Işık Oyunları

Öyle hızlı bir şey düşünün ki, yalnızca bir saniyede, bakın “yalnızca bir saniyede” diyorum, koskoca dünyanın çevresini 7 kere dolaşsın! Evet, ışıktan bahsediyorum. Asırlardır bilim insanlarının merakını cezbeden, dünyayı şekillendiren keşiflere yol açan, evrendeki hiçbir maddenin ondan hızlı gitmediğini bildiğimiz, hatta bu videoyu, etrafımızdaki her şeyi görmemizi mümkün kılan ışıktan bahsediyorum. Ve elbette… Belki de onu bilimin en popüler konularından biri yapan Albert Einstein’ın “özel görelilik teorisinden”… 

Fakat önce gelin sizinle küçük bir “bilim oyunu” oynayalım.

Şimdi size ışık hızıyla alakalı iki çılgın iddiada bulunacağım, bakalım bunlardan hangisi doğru tahmin edebilecek misiniz. En iyi tahmininizi yapmaya çalışın!

1. Eğer ışık hızına yakın hızda giden bir uzay aracında farları açacak olursanız, dışarıdan sizi izleyen biri, farlardan çıkan ışığın hızını, ışık hızı artı uzay aracının hızı olarak değil, yine ışık hızında görür.
2. Komşu galaksimiz Andromeda’ya baktığımızda onun 2.5 milyon yıl önceki halini görürüz. Çünkü evrendeki en büyük hıza sahip ışığın bile Andromeda’dan bize ulaştığını görmemiz bu kadar zaman alır. Fakat biz uzay aracına atlayıp oraya gidecek olsaydık, ışık hızından yavaş bile olsak, yalnızca biraz yaşlanarak oraya gidebilirdik.

Tahmin edebildiniz mi? Çok mu zordu? Yoksa çok mu kolay geldi? Hemen emin olmadan biraz daha düşünün, çünkü bu durum bazen fizikçilerin bile kafasını karıştırabiliyor. Şimdi bunlarla neyi kast etmek istediğimi detaylıca anlatacağım. Fakaaaat büyük sorulara cevap vermeden önce, temelleri iyi inşa etmemiz gerek. O nedenle yüzyıllardır en büyük zihinlerin bile kafasını kurcalayan ışığın doğasını iyi anlamalıyız. 

Sahi nedir ki bu ışık? Hiç kuşkusuz bu videoyu izleyebilmeyi ona borçluyuz, öyle değil mi? Lakin gözümüzün görebildiği aslında ışığın spektrumunun çok çok küçük bir kısmı, yalnızca görsel bölge olarak adlandırılan dar bir alan. Işığın temel parçacığı olan fotonlar, farklı enerjilere sahipler ve farklı farklı yerlerde karşımıza çıkıyorlar. Örneğin röntgenlerdeki X-ışınları, mikrodalga fırınlardaki mikrodalga, kumandalardaki kızılöte ya da iletişimdeki radyo dalgaları aslında yine aynı ışık, yani foton. Sadece farklı enerjilere sahipler, dolayısıyla etkileri ve kullanım alanları farklı. Zaten radyasyon kelimesi de burdan geliyor. Işık saçma, parlama anlamında. Bu nedenle de Türkçeye “ışınım” olarak geçmiş. Radyasyon derken de aslında iyonize edici, zararlı radyasyondan, yani X-ışını gibi yüksek enerjili ışıktan bahsediyoruz. Halbuki temelde görmemizi sağlayan ışıktan tek farkı, sadece enerjisi.

O halde ışığın en temel özelliklerinden biri onun enerjisi! Fakaaaaat… Işığın, yüzyıllar boyunca bilim insanlarının aklını kurcalamış daha temel bir özelliği var. Hızı. Yani ışık hızı.

