Işık Hızı Neden Saniyede 300 Bin Kilometre?

Işık hızının neden tam olarak saniyede 299 milyon 792 bin 458 metre olduğunu hiç düşündünüz mü? ... Maxwell denklemlerinden yola çıkıp biraz matematik büyüsü yaparak, böyle bir şekilde "kendi kendinin var olmasını sürdürebilecek" ya da "kendi kendine yayılabilecek" bir parçanın hızını, bu formülle gösterebiliriz. Aha, iki sabit de karşımıza çıktı, her ikisinin de değerini biliyoruz ve deneysel olarak ölçebiliyoruz. Ve bu hız denkleminde, başka bilinmeyen hiçbir terim yok. Yani Evren'in dokusundan kaynaklı 2 sabitin değerini yerine koyarsak, karşımıza çok özel bir hız çıkıyor: 299 milyon 792 bin 458 kilometre/saniye. Yani, ışık hızı. Ayrıca buradan şunu da anlıyoruz: Işık hızının kendisi özel bir sabit değil. Evren'in dokusunu oluşturan ve boş uzay veya vakum dediğimiz şeyin elektrik alanına ve manyetik alana gösterdiği direnç (veya geçirgenlik), kendi kendine yayılan bir dalganın hızını otomatik olarak belirliyor. Bu ikisi temel sabitler olduğu için, ışık hızı da temel sabit olarak görülüyor. Ve zaten tam da bu yüzden, uzay-zaman dokusu içindeki nesneler için ışık hızı evrensel bir hız limiti.

Zaten foton dediğim şey, ışığı oluşturan kuantum paketçiklere verdiğimiz isim. Böylece lamba, bulunduğu odayı aydınlatmış olur. O foton dediğimiz şey nasıl çalışıyor? ... Fotonlar kütlesiz bir parçacık ve bir dalga oldukları için, başka bir hızda gidemezler. Ve aynı nedenle ışık, saniyede 300 milyon metre hıza bir arabanın ivmelenmesi gibi erişmez. Kaynaktan çıktığı anda erişir, çünkü zaten kaynaktan ışık olarak çıkabilmesinin tek yolu o hızda olması.

Bir filament, yani incecik bir iplik - söz konusu kaynak Edison lambaları gibi bir lamba ise - üzerinden geçen güçlü bir elektrik akımı, filamenti oluşturan maddenin atomlarını ısıtır.

İncecik bir iplik üzerinden geçen güçlü bir elektrik akımı ... dirençli bir tel üzerinden yüksek bir akım geçirmeye çalışırsanız, o akıma direnç gösteren metal atomlarıyla çarpışan elektronlar, kinetik enerjilerini bu metale aktarırlar.

Maddeyi oluşturan parçacıkların 3 temel özelliği var: Kütle, spin ve yük. Kendi başına bir parçacık olan elektronlar ... bir yüke sahip.

Kendi başına bir parçacık olan elektronlar da, 3 kuarkın birleşmesiyle oluşan protonlar da bir yüke sahip. Bu yük, birebir aynı değerde - sadece işaretleri ters. O nedenle 1 protonu ve 1 elektronu olan bir atom, yüksüz.

Bu yük, birebir aynı değerde - sadece işaretleri ters. O nedenle 1 protonu ve 1 elektronu olan bir atom, yüksüz. İkisi birbirini götürüyor. Ama 2 elektronu ve 1 protonu olan ya da 70 elektronu ve 72 protonu olan atomlar yüklü. Birinde yük -1 değerinde, diğerinde +2 değerinde. Ve her yüklü parçacık, etrafında bir elektrik alan yaratır.

Çünkü dirençli bir tel üzerinden yüksek bir akım geçirmeye çalışırsanız, o akıma direnç gösteren metal atomlarıyla çarpışan elektronlar, kinetik enerjilerini bu metale aktarırlar. Zaten sıcaklık dediğimiz şey, bir ortamdaki atomların kinetik enerjilerinin ortalaması.

Zaten sıcaklık dediğimiz şey, bir ortamdaki atomların kinetik enerjilerinin ortalaması.

Her yüklü parçacık, etrafında bir elektrik alan yaratır. Buna Gauss'un Elektrik Yasası diyoruz ve bu sade denklem bize bunu veriyor. Denklemde rho, elektrik yükünün yoğunluğu, epsilon sıfır ise vakum geçirgenliği denen bir sabit. Bakın, bu denklemi rahatlıkla anlayabilirsiniz. Yük arttıkça, elektrik alan şiddetleniyor. Vakum geçirgenliği ise adeta bir elektrik alanı direnci gibi.

Buna Gauss'un Elektrik Yasası diyoruz ve bu sade denklem bize bunu veriyor. Denklemde rho, elektrik yükünün yoğunluğu, epsilon sıfır ise vakum geçirgenliği denen bir sabit.

