Işık bilindiği üzere fotonlardan oluşan kütlesiz enerjidir, kuantum parçacıktır. Bu durum akıllara tam da sizin sorduğunuz gibi ''eğer fotonlar kütlesizse, yani ışık kütlesizse nasıl olur da kütleçekiminden etkilenir?'' sorusunu getirir. Kara deliklerin, nötron yıldızlarının hatta gezegenlerin bile ışığı büktüğünü deneysel olarak defalarca kez gözlemledik. O halde burada sorgulamamız gereken kütleçekim olabilir.
Kütleçekim gerçekten de sadece kütlelerin birbirini çektiği bir fenomen midir yoksa farklı bir açıklaması var mıdır biraz bu konu üzerinde durmalıyız. Einstein'in Görelilik teorisi sayesinde bugün biliyoruz ki kütleçekim dediğimiz şey aslında uzay-zaman dokusunun bükülmesidir. Devasa kütleleri sahip gök cisimleri uzay-zaman dokusunda anlamlı bükülmeler yaratır. Bu bükülme, tüm cisimleri ister istemez etkiler. Güneş sistemindeki gezegenlerin, güneşimiz etrafında dönmesinin temel sebebi işte bu bükülmedir. Güneş, gezegenlere göre oldukça yüksek bir kütleye sahiptir ve uzay-zaman dokusunda çok daha büyük bir bükülmeye neden olur ve bu durum gezegenlerin, onun etrafında dönmesiyle neticelenir. Bu bükülmeden tabi ki ışık da etkilenir. Eğer, ışığın geçtiği yolda büyük kütleli gök cisimleri varsa, ışık bu gök cisimlerinin yarattığı uzay-zaman çukurlarından etkilenecek, oradan geçerken ışığın doğrultusunu değiştirmesine neden olacaktır. Bu cevap oldukça tatmin edici bir cevap olmakla beraber işi biraz daha ileri seviyeye taşıyabiliriz. Gelin yapalım!
Işığın bir kütleye sahip olmadığını ancak bir enerjisi olduğunu biliyoruz. Farkındaysanız bu Einstein'in meşhur E=mc2 formülüne ters bir durum. Çünkü Einstein; kütlenin enerji olduğunu ifade ediyor. Eğer bu formülde kütle yerine ''0'' koyarsanız Enerjinin de sıfır çıktığını göreceksiniz. Ama hemen endişelenmeyin çünkü bu denklem Einstein'in denkleminin tamamı değil.
Einstein'in denklemi üzerine sadece kütle perspektifinden konuşmak zorunda değiliz. Momentum üzerinden de bir hesaplama yapabiliriz. Momentum, bir cismin kütlesinin o cismin hızıyla çarpımıdır. Momentumun da kütle ve enerji gibi daima korunduğunu biliyoruz.
Görüldüğü gibi hareketsiz bir cismin momentumu sıfırdır çünkü hızı yoktur. Eğer momentum üzerinden konuşacaksak Einstein'in denklemi genişlemek zorundadır ve şu hale gelir:
Bu formül bize kütlesiz bir cismin bile momentumu sayesinde bir enerjisi olabileceğini söyler. Kütle yerine ''0'' koyarsak formülümüz:
Kütlesiz cismin enerjisi, ışık hızı ile momentumunun çarpımına eşittir. Ee iyi de kütlesiz bir cismin momentumu olamaz ki? diye endişe etmeyin. Burada da yardımımıza De Broglie yetişir. Fotonlar kütlesizdir evet fakat momentuma sahip olabilirler. Işığın, dalga parçaçık ikiliği özelliğinden dolayı yani dalga özelliği göstermesinden ötürü momentumu vardır ve biz dalganın momentumunu De Broglie sayesinde hesaplayabiliriz.
Dalga boyu,
Planck sabiti,
momentum,
Göründüğü üzere dalgaların momentumu, planck sabitinin, dalga boyuna bölünmesiyle elde edilir. Bizler de ışığın momentumunu bu şekilde bulabiliyoruz. Bu momentum, ışığın hızından ve kütlesinden bağımsızdır. Işık bir momentuma sahiptir ve bu momentumundan dolayı bir enerjiye sahiptir
Bonus Bilgi (Bu içimden geldi :D) De Broglie kanunu bizlere başka bir şey daha söyler. Bunu öğrenince muhtemelen hayata karşı farklı bir bakış açısı daha kazanacaksınız. Biliyorsunuz ki evrenimizi oluşturan parçacıklar, kuantum alanlardaki dalgalanmaların ve salınımların neticesinde var olurlar. Bu kuantum alan teorisinin söylediği bir şeydir. Aslında her şey dalgadır dersek yanlış düşünmüş olmayız. Parçacıklar da dalgaların lokalize olmuş halleridirler. De Broglie' de doktora tezinde belki de tüm madde hem dalga hem parçacık ikiliğine sahiptir diye bir ifade kullanır ve haklıdır da. İnsan bir dalga özelliği gösterebilir mi? Elbette fakat insanın dalga boyu o kadar ama o kadar küçüktür ki, biz insanı lokalize olmuş belirli sayıda organize olmuş ve aynı eğilimleri gösteren ve aralarında etkileşen atom yığını olarak tanımlayabiliriz. Esasında sadece insan değil tüm büyük kütleli cisimler için geçerlidir bu. Bunu formüllerle izah edebiliriz.
100 km/sa hızla hareket eden 1 tonluk bir arabayı ele alalım. De Broglie denkleminde bu değerleri yerine yazalım.
Üstteki çok küçük olan sayı planck sabiti, alttaki sayılar arabanın kilosu ve saniyede aldığı 28 metre yolun ifadesidir. Gördüğünüz gibi 1000 kg'lik bir arabanın dalga boyu aklımızın alamayacağı kadar küçüktür ve bu sayıyı görmezden gelebiliriz çünkü görmezden gelinebilecek kadar küçüktür. Zaten bu kadar küçük bir dalga boyuna sahip dalgayı gözlemlememiz de bizler için mümkün değildir.
