Işığı Durdurabilir miyiz? | Işık Hızı Farklı Ortamlarda Neden Farklıdır?

Işık, bir saniyede 300 milyon metre yol alabiliyor. Dünya etrafında 1 saniyede 7 tur! ... Bu hız, vakumda böyle. Yani uzay boşluğunda hiçbir atomun var olmadığı, sadece elektrik ve manyetik alanların bulunduğu bir ortamda ışık bu hızda hareket eder. (Sayısal olarak vakumdaki ışık hızı sabiti: 299.792.458 m/s.) Ayrıca Evren'deki ışık hızı limiti, ışığın kendisiyle ilgili bir özellikten ziyade, Evren'in dokusuyla ilgili bir durum; bu hız limiti bilgi transferini sınırlandıran bir limittir.

Uzay boşluğunda hiçbir atomun var olmadığı, sadece elektrik ve manyetik alanların bulunduğu bir ortam. Vakumda ışık saniyede yaklaşık 300 milyon metre hızla hareket eder ve manyetik geçirgenlik ile elektrik geçirgenlik sabitleri vakum için tanımlıdır.

Işığın hızını iki diğer temel sabitten çıkarabileceğimizi görmüşsünüzdür: manyetik geçirgenlik ve elektrik geçirgenlik sabitleri. Hatırlarsanız, Maxwell Denklemleri'ne göre vakumda ışık hızının ne olacağını, elektrik ve manyetik alanların birbirini beslemesi belirliyordu. O sabitler vakumda tanımlı sabitlerdir; vakum olmayan her ortamda bunların da değeri değişir.

Vakum olmayan her ortamda manyetik geçirgenlik ve elektrik geçirgenlik sabitlerinin değerleri değişir; buna göreli manyetik geçirgenlik ve göreli elektrik geçirgenlik diyoruz. Eğer bu değerlere göre ışığın hızını hesaplarsanız, vakum harici bu ortamlarda elektromanyetik dalgayı sürdürecek hızın da saniyede 300 milyon metrenin altında olduğunu görüyorsunuz.

Vakumdaki ışık hızı sabitini, ortamdaki (örneğin cam içindeki) ışık hızına böldüğünüzde elde edilen sayıya kırılma indisi denir. Örneğin cam için bu oran yaklaşık 1.54'tür. Lisede fizik okuyanların n1, n2 diye kullandıkları sayılar, ışığın farklı ortamlardaki hızından gelir; vakumdaki ışık hızını ortamdaki ışık hızına böldüğünüzde kırılma indisini buluyorsunuz.

Işığın farklı ortamlardan geçerken ne kadar kırıldığını belirleyen basit bir doğa yasası. Kırılma indisleri (n1, n2 vb.) Snell Yasası'nda kullanılır ve ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesinin miktarını belirler.

Maddenin mutlak sıfırda aldığı çok özel bir hal. Örneğin bundan yaklaşık 20 yıl önce Harvard ve Cambridge'den bilim insanları bu hâlden faydalanarak ışığı saatte 60 kilometreye kadar yavaşlattılar.

Işığın parçacık yönü; 'foton paketçikleri' diye konuştuğumuzda ışığı parçacık gibi düşünürüz. Ancak kuantum düzeyinde foton paketçikleri tek bir yolu takip etmezler: cam içinde alabilecekleri tüm yolları aynı anda takip ederler. Parçacık fikri bazı durumları anlamayı kolaylaştırır ama ışığın birçok davranışının altında dalga doğası yatar.

Işık elektromanyetik bir dalgadır: elektrik ve manyetik alanların birbirini beslemesiyle oluşan bir dalga. Maxwell Denklemleri bu dalgaların vakumdaki hızını belirler. Işık dalga özellikleri, parçacık olarak düşünmeye çalışmaktan daha temel birçok davranışı açıklar.

E yüklü bir parçacık olan elektron hareket ettiğinde elektrik alan değişir; elektrik alan değiştiğinde manyetik alan değişir; manyetik alan değiştiğinde elektrik alan değişir. Işık bu elektronların içinden geçtikçe, onların bulunduğu elektrik ve manyetik alanları etkiler ve elektronların hareketi değişir. Elektronların ışığa bağlı hareketi, kendi elektromanyetik dalgalarını (spesifik olarak dipol radyasyonu) yaratır.

Elektronların ışık tarafından hareket ettirildiğinde yarattığı elektromanyetik dalga türü. Elektronların ışığa bağlı hareketi kendi elektromanyetik dalgalarını, özellikle dipol radyasyonunu üretir ve ışık dalgaları ortamda bu yarattıkları dalgalarla etkileşmek zorundadır.

İki dalga üst üste bindiğinde süperpozisyon dediğimiz bir olay yaşanır: dalgaların genlikleri toplanır. Mesela iki tepe üst üste gelirse daha büyük bir tepe oluşur; bir tepe ve bir çukur üst üste gelirse dalga sönümlenir. Eğer bir dalga diğerine göre farklı hızda hareket ediyorsa sürekli farklı noktalar farklı noktalarla üst üste binecek ve ortaya çıkan yeni dalganın şekli ve hızı, orijinal dalgaların hızlarından farklı olabilir.

