Işık hızı ölçümlerinden kütleçekimsel dalga belirlenmesine, Nobel ödüllerine koşan deney aleti: Michelson interferometresi

Bildiğiniz gibi, bu yılki Nobel Fizik Ödülü, kütleçekim dalgalarının gözlenmesi ve bunun için LIGO (Lazer İnterferometre Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi) dedektörlerinin kurulmasına verildi.

LIGO, Dünyadaki en büyük Michelson interferometresini inşa etmiştir. Biz de bu yılki Nobel Fizik Ödülüne giden sürecin en başına, Michelson interferometresinin ortaya çıktığı zamanlara gidip, bu deney aletinin ortaya çıkışına değinecek ve önemli bir deneysel fizikçi olan Albert Michelson’ın hayatından anekdotlar da aktaracağız.

LIGO araştırmaları tüm hızıyla sürüyor, bu yazının yazıldığı günlerde ilk defa “kilonova” adı verilen patlamaya tanıklık ettik. İki nötron yıldızının çarpışmasıyla altın, uranyum gibi elementleri var eden bu olağanüstü nadir olayı, birbirlerinden bağımsız olarak hem X-ışını, hem optik, hem de kütleçekimsel dalga algılayıcılarımız tarafından aynı anda yakaladık. Bu sayede, artık klasik anlamda periyodik tablo elementlerinin ağır olanlarının da oluşum süreci hakkında fikir sahibiyiz. İki karadelik çarpıştığında evreni ne derece büküp dalgalandırdığını da biliyoruz. Nitekim bu yılki Nobel Fizik Ödülü de bu durumdan mütevellit olarak LIGO araştırmacılarına verildi. Bu, yalnızca gelişen teknolojinin ortaya attığı eşsiz fırsatlardan biri değil. Aynı zamanda değişen bir bilim dünyasının da habercisi adeta. Geçtiğimiz yüzyıl bu tür konular üzerine çok düşündük, kuramlar, modeller, hesaplamalar üretip durduk. Deney araçlarımız çok iyi değildi ama, şu anda kullandıklarımızın temellerini oluşturdular. Fakat Einstein’ın yazdığı son makalesinde “Kütleçekimsel dalgaları yakalamak insan teknolojisi ile neredeyse imkânsızdır” demesi gibi bir umutsuzluk vardı. Şimdiyse CERN’deki Higgs bozonu ve anti-madde ölçümleri, Hubble ile yapılan gökada kümeleri gözlemleri, Kepler ile yapılan yaşanılabilir ötegezegen analizleri… İnsanlık deneysel ve gözlemsel fiziğin altın çağlarını yaşıyor adeta. Elimizdeki modellerin birer birer doğrulanmaya başladığı bu hareketli çağ, 100. yıldönümünde olduğumuz Ekim Devrimi’nin toplumsal normları baştan yazması gibi bir etki yaratacağa benziyor. Bizler de, böyle bir güzel zamanı yakalamışken, bu yılki Nobel Fizik Ödülüne giden sürecin en başına, Michelson interferometresinin (TDK “girişimölçer” olarak çevirmiş. Aslında çok güzel bir çeviri, fakat bu yazının yazarı olan ben alışkanlıktan ötürü interferometre demeyi sürdüreceğim) ortaya çıktığı zamanlara gidip, bu deney aletinin nasıl şartlar, ne umutlar altında çıktığına değinecek; önemli bir deneysel fizikçi olan Albert Michelson’ın hayatından anektotlar da aktaracağız. Eğer Michelson’ın çalışmaları olmasaydı, yukarıda bahsettiklerimin hiçbirisi olmayacaktı. Dolayısıyla rotamızı Vahşi Batıya, 19. yüzyılın ortalarındaki ABD’ye çeviriyoruz.

