Ana sayfa 159. Sayı Evrenin hız sınırının keşfine doğru

Evrenin hız sınırının keşfine doğru

234
PAYLAŞ

Özgür Can Özüdoğru

Sizleri bir önceki sayımızda kuantum teorisinin başlangıcına doğru bir yolculuğa çıkardık. Şimdi ise o dönemden bir yüzyıl kadar geriye gidiyoruz ve 19. yüzyılın fiziğine şekil veren temel keşiflerden birini incelemeye başlıyoruz: ışık hızı… Evrenin belki de en büyük gizemidir ışık hızı. Elektromanyetik teorinin sabitleriyle oynadığınızda, kütle çekimi araştırmalarının temeline indiğinizde, kütleli parçacıkların enerjilerini hesaplarken… Yani neredeyse her yerde ışık hızı bir şekilde karşımıza geliyor. Bu durum, ışık hızının sanki ses hızı gibi sıradan ve aşılabilecek bir değer değil, fiziksel bir özellik olduğunu göstermekteydi aslında. Fakat bizler yine de tatmin olmayıp hızlandırıcılarımızla parçacıkları hızlandırdığımızda gördük ki, bir cisme ne kadar enerji verirsek verelim, ne kadar hızlandırırsak hızlandıralım, ışık hızının %99.999999…’una ulaşabiliyor ancak ışık hızına ulaşamıyor. Bu deneysel bulgular, ışık hızının, tıpkı mutlak sıfır gibi evrenin bir temel özelliği olduğunu gösteriyor. Şimdi ise, evrenimiz için bu kadar önemli olan ışık hızının keşfediliş öyküsüyle bir yolculuğa çıkalım.

Öykümüz 16. yüzyıl İtalya’sında başlıyor. Yüzyıllardır Kilisenin görüşlerinin hakim olduğu Avrupa’da, bilim ve felsefenin yeri ancak Aristo’nun tanımladığı kadar olabilirdi. Fakat hem dini eğitim geleneğinden gelip hem de bu duruma karşı olan insanlar da vardı. Genç Galileo Galilei, sıkı bir Kopernikçi ve sorgulayarak yeni bulgular elde etmeyi savunan biriydi. Galileo’nun yaşadığı yıllarda insanlar ışığın kendi gözlerinden çıktığını düşünürken, Rönesans sonrasında bu görüşler nihayet sorgulanır olmuş, sonrasında ise ışığın Güneş, ateş gibi ışık kaynaklarından geldiği kanıtlanmıştı. Bu ise ortaya yeni bir soru çıkarmaktaydı: Eğer ışık bir yerden yayılıyorsa, bir hızı vardır. Işığın hızı ne kadardır? Galileo Galilei, bu soruyu bizim bildiğimiz kadarıyla kafasına takan ilk kişi oldu. Işığın ve sesin hızlarının sabit olduğunu düşünüyordu ve açık alan gözlemleri ile ikisini de ölçebileceğine inanıyordu.

Ev hapsinde tutulduğu yıllardı. Bir gece, kapısında bekleyen görevliyi de ikna ederek dışarı çıktı. Asistanı elinde bir kandil tutmaktaydı. İkisi de Floransa kırsalında karşılıklı tepelere geçtiler. Ortalama 1 km uzaklıkta olduklarından emin olduktan sonra “deneye” başladılar. Buna göre Galileo “Hey!” diye bağıracak, asistanıysa bunu duyduğu anda kandilin üzerindeki örtüyü kaldırıp indirerek ışığı yakıp söndürecekti. Olabildiğince hızlı yapacağı bu işlem sayesinde ışığı olabildiğince ufak “paketler” haline getirmeyi amaçlıyorlardı. Fakat sesin gitmesi biraz zaman almasına rağmen ışık, asistanı örtüyü kaldırdığı anda oradaydı. En ufak bir gecikme bile meydana gelmiyordu. Galileo, yaptığı deneyin sonucunda ışık hızının “sonsuz ya da sonsuza yakın” olduğuna karar vermişti. Gözlemciler arasında olması gereken uzaklığın 1 km’den çok daha fazla olduğunu bilemezdi. Yaptığı deneyi o dönemde İtalya’daki diğer biliminsanlarıyla kurduğu Deney Akademisi, ya da Aydınlanmışlar olarak anılan derneğinde anlattı. Kendisinden sonra bu deneyi yapan diğer arkadaşları ise ışık hızının ses hızına oranla on kat daha hızlı olabileceğini öneriyorlardı. Tüm bunlar ise ne yazık ki yanlıştı.

