Aynalar Neden Sadece Sağı Sola Çevirir?

Aynalar neden görüntünüzü sağdan sola çevirir ama baş aşağı çevirmez? Akıllı telefonla özçekim yapınca da sağ eliniz fotoğrafın solunda görünür. Elbette bir sirke gidip sizi baş aşağı gösteren aynalarla eğlenebilir veya resimdeki gibi ayna masa üzerinde dikey yansıma yaratabilirsiniz. Oysa dikey yansıma dikey simetri sağlamaz ve bütün aynalar yanal simetri sunar. Sirklerde görüntünüzü dikey çeviren aynalar imal etmek için de özel üretim teknikleri uygulamanız gerekir. Yine de kozmik simetriyi değiştiremezsiniz. Peki ışığın simetrisi nedir ve nasıl işler? Kuantum mekaniğiyle görelim.

Aynalar ve kozmik simetri

İster uzaya çıkın ister uzak bir yıldıza gidin, yanınızdaki ayna her zaman görüntünüzü yatay olarak çevirecektir. Bu da insan gözü, Dünya gezegeni, yeryüzünde dik yürüyor olmamız, yerçekimi alanında hareket etmemiz veya uzay yürüyüşü yapmamız, hatta ışığın doğasına göre değişmez. Bunu görmek için çok geniş düşünmeye de gerek yok. Aynanın karşısında ve parmağının ucunda top çeviren ünlü bir basketbol oyuncusu düşünün. En sevdiğiniz oyuncuyu seçebilirsiniz. 😊

Topun görüntüsü sağ tarafı sol olacak şekilde aynada çevrilecektir. Hatta beyninize kan hücum etmesini göze alarak aynaya baş aşağı da bakabilirsiniz. Yöneliminizin değişmesi sebebiyle beyniniz görsel yanılsama yaratsa bile topun yanal simetrisinin değişmediğini fark edeceksiniz. Top ters dönüyor gibi görünün ama baş aşağı dönmez.

Nasıl ki bazen tren hareket edince bir an için şaşırıp asıl karşı perondaki trenin ters yönde hareketlendiğini sanar, ama sırtınızda ivmelenme baskısını hissedince sizin trenin gittiğini anlarsınız bu da öyledir. Baş aşağı durduğunuz için bir an sağınızı solunuzu karıştırsanız bile basketbol topunun görüntüsü sadece yatay simetride çevrilecektir. Peki bu size ne gösteriyor? İşin ucu fotonlara uzanıyor:

İlgili yazı: Titanic Enkazı 20 Yılda Yok Olacak

 

Aynalar ve fotonlar

Aynaların yatay simetrisi tabii ki ışığın fiziksel özelliklerine bağlıdır. Öyleyse bizim de ışığın kuantum fiziksel özelliklerini incelememiz gerekiyor. Bunun için .gif animasyonunda ayna önünde dönen ışıklı disko topuna da bakabilirsiniz. Bütün bunlar bizim sağduyumuz ve sezgilerimizle ilgili açıklamalar… Nitekim aşağıdaki videoda aynaların neden aslında görüntünüzü sağdan sola çevirmediğini de görebilirsiniz. Gerçekte siz aynaya doğru döndüğünüz için görüntünüz yatay simetride dönüyor.

Öyleyse biz neyi konuşuyoruz? Yatay simetri bir yanılsama mı? İnsan vücudu dikey değil de yatay simetriye sahip olduğu için mi (örneğin yüzümüzün iki yarısı, ama belden aşağımız değil) aynalar görüntümüzü yatay çeviriyor? Hayır! Ne ayna simetrisi bir yanılsamadır ne de bunun insan bedeninin simetrisiyle bir ilgisi vardır. Oysa dilerseniz anatomik simetrinin kökenini Çifte Sarmal DNA Neden Sağ Elli yazısında okuyabilirsiniz. Şimdi aynalara geri dönelim:

Bir aynanın karşısında nasıl duruyorsunuz? Genellikle dik duruyorsunuz fakat ister yere uzanın ister baş aşağı olun, görüntünüz aynanın ışığı yansıtma eksenine göre hep dik açı yapar. Kısacası bu durum uzaydaki yönelimden bağımsızdır. İşte bu noktada basketbolcunun çevirdiği topun ayna görüntüsü örneğine geri dönün. Hatta bunun için basketbolcuya da gerek yok. Topu ayna karşısında parmağınızda siz çevirin. 😀 Topun dönme yönünün değişmesine karşın elinizin baş aşağı olmadığına dikkat edin! Neler oluyor? Bunu anlamak için bu kez lütfen ayakta dik dururken elinizi aynaya yatay olarak uzatın:

Bu defa ne göreceksiniz?