Albert Michelson

Güneş yeni yeni ağarırken, iki yaşındaki Abraham annesinin kucağında etrafı izliyordu. Atlantik Okyanusu’nu aşarak Yeni Dünyaya ulaşan buharlı gemileri, o dönemde göçmenlerin bir numaralı durağı olan New York Limanı’na yanaştı. Michelson Ailesi, artık Yahudi oldukları için horgörüldükleri Prusya hâkimiyetindeki Leh diyarında değillerdi. Bu farklı ülkenin fırsat dolu geleceğine adım atmışlardı artık. Fakat büyük şehir tehlikelerle doluydu. New York hayatına tutunmanın kolay olmadığını anlayan aile, ülkenin daha iç kesimlerine göç etmenin arayışlarına başladı. 1850’lerin ABD’sinde henüz Batı eyaletleri yeterince yerleşik değildi. Halen ülkenin Batı yakasından Doğu yakasına gitmek bin bir emek gerektiriyordu ve Vahşi Batı kasabaları dünyada bir insanın yaşayabileceği en iyi yerlerden değildi. Ülkenin tümüyle otorite sağlaması zaman alacaktı ve böyle bir zaman diliminde New York’a bir haber ulaştı. Yeni kurulmuş Kaliforniya eyaletinde yüksek miktarlarda altın bulunmuştu, on binlerce madenciye ihtiyaç vardı. Dönemin yoksulları “The Gold Rush” adı verilen, Türkçeye de “Altına Hücum” olarak tercüme edilmiş göç dalgasıyla soluğu akın akın Doğu yakasında aldılar. Herkesin hayali çıkardıkları altınları satıp zengin olmaktı. Bu furyaya kapılarak Nevada eyaletindeki Murphy’s Camp adında bir madenci kasabasına göçen Michelson ailesi, burada bir yaşam kurmaya karar verdi. Albert ilkokuldan mezun olduğunda, altın tüccarlığı yapan babasının durumu iyileşmiş, orta sınıfa yükselen ailenin refahı artmıştı.

Babası, Nevada’nın dağlarla kaplı ve kurak diyarında ortalama bir tahsil gören Albert’in eğitim hayatına devam etmesini istiyordu, fakat bulundukları bölgede bir lise bile yoktu. Bu yüzden Albert, Kaliforniya’ya teyzesinin yanına lise eğitimi almaya gitti. Son sınıfa doğru bir umutla başvurduğu devlet bursu çıkınca Amerikan Deniz Harp Akademisi’ne kayıt oldu. Akademide gemi güverte işlerinde hiç iyi değildi, fakat denizle alakalı aldığı fizik eğitimi onu çok etkilemişti. Suyun bir dalga olması ve dalgaların davranışlarının parçacıklarla olan farklarını ilk kez burada incelemeye başlayan Michelson, özellikle optik, klimatoloji, deniz bilimleri gibi alanlarda çok başarılı olarak komutanlarının dikkatini çekmekteydi. Fakat mezun olduğunda, iki yıl boyunca zorunlu deniz görevi yapması gerekecekti. ABD’nin Karayiplerdeki donanmalarında geçen iki yıllık ordu görevinin ardından nihayet geri dönen Michelson, mezun olduğu akademide fizik ve kimya dersleri vermeye başladı. Fakat yaşamda bundan fazlası olmalıydı. Öğretmenlik yaptığı günlerde fizik gündeminden bağımsız kalmamaya çalışıyor, özellikle ışık hızının ölçümleri üzerine okumalar yapıyordu. Boş zamanlarında da ışık hızını daha tutarlı ölçmenin yöntemlerini düşünüyordu. Akademiden ayrılıp lisansüstü eğitim almaya karar veren Michelson, kendine uygun bir yer aramaya başladı. Dönemin Avrupası yeni fikirlerin fışkırdığı bir yerdi ve bilimin neredeyse her alanına önderlik etmekteydi. Özellikle Prusya Bilimler Akademisi gibi dönemin en önemli bilimcilerini içinde barındırdığından ve optik araştırmalarını da desteklediğinden Berlin Üniversitesi’nde eğitimine başlamaya karar veren Michelson, bu sırada Heildelberg Üniversitesi ve Paris Politeknik Enstitüsü’nde de dersler aldı. Artık kafasında kurduğu hayali gerçekleştirmeye hazırdı.

