Işık Hızını Neden Ölçemezsiniz?

Işık hızı boşlukta saniyede 300 bin kilometredir. Peki ışık hızını asla ölçemeyeceğimizi biliyor musunuz? Işık hızı tam olarak 299.792,458 km/saniye ve bu kesinlikle öyle: Örneğin 299.792,458456 metre değil. Öyle ki geleceğin en hassas aygıtlarıyla bile daha kesin ölçemeyeceğiz. Oysa kuantum fiziğinde kesin ölçüm yapmayı yasaklayan belirsizlik ilkesi var. Bu durumda ışık hızını nasıl bu kadar kesin ölçebiliyoruz? Bunun nedeni aslında ışığın hızını ölçemiyor olmamız. Peki bu çelişki değil mi?

Işık hızını özel görelilikte görelim

Işık hızı bizzat nedenselliğin, neden sonuç ilişkisinin hızıdır. Elektromanyetik kuvvet gibi fizik kuvvetleri uzayda ışık hızında yayılıyor. Siz de zamanı saniyelerle ölçüyor olsanız bile geleceğe doğru ışık hızında yol alıyorsunuz; çünkü ışık hızı sabit olup herkes için aynıdır. Uzay-zamandaki mutlak referans çerçevemiz olduğu için ışığın hızını ölçemezsiniz diyeceğim ama madem öyle, okullarda saniyede 300 bin km olarak öğrettiğimiz ışık hızı nereden çıkıyor? Işık hızını ölçemediysek nasıl bilebiliriz?

Sıkıntı değil. Benim işim en garip bilimsel soruları yanıtlamak ama çelişkili bir durum da yok. Bunu da ışık hızını ölçmeye çalışarak görelim ve böylece özel görelilik teorisinin özünü öğrenelim. 300 bin km/saniye ışığın 1 saniyede aldığı yoldur. Dikkat ederseniz bu hızı biz ürettik, doğrudan ölçmedik ve bunu size kanıtlayacağım. Öncelikle bir tenis topunun hızını nasıl ölçeriz?

Bunun için iki nokta arasındaki uzaklığı ölçeriz. Sonra tenis topunun bu uzaklığı ne kadar sürede kat ettiğini ölçeriz ve bu da topun hızını verir. Hız, uzaklığın zamana bölümüdür. Bunun için yüksek hızlı kameralar kullanırız. Bunların çekim hızını ölçmemizi sağlayan saatleri vardır ve bütünleşik kronometreyle belirlenen film karelerini arka arkaya sayarak topun hızını da ölçmüş oluruz. Peki ışığı böyle ölçebilir miyiz?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Işık hızını ölçen lazerler

Diyelim ki bir lazer ışınını düz yolda 1 km uzaktaki bir hedefe gönderdik. Tam ışını ateşlerken kronometreye bastık ve hedefe ulaşınca da kronometreyi durdurduk. Peki siz ve kronometreniz lazer tabancısının olduğu yandaysanız ışığın karşıdaki hedefe ne zaman ulaştığını nereden bileceksiniz? Öyleyse iki saate ihtiyacımız var. Saatlerden biri lazer tabancısının yanında, diğeri de hedefte olacak ve lazerin hedefi aydınlattığı anda duracak. Peki iki saati eşitleyeceksiniz?

İkisini yerden geçen bir telle bağlayabilirsiniz. Böylece lazer tabancısı ateş ettiği anda yanı başındaki saat karşı tarafa sinyal gönderir. İyi de ışık 1 km uzağa ulaşana dek kısacık da olsa belirli bir süre geçecektir. Sinyalin de ışık hızında gittiğini düşünürseniz o da hedefe aynı sürede ulaşacaktır. Bu durumda saatleri eşitleme sinyali hiçbir işe yaramaz. Bu yöntemle ışık hızını ölçemezsiniz; çünkü ışık hızından sinyal hızını çıkarıp aradaki farkla ışığın hızını bulmak imkansız olacaktır ama bize bu lazım!