Bu teoreme göre, ortam içindeki elektronların yarattığı dalgaların iki bileşeni vardır ve gelen ışık bu iki bileşenle girişim yapar: Bir bileşen gelen ışık ile aynı dalga boyunda ama farklı fazdadır; bunlar üst üste binince gelen ışık tamamen sönümlenir. İkinci bileşen ise ışık hızından daha yavaş hareket ediyor gibi gözüken bir dalgadır. Girişim sonrasında ortaya çıkan yeni dalganın şekli ve hızı, ışığın vakumdaki ya da bir önceki ortamdaki hızından farklıymış gibi görünmesini sağlar. Bu süperpozisyon olayı, ışık ortamı terk ettiği anda sona erer ve ışık normalde bulunduğu ortamın beklenen hızına geri döner.

Mikro seviyede foton paketçiklerinin tek bir yolu takip etmediği gerçeği: fotonlar hareket ederken tek bir yolu takip etmez, cam içinde alabilecekleri tüm yolları aynı anda takip ederler. Eğer bunun matematiğini yaparsanız, çok sayıda yolu hesapladığınızda ışığın cam içinde yapması gereken hareketi bulabilirsiniz. Kuantumdaki süperpozisyon denklemleri bu davranışı açıklar.

Kuantum mekaniğinde kullanılan bir kavram; ortam içindeki parçacıklarla ışığın etkileşimi sonucu oluşan, tam anlamıyla bağımsız temel parçacık olmayan yeni etkili parçacıklardır. Videoda örnek olarak polariton adı verilen kuasiparçacıktan bahsedilir.

Işık, katı gibi yoğun bir ortama girdiğinde oradaki elektronlarla etkileşerek polariton adı verilen bir kuasiparçacık yayıyor. Polaritonlar fotonlar gibi kütlesiz değiller; kütleleri vardır ve dolayısıyla ışık hızında hareket edemez, ışık hızından daha yavaş hareket edebilirler.

Işık maddenin yoğun olduğu bir ortama girdiğinde bir atoma çarpıyor ve onun elektronlarını bir üst enerji seviyesine çıkarıyor. Bu kararsız halde kalamayan elektronlar eski seviyelerine geri düşerler ve bu düşüş sırasında o iki enerji seviyesi arasındakiyle aynı miktarda enerjiyi foton olarak saçarlar. Bu emisyon süreci zaman aldığı için madde içindeki ışığın gecikme yaşadığı düşünülmüştür; ancak bu açıklama tek başına gözlemlerle uyuşmaz çünkü saçılan/emisyon yapan fotonlar rastgele yönlerde fırlatılabilirler ve belirli dalga boylarına özgü emilim özellikleri olurdu.

Işığın atomlara çarpıp sekmesi şeklinde yapılan yaygın bir açıklama: daha yoğun bir ortama giren ışığın ortamdaki atomlardan sekmesi ve bu sırada yavaşlaması fikir olarak sunulur. Ancak bu açıklama gözlemlerle uyuşmuyor; eğer ışık atomlara çarpıp rastgele sekseydi ışık genişler, karman çorman olur ve ortamdaki tüm fotonlar hep aynı miktarda yavaşlamazdı.

Havadan cama giren ışık biraz yön değiştirir; o yönde cam boyunca ilerler, sonra normalde gideceği yöne geri döner ve camdan havaya çıktığında ışık, cama girmeden önceki hızına geri döner. Videoda bunun nasıl olduğu sorgulanır: Işık yavaşlıyor gibi gözükse de ortamı terk ettiğinde orijinal hızına geri döner ve yön değişimi (kırılma) Snell Yasası ile açıklanır.

Videoda belirtildiği gibi, 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; bir videoyu hızlandırıp ışığı 'daha hızlı' göstermemiz bilgi transfer hızını arttırmaz, dolayısıyla hız limiti aşılmamış olur.

Kayıt ve oynatma hızını değiştirmek sadece görüntünün hızını değiştirir; ışığın gerçek fiziksel hızı değişmez—görüntüyü yavaşlatıyorsunuz, ışığı değil.

Işık hızı limiti daha ziyade uzayın ve zamanın yapısıyla, bilgi aktarım sınırıyla ilgilidir; tek başına fotonun özelliği değildir.

Bu model gözlemlerle uymaz çünkü rastgele saçılma beklenirdi; gerçekte koherent dalga-etkileşimleri ışığın yönünü koruyacak şekilde davranır ve saçılma ortaya çıkmaz.

Eğer böyle olsaydı yeniden saçılan fotonlar rastgele yönlere gider ve ortam şeffaf olmazdı; gerçek mekanizma elektronların uyarılmasıyla oluşan koherent dipol yayınımının gelen dalga ile girişimidir, bu da belirli faz ilişkileriyle ileri yönlü yeni bir dalga oluşturur.

