Işık hızı kaçtır?

Işık hızı neden “tam” bir sayıdır?

Pek çok fiziksel büyüklük ölçülür ve ölçüm her zaman küçük bir belirsizlik taşır. Işığın boşluktaki hızı ise bugün ölçülen değil, tanımlanan bir sabittir. Uluslararası Ölçüler ve Ağırlıklar Genel Konferansı 1983’te metreyi, ışığın boşlukta 1/299.792.458 saniyede aldığı yol olarak tanımladı. Böylece ışık hızı tanım gereği saniyede tam 299.792.458 metre oldu.

Bu karar, ışık hızının artık deneylerle değişmeyeceği anlamına gelir. Daha hassas bir deney yapılırsa değişen şey ışık hızı değil, metrenin uygulamadaki ölçümü olur. Uluslararası Birimler Sistemi’ndeki (SI) yedi tanımlayıcı sabitten biri de ışık hızıdır.

Işık hızı nasıl ölçüldü?

Antik çağdan 17. yüzyıla kadar birçok düşünür ışığın anında yayıldığını varsayıyordu. Galileo Galilei, fenerlerle uzak tepeler arasında ışık hızını ölçmeye çalıştı, ancak hız bu yöntemle yakalanamayacak kadar büyüktü. Işık hızının ölçülmesinde öne çıkan adımlar şunlardır:

1. Ole Rømer (1676): Danimarkalı gök bilimci, Jüpiter’in uydusu Io’nun tutulma zamanlarının Dünya’nın konumuna göre gecikmeli göründüğünü fark etti ve bu gecikmeyi ışığın sonlu bir hızla yol almasına bağladı. Bu, ışık hızının sonlu olduğunu gösteren ilk güçlü kanıttı.
2. Hippolyte Fizeau (1849): Hızla dönen dişli bir çarkın dişleri arasından geçirdiği ışığı kilometrelerce uzaktaki bir aynaya gönderip geri döndürdü ve ilk kez Dünya üzerinde ışık hızını ölçtü.
3. Léon Foucault (1850 ve 1862): Dönen ayna yöntemiyle önce ışığın suda havadakinden yavaş gittiğini gösterdi, ardından ışık hızını daha hassas biçimde ölçtü.
4. Albert Michelson (19. yüzyıl sonu ve 20. yüzyıl başı): Dönen ayna düzeneklerini geliştirerek ölçümü daha da hassaslaştırdı.

20. yüzyılda lazer ve atom saatleriyle yapılan ölçümler o kadar hassaslaştı ki sonunda değeri sabitleyip metreyi ona göre tanımlamak daha kullanışlı hâle geldi.

Işık farklı ortamlarda kaç hızla gider?

Işık, madde içinden geçerken atomlarla etkileşir ve boşluktakinden daha yavaş ilerler. Bir ortamın ışığı ne kadar yavaşlattığı, kırılma indisi ile ifade edilir: Boşluktaki hız, ortamın kırılma indisine bölündüğünde o ortamdaki hız bulunur.

Işığın ortam değiştirirken hızının değişmesi, kırılma olayının nedenidir. Suya batırılmış bir kalemin kırık görünmesi, merceklerin ışığı odaklaması ve gökkuşağının oluşması bu etkiyle açıklanır. Camın içinde farklı renkteki ışıklar biraz farklı hızlarla ilerlediği için prizma beyaz ışığı renklerine ayırır; bu olaya renk ayrışması (dispersiyon) denir.

Işık bir dalga mı, tanecik mi?

1860’larda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmayı tek bir kuramda birleştiren denklemlerini geliştirdi. Bu denklemlerden, boşlukta yayılan elektromanyetik dalgaların hızı hesaplandığında sonucun ölçülen ışık hızıyla örtüştüğü görüldü. Böylece ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu anlaşıldı. Radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, morötesi ve X ışınları da aynı ailenin üyeleridir ve boşlukta hepsi aynı hızla ilerler; aralarındaki fark yalnızca dalga boylarıdır.

20. yüzyılın başında ise ışığın bazı deneylerde tanecik gibi davrandığı ortaya çıktı. Einstein 1905’te, metal yüzeylere düşen ışığın elektron koparması olayını, yani fotoelektrik olayını ışığın enerji paketlerinden oluştuğunu varsayarak açıkladı. Bu paketlere bugün foton denir. Einstein 1921 Nobel Fizik Ödülü’nü görelilik için değil, bu çalışma için aldı. Günümüz fiziğinde ışık, koşullara göre hem dalga hem tanecik özelliği gösteren bir varlık olarak ele alınır.

Işık hızı neden aşılamaz?

Albert Einstein’ın 1905’te yayımladığı özel görelilik kuramı iki temel ilkeye dayanır: Fizik yasaları birbirine göre sabit hızla hareket eden bütün gözlemciler için aynıdır ve ışığın boşluktaki hızı, kaynağın ya da gözlemcinin hareketinden bağımsız olarak herkes için aynı ölçülür.

Bu ilkelerden çıkan sonuçlara göre kütlesi olan bir cismi ışık hızına yaklaştırmak için gereken enerji sınırsız biçimde artar. Bu yüzden kütleli hiçbir cisim boşlukta ışık hızına ulaşamaz. Parçacık hızlandırıcılarında protonlar ışık hızının yüzde 99,9’undan fazlasına çıkarılabilir, ama bu sınır hiçbir zaman aşılamaz. Ünlü E = mc² denklemi de aynı kuramdan çıkar ve kütle ile enerjinin birbirine dönüşebildiğini gösterir.

Işık hızıyla ilgili sık yapılan yanılgılar

• “Hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez, ortam fark etmez.” Sınır, ışığın boşluktaki hızı içindir. Örneğin nükleer reaktörlerin soğutma suyunda bazı parçacıklar ışığın sudaki hızından daha hızlı ilerler ve Çerenkov ışıması denen mavi bir parıltı oluşturur.
• “Işık yılı bir zaman birimidir.” Işık yılı, ışığın bir yılda aldığı yoldur ve yaklaşık 9,46 trilyon kilometreye karşılık gelen bir uzunluk birimidir.
• “Gördüğümüz her şey anlık görüntüdür.” Işık sonlu hızla geldiği için gördüğümüz her şey kısa da olsa geçmişe aittir; Güneş’i yaklaşık 8 dakika 20 saniye önceki hâliyle görürüz.