Işık hızı

Işık ne kadar hızlı?

Işık boşlukta her saniye tam 299.792.458 metre yol alır. Bu, yaklaşık saniyede 300.000 km, saatte ise yaklaşık 1,08 milyar km demektir. Bir saniyede Dünya'nın çevresini yedi buçuk tur dolaşabilecek kadar hızlıdır.

Buradaki "tam" sözcüğü önemli. 1983'ten bu yana metrenin kendisi ışıkla tanımlanıyor: bir metre, ışığın saniyenin 1/299.792.458'inde aldığı yoldur. Yani bu değer her yıl biraz daha hassas ölçülen bir sayı değil, sabitlenmiş bir sayıdır. Cetvellerimizi ona göre ayarlıyoruz.

Işık bir maddenin içinden geçerken yavaşlar. Suda boşluktaki hızının yaklaşık dörtte üçüyle, camda ise yaklaşık üçte ikisiyle ilerler. Bilim insanları başka bir açıklama yapmadan "ışık hızı" dediğinde boşluktaki hızı kastederler ve bunu genellikle c harfiyle gösterirler.

Rømer ve Jüpiter'in uyduları

Tarih boyunca insanların çoğu ışığın bir yerden bir yere anında ulaştığını düşündü. Buna karşı ilk sağlam kanıt 1676'da, Paris Gözlemevi'nde çalışan Danimarkalı gökbilimci Ole Rømer'den geldi.

Rømer, Jüpiter'in en içteki büyük uydusu Io'yu izliyordu. Io düzenli aralıklarla, yaklaşık her 42,5 saatte bir Jüpiter'in gölgesine girer. Rømer, Dünya Jüpiter'e yaklaşırken bu tutulmaların biraz erken, uzaklaşırken ise biraz geç gerçekleştiğini fark etti.

Açıklaması basit ama cesurdu. Dünya Jüpiter'den uzaktayken Io'dan gelen ışığın katetmesi gereken yol uzar, dolayısıyla tutulmanın "haberi" bize daha geç ulaşır. Rømer, Dünya yörüngesinin bir ucundan öbür ucuna gecikmeyi yaklaşık 22 dakika olarak hesapladı. Gerçek değer 17 dakikaya daha yakındır. Hollandalı bilim insanı Christiaan Huygens bu gecikmeyi o dönemde tahmin edilen yörünge boyutuyla birleştirdi ve saniyede yaklaşık 210.000 km buldu. Değer düşüktü, ama asıl fikir doğruydu: ışığın hızı sonludur.

Bu sonucun önemi, sayının kendisinden çok yönteminde yatıyor. Rømer, laboratuvarda ölçülemeyecek kadar büyük bir hızı, gökyüzünü dev bir saat gibi kullanarak yakaladı. Io'nun tutulmaları bir saatin tik takları gibiydi ve gecikme, ışığın aldığı fazladan yolu ele veriyordu.

Fizeau, Michelson ve hassas ölçümler

1849'da Fransız fizikçi Hippolyte Fizeau ışık hızını ilk kez yeryüzünde ölçtü. Işık demetini hızla dönen dişli bir çarkın boşluklarından geçirip yaklaşık 8 km ötedeki bir aynaya gönderdi. Çark doğru hızda dönerken geri gelen ışık bir sonraki dişe çarpıp kesiliyordu. Çarkın hızı ve mesafeden bulduğu değer, bugünkü değere yüzde 5 kadar yakındı.

1800'lerin sonundan 1920'lere kadar Amerikalı fizikçi Albert Michelson yöntemi dönen aynalarla geliştirdi. Ünlü deneylerinden birinde ışığı Kaliforniya'da aralarında yaklaşık 35 km bulunan iki dağ arasında gidip getirdi. Sonuçları bugünkü değerden yalnızca saniyede birkaç kilometre sapıyordu. Michelson, büyük ölçüde bu tür hassas optik çalışmaları sayesinde 1907'de fizikte Nobel Ödülü kazanan ilk Amerikalı oldu.