Şimdi hep birlikte birkaç yüzyıl önceye gidelim. Bir bilim insanısınız. Soğuk, yağmurlu bir gecede, yağmur damlaları ahşap pencerenin kenarında tıkırdarken, mum ışığının altında masanızda bir şeyler karalıyorsunuz. Nefesinizden çıkan hava, mumun alevini dalgalandırırken kaleminizin gölgesinin dans edişini izliyorsunuz. Sonra birden aklınıza takılıyor!

Acaba bu gölge ne kadar sürede oluşuyor? Işığın mumdan çıkıp masamıza çarpması tahminen ne kadar zaman alabilir ki? Göz açıp kapayıncaya kadar olduğunu biliyorum, çünkü onun yavaş bir şekilde ilerlediğini hiç görmedim. O halde bunu ölçmek istiyorsam, mesafeyi biraz arttırmalıyım ki hedefine ulaşana kadar ölçebileceğim miktarda zaman geçsin. Mesela bir arkadaşımızla saatlerimizi senkronize edip karşılıklı iki tepeye çıksak, ben fenerimin üzerini örtsem ve örtüyü bir anda kaldırsam! Arkadaşıma acaba bu ışık ne kadar sürede ulaşır? 

Bilim dünyasındaki diğer çoğu şey gibi, bu fikir de birilerinin aklına çok daha önceden gelmiş ve pek tabii ki denenmiş! Hatta kendisini diğer birçok önemli keşfiyle de yakından tanıyoruz! Galileo’dan bahsediyorum! Lakin Galileo’nun bu girişimi, pek de olumlu sonuçlanmamış. Ne kadar çabalamışsa da iki tepe arasındaki ışık da tıpkı masadaki mumun masayı aydınlatışı kadar hızlı gerçekleşmiş. Denemelerinin sonucunda vardığı sonuç haliyle: “en azından bu şekilde ölçülemeyecek kadar hızlı” olmuş. 

Bu noktada akıllara şu soru geliyor elbette: Neden ışığın bir hızı olsun ki, ya bir hızı yoksa? Gördüğümüz diğer şeylerin bir hızı var diye illa ışık da bir hıza sahip olmalı mı? Belki de oluştuğu gibi hedefine varıyordur, olamaz mı? Çünkü tecrübe ettiğimiz şey, yani gözlerimizle gördüğümüz şey, aslında ışığın oluştuğu anda onu görmemiz. Kendi gözümüzle görüyoruz işte, daha ne olsun! Anında gözümüze varıyor gibi duruyor. Aksini düşünmek için elimizde hiçbir kanıt da yok üstelik! Neden inatla bunu ölçmeye çalışıyoruz ki? Üstelik Galileo bile bulamamış! 

Çünkü bilimsel yöntemi geliştirmemizin bir nedeni var. Sezgilerimiz, algılarımız ve tecrübelerimiz… Yani “kendi zihnimiz” bizi yanıltmaya çok yatkın.

Elbetteeee… Bilimsel şüphecilik burada devreye giriyor ve olay tabii ki Galileo’nun talihsiz girişimiyle sonlanmıyor. Her ne kadar kendisi prestijli bir isim olsa da onun bu başarısız girişimden sonra birileri onun yöntemini geliştirmeye, farklı yollar bulmaya çalışıyor. Bilimin en güçlü yanlarından biri de budur zaten. Onu daima sınayan, birbirinden bağımsız birçok kişi tarafından denetlenmesi. Ve böyle bir yöntem gerçekten de bulunuyor! Galileo’nun ölümünden yalnızca 34 yıl sonra 1676 yılında, Danimarkalı astronom Ole Rømer, dahice bir fikirle çıkageliyor. Jüpiter’in uydularını izleyerek ışık hızını ölçmenin bir yolu olduğunu fark ediyor

Jüpiter’in Galileo uyduları olarak da bilinen dört büyük ve parlak uydusu (Io, Callisto, Europa ve Ganymede) gece boyunca gezegenin etrafında çok hızlı hareket ediyorlar. Hatta gece elinize basit bir dürbün bile alıp baksanız, Jüpiter’in etrafında parlak noktalar olarak görünen bu uyduların, gece boyunca gezegenin etrafında adeta dans eder gibi hareket ettiklerine tanıklık edebilirsiniz. Bu hareketleri sırasında da bazen Jüpiter’in devasa cüssesinin arkasına geçip kayboluyorlar, yani bir tutulma gerçekleşiyor.