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

 

Saatleri yan yana koyalım

Lazer ışınını hedefe göndermeden önce saatleri yan yana koyarak eşitleyebiliriz. Işık hızı sonlu olduğu için bu da zaman alır ama o kadar kısa sürer ki ölçümde bunu hesaba katmayız. Sonra saatlerden birini hedefe doğru ışık hızına yakın bir hızda göndeririz. Böylece eşitleme bozulmadan deney yapabiliriz ancak yine sorun var: Saat ışık hızına yaklaşırken zaman genleşmesi olacak ve saatin zamanı bize göre daha yavaş akacak, saat daha yavaş çalışacak. Bu da eşitlemeyi bozacak. 😛

Başlayacağım saatine

İkinci saati çöpe atıp hedefe ayna koyarak ışığın havada yol alırken görünüşte az da olsa yavaşlayacağını hesaba katalım. Lazer ışını aynaya ulaşsın ve aynadan sekerek ışın tabancasına geri yansısın… Biz de ışığın hızını gidiş-dönüş yolun ne kadar sürdüğüne bakarak ölçüm yapalım. Böylece ışığın hızını çift yönlü olarak ölçebiliriz. Nitekim Armand-Hippolyte-Louis Fizeau 1849’da öyle yaptı.

Dişli bir çark aldı, bunu yere yatırdı, içinden bir oluk geçirdi, karşıya bir ayna koydu ve çarkın arkasından aynaya ışık tutmaya başladı. Işık ışınları dişlerden sağa sola sekti ama çark yeterli özdönüş hızına ulaştığında ışık ışınlarıyla oluk hizalandı ve böylece ışık aynadan fenere geri yansımaya başladı. Bu da ışığın hızını ölçmesini sağladı. Dahice bir yöntem! Fizeau ışık hızını yalnızca yüzde 5’lik hata payıyla saniyede 313 bin km olarak ölçtü. Oysa bu sayılmaz ki!

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Işık hızını tek yönde ölçmek

Marifet ışığın hızını tek yönlü olarak ölçmekte. Ancak o zaman ışık hızını ölçmüş sayılırız. Gidiş-dönüş süresine bağlı hız ölçümleri gerçek ölçümler değil, bağıntı yoluyla çıkarımlamalardır. Peki ışığın hızını tek yönde ölçmek neden önemli? Bu kuantum kütleçekim kuramından Mars’a mesaj göndermeye dek her alanda kritik bir sorudur. Örneğin Mars’taki arkadaşınıza sinyal göndereceksiniz. Işık hızıyla Mars’a sinyal gönderip yanıt almak 20 dakika sürüyor olsun.

Arkadaşınız sizden gelen sinyale göre saatini ayarlar. Mesela mesaj bana 12.10’da ulaştı, öyleyse Dünya’da saat 12.00 der. Oysa iki yönlü sözde ışık hızı ölçümleri sizi tuzağa düşürür. Ya ışık Mars’a anında ulaşıyor ama Dünya’ya saniyede 150 bin km hızla geri dönüyorsa? O zaman gidiş-dönüş süresi değişmez ve siz ışık hızının saniyede 300 bin km olduğunu zannedersiniz ama ışık kafasına göre takılıyordur. Peki ışık bunu neden yapsın? Ayranı fazla mı kaçırdı? Kozmolojiyle görelim:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kozmoloji ışık hızını ele alıyor

Işık hızı gerçek ölçüm yerine oran olduğu için evrendeki fiziksel etkileşimlerin hızıysa eğer (ki öyledir) bu hızın değişmesi fizik yasalarını etkilemez. Işık bin kat yavaş olsa da fizik aynen işlemeye devam eder. Yeter ki ışık hızı uzayda giden, yön değiştiren veya kımıldamadan duran herkes için aynı olsun. Bu da görelilik teorisinin özüdür. Üstelik biz ışık hızını tek yönlü ölçemediğimiz sürece farklı yönlerde (vektörel olarak) değişip değişmediğini bilemeyiz.

Hop! Karşımıza kozmoloji teorileri çıkıyor. Fizik yasalarının zaman geçmişe aksa da değişmeyeceği, zamanda simetrik ve evrenin her yerinde geçerli olduğunu biliyoruz. Evrenimizde fiziğin işlemesini sağlayan birçok simetri var ama ASİMETRİLER de var. Örneğin madde-antimadde bakışımsızlığı… Evrende madde bol, antimadde nadirdir. Bu durumda evrenin kayırdığı özel bir yön olabilir.

