bir açıklamadır. Eğer böyle olsaydı, ışık hareket ettiği yönde iyice saçılır ve genişlerdi. Yoluna aynı yönde devam etmesi için hiçbir gerekçe olmazdı. Buna bağlı olarak, şöyle bir saçılım görürdük:

Fermilab

Üstelik neden rastgele seken fotonlar hep aynı maddede aynı miktarda yavaşlasınlar? Bir kısmı %30 yavaşlardı, başka bir kısmı daha çok sekmek zorunda kaldığı için %60 yavaşlardı ve ışığın diğer tarafta tüm özellikleri değişirdi. Halbuki bir lazeri havadan cama gönderirseniz, diğer taraftan yine tek bir huzme halinde çıktığını görürsünüz.

Dolayısıyla bu açıklama, deneysel gözlemlerimizle uyuşmamaktadır. Bu nedenle doğru bir açıklama olarak kabul edilemez.

Işığın Elektronlar Tarafından Emilerek Gecikmesi

Bir diğer açıklama, ışığın atomlara çarpıp saçılması değil de, atomlardaki elektronları uyarmasıyla ilgilidir.

Bu açıklamaya göre ışık, maddenin yoğun olduğu bir ortama girdiğinde bir atoma çarpar ve onun elektronlarını bir üst enerji seviyesine çıkarır. Bu kararsız halde kalamayan elektronlar, normal seviyelerine geri düşerler ve bu düşüş sırasında o iki enerji seviyesi arasındakiyle aynı miktarda enerjiyi foton olarak saçarlar. Sonra ışık, iki atom arasında yine ışık hızına döner, bir diğer atomun elektronlarına çarpar ve süreç tekrarlanır. İlk açıklamada olduğu gibi, burada da olan, tüm bu emilme-saçılma olaylarının biraz zaman almasından ötürü, dışarıdan bakan birine ışığın madde içinde zaman kaybetmiş gibi gelmesidir. Bu da yine, efektif olarak, ortalamada ışığın yavaşlaması anlamına gelir.

İlkindeki saçmalığı gören, ikincisini de görebilir. Elektronlar ışık tarafından uyarıldıklarında, eski seviyelerine dönerken saçtıkları fotonu herhangi bir yönde fırlatabilirler. Yani elektronlar, fotonun geldiği yönü hatırlayıp da onunla aynı yönde saçmazlar.^[17] Dolayısıyla eğer bu açıklama doğru olsaydı, cama giren bir ışık karman çorman bir halde her yöne dağılırdı. Bu, şu tür bir gözleme neden olurdu:

Fermilab

Ayrıca elektronların ne süreyle gecikmeye sebep olduğu da rastgele değişmektedir. Dolayısıyla yine ışık, camın içinde hep aynı gecikmeyi yaşamazdı. Bir diğer problem de, elektronların sadece belli enerjilerdeki fotonları emiyor olmalarıdır. Eğer bu doğru bir açıklama olsaydı, diğer taraftan çıkan ışığın belli dalga boylarının daha fazla, belli dalga boylarının daha az geciktiğini görürdük. Ayrıca camdaki elektronlar ışığı emebilseydi, cam transparan olamazdı. Yani bu yaygın açıklama da gözlemlerimizle ciddi şekilde çelişmektedir ve bu nedenle doğru kabul edilemez.

Doğru Açıklamalar

Her 2 açıklamayı da derslerinizde veya sağda solda duymuş olabilirsiniz. Ama maalesef en kolay açıklamalar, her zaman en doğru açıklamalar olmamaktadır. Hatta bu tür en basit gibi gözüken açıklamalar, çoğu zaman en yanlış açıklamalardır. En azından gerçeği tam olarak yansıtamazlar, onun sadece bir kısmını aktarabilirler.

Gerçekte olanı, birkaç farklı seviyede incelemek mümkündür. Biz, doğru cevaplar arasından en doğrusundan başlayalım. Bu kısımda rehberimiz, Nottingham Üniversitesi Fizik & Astronomi Profesörü Michael Merrifield olacak.^[17]

Işığın Dalga Doğası

Işığı düşünürken her zaman dalga özelliğini hatırlamanız gerekiyor; çünkü ışık, bir elektromanyetik bir dalgadır. Önceki iki açıklama, ışığın parçacık doğasını kullanmaya çalışmaktadır, çünkü bir şeyi "top gibi" düşündüğümüzde, onu daha rahat anlarız ve daha kolay anlatırız. Ama ışığın birçok davranışının temelinde parçacık doğası değil, dalga doğası yatar. Bu nedenle ışığı bir dalga olarak düşünmemiz gerekir.