Vakum geçirgenliği sabit bir sayı ve değeri 8.8542 x 10 üzeri -12 coulomb kare bölü newton metre kare. Bu sabitin bu direnç etkisini unutmayın, ışığı anlamak için önemli olacak.

Bir mıknatıs da bir manyetik alan mı yaratıyor? Evet. Ama mıknatısların ilginç bir özelliği var: Yük, tek yönlü bir alan yaratıyor, yani yüklü bir parçacığın elektrik alanı dışa doğru zayıflayarak azalıyor. Ama her mıknatısın illa iki kutbu olmak zorunda. Bir taraftan çıkan manyetik alan, diğer taraftan girmek zorunda. Bir mıknatısı ikiye veya yüze bölseniz bile bu değişmiyor. Bunun sebebi birazcık karmaşık ama özünde, manyetik alanın parçacıkların 3 temel özelliğinden biri olarak saydığım spin ile ilgisi var. Her mıknatıs, belli bir spine sahip elektronlar sayesinde manyetik özellik kazanıyor.

İşte buna da Gauss'un Manyetizma Yasası ve bu da çok yalın bir denklemle, bu şekilde ifade ediliyor. Sağ taraf sıfır, çünkü mıknatısın iki zıt kutbunun etkisi birbirini götürüyor.

Şimdi, yüklü bir parçacık veya bir mıknatıs hareketsizse, pek ilginç bir şey olmuyor. İşte statik elektrik veya mıknatısların etrafında demir tozlarının tatlı şekiller alması falan gibi şeyler oluyor.

Manyetik alanın zamanla değişiminin elektrik alan yaratmasını bu basit denklemle gösteriyoruz. Bu, Faraday yasası.

Elektrik alanın zamanla değişiminin manyetik alan yaratmasını ise bu o kadar basit olmayan ama çok da zor olmayan denklemle gösteriyoruz. Bu da Amper Yasası. Buradaki terimlerden biri, hareket eden elektrik yüklerin manyetik alan yaratabileceğini söylüyor. İkincisi ise hareket eden elektrik alanların da manyetik alan yaratabileceğini söylüyor.

Bu denklemde yeni bir terimle karşılaşıyoruz: mü sıfır. Yani geçirgenlik sabiti. Bu da epsilon sıfır gibi bir parametre, değeri de 4 pi çarpı 10 üzeri -7 weber bölü amper metre; ama epsilon sıfırın aksine bu bir direnç değil, bir pekiştirici. Serbest uzayın manyetik alan oluşturmaya ne kadar müsait olduğunun bir ölçüsü gibi düşünün.

Bu noktaya kadar gösterdiğim ve tarihin en büyük bilim insanlarından birkaçının ismini taşıyan 4 denklem, bir araya gelerek tarihin en önemli bilim insanlarından bir diğerinin adıyla, Maxwell Denklemleri olarak biliniyor. Maxwell bu kişilerden bu denklemleri çalmadı, onların çalışmalarını birleştirerek, elektrik ile manyetizmanın aynı paranın iki yüzü olduğunu gösterdi. Elektrik kuvvet ile manyetik kuvveti birleştirdi ve bize doğanın 4 temel kuvvetinden birini, elektromanyetizmayı verdi.

Elektrik kuvvet ile manyetik kuvveti birleştiren ve bize doğanın 4 temel kuvvetinden birini veren etkileşim. Modern teknoloji, neredeyse her şeyini elektromanyetizmaya borçlu!

Öncelikle, birazcık elektromanyetizmadan anlamamız gerekiyor. Çünkü foton, bir çeşit elektromanyetmik dalga. Eğer elektrik alan manyetik alanı doğuruyorsa ve manyetik alan da elektrik alanı doğuruyorsa, bu ikisi arasında öyle bir denge hali bulunabilir ki, ne elektrik alan manyetik alanın sönmesine izin verir ne de manyetik alan elektrik alanın sönmesine izin verir. Sürekli hareket eden bir parçacık yaratılabilir. İşte böyle bir dalganın kendi kendine yayılabilmesi, Maxwell'in denklemleriyle ortaya çıkan özel bir hız ile mümkündür.

Bu enerjinin bir yere gitmesi gerekir. Bir kısmı etrafa ısı olarak saçılır ama enerjinin önemli bir bölümü, tungsten atomu etrafındaki elektronların bir üst orbitale sıçramasına neden olur. Bu elektronlar bu yüksek enerji seviyesinde çok uzun süre kalamazlar, hemen eski hallerine geri dönerler. Bu orbital düşüşü sırasında, iki orbital arasındaki enerji farkı, bir foton olarak etrafa saçılır.