Evrenin şekli simetrik değilse ve sağı solundan genişse ışığın hızı o yönde değişecektir. Evrenin büyük patlamadan beri genişlediğini biliyoruz ama belirli bir yönde daha hızlı genişleyerek yumru patatese benziyorsa ışığın tek yöndeki hızı da değişecektir. Evrenimizi çeken veya onunla çarpışan bir evren varsa yine öyle olacaktır. Keza evrenimizden kopan bir evren gökteki kozmik mikrodalga artalan ışımasında (CMB) büyük bir soğuk leke bırakarak buna işaret edecektir. Peki bu ne anlama geliyor?

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Yamuk evren ışık hızını gösterebilir

Bu evren simetrik olmasa ve karşı kenarı bize daha uzak olsa bile sırf ışık hızı değiştiği için evreni her yönde eşik yarıçapta görmemizi sağlayacaktır. Evrenin kenarındaki bir galaksinin ışığı bize daha soluk görünmeyecektir. Uzayın yamuk olduğunu eş uzaklık ve farklı yönlerdeki galaksilerin ışığına bakarak anlayamayız. Işığın birim mesafede gidiş-dönüş süresi değişmediği sürece evrenin yamukluğunu fark edemeyiz ama ışık hızının yön bazlı değişmesine ek olarak gidiş dönüş süresi de değişiyorsa o zaman evrenin asimetrisini saptayabiliriz.

Nitekim fizikçiler ışık hızının vektörel olarak değişebildiği teoriler geliştirdiler. Bu modifiye görelilik teorilerinde fizik yasaları aynen işliyor ve biz hız değişikliğinin farkına bile varmıyorduk. Buraya dek anlatılanları toparlarsak saniyede 300 bin km olarak öğretilen ışık hızı bir ölçüm değil, bilimsel kabuldür. Işığın ileri-geri, yukarı-aşağı, sağa-sola aynı hızda gittiğini kabul ederiz. 1905 yılında yayınlanan Devinen Cisimlerin Elektrodinamiği makalesinde Einstein bunu yazıyor:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Einstein ışık hızını ölçüyor

a ve b noktalarındaki saatlerin eşitlenme problemiyle ilgili olarak diyor ki “Işığın a’dan b’ye gitme süresinin b’den a’ya gitme süresine eşit olduğunu tanım olarak kabul etmeden saatlerin ölçtüğü zamanı anlamlı bir şekilde karşılaştırmanın yolu yoktur.” Bu kabule Einstein eşitlemesi deriz. “Işık hızının ters yönlerde aynı olduğu fikri” diye yazıyor Einstein sonradan, “ne bir sanı ne de varsayımdır. Bu eşzamanlılık tanımına varmak için özgür irademle koyduğum bir koşuldur.”

Göreliliğin kurucusundan ışık hızıyla ilgili öznel tanım yapmasını beklemiyordunuz değil mi? Peki ya ışık hızını görecek kadar hızlı bir kamera yapsak? Hiçbir kütleli cisim ışık hızında çalışamaz ama ışık hızını tek yönlü olarak hassas bir şekilde ölçecek bir hiper kamera tasarladığımızı varsayalım. O zaman ışığın hızını ölçebilir miyiz? Hayır. Kamera önce ışığı görecek ve sonra ekranda bize gösterecek. Bu da iki yönlü sözde ölçüm oluyor.

Peki ya fiber kablodan ışık geçirerek hızını ölçebilir miyiz? Bu da imkansız. Işık kıvrımlı kablonun içinde herhangi bir yönde farklı hızlarda gidebilir. Yalnızca tüm yönlerin ortalaması boşlukta saniyede 300 bin km’ye karşılık gelebilir. Yan yana koyulan ve sonra ters yönlerde birbirinden eşit hızla uzaklaşan iki saat arasında saatlerin birbirine bakan yüzlerine takılı aynalardan sekerek gidip gelen lazer ışınıyla bile ölçüm yapamazsınız.

Saatlerin azizliği

Galaksiler örneğinde belirttiğim gibi ortalama gidiş-dönüş süresi değişmiyorsa tek yönde ışık hızının değişmesinden kaynaklanan senkron kaymasını fark edemeyiz. Saatleri birbirinden çok yavaş uzaklaştırarak zaman genleşmesine bağlı senkron kaymasından kaçınsak bile ışık bir saatin yönünde daha hızlı gidiyorsa o saatin zaman genleşmesi de farklı olacak ve yine tek yönlü ölçümü engelleyecektir. Yok mu bunun çaresi? Aslında var: 😮

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Işık hızını kovalayan galaksiler

Işık hızının her yönde eşit olduğunu bilmek için ışık hızını tek yönde ölçmeye gerek yoktur. Evren her şeyin birbirine bağlı olduğu bir ilişkiler ağıdır. Özellikle görelilik teorisinde öyledir. Uzay-zaman bir bütün ve birbirine göredir. Farklı hızlardaki gözlemcilerin zamanı birbirine göre farklı hızda akar ve iki gözlemci şimdiki zaman konusunda asla uzlaşamaz. Saatleri kusursuz şekilde eşitlemek imkansızdır.