Işık hızını ölçme yarışları

Denizcilik, uzun okumalar yapmaya fırsat veren bir yaşam tarzı olduğundan aslında askerlik yıllarında da Michelson, dönemin ünlü fizikçilerinden Léon Foucault’un ışığı sürekli olarak dönen bir ayna ile ölçme yöntemlerini okumuş ve bu deneyleri iyileştirme yollarını düşünmüştü. Bir süre Amerikan Ulusal Denizcilik Gözlemevi’nde de araştırmacı olarak bulunan Michelson’ın yolu, bilimin her alanına ilgi duyan, yüksek seviye bir akademik eğitimi olmamasına rağmen uygulamalı matematikten astronomiye kadar birçok konuda makaleler yazmış biliminsanı Simon Newcomb ile kesişti. Çalıştığı gözlemevinde bilgisayar⁽¹⁾ olarak çalışan Newcomb ile Michelson, ışık hızı ölçümü için deneyler tasarlamaya başlarlar. Kendilerinden önce ışık hızı defalarca ölçülmüştü, ama her ölçümde değerler bir miktar farklı çıkıyor, hata payları yüksek oluyordu. Eğer ışık hızı sabiti ince küsuratına kadar bulunabilirse, daha düzgün hesaplamalar yapılabilir, ileride ortaya çıkacak kuramlara kolaylık sağlayabilirdi. Bu sebeple Michelson ve Newcomb, önceden yapılmış ışık hızı deneylerini kendi laborotuvarlarında yapıp sistemleri düzenlemeye koyuldular. Önceki muadillere benzer, fakat ışığın daha uzun yol kat etmesiyle hesaplama hatalarını azaltan ikili, ışığın hızını 299,853 ± 60 km/s olarak, yani o zamana kadarki en tutarlı haliyle belirlediler.

Bu çalışmanın makalesi sayesinde Michelson ünlenmeye başlamıştı. Fakat ortada başka bir soru işareti vardı. James Clark Maxwell, elektromanyetik teoriyi 1855’den itibaren Michael Faraday’ın ortaya attığı elektrik yükler üzerinden geliştirmeye başladıktan sonra, dalga adı verilen fenomen ön plana çıkmaya başlamıştı. Buna göre ses, su gibi şeyler dalga olarak etrafa yayılıyor, enerjiyi dalga formunda taşıyorlardı. Fakat her dalganın yayılması için bir ortama ihtiyacı vardı. Elektromanyetizma için bu elektron, ses için bu moleküller olabilirdi. Eğer ışık bir dalgaysa, içinde yayıldığı bir ortam olmalıydı. Teorik olarak ortaya atılan bu kavrama “Aether”, yani esir adı verildi. Esir, tıpkı bir elektrik akımı gibi düz çizgisel şeritler halinde tüm evreni doldurmuş olmalıydı, çünkü evrenin her köşesinden dünyaya ışık gelmekteydi. Fakat bu tür bir esir alanı evrende doğrusal olarak yayılıyorsa, Dünya dönüşü sırasında esir içinde hareket edeceğinden esire doğru hareket ettiğinde ışığın daha hızlı, esirden uzaklaştığında ışığın daha yavaş gitmesi gerekiyordu. Belki de Dünyanın her yanında ışığın hızının bir miktar da olsa farklı ölçülmesinin sebeplerinden biri buydu!

Michelson, kafasında bu fikirleri geliştirirken, Cleveland şehrindeki Case Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan profesörlük teklifi aldı. Donanma Gözlemevi’ndeki araştırmacı görevini bırakıp düzgün bir kadroya sahip olacağı ve akademisyen olarak çalışacağı üniversiteye adımını attı. Cleveland’da Edward Morley adında bir kimyacıyla arkadaş oldu. Morley, oksijen gibi gazların yoğunlukları ve ışık gibi dalgalara etkileri üzerine araştırmalar yapan bir biliminsanıydı. Cleveland’da da Western Reserve Koleji’nde tıp ve diş hekimliği öğrencilerine Genel Kimya dersleri vermekteydi. O dönemde bilimsel camiada varlığı tartışılan esir hakkında bir şeyler öğrenmek onun için de önemliydi; zira atomik ağırlık, özağırlık, yoğunluk gibi kavramlarla esirin -eğer varsa- bir ilişiği olabilirdi. Bu motivasyonla, Michelson ve Morley, esiri keşfedebilmek için bir deney düzeneği tasarlamaya başladılar.