Aynı şey, elektronlar için de geçerlidir. Bir Elektron, bir elektromanyetik dalga değildir. Ancak daha önceden de anlattığımız gibi, elektromanyetik alanı etkileyen ve değiştiren yüklü parçacıklardır. Işık, bu elektronların içinden geçtikçe, onların bulunduğu elektrik ve manyetik alanları etkiler. Buna bağlı olarak da elektronların hareketi değişir.

Dipol Radyasyonu

Yüklü bir parçacık olan elektron hareket ettiğinde ne olur? Elektrik alan değişir. Elektrik alan değişirse ne olur? Manyetik alan değişir. Manyetik alan değişince ne olur? Elektrik alan değişir. İşte, elektronların ışığa bağlı hareketi, kendi elektromanyetik dalgalarını yaratır. Spesifik olarak, dipol radyasyonu adı verilen bir dalga yaratırlar.^{[18], [19], [20]} Ve ışık dalgaları, geçtikleri ortamda bu yarattıkları dalgalarla etkileşmek zorundalar.

Süperpozisyon

İki dalga üst üste bindiğinde, süperpozisyon adı verilen bir olay yaşanır. Aslında süperpozisyon, dalga boyları ve büyüklerinin toplanabilir nitelikte olduğunu söyleyen bir prensiptir; ancak aynı zamanda kuantum ölçekte yaşanan birçok tuhaf olayın da arkasında bu olgu vardır. Bizim için şimdilik gereken, dalgaların toplanabilir özellikte olmasıdır.

Fermilab

Örneğin iki dalga tepesi üst üste gelirse, daha büyük bir tepe oluşur. Çukurlar için de durum aynıdır. Bir tepe ve bir çukur üst üste gelirse, dalga sönümlenir ve o noktada dalganın büyüklüğü sıfır olur. Çift Yarık Deneyi gibi meşhur deneylerde karşımıza çıkan en temel olgu budur.

Ama genelde bu konuda bir nokta atlanır: Peki bir tepe ile çukur değil de, bir "tepe" ile "tepe olmayan bir nokta" denk gelirse? Bu durumda, şöyle tuhaf görünümlü bir dalga elde ediyoruz:

Fermilab

Peki bir dalga diğerine göre farklı bir hızda ("fazda") hareket ediyorsa ne olurdu? Böyle bir durumda, sürekli farklı noktalar, farklı noktalarla üst üste binerdi. Bu, yaklaşık olarak şöyle gözükürdü:

Fermilab

Bu görselde dikkatinizi çekmiş olabileceği gibi, bu yeni dalganın sadece şekli tuhaf değildir. Aynı zamanda hızı da iki dalganın hızından farklıdır.

Ewald-Oseen Yok Oluş Teoremi

İşte bu, aslında doğrudan sorumuzun cevabını vermektedir. Aslında ışığın hızı hiçbir noktada değişmez. Elektronların yarattığı dalgaların da hızı aynıdır. Ama ışık, elektronlarla dolu bir ortamdan geçerken, o elektronları hareket ettirip yeni dalgalar oluşturur.

Ewald-Oseen Yok Oluş Teoremi adı verilen bir teoreme göre, bu dalgaların 2 bileşeni vardır ve ışık, bu iki bileşenle de girişim yapmaktadır.^[21] Bileşenlerden biri, gelen ışık ile aynı dalga boyundadır ama farklı fazdadır. Bunlar üst üste binince, gelen ışık tamamen sönümlenir. 2. bileşen ise, ışık hızından daha yavaş hareket ediyor gibi gözüken bir dalgadır. Dolayısıyla girişim sonrasında ortaya çıkan yeni dalganın şekli de hızı da ışığın vakumdaki ya da bir önceki ortamdaki hızından farklıymış gibi gözükür.^{[22], [23]}

Bu süperpozisyon olayı, ışık ortamı terk ettiği anda kaybolur, çünkü ışık-elektron etkileşimi sona erince, girişim de sona erer. Böylece ışık, normalde bulunduğu ortam her ne idiyse, mesela hava ise havadaki, vakum ise vakumdaki normal ve beklendik hızına geri döner. Yani aslında ışık yavaşlayıp da geri hızlanmaz. Hep ışık hızında gider; ama farklı ortamlarda farklı şekillerde modüle edilir ve değiştirilir.