Oysa ışığın yönü belirli bir yönde değişiyor olsaydı Instagram’da konum bildirimi yapmanızı sağlayan GPS uyduları çalışmayacaktı; çünkü bunlar ışığı (sinyalleri) her yönden, herhangi bir uydudan alabilir. Işığın hızı değişse uyduların saatleri birbirine eşitlenmezdi. Siz de Instagram’da restorandan fotoğraf atayım derken konumunuz Paşamandıra’ndan çıkardı. 😊

Keza tek tek galaksiler bize ışık hızıyla ilgili bilgi vermez ama üçgenleme tekniğini kullanırsanız ışık hızının her yönde sabit olduğunu görürsünüz; çünkü galaksiler sadece bizden uzaklaşmıyor veya bize yaklaşmıyor. Andromeda ile Üçgen galaksisinde olduğu gibi birbirine göre de hareket ediyor ve biz Samanyolu’nu baz alırsak bunu yanal hareketler olarak görüyoruz.

Işık hızı birbiçimli olmasaydı galaksilerin hareketi birbiriyle uyuşmazdı. Andoremada ile Üçgen gökadasının birbirine göre yanal hareketi BİZE GÖRE Andromeda ile Üçgen için tek tek farklı olurdu. Dahası kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) tüm evreni sarıyor ve bütün galaksiler CMB’ye göre hareket ediyor ki CMB gibi üçüncü referans noktaları (ikizler paradoksunu nasıl çözeriz yazısında anlattığım gibi) gökcisimlerin gerçek konumuyla hızını ölçmemize izin veriyor.

İlgili yazı: Yaşam Nedir ve Canlıyı Cansızdan Ne Ayırır?

 

Işık hızını toparlarsak

Işığın hızını ölçemez ve her yönde eşit olduğunu kanıtlayamayız ama her yönde eşit olması gerektiğini gökcisimleriyle yapay uyduların hareketine bakarak anlayabiliriz. İkisi aynı şey değil ama felsefedeki Ockham’ın usturası ilkesini uygularsak yanıtını bilmediğimiz bir sorunun en olası yanıtı en basit olan yanıttır diyebiliriz. Aksini gösteren bir durum olmadıkça ışık hızını eşit kabul etmek mantıklıdır. Yine ışığın hızını ölçmek tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemizi sağlayabilir.

Peki ışık hızına yaklaşınca neden uzunluğunuz kısalır ve ışık suda neden kırılır? Onu da şimdi okuyabilir, kuantum dolanıklık ile ışıktan hızlı iletişim olur mu ve warp sürüşü ile ışıktan hızlı yolculuk mümkün mü diye sorabilirsiniz. Işık hızının yüzde 99’una ulaşan sarmal motora göz atıp neden ışıktan hızlı gidemeyiz diye merak edebilir ve buna rağmen Çerenkov radyasyonu ile ışıktan hızlı giden parçacıkları görebilirsiniz.

Bu vesileyle Kozan Demircan YouTube kanalındaki Starbasekozan oynatma listesine yeni bilim videoları eklediğimi de duyurmak isterim. Starbasekozan’a her hafta pazartesi, çarşamba ve cumaları yeni videolar ekliyorum ki son videoyu aşağıya yerleştirdim. Bu videolarda güncel bilim haberleri ve hap bilgiler bulacak, blogda ise bilimsel konuları derinlemesine okumaya devam edeceksiniz. Maksimum bilgi için ikisini de takip ederek sağlıcakla kalın. 😊

Dünya’nın Suyu Nereden Geliyor?

¹A one-way speed of light experiment
²One-way speed of light?
³Conventionality of synchronisation, gauge dependence and test theories of relativity
⁴Conventionality of Simultaneity
⁵Clock synchronization and isotropy of the one-way speed of light