Bir kere elinizin yatay olarak döndüğünü görmeyeceksiniz. Demek ki aynanın ışığı yansıtma yönü ile sizin görüntünüz arasında yukarıda dediğim gibi her zaman dik açı var. Hatta aynaya sırtınızı dönerek durur ve başınızı arkaya çevirip bakarsanız sağ elinizin yine sağda olduğunu görürsünüz. Dolayısıyla evet, aynalar görüntünüzü yatay çevirmez. Bunu siz aynaya dönünce yaparsınız. Öte yandan yüzünüzü aynaya döndüğünüzde görüntünüzün sağının sol olması için aynanın ışığı yansıtma eksenin her zaman size dik açı yapması gerekir. İşte bu ışığın fiziksel özelliklerine bağlıdır:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Peki ışığın fiziksel özellikleri nedir?

O kadar çok ki biz ışığı sadece ayna görüntüsü açısından ele alacağız. Öncelikle ışık fotonlardan oluşur. Fotonlar da uzayda herhangi bir yönde giderken sarmallar çizer. Bunu solak evren yazısında detaylı görebilirsiniz ama kısaca söylersek fotonun kendi çevresinde dönme ekseni (aslında spin ekseni) hareket yönüne paraleldir. Foton kendi çevresinde hareket yönüne paralel olarak döner. Bu yüzden de aynaların ışığı yansıtma ekseni görüntüsünü yansıtacağı objeye (örneğin size) hep dik açı yapar. Dolayısıyla aynaya doğru döndüğünüzde görüntünüzün sağı sol olur.

Merak etmeyin: Ayna görüntünüzün sağı solu her zaman belli olur. 😉 Öte yandan bu konunun mantığını anlamanız için çok basit bir açıklamadır. Elektron spininden bildiğiniz gibi fotonlar ve diğer kuantum parçacıklar kendi çevresinde gerçek anlamda dönmez. Ayrıca bir fotonun belirli bir hareket yönünün olması da şart değildir. Yine de varsa ve basitlik olsun diye spini dönü (rotasyon) olarak düşünürsek evet, fotonun spin ekseni hareket yönüne paralel olacaktır.

Bunu anlamak için resimleri takip etmenizi öneriyorum. Öncelikle foton sarmal bir elektromanyetik dalgadır. Elektromanyetik dalga bileşik bir dalgadır. Öyle ki bu dalga üzerinde elektrik ve manyetik alanlar birbirine dik açı yapar (mavi–kırmızı dalga resmine bakın). Ayrıca foton elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olup spin değeri 1’dir. Diğer resimde ise fotonun sarmallar çizmesini ve sağ–sol yönelimli dairesel polarizasyonu görebilirsiniz:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Aynalar ve sarmallar çizen fotonlar

Bu resimde yeşil ok fotonun hareket yönünü ve kırmızı oklar da sarmal foton dalgasının dönme yönünü gösterir. R ile L harfleri de İngilizce sağ elli ve sol elli dönmeye karşılık gelir. Yeri gelmişken Heisenberg’in belirsizlik ilkesini de hatırlayalım… Bir parçacığın konumu ve momentumunu aynı anda yüzde 100 kesin olarak ölçemezsiniz. Buna karşın çizimde fotonun belirli bir hareket yönü olduğunu görüyoruz. Buna yeşil ok için k vektörü diyelim. Bu durumda fotonun açısal momentumu, yani j belirsizdir; ancak fotonun hareket yönünde sarmallar çizerek gittiğine de dikkat edelim.

Demek ki j belirsiz olsa bile foton vektörünün bir açısal momentum bileşeni olacaktır (dairesel polarizasyon) ki bunu da λ ile gösteririz (helisite denir). Formüllerin açıklamasına gerek yok ama ayna görüntünüzün yatay simetrik olmasının kuantum mekaniğindeki sebebi budur. Bu tümüyle fotonların fiziksel özelliklerine bağlıdır. Foton hareket yönünde sarmallar çizerek gider ve belirli bir yön varsa sarmal foton dalgasının ekseni ona her zaman paraleldir.

Foton vektörünün açısal momentum bileşeni olmasına ışığın spin açısal momentumu deriz. Bu da fotonun polarizasyon özgürlük derecelerinin bileşenidir. Kuantum mekaniği bu konuda çok katıdır. Foton kafasına göre polarize olamaz. Fotonlar için izin verilen belirli polarizasyon türleri vardır.

Peki polarizasyon nedir?