Michelson-Morley deneyi

Michelson, Avrupa’da bulunduğu yıllarda bir interferometre görmüştü. Bu tür araçların nasıl çalıştığının da farkındaydı. Aynı şekilde ışık hızını ölçerken ışığın yolculuk yaptığı tüpün iki ucunun birbirinden uzaklığı arttıkça ölçümün daha da hassaslaştığını, fakat bu sefer de ortamdaki gürültü kirliliğinin arttığını zaten biliyordu. Morley ile bu konuları tartışırken, akıllarına Michelson’ın kafasındaki bu iki düşünceyi birleştirmek geldi. Michelson ve Morley, birbirlerinden çok çok uzak bir değil iki tüp alarak, iki farklı yönden ışığı gönderecekler ve geri dönüş sürelerini kıyaslayacaklardı. Bir ışık kaynağından gönderilen ışığı ilerletip yarıgeçirgen bir ayna aracılığıyla ikiye ayırdıktan sonra, X ekseni ve Y ekseni olarak belirledikleri yerlere ışıkları göndereceklerdi. İki farklı yöne giden ışık demetleri uzun tüplerin içinden geçip aynalara çarpacak, sonra da yansıyıp geldikleri yönden geri dönüp, yeniden birleşerek algılayıcıya ulaşacaklardı (Bkz. Figür 1). Eğer gelen ışıklarda (X ve Y eksenleri) faz farklı olursa, bu fark esirin varlığını ve belli bir yöne doğru aktığını kanıtlayacaktı. Hatta esirin akışını ve yönünü de keşfedebileceklerdi. Gerekli bütçe sağlanınca ikili deney düzeneğini inşa etmeye başladı ve deneyi gerçekleştirdiler.

Deneyin sonucu tam bir fiyaskoydu. Her denemede aynı ışık demetini gördüler. Yön ne kadar değişirse değişsin, ışıklar tam olarak aynı zamanlarda, aynı fazlarda varıyorlardı. Peki bu ne demekti? Bin yıllardır var olduğu düşünülen esir diye bir şey, aslında yok muydu? O halde ışık neyin içinde yayılıyordu? Bilim dünyası şaşkınlık içindeydi. Öyle ki Britanya Kraliyet Bilim Akademisi’nde Lord Kelvin, Joseph J. Johnson gibi fizikçiler, “Kesinlikle bir yerlerde hata yapmış olmalı bu Amerikalılar” diye düşünerek benzer deney düzenekleri inşa ettiler (Michelson-Morley deneyinin yapıldığı düzeneğe Michelson interferometresi adı verildi). Avrupa’nın dört bir yanındaki Michelson interferometreleri de aynı sonuçları aldıktan sonra sessizlik hâkim oldu. Yaşanan bu sessizlik ve duraklama, birkaç on yıl sonra İsviçre’de bir patent enstitüsünde memur olarak çalışıp ailesine bakmakla yükümlü genç bir adam sayesinde değişecekti. O adama göre, ışık hem bir parçacık hem de dalgaydı. Yani ışık, kütlesiz bir parçacıktı. Işık bir fotondu. Albert Einstein’ın bu görüşü, fiziğin klasik yöntemlerle tıkandığı noktaya modern bir yaklaşım getirmiş, bambaşka bir bakış açısının görülmesini sağlamıştı.

Albert Michelson ise deneyinin başarısızlıkla gerçekleşmesinin ardından bir bakıma hevesini yitirdi. Işık hızını daha tutarlı ölçme macerasına ve akademisyenliğe geri dönüş yaptı. Fakat bu alanda çalışırken 1907 yılında, ışık hızı üzerine yaptığı deneyler ve tasarladığı optik sistemlerden ötürü Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülerek Nobel Fizik Ödülü almayı başarmış ilk ABD’li kişi oldu.

Bilimsel camia gözünde yaşadığı başarısızlıktan ötürü Michelson, itibarını hiç kaybetmedi, aksine her zaman dünyanın en saygın deneysel fizikçilerinden biri olarak kaldı. Zaman zaman Donanma’da da çeşitli geçici görevler alan Michelson, Birinci Dünya Savaşı’nda komutanlık yaptıktan sonra 1922’de Santa Barbara kentinde yaşanan deprem sonrası orduyla birlikte arama kurtarma ve arazi tanımlama çalışmaları yürüttü. Sonrasında da Carl Sagan gibi önemli biliminsanlarının yolunun düşeceği Chicago Üniversitesi’nin Fizik Bölümü’nü kuran Michelson, bu noktadan sonra ölümüne kadar çoğunlukla bilimsel değil, bürokratik ya da askeriyeyle alakalı işlerle meşgul oldu. Tarihin en önemli “başarısız” deneyinin mucidi Michelson, inşa ettikleriyle nasıl bir Pandora’nın Kutusu açtığından habersiz bir biçimde, 1931’de 78 yaşında hayata gözlerini yumdu.