Işık hızının kendisi özel bir sabit değil. Evren'in dokusunu oluşturan ve boş uzay veya vakum dediğimiz şeyin elektrik alanına ve manyetik alana gösterdiği direnç (veya geçirgenlik), kendi kendine yayılan bir dalganın hızını otomatik olarak belirliyor.

Ve zaten tam da bu yüzden, uzay-zaman dokusu içindeki nesneler için ışık hızı evrensel bir hız limiti. Ama mesela Evren'in kendisi, ışık hızından daha hızlı genişleyebilir çünkü Evren'in dışında bir şey var mı bilmesek de, varsa bile onun Evren'in genişlemesi üzerine koyduğu sınır ışık hızıyla sınırlı olmak zorunda değil.

Kütleçekimi ışık hızında etki edebildiği için, onu taşıyan parçacık olarak hipotize edilen ama henüz doğrulanmamış olan gravitonların da bu hızda hareket ettiği düşünülüyor.

Işık hızı boşluğun elektriksel ve manyetik özelliklerinden (ε0 ve μ0) türetilen fiziksel bir sabittir ve keyfi değildir.

Fotonlar kütlesiz oldukları için kaynaktan çıktıkları anda zaten ışık hızında hareket ederler; ivmelenmezler.

Bugüne kadar manyetik monopol gözlemlenmemiştir ve Gauss'un Manyetizma Yasası manyetik alanların dipol yapıda olduğunu (div B = 0) belirtir.

c, boşluğun temel bir özelliği olduğundan tüm kütlesiz parçacıklar ve bilgi aktarımı için evrensel bir hız limitidir, sadece ışık için değil.

Işık hızı ε0 ve μ0 gibi boşluğun özelliklerinden türetilir; bu sabitler deneysel olarak ölçülen ve Evrenin dokusundan kaynaklanan temel sayılardır.

Yerel olarak c'yi aşmak, güncel fizik teorilerimizi kökten sarsar ve deneysel güvenimizi bozar; kütleli nesnelerin c'yi aşması bilinenden sapma anlamına gelir.

Bu değer boş uzayın elektriksel geçirgenliği (ε0) ve manyetik geçirgenliği (μ0) sabitlerinin c = 1/√(ε0·μ0) formülüne koyulmasıyla ortaya çıkar.

Evet, başka bir evrende ε0 veya μ0 farklı olsaydı ışık hızı farklı olurdu; bizim Evrenimizdeki değerler bu sayıyı belirler.

Elektrik akımı filamenti ısıtır, atomlardaki elektronlar üst enerji seviyelerine çıkar; elektronlar geri düşerken aradaki enerji foton (ışık) olarak yayımlanır.

Fotonlar kütlesiz oldukları için kaynaktan çıktıkları anda zaten ışık hızında olur; ivmelenmeye gerek yoktur.

Işık hem parçacık (foton) hem de elektromanyetik dalga özellikleri gösteren kuantum doğalı bir fenomendir.

Hareket eden yükler manyetik alan oluşturur ve zamanla değişen manyetik alanlar elektrik alanı oluşturur; bu karşılıklı etkileşim Maxwell denklemleriyle tanımlanır.

Şu ana kadar tek kutuplu manyetik parçacık gözlemlenmedi; Gauss'un Manyetizma Yasası manyetik alanların dipol yapıda olduğunu belirtir.

Çünkü Maxwell denklemlerinin ortaya koyduğu c, boşlukta kendi kendini sürdürebilen elektromanyetik dalgaların hızı olup, kütlesiz parçacıklar ve bilgi aktarımı için maksimum yerel hız sınırıdır.

Videoya göre kütlesiz olduğu varsayılan parçacıklar (hipotetik graviton, serbest gluonlar ideal olarak) ışık hızında hareket eder; graviton henüz doğrulanmamıştır.

Hayır — uzayın kendisinin genişlemesi lokal olarak c ile sınırlı hareketi aşabilir çünkü bu, 'uzayda hareket' değil 'uzayın büyümesi'dir ve farklı kurallara tabidir.

"Edison lambaları" örneğiyle filamentli ampullerin nasıl ışık yaydığı anlatılırken bahsedildi.

Gauss'un Elektrik Yasası ve Gauss'un Manyetizma Yasası olarak anılan yasalar bağlamında geçti.

Maxwell Denklemleri'ni bir araya getiren bilim insanı olarak, elektromanyetizmanın birleştirilmesi ve ışık hızının türetilmesi bağlamında anıldı.

Faraday yasası olarak, manyetik alanın zamanla değişiminin elektrik alan yaratması anlatılırken adı geçti.

Amper Yasası olarak anılan, elektrik ve manyetik alanların ilişkisini tanımlayan denklem bağlamında bahsedildi.