Kuantum Mekaniği Açısından Işık Hızı

Bunu kuantum mekaniği açısından da düşünmek mümkündür. Kuantum mekaniğinde, ışığın farklı ortamlarda farklı hızlarda gitmesine 2 şekilde yaklaşmak mümkündür.

Aynı Anda Tüm Yolları Alan Işık

Işığın yavaşlamasını kuantum mekaniğinde anlamanın ilk yolu, mikro seviyede foton paketçiklerinin tek bir yolu takip etmediği gerçeğiyle yüzleşmektir. Daha önceden de izah ettiğimiz gibi ışıkla ilgili olaylarda temel bir sorun, ışığı klasik mekanikle düşünüp de fotonları top gibi algılamaya çalışmaktır.

Öte yandan dalgalar da tek başına doğru bir tablo sunamaz. İşin aslı, fotonların sadece parçacık veya sadece dalga olmadığı, ikisini aynı anda olduğudur. Kuantumun tuhaf dünyasında bu mümkündür. Bunu anladığınızda, şu gerçeği de fark edersiniz: Fotonlar farklı ortamlarda hareket ederken, aslında tek bir yolu takip etmezler. Cam içinde alabilecekleri tüm yolları, aynı anda takip ederler. Burada detaylarına girmeyeceğiz; ancak Schrödinger Dalga Denklemi'nden yola çıkarak eğer bu farklı yolları aynı anda almanın matematiğini yapacak olursanız, ışığın tam da cam içinde yapması gereken hareketi ve aynı hızı bulabilirsiniz.

Kuantum mekaniğinin gücü de buradadır: Kuantum nesnelerin hareketini müthiş bir hassaslıkla tespit etmemizi sağlar; ama aynı zamanda hesapladığımız şeylerin gerçeklik algımızla ne kadar ters süreçlere karşılık geldiğini de öğretir. Örneğin biz, ışığın cam içindeki hareketini irdelerken, ışığın gerçekte aldığı tüm yollardan sadece 1 tanesine odaklanmaya çalıştığımız için hataya düşeriz. Kuantumdaki süperpozisyon denklemleriyse bu davranışı tam olarak açıklayabilmektedir.

Kuasiparçacıklar

Kuantum yoluyla olan biteni anlamanın daha kolay bir yolu, kuasiparçacık adı verilen parçacıklara odaklanmaktır. Burada kuasiparçacıkların tüm detaylarına girip de işleri karıştırmayacağız; ancak kuantum mekaniğinde gördüğümüz bir gerçek şudur: Işık, katı gibi yoğun bir ortama girdiğinde, oradaki elektronlarla etkileşerek polariton adı verilen bir kuasiparçacık yayar.^{[24], [25], [26]} Polaritonlar, fotonlar gibi kütlesiz parçacıklar değillerdir; kütleleri vardır. Dolayısıyla ışığın cam içinden geçerken yaydığı polaritonlar, ışık hızında hareket edemezler ve ışık hızından daha yavaş hareket etmek zorunda kalırlar. Bu da ışığın cam içindeki yavaşlamasının kuantum mekaniği ve parçacık fiziği ile açıklanabilmesini sağlar.

Sonuç

Lisede öylece anlatılıp geçilen bir konunun aslında ne kadar karmaşık, detaylı ama bir o kadar da öğretici olduğunu görebiliyorsunuzdur. Aynı konuyu çok daha yüzeysel olarak izah ettiğimizde, çok büyük bir hata payına kapı aralamış oluyoruz. Bu izah, daha genel bir kitlenin konuyu anlayabilmesini sağlasa bile, işin özünü kaçırma riskine sahiptir. Daha derine indikçe daha isabetli ve hatalardan arınmış açıklamalara ulaşırız; fakat bu defa da daha fazla arka plan bilgisine ihtiyaç duyarız.

Bu nedenle farklı derinlikteki açıklamaları bir arada vermenin ve okurlarımızın bunların hepsine aşina olmasını sağlamanın en işlevsel yol olduğunu düşünüyoruz. Bir dahaki sefere bardağınızdaki suyun içine bıraktığınız kaşığın, ışığın hava, su ve cam içinden geçerken yavaşlayıp yön değiştirmesi nedeniyle kırılmış gibi gözüktüğünü fark ettiğinizde, bu yazıda öğrendiklerinizi hatırlayabilirsiniz.