Galileo yanılmış olsa da, kuyuya taşı atmıştı bir kere. Ölümünden sonra ışığın bir hızı olabileceği görüşü, kendisinden sonra gelen biliminsanlarının aklını kurcalamaya başlamıştı. Galileo’nun yaptıklarını okuyarak büyümüş ve aynı onun gibi bir gözlemsel astronom olmak isteyen Ole Rømer de, aklı karışanlardan biriydi. Danimarka’da tüccar bir ailenin çocuğu olduğundan ailesinin parasıyla dönemin en iyi eğitimlerini almaya başlamıştı. Dönemin burjuvaları gibi Rømer’in ailesi de bilime son derece ilgili, meraklı ve destekçiydi. Şanslı bir çocuktu yani Rømer. Paris Gözlemevi’nde astronomi eğitimi alırken ışık hızı üzerine düşünmeye başladı. Işığın sonsuz hızda hareket etmediğini, bir hızı olduğunu düşünüyordu fakat bunu kanıtlamak için Dünya yüzeyinde gerekli uzaklığa erişilmediğini düşünüyordu. Bir anda aklına geldi, o bir astronomdu. Rømer’in deney alanı Dünya ile sınırlı olmak zorunda değildi. Önünde uçsuz bucaksız uzay vardı. Peki, uzayda ışık hızını nasıl ölçebilirdi? Yanıt aslında gözleri önünde duruyordu; örnek aldığı hocası, ona adeta altın bir tepside bunu sunmuştu. Jüpiter’in dört büyük uydusu olan Galileo uydularını kullanmalıydı. Peki nasıl?

O dönemdeki astronomlar Jüpiter’in uydularının, gezegenleri etrafındaki dönüş periyotlarını anlamaya çalışıyorlardı. Fakat özellikle Io uydusu, bazen kısa bazen de uzun sürede bir tur dönüyordu. Bunun nedenini araştırırken Rømer şunu fark etti: Io’nun dönüş süresinin bazen uzayıp bazen kısalmasının aslen Io’nun yörüngesiyle alakası yoktu. Dünya, Jüpiter’den uzaklaştığında, bizlere Io’nun Jüpiter’in arkasından çıktığını bildirecek ışığın teleskoplarımıza ulaşması daha uzun sürüyordu. Bu gecikme ise aşağı yukarı 15 dakika kadardı. Kepler Yasaları sayesinde yörüngeleri ve gezegenler arasındaki mesafeleri hesaplayabilen Rømer için artık iş çocuk oyuncağıydı. Işık hızının 300.000 km/saniye olduğunu, 6 Temmuz 1676 yılında yayımladığı makalesiyle tüm dünyaya duyurdu. Fakat ışık hızının sonsuz hızda olduğunu düşünen dönemin bilimsel çevresi için bu hesaplamalar ancak alay konusu olabilirdi.

Ole Rømer’in kendi çizdiği ve makalesine eklediği görsel. Görselde A Güneş’i, B Jüpiter’i temsil etmekte. Dünya K konumundayken, Io D konumunda. Dünya L konumundayken de Io C konumuna gelmekte. Sonrasında Dünya G konumuna gittiğinde Io D konumuna, Dünya F konumundayken Io da C konumuna geçmekte. Birinci koşulda Io 15 dakika kadar daha erken, ikinci durumda daha geç görünmekteydi. Rømer, bunun nedeninin ışığın Io’dan Dünya’ya gelmesinin o kadar uzun sürmesinden dolayı olduğunu düşünmekteydi.

Rømer, 22 Ağustos 1676’da, araştırmasını sunmak üzere kendisinin de bünyesinde çalıştığı Fransız Kraliyet Bilim Akademisi’ne çağrıldı. O dönemde dünyanın en prestijli bilim kurullarından birinin bünyesinde olup böyle bir açıklamayı onlara danışmadan yaparak bağlı olduğu kurumu hayal kırıklığına uğratmıştı. Bu yüzden aslında bu sözüm ona sunum, bir adli sorgudan farksız geçecekti. Rømer, yaptığı hesapları gösterdi. Akademik kurul başkanı ve astrofizikçi olan Giovanni Cassinni, bunun bir saçmalık olduğunu düşünüyordu. Rømer’in hesapları ve gözlemleri, kurulun bir başka üyesi Christian Huygens’in aklına yatmıştı. Kendisini yetiştiren hocası ve kurul üyesi Jean Picard ile beraber çoğunluğun desteğini alamayan Rømer’in çalışması, Fransa’da ve kıta Avrupa’sında kabul görmedi.

Fakat bu, Rømer için öykünün sonu değildi. Huygens’in kendisine referans olmasıyla, çalışmasını Birleşik Krallık Bilimler Akademisi’ne gönderdi. Ellerine gelen böyle bir fırsatı kaçırmayan dönemin kurul üyeleri Robert Hooke, Edmond Halley ve Isaac Newton, Rømer’in çalışmasını inceleyeceklerini ve kendisine her türlü desteği sağlayacaklarını söylediler. Eğitim aldığı, bağlı olduğu kurumun, gerçek olduğunu düşündüğü önemli bir mesele hakkında desteğini alamayan Rømer, çalışmasını o dönemdeki rakiplerinin ellerine teslim etmişti bir bakıma. Halley, Greenwich gözlemevinde gözlemleri bir kere daha gerçekleştirdi, Newton tekrar tekrar hesaplamaları yaptı. Hiçbirinde sorun yoktu. Ole Rømer gerçekten de ışık hızını hesaplamıştı. Buna göre ışığın Jüpiter’den Dünya’ya ulaşması 12 dakika sürüyordu.