Gerçekte etkileşim koherendir ve faz ilişkileri ile belirlenir; bazı frekanslarda farklı dispersiyon gözlenebilir ama basit rastgele emilim-yeniden saçılım modeli bunu açıklamaz.

Işık dalgalarının ve ortamın indüklediği dalgaların süperpozisyonu sonucu ortaya çıkan 'etkin' dalganın hızı farklı görünür; fotonlarla ilişkili alanlar yerel olarak c ile ilişkilidir, ama ortaya çıkan kuasiparçacıklar veya grup hızları ortam içinde farklı olabilir; dışarı çıkınca gözlenen hız vakumdaki değere geri döner.

Evet; laboratuvar koşullarında özel ortamlar kullanılarak ışığın etkili hızı çok düşürülebilir ve çok kısa süreliğine ‘durdurulabilir’ (örneğin Bose–Einstein yoğuşukları ile yavaşlatma ve bazı deneylerde saniyeler, hatta dakikalar düzeyinde hapis edilme gösterilmiştir).

Çünkü bir ortamın göreli elektrik ve manyetik geçirgenlikleri vakumdaki değerlere göre farklıdır ve ortam içindeki elektronların indüklenmiş alanları ile gelen dalganın girişimi sonucu ortaya çıkan yeni dalga farklı faz/şekilde olur, bu da gözlenen etkin hızı değiştirir.

Kırılma indisi, vakumdaki ışık hızının (c) ortam içindeki ışık hızına (v) oranıdır: n = c / v.

İki farklı durum var: ultra-hızlı kameralarla yapılan çekimler gerçek ışık hareketini kaydedip daha yavaş oynattığınızda ışığı sadece görsel olarak yavaşlatırsınız; laboratuvar ortamında yapılan BEC vb. deneylerde ise ışığın maddeyle etkileşimi gerçekten ışığın etkili hızını düşürür veya kısa süreli durdurur.

Vakumdaki elektrik ve manyetik geçirgenlik sabitleri sabittir; Maxwell denklemleri bu ortamda ışığın yayıldığı hızın sabit ve c = 1/sqrt(ε0 μ0) olduğunu gösterir.

Hayır; bu basit sıçrama açıklaması gözlemlerle tutarsızdır çünkü rastgele yönelimli saçılma beklenirken gerçek durumda ışık yönünü korur ve tutarlı bir faz/frekans davranışı gösterir.

Hayır; eğer böyle olsaydı saçılma rastgele olur ve şeffaflık bozulurdu. Gerçekte elektronların indüklenmiş hareketi ile ortaya çıkan koherent (fazlı) dipol radyasyonu, gelen dalga ile girişime girerek farklı bir ileri dalga oluşturur.

Ewald–Oseen Teoremi, ortam içindeki indüklenmiş dipollerin yarattığı alanların gelen dalgayı nasıl iptal edip yerine ortamda ilerleyen yeni (faz/şekil değiştirmiş) dalgayı koyduğunu matematiksel olarak açıklar; böylece kırılma ve gecikme olayı anlaşılır.

Polariton, foton ile ortamın kolektif elektronik uyarımı arasındaki karışımdan doğan bir kuasiparçacıktır; polaritonun efektif kütlesi olabilir, bu yüzden ışığın ortam içindeki grup hızı azalır.

Bu hız sınırı, yalnızca ışığın parçacık özelliğine bağlı bir şey değil; daha çok Evren'in dokusuyla ve bilgi aktarım kapasitesiyle ilgili temel bir sınırdır; dolayısıyla bilgi aktarımını kısıtlar.

2009'da saatte 45 kilometre hıza eriştiği örneğiyle, insan hızının ışığın yavaşlatılmış halleriyle karşılaştırılmasında kullanıldı.

Bose-Einstein yoğuşuğu teriminin adında geçen isim olarak, ışığın çok yavaşlatıldığı deneylerle ilişkilendirildi.

Bose-Einstein yoğuşuğu teriminin adında geçen isim olarak, ışığın çok yavaşlatıldığı deneylerle ilişkilendirildi.

Maxwell Denklemleri aracılığıyla vakumdaki ışık hızının elektrik ve manyetik geçirgenlik sabitleriyle ilişkisi bağlamında anıldı.

Işığın farklı ortamlardan geçerken kırılmasını belirleyen 'Snell Yasası' bağlamında anıldı.

Girişim ve süperpozisyon kavramını örnekleyen 'Young Deneyi' bağlamında anıldı.

Işığın ortamlarda yok oluşu ve yeniden oluşuyla ilgili teoride adı geçen 'Ewald-Oseen' bileşeninin parçası olarak anıldı.

Işığın ortamlarda yok oluşu ve yeniden oluşuyla ilgili teoride adı geçen 'Ewald-Oseen' bileşeninin parçası olarak anıldı.