Işık nedir?
Işık nedir diye merak ettiniz mi hiç. Belki de biliyorsunuz. Öyle bile olsa bu yazıdaki keyifli anlatımla bilgilerinizi tazelemek zevkli olacak. Çok eski çağlardan beri; bilim adamları, elektromanyetik tayf�ın dar bir
bölümündeki radyasyon formlarını, göz sayesinde algılayabildikleri için
buna ışık adını verdiler, ne olduğunu merak ettiler ve ilgi gösterdiler.
Önceleri; Antik çağda, Yunanlılar zamanında, gözün, bakılan cisme
doğru ışık ışınları yaydığı düşünülürdü, Epikür görüntünün gözden
kaynaklanan resimlerden oluştuğunu ileri sürmüş, Platon ışığın bakılan
cisimlerden göze geldiğini iddia etmişti. Daha garip düşünceler de
mevcuttu; bunlar arasında, gözden fırlayan parçacıklar ile görme
sağlandığı düşüncesi de mevcuttu. Bu düşünceler Antik çağdan
17. y.y. kadar uzanan düşünceleridir.
1675 yılında ilk kez Danimarkalı astronom Römer ışığın hızı konusuna
eğildi, Jüpiter�in bir uydusunun gezegen arkasında kalma süresini
hesaplamakta olan Römer, bu sürenin gezegenin dünyaya uzaklığı
arttığında fazlalaştığını farketti ve bunun ışığın daha çok yol katetmesi
ile ilgili olduğunu düşünerek ışığın hızı konusuna dikkati çekti.
Newton 1704'de ışık deneyleri ile ilgili çalışmalarını yazdığı �Optics�
kitabını yayımladı. Newton ışık ile ilgili olarak çalışırken, Hollanda'da
Cristian Huygens bir teori geliştiriyordu ve ilk bilimcilerin tersine ışığın
parçalardan değil dalgalardan meydana geldiğini öne sürüyordu.
O da Decartes, Newton ve daha başkaları gibi çok ince ve elastik
nitelikte olan ve ışığın yayılmasını sağlayan bir ortamdan bahsediyordu,
bu madde tüm uzayı baştanbaşa dolduruyordu ve bu ortam ışık
dalgalarının yayılmasını sağlıyordu. Daha sonraları eter veya esir
denen ve varlığı ile ilgili pek çok çalışma yapılan sonunda yokluğuna
karar verilen daha doğrusu tespitinin mümkün olamayacağı ispatlanan
bir madde idi bu. Huygens'in çalışmaları her ne kadar Snell'in kırılma
yasalarını destekliyorsa da, ışık düz gidiyor ve köşeleri dönmüyordu.
Bu sıralarda ışık için kafa yoranlardan biri de Robert Hooke idi.
O da ışığın eğri dalgalardan olduğu gibi bir varsayım geliştirmişti.
Newton'un parçacık teorisi ile Huygens'in dalga teorisi arasındaki
kavgayı o yıllarda tüm ağırlığınca hissedilen Newton'un Otoritesi
kazandı. Öyle ki: Dönemin ünlü bir bilim adamı Newton için �Acaba
onun da bizim gibi yeme, içme, uyuma gibi ihtiyaçları var mı?� diye
sormaktan kendini alamamıştır.
19. yüzyılda Thomas Young ortaya çıktı ve dalga teorisine ağırlık
kazandırdı, o güne kadar dalga teorisi ile açıklanamayan kırınım
ve keskin gölge olayına, yeteri kadar kısa dalga uzunluklarında ışık
hem düz gidebilir hem de keskin gölge yapabilir diyerek açıklık getirdi,
girişim yasalarını açıkladı ve ışığın dalga uzunluğunu öçtü. Bu arada
Fresnel adında bir Fransız bilim adamı kırınım olayını başarı ile
açıkladı ve dalga teorisi güçlendi.
Daha sonraları Fizeau, Foucault, Michelson ışık hızı ile ilgili deneyler
yaptılar. Michelson 299.770 km/sn olarak ışık hızını belirledi. (Boşlukta
ışık yayılma hızı 299.793 km/sn'dir.) Boşluk ışık hızı, kırılma indisine
bölünerek o ortamdaki ışık hızı bulunur. Havanın kırılma indisi 1,0003'tür
o halde hava içinde ışık hızı 299.703 km/sn olarak bulunur.
Elmasın kırılma indisi 2. 42 dir o halde ışık hızı elmas içinde
124 .000 km/sn dir.
Clerk Maxwell 19. yüzyıl ortalarında elektromanyetik dalga kuramını
geliştirdi ve elektromanyetik dalgaların ışık hızında hareket ettiğini
gösterdi, o halde ışık da bir elektromanyetik dalga formunda olabilirdi.
Ayrıca daha başka elektromanyetik radyasyon formlarının da
varlığı araştırılmalı idi.
Işığın dalga formu 20. yüzyıl başlarına kadar ön planda oldu.
1900 yılında Max Plank�ın kara cisim ışımasına ait kuramsal
çalışması yayınlandı ve sonuçta Plank enerjinin, enerji paketçikleri
olarak yayıldığını ortaya koydu ve bu paketçiklere �Quanta� adını
verdi. Enerji quantumları E= hxf olarak formülize edilmekteydi.
Bu teori de ki �h� ifadesi doğanın değişmezlerinden biri olan
Plank sabitini ifade etmektedir ve 6.62×10-34 joule/sn'dir. Quantum
teorisi ile dalga teorisi sarsılmadı ama, doğanın sürekliliği yasası
yara aldı. �Natura non facit saltus� sallanmaya başlamıştı.