Rømer, Dünya Jüpiter’den uzakken ve yakınken bu tutulmaların süresini ölçüyor. Güneş etrafındaki hareketimiz sırasında, Jüpiter ve Dünya arası mesafe artarken ışığın daha uzun bir yol kat etmesi gerekiyor. Rømer bu nedenle tutulmaların geciktiğini fark ediyor! Keza birbirimize yörüngede yaklaşırken de bu süre kısalıyor. Yani aslında ışık bu iki gezegen arasında seyahat ederken, ölçülebilir bir zaman geçiyor. Bu muhteşem bir keşif! Demek ki ışık anında hedefine varmıyor, onun da bir yerden bir yere gitmesi belirli bir zaman alıyor! Fakat belli ki bu çok büyük bir hız.

Rømer bununla da kalmıyor ve bu hızı hesaplıyor. Bulduğu değer saniyede 220 bin kilometre! Bugün bildiğimiz değeri ise saniyede yaklaşık 300 bin kilometre. Günümüzden neredeyse 350 yıl önce hesaplandığını göz önüne alacak olursak, bu muazzam hassaslıkta bir hesaplama! Böylesine yüksek bir hız bize aynı zamanda Galileo’nun ölçümünde neden başarısız olduğunu da açıklıyor. Eğer ölçüm yapılan iki tepe arası mesafe 1 kilometre ise, ışığın bir tepeden diğerine ulaşması saniyenin 300 binde biri ediyor! Bugün bile kolumuzdaki saatler bu kadar hassas ölçüm yapamıyor. Zaten biz tuşa basabilene kadar çok daha fazla zaman geçiyor! Bu değeri tahayyül etmek bile çok zor. Çünkü bırakın aralarında 1 kilometre olan iki tepeyi, koskoca Dünya’nın çevresini bile ışık, yalnızca bir saniyede 7 kere turluyor! Ah Galileo ah, nereden bilsin! Oysa ki Jüpiter’in uydularını da en iyi o bilirdi!

Şimdi biz bu hız mevzusuna geri dönelim, ışığın hızını ölçtük. Peki nedir ışığı bu kadar özel kılan? Neden bu kadar hızlı? Ondan daha hızlı bir şeyler olabilir mi? Eyvah! Ya varsa? O zaman onu nasıl ölçeriz? Işığı bile ölçmemiz hiç kolay olmadı! 

Neyse ki bu sırada konuya başka oyuncular dahil oluyor.

Albert Einstein’ın 1905 yılında, keşfinden 118 yıl sonra bile bu hikayeye konu olacak olan meşhur çalışmasını “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” başlığıyla yayınlamasıyla olaya bambaşka bir bakış açısı katılıyor. Işığın doğasını açıklayan Maxwell’in denklemlerindeki bir probleme işaret ederek, bunun çözümü için iki temel postülatta (yani bir nevi varsayımda) bulunuyor.

Postülat da nereden çıktı şimdi diye düşünebilirsiniz, lakin eğer daha önce Sudoku oynadıysanız, bunun nedenlerini anlayabilirsiniz. Bazen Sudoku bir noktada tıkanır, ekleyecek yeni bir sayı bulamazsınız. Bu durumda bir kareye 2 ya da 5 geleceğini fark ederseniz, içinden birinin, örneğin 2’nin doğru olduğunu kabul edip çözmeye devam edersiniz. Eğer bir noktada bir çelişki olursa, demek ki o kareye 2 gelmemelidir! 