Kütleli hiçbir şey neden ona ulaşamaz?

Einstein'ın 1905'te yayımladığı özel görelilik kuramı, ışık hızının neden evrensel bir hız sınırı gibi davrandığını açıklar. Kuramın temel fikirlerinden biri şudur: ışık, gözlemci ne kadar hızlı hareket ederse etsin, herkes için aynı hızla ilerler.

Bunun bir sonucu olarak, kütlesi olan bir cismi hızlandırmak, cisim hızlandıkça zorlaşır. Işık hızına yaklaştıkça her ek itiş, hıza giderek daha az katkı yapar. Tam ışık hızına ulaşmak için sonsuz enerji gerekir ve bunu hiçbir roket ya da parçacık hızlandırıcı sağlayamaz.

Işığın kendisinin kütlesi yoktur, bu yüzden her zaman c hızıyla gider. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı protonları ışık hızının yüzde 99,9999'undan fazlasına çıkarır, ama yine de tam olarak ulaşamazlar.

Görelilik gündelik hayatta da işe yarar. GPS uyduları yüksek hızla hareket eder ve Dünya'dan uzakta, daha zayıf bir kütle çekiminde bulunur. Saatleri yerdeki saatlerden biraz farklı işler. Mühendisler bu farkı Einstein'ın denklemleriyle düzeltmeseydi, telefonunuzdaki konum her gün birkaç kilometre kayardı.

Uzayda ışığın yol süreleri

Uzay o kadar büyük ki ışık bile onu geçmek için zamana ihtiyaç duyar. Güneş'ten çıkan ışık Dünya'ya yaklaşık 8 dakika 20 saniyede ulaşır. Ay'dan yansıyan ışık ise yalnızca yaklaşık 1,3 saniye sürer.

Mars, bunun gerçek görevleri nasıl etkilediğine iyi bir örnek. İki gezegenin yörüngelerindeki konumuna göre bir radyo sinyali tek yönde yaklaşık 3 ila 22 dakikada gider. Dünya'daki ekip gezgin aracı canlı olarak süremez. Araçlar önceden hazırlanmış komutları uygular ve engellerden kendi yazılımlarıyla kaçınır.

Daha uzakta gecikmeler büyür. En uzaktaki uzay aracı Voyager 1 o kadar uzakta ki sinyallerinin bize ulaşması neredeyse bir tam gün sürüyor.

Bu gecikmeler gelecekteki insanlı görevler için de önemli. Mars'taki bir astronot Dünya'daki bir doktorla anlık konuşamaz. Bir soru sorup yanıt almak, gezegenlerin konumuna göre yarım saatten uzun sürebilir. Bu yüzden ekiplerin acil durumlarda kendi kararlarını verebilecek şekilde eğitilmesi gerekiyor.

Gökyüzüne bakmak geçmişe bakmaktır

Gökyüzünde bir şey gördüğünüzde, onu ışığı yola çıktığı andaki hâliyle görürsünüz. Gördüğünüz Güneş, yaklaşık 8 dakika önceki Güneş'tir. Sirius gibi parlak bir yıldız ise 8 yıldan daha eski hâliyle görünür.

Gökadalarda bu etki çok büyür. Andromeda Gökadası'ndan gelen ışık oradan yaklaşık 2,5 milyon yıl önce çıktı. James Webb Uzay Teleskobu, yolculuğuna 13 milyar yıldan uzun süre önce başlamış ışığı topluyor. Böylece gökbilimciler genç gökadaları evrenin başlangıcından kısa süre sonraki hâlleriyle inceleyebiliyor.

Bu, gökbilimin en kullanışlı araçlarından biridir. Uzaklık ile zaman birbirine bağlı olduğu için derin gökyüzü katmanlı bir tarih kitabı gibidir: eski bölümler daha uzaktadır.