1905 yıllarına gelindiğinde Einstein�ın Fotoelektrik Etki Teorisi
Quantum teorisini doğruladı. Daha sonraları �Tanrı zar atmaz'
diyerek quantum teorisini kabullenmekte zorlanan Einstein�ın,
özel rölativite kuramı ile; bizim evrenimiz için ışık hızının sınır olması
ve ışık hızına erişilememesi, evrenin sınırlarını ortaya koydu.
Yine; çekim alanından geçen ışığın sapması varsayımının deneylerle
doğrulanması, ışığın parçacık teorisini güçlendirdi. Planck ın E=hxf
olarak ortaya koyduğu formül, quantum denen enerji paketi ile
ışığın frekası arsındaki ilişkiyi ortaya koymakta idi. Işık artık enerji
paketçikleri idi. Einstein Foto – Elektrik Etki olayını açıklarken
ışığın foton adı verilen enerji parçacıkları olduğunu gösterdi.
Bu sıralar Niels Bohr adında bir Danimarkalı bilim adamı ortaya çıktı
ve yeni bir atom modeli ortaya koydu. Bu modelde elektronlar
çekirdek etrafında belli yörünge seviyelerinde olabilirdi ara seviye
söz konusu değildi. Elektronların bu seviyeler arasında sıçraması
söz konusu idi. Daha sonraları pek çok bilim adamının; dalga mekaniği,
istatiksel mekanik konularında yaptığı çalışmalarla quantum teorisi dev
adımlarla ilerledi. Bunlar arasında Heisenberg, Pauli, Landau, Born,
Dirac gibi fizikçiler vardı.
1950 yıllarından sonra, elementer parçacıklar konusunda yapılan
çalışmalar ve atomun yapısı ile ilgili yeni buluşlar 4 çeşit madde
etkileşimleri olduğunu ortaya koydu. Bunlar Kütlesel Çekim,
Elektromanyetik, Zayıf Etkileşim ve Güçlü Etkileşim olarak tanımlandı
(Bu konuyu bir başka yazımızda daha geniş olarak ele alacağız).
Elektromanyetik etkileşimle bağlantılı olan gluon'a foton adı verildi.
Yani 1905 de Einstein'ın ortaya koyduğu ışık parçacığı.
Bu konu ile ilgilenen Quantum elektrodinamiği; elektromanyetik alanın
yani ışığın gluon'unun foton olduğunu söyler. Foton kütlesi '0' olan ve
elektrik yükü '0' olan bir gluon'dur. Özel Rölativite'nin ortaya koyduğu
ışığın çekim alanında sapması olayı bize foton adı verilen bu
parçacığın bir kütlesinin olduğunu söylemektedir keza ışık bas
ıncı'nın
olması da fotonun bir kütlesi ve momentumu olduğunu gösterir.
O halde ışık hızında, foton'un bir kütlesi vardır.
Her ne kadar rölativistik olarak düşünüldüğünde, hiçbir kütle ışık
hızına ulaşamaz, rölativistik kütle artış formülünde, bir kütlenin ışık
hızına ulaşması durumunda kütlesi sonsuz olur. Sonsuz bir kütle
sonsuz enerji demektir, bu da mümkün değildir. Peki o halde
fotonlar nasıl olup da ışık hızında gidebilmektedirler?
Rölativistik olarak bir kütlenin ışık hızına ulaştırılamaması fotonlar
için geçerli değildir; çünkü foton öncelikle sükünet kütlesi '0' olan
bir quantadır. Sükünet kütlesinin '0' olması da fotonun özel halini
tam olarak açıklamamaktadır ve bir belirsizlik vardır ki bu kütle artış
formülünde v = c alındığında sükünet kütlesi '0' olan foton'un kütlesi
belirsiz olarak bulunur . Bu çelişki ancak şimdilik bu formülün
fotonlara uygulamaz demesi ile unutulmaya çalışılmaktadır.
Pratikte biz ışık diye elektromanyetik tayfın görünen ışık kısmındaki,
elekromanyetik dalgaları içeren dar bir bölümününden bahsederiz;
çünkü görsel olarak bu bölümün algılanması göz sayesinde kolayca
başarılır. Bunun dışında olan elektromanyetik dalgalar çeşitli cihazlarla
görülür hale getirilerek veya etkileri belirlenerek algılanır.
"Işık nedir?" sorusunun cevabı etrafındaki kavga artık sona ermiş
durumdadır. Işık hem dalga hem parçacıktır yani kimilerinin deyimi
ile �wavicle� dır. Yani kimi zaman particle (parçacık)
kimi zaman wave (dalga).
Saksıyı Çalıştırma Köşesi : Olmaz ya, diyelim ki ışık hızı ile giden bir
uzay gemisinin 299 km 793 m arkasından bir başka ışık hızı ile hareket
eden bir uzay gemisi geliyor. Arkadaki uzay gemisi içinde radyo
amatörleri var ve telsizleri bozulmuş,akıllı bir amatör çabucak bir
qrp cihaz yapıp mors göndermeye başlıyor.
.- / -. / – / .-. / .- /-.- –. / .- / –../ . / – / .
Sonra oturup cevabı bekliyor. Cevap kaç sn /dk/saat sonra gelir ?
Geçen Sayının Cevabı: Rezonans frekansı f= 1/ 2p V LxC'dir.
Dalga boyunun maximum olduğu yerde frekans en küçüktür o halde,
formüldeki f değerinin en küçük olması için C kapasitesinin en büyük
değerde olması gerekir.Yani Kondansatör kapalı olmalıdır.