İşte teorik fizikte de işler bazen böyle yürür. Einstein, iki önemli postülat ortaya atıyor ve sonucun tutarlı olup olmadığına, problemi çözüp çözmediğine bakıyor. Lakin bu postülatlardan biri adeta o dönemin fiziğine bir başkaldırı:

Sabit hızla hareket eden ya da duran gözlemciler, hızları ne olursa olsun, ışık hızını bir sabit olarak, hep aynı değerde ölçmelidir.

İlk bakışta ne demek istediği pek anlaşılmıyor gibi, ama bir örnekle biz olaya yaklaşalım.

Bir araçla saatte 100 km hızla gittiğimizi düşünelim, aynı yönde aracın içerisinden saatte 50 km hızla bir top atarsak, dışarıdan bakan biri bu topun hızını ne ölçer? 100+50 = 150, kolay iş, öyle değil mi? Değil… Özellikle hızlar ışık hızına yaklaştıkça…

Einstein’ın ne söylediğini anlamak için örnekteki topu, ışık ile değiştirelim. Yani bu sefer saatte 100 km hızla giden aracın içerisindeyken farları açtığımızı düşünelim. Farlardan çıkan ışığın hızını dışarıdaki birisi nasıl görür? Aklımıza ilk gelen, top örneğindeki gibi aracın hızı artı ışık hızı kadar olacağı yönünde. Fakat postülatı hatırlayın. Gözlemcinin hızı ne olursa olsun, ışık hızı aynı ölçülmeli. Bir dakika, bu nasıl oldu şimdi? Hızları toplamamız gerekmiyor muydu? 

Evet, gerekmiyor. Hatta daha doğrusu, aslında hiçbir zaman toplanmıyor. Lakin doğru yöntemle, sadece toplamak arasındaki fark, gündelik hızlarda bir fark yaratmayacak kadar küçük. Einstein aslında hızların bu şekilde toplanmadığını, daha farklı bir formülle birbirine eklendiğini buluyor. Bu durumda hızlar ışık hızına yaklaştıkça, bu hata belirgin ölçüde artıyor. Dolayısıyla doğruluğunu test etmek için, bu hızlarda bir şeyleri gözlemeye ihtiyacımız var.

Einstein’ın bu denkleminde, hızlar ne olursa olsun, sonucun ışık hızını geçmediğini, sadece ona yaklaştığını görüyoruz. Örneğin ışık hızının %75’i hızla giden bir araçtan yine aynı hızla bir top atacak olsaydık bunun hızı ışık hızının 1.5 katı olmayacak, yeni denklemin bize söylediği üzere ışık hızının %96’sı olacaktı. 

Kulağa son derece havalı ve bir o kadar da sıradışı bir bilim kurgu senaryosu gibi gelen bu durumun, sadece teoride kalmadığını, bugün sayısız bağımsız deneyle ölçüp doğruladığımızı üstüne basa basa vurgulamam gerek. Einstein’ın bu konudaki doğruluğundan hiç kuşkumuz yok. Zira modern fizik bunun üzerine kurulu ve bu denklem birçok yerde hayatımızın içinde yer alıyor.

“Şimdi tüm bunlar iyi güzel de Barış abi, bizim bu baştaki iki iddia ne oldu?” dediğinizi duyar gibiyim. Einstein’ın teorisi, zaten doğrudan birincinin doğru olduğunu hızların öylece toplanmayacağını, toplamın da asla ışık hızını aşamayacağını söylüyordu. Peki ya ikinci? Gerçi hangisi doğru dediğim için otomatik olarak yanlış olduğunu düşünmüş olabilirsiniz. Hele ki ışık hızını geçemiyorken, Andromeda’ya nasıl daha hızlı varalım? Öyle değil mi? Şaşıracaksınız ama, değil…

Göreliliğin önemli ve tamamen sezgi dışı önemli bir sonucu var. Zaman genişlemesi.