Fotonlar her zaman hareket yönünde sarmallar çizer. Öte yandan sarı dalgalı resimdeki gibi hareket yönü çevresinde herhangi bir yönde salınabilir (osilasyon yapar). Işık polarize olduğunda ise hareket yönü üzerinde sadece belirli bir yönde salınım yapar. Fotoğrafçılık ve bilimsel deneylerde ışığı polarize etmek (kutuplamak) için özel filtreler kullanırız. Bu filtreleri oluşturan moleküller hep aynı yönde dizilir. Moleküllerin titreşimleri onlarla aynı yönde salınan foton dalgalarını emer (soğurur). Dolayısıyla bu yöndeki salınım şiddetini azaltır. Böylelikle fotonlar filtreden sadece belirli bir yönde salınarak geçer ve ışık polarize olur. Fotonlarda üç polarizasyon türü vardır. Dairesel, eliptik, doğrusal polarizasyon:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Dairesel polarizasyon

Elektromanyetik dalganın bileşenleri olan elektrik alanı ve manyetik alan, bu dalgayı oluşturan ışının çevresinde sürekli dönüyorsa (yeşil oklu resim) buna dairesel polarizasyon deriz. Bu durumda dalganın elektromanyetik alanının genliği sabit olup dalga yönü çevresinde dikey olarak sabit hızla döner. Peki dairesel polarizasyon, yani sarmal dönüş yönünü nasıl belirleriz? Bu hangi konvansiyonu kullandığınıza bağlıdır. Bazen fotona karşıdan bakar gibi düşünürsünüz ve dairesel polarizasyon sol elli dersiniz (L). Bazen de fotona arkadan bakar gibi düşünürsünüz ve dairesel polarizasyon sağ elli dersiniz (R).

Kütlesiz parçacıklar için helisite budur. Fotonun spin açısal momentumunun (SAM) dönme yönünü ise ± ℏ işaretiyle gösteririz. Çizgili h indirgenmiş Planck sabitidir. Nitekim elektromanyetik alan çiziminde bunu elektrik ve manyetik alanların salınımı (osilasyon) olarak görürsünüz. Foton salınım yapan iki bileşenli bir sarmal dalgadır. Peki fotonun kaç türlü polarizasyonu var?

Polarizasyon türleri

Işık dairesel olarak polarize olduğunda bunu gidiş yönüne dik açı yapan düz dalga olarak tanımlarız. Bu da ışığı oluşturan fotonların spin polarizasyonuna bağlıdır. Işık eliptik olarak polarize olduğunda ışık hızından 3 mm/sn daha yavaş gider. Aslında ışık asla yavaşlamaz ki bunun için ışık suda ve camda nasıl kırılır yazısına bakabilirsiniz. Eliptik polarizasyonda elektrik alanının yönü ışığın hareket yönünü kesen sabit bir düzlem çevresinde elips şeklinde salınır (mavi–kırmızı helezonlu resim).

Işığın doğrusal polarizasyonu ise aslında eliptik polarizasyonun aşırı bir formudur. Doğrusal polarizasyonda ışık dediğimiz elektromanyetik alanı oluşturan elektrik alanı veya manyetik alan hareket yönüne paralel yayılır. Aslında doğrusal ile dairesel polarizasyon eliptik polarizasyon kapsamına girer ve bu polarizasyonunun alt türleridir. Şimdi diyeceksiniz ki “Hocam, neden polarizasyonu anlattınız?” Bunun sebebi aynanın görüntüyü yansıtma yönünün görüntüyü oluşturan nesnenin duruş yönüne her zaman dik olmasıdır. Bu da ışığın elektromanyetik özellikleri ve haliyle nasıl polarize olduğuna bağlıdır.

Aynalar ve ışık için sonsöz

Artık kozmik simetriyi gördünüz ve aynaların neden sadece sağı sola çevirdiğini biliyorsunuz. Siz de kuantum parçacıkların ne olduğu ve nasıl çalıştığına şimdi göz atabilir, kuantum çoklu dünyalardaki paralel evrenlerin nerede olduğunu bakabilirsiniz. Kuantum spin, elektron spini ve spinor nedir diye merak ederek entropinin kuantum dolanıklıkla nasıl çalıştığını inceleyebilirsiniz. Sanal parçacıkların gerçek olup olmadığını araştırıp kuantum sıçramanın işleyişle ilgili bilgi edinebilirsiniz. Hızınızı alamayarak Einstein’ın tuhaf uzaktan etki kavramını da ele alabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.

Aynalar gerçekten görüntünüzü çevirir mi?

¹Photon polarization effects in polarized electron-positron pair production in a strong laser field
²On measurement of photon polarization in radiative penguin B decays to baryons
³A Polarization Encoded Photon-to-Spin Interface
⁴Spin Polarization of Photoelectrons in GaAs Excited by Twisted Photons