Rømer’in ölümünden sonra konu hakkında başka çalışmalar da yapıldı. Böyle önemli bir gözlemin Fransa’da değil de Birleşik Krallık’ta yayımlanmış olmasından, yani ellerindeki fırsatı kaptırmalarından olsa gerek Fransız fizikçilerin çoğu Rømer’in gözlemini takip eden 19. yüzyılda ışık, özellikle de ışık hızı üzerine çalışmalar yapmaya başladı. Yapılan bu çalışmaların en ünlüsü, Fransız Hippolyte Fizeau’nun ışık hızı deneyidir. Orta halli bir ailenin çocuğu olan Fizeau’nun ilgisini dönemin en son teknolojisi olan fotoğraf makineleri çekmekteydi. Fotoğrafçılık ve ışığın karanlık odadaki halleri üzerine çalışırken aklına bir deney düzeneği fikri geldi.

Işık üzerine yapılan deneylerdeki en büyük sorun, ışığı tek parça halinden paketler haline getirememek olmuştu. Lazerlerin ya da Mazerlerin keşfine daha yüz yıldan daha uzun bir süre olduğu için elindeki en “gelişmiş” cihaz ampul olan Fizeau, karanlık bir odada, dişli bir yuvarlağı döndürerek ışığı parçalara ayırmayı denedi. Eğer zifiri karanlık bir ortamda dişli bir çark yeterince hızlı döndürülürse, ışığı paketler halinde etrafa gönderebilir. Dişli çarktan çıkan ışığı toplayıp 5-6 km ötedeki bir aynaya çarptırıp, ardından geri getirirseniz, bunu yaparken de çarkı sabit hızla çevirip dakika başına kaç tane ışık paketçiğinin düştüğünü bulabilirseniz, ışık hızını hesaplayabilirsiniz. Eğer aynadan geri dönecek ışığın geçmesini sağlayacak kadar çarkın geçmesini sağlayacak süre “t” ise, ayna ile ışık kaynağı arasındaki mesafe de “d” ise: o halde “2d/t” bize ışık hızının sayısal değerini verecektir. Fizeau, 1851 yılında yaptığı bu deney ile ışık hızını 2.999.796 km/saniye bulmuştur.

Fizeau’nun 1851 yılında yaptığı deneyin, kendi eliyle çizdiği düzeneği. M ile gösterilen kısımda bir ayna var, G ile gösterilen kısımda gözlemci, E ile gösterilen kısımda da bir çark bulunmakta.

Fizeau’nun kurduğu bu düzenek zaman içinde optik araştırmaların ve ışık hızı analizlerinin temel deney düzeneği haline gelmiş, kendisinden sonra gelecek olan tüm biliminsanları tarafından temel alınmıştır. Fizeau’dan sonra bu deney düzeneğini değiştirerek yapılan en son deney Michelson’ın deneyidir. Albert Michelson, Fizeau’nun deney düzeneğindeki dişli çark yerine sekizgen bir ayna koymuş ve aynanın sürekli dönmesini sağlamıştır. Dişli çarktan ışık sürekli geçerken, sekizgen aynada ışık sadece doğru açıda gelirse geçeceğinden şu ana kadarki en hassas analizin yapılmasını sağlamıştır Michelson’ın yöntemi. 1924 yılında yayımladığı makalede ışık hızını 299,792 km/saniye olarak ölçmüştür. Bu tür deneylerin defalarca tekrarlanıp aynı sonucu vermesi üzerine ışık hızı, 1983 yılında bir standart bilimsel birim olarak bilim dünyasında yerini almıştır.

Yani Galileo’nun hayaliyle başlayıp yüzlerce yıl kümülatif bir şekilde farklı biliminsanları tarafından yapılan çalışmalar sayesinde günümüzde ışık hızını bu kadar hassas biçimde bilebiliyoruz. Bilimsel gelişme, gerçekten de Newton’ın söylediği gibi bizden önce gelen “devlerin” omuzlarında yükselmekte. Bu sayede büyük bir özgüvenle şunu söyleyebiliriz: ışık hızı da dâhil olmak üzere dünyadaki her bilimsel buluş, yüzlerce yıllık insan çalışmasının ortak mirasıdır.

Kaynaklar

– http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/spedlite.html

– https://web.archive.org/web/20150704043700/http://sci-ed.org/documents/Lauginie-M.pdf