Diyelim ki ikiziniz, bir uzay aracına atlıyor ve ışık hızına yakın bir hızda seyahat ederek, şöyle yakın çevredeki yıldızları bir dolaşıp geri geliyor. E kolay değil tabii, yıldızlararası ortam tehlikeli olabiliyor. Bekliyorsunuz, bekliyorsunuz… Bekliyorsunuz… Aylar ayları, yıllar yılları kovalıyor… Tam 10 yıl geçtikten sonra, bir anda kapıda birisi beliyor. O da kim? Gençliğiniz! Evet evet, gençliğiniz! Aslında ikiziniz tabii ki, lakin onun için yalnızca birkaç ay geçtiğinden, neredeyse hiç yaşlanmamış halinize benziyor!

“Ama bu nasıl olur?” diyebilirsiniz, bir bilim kurgu senaryosu gibi geliyor kulağa biliyorum, fakat bu doğruluğunu gözlemlerimizle de sayısız defa doğruladığımız, evrenin şaşırtıcı ve bir o kadar da büyüleyici bir gerçeği. Tabii ki hiçbir ikizi ışık hızına yakın hızlarda uzayda yolculuğa çıkarmadık, ama bunu gördüğümüz başka şeyler var.

Işık hızına yakın hızlarda seyahat ettiğinizde, sabit duran birine göre, zaman sizin için daha yavaş akıyor. Lakin bunu öyle yavaş çekim videolar gibi düşünmeyin sakın ha, eğer o uzay aracında olursanız, her şey aynı ölçüde yavaşlıyor. Kolunuzdaki saatten, damarlarınızda dolaşan kana kadar. Dolayısıyla siz yine zamanı aynı şekilde akıyormuş gibi tecrübe ediyorsunuz, hiçbir farklılık hissetmiyorsunuz.. Ne zaman ki Dünya’ya dönüyorsunuz ve ikizinizi sizden 10 yıl yaşlı buluyorsunuz, o zaman anlıyorsunuz ki zaman sizin için yavaş akmış! İşte Einstein’ın meşhur özel görelilik teorisindeki o “görelilik” lafı var ya, bize tam olarak bunu söylüyor. 

“Ya! Barış abi! İyi de hiç kimse bu hızlarda seyahat etmedi ki, nasıl oluyor da bunu bu kadar kesin söyleyebiliyorsun” diye haklı bir isyanda bulunabilirsiniz. Lakin bizim yerimize bu hızlarda giden ya da buna yaklaşan bazı şeyler var. Bunlardan en bilineni GPS uydularıdır. Konumunuzu birkaç metre hassasiyetle belirleyebilmeleri için nanosaniye mertebesinde hata payına sahip olmalılar. Oysa ki hem Dünya’nın çekiminden daha uzak hem de yeterince hızlı olmalarından dolayı, görelilik etkileri hesaba katılmasaydı konumunuz bir günde 10 kilometreye varan hata mertebeleri nedeniyle çok yanlış hesaplanırdı. 

Neyse ki Galileo kadar şanssız değiliz (ah Galileo ah!) ve teknolojimiz bu ufak farklılıkları artık atomik saatler sayesinde ölçebiliyor. Sonuçların, Einstein’ın teorisinin birebir öngördüğü ile aynı olduğunu görüyoruz! Üstelik CERN gibi birçok atom altı parçacık deneylerinde de parçacıklar ışık hızına yaklaştıklarında, Einstein’ın teorisiyle birebir uyumlu sonuçlar veriyor. Bunun gibi sayısız birçok örnek vermek mümkün. Yani bugün fizikte su götürmez, üzerine birçok şey inşa edip hayatımıza adapte ettiğimiz şaşırtıcı gerçeklerden biri bu.

Haliyle ışık hızına yakın hızlarda zaman sizin için, dışarıdan sizi izleyen sabit birine göre daha yavaş aktığından, 2.5 milyon ışık yılı uzaklıktaki Andromeda’ya gitmeniz mümkün olabilir. Fakat bir sorun, bu hıza nasıl erişeceğimizde. Bizler biyolojik canlılarız, dolayısıyla vücudumuz her ivme değerini kaldıramıyor. En iyi eğitime sahip savaş pilotları dahi 8-9G kuvvetine kısa bir süreliğine ancak dayanabiliyor. Hal böyle olunca akla elbette şu soru geliyor: Işık hızına normal bir ivmelenme ile yaklaşana kadar ne kadar zaman geçer ki? 

Tabii bilim insanları bunu da hesaplamış ve Dünya üzerinde şu anda hissettiğimiz yalnızca 1G ivmelenmeyle bile Andromeda’ya insan ömründe gitmenin, hatta gidip gelmenin mümkün olduğunu bulmuşlar. Ne kadar mı sürüyor?

Andromeda’ya 1G ivmeyle gidip geri dönmek yalnızca 50 yıl. Fakat bu sırada Dünya’da milyonlarca yıl geçiyor… 

Şimdi ikinci iddia hakkında bir ışık çaktı mı. 

Bir başka deyişle, eğer arkanızda bıraktığınız birileriniz yoksa, uzak galaksileri keşfetmek sandığımız kadar imkansız değil. Elbette bir şeylerle çarpışmamak gibi pratik sorunları çözdüğünüzü varsayıyorum (ki en büyük problemlerden biri de bu), zira o hızlarda ufacık bir partikül bile gemide koca bir delik açmaya yeter. O nedenle bu pek yakın bir gelecek gibi görünmüyor. 

Fakat bilim, bazen son derece şaşırtıcı olabiliyor. Bugün hayatımızın her anında yanımızda olan akıllı telefonları, bu kadar iç içe olduğumuz, artık yokluğunu bile yadırgadığımız bu teknolojiyi, yalnızca 20-30 sene önce ne kadar hayal edebiliyorduk ki?

Eee ne oldu şimdi? İki madde de doğru çıktı? Evet, ikisi de doğruydu. Küçük bir bilim oyunu derken, aslında soruları kast etmiyordum. Esas oyun, bilimin kendisindeydi. 

Elinizde “evrenin cevap anahtarı” olmadığında, neyin doğru neyin yanlış olduğunu anlamak o kadar da kolay değil. Bilimsel keşifleri bu kadar zor kılan da bu. Bu örnekte haklıydı, ama bazen Einstein da yanılabilir. 

Hiçbirimiz onun kadar bilemezken, hatta bazen konuyu hiç bilmiyorken, doğruyu, yanlışı nasıl ayırt edeceğiz? Bu cevaplaması o kadar da kolay bir soru değil ne yazık ki. Fakat yapabileceğimiz en doğru şey, komünitenin ne dediğine, birbirinden bağımsız, birbirinin hatasını arayan, onu düzeltmeye çalışan insanların ortak paydada buluştuğu fikre kulak vermekte.

Çünkü bilim, yanlışların içerisinden doğruyu ayıklayabilmektir. Çünkü bilim Barış Özcan’a, ona, buna, Einstein’a öylece inanmak değil; Romer’in yaptığı gibi Galileo’nun sonuçlarından bile tatmin olmayıp, araştırmaya devam etmek, komünite olarak uzlaşabilmektir. Fakat bilim, inkar etmek demek de değildir. Bilim, aynı zamanda doğru sonuçları kabullenebilmeyi gerektirir, yoksa üstüne inşa edip, ilerleyemeyiz. 

Yoksa pusulamız, her zaman, farklı bir yönü gösterir, yolumuzu kaybederiz…

---

Araştıran ve yazan: Ögetay Kayalı
Sunan ve kurgulayan: Barış Özcan