Ölümünden  yaklaşık 30 yıl sonra, kütleçekimsel dalga ölçümleri için Michelson interferometresi kullanma fikir ilk kez ortaya atıldı. 1980’lerde ABD Ulusal Bilim Kurumu (NSF) ile Massachussets ve Kaliforniya Teknoloji Enstitüleri (MIT ve CALTECH) güçlerini birleştirerek Lazer İnterferometreleri Kütleçekimsel Gözlemevi (LIGO) kurumunu kurdular. Keşfetmeye çalışacakları şeyin belirsizliklerinden ötürü, ancak 1988’de gerekli bütçeyi elde eden LIGO 1994 yılında Dünyadaki en büyük Michelson interferometresini inşa etti. Uzun süre umutsuzluklarla ve bütçe kesintileriyle geçen yıllardan sonra, 2015’de cihazlarını güncelleyen kurum 2016 yılında ilk kütleçekimsel dalga gözlemini, bir Michelson interferometresi sayesinde yapacak, Pandora’nın Kutusunu açmış olacaktı. Peki LIGO’dan önce ne vardı? Bir sonraki sayımızda LIGO öncesinde kütleçekimsel dalgaların keşfi yolunda, Michelson interferometreleri haricinde denenen başka yöntemlerden bahsedeceğiz.

Girişim desenine bir örnek. Kırmızı olan kısımlarda yapıcı, siyah olan kısımlarda yıkıcı girişim gerçekleşmiş.

Işık demeti nedir?

Işık hem bir parçacık, hem de dalga özelliği gösterir. Bu ikili durumdan ötürü de kendine özgü özellikleri vardır. İki farklı ışık ışını, dalgasal bir özellik göstereceklerinden ötürü, eğer fazları aynıysa birbirleri üzerine binecekler ve var olandan çok daha yüksek genlikte dalgalar oluşacak. Buna yapıcı girişim (constructive interference) denir ve sebebi de dalgaların süperpozisyon durumudur. Eğer dalgalar birbirleriyle tam zıt bir akış düzeninde karşılaşırlarsa, birbirlerini sönümlerler ve hiç ışık gözükmez. Buna da yıkıcı girişim (destructive interference) denir. İnterferometreler, yani girişimölçerler, bu tür girişimleri ölçmek ve kıyaslamak için kullanılır. Birden fazla girişimin bir arada olduğu yapılara da “girişim deseni” adı verilir.

Michelson’ın bilgisayarı

Deneysel fiziğin her alanını çok seven Michelson, 1890’larda ışığın dalga formuyla ilgilendiğinden sık sık birbirinden farklı dalga formlarında olan ışıkları ayırması gerekiyordu. Periyodik dalgaları birbirlerinden ayırmak için ilk önce bu dalga formlarını trigonometrik olarak yazabiliyor olmak gerekiyor. Bu sayede matematiksel olarak tanımlanan dalga,  birbirinden farklı fonksiyon serileri olarak açılabiliyor. Fourier analizi adı verilen bu yöntemi sıkça kullanmak ve elle saatlerce hesaplamak zorunda kalan Michelson, bir gün bıkkınlıkla bu işi yapacak analog bir bilgisayar yapmaya karar verir. Çarklar ve yaylarla çalışan mekanik bilgisayar, sekiz farklı dalga türüne kadar Fourier analizini başarıyla yapabiliyordu. 1897’de ürettiği ilk aletin patentini Chicago temelli Wm. Gaertner Şirketine satan Michelson, 1904 yılına kadar cihazın farklı tasarımlarını yaptı ve bu şirket de seri üretimle bu makineleri çeşitli üniversitelere sattı. Türünün tek örnekleri olan bu bilgisayarlar, Michelson’ın deneysel pratik zekâsının ne kadar yüksek olduğunu ortaya koyuyor.

Dipnot

1) 19. yüzyıl ve 20. yüzyılın başlarında, günümüzde bilgisayar kodlarının kullanıldığı karmaşık hesaplamalar “computer”, yani hesaplayıcı adı verilen kişiler tarafından yapılmaktaydı.

Kaynaklar

– Isaac Asimov’un, Ana Britannica için yazdığı Albert A. Michelson biyografisi, https://www.britannica.com/science/Michelson-Morley-experiment

– Livingston, D. M. (1973), The Master of Light: A Biography of Albert A. Michelson, Scribner,376 s.

– https://physics.aps.org/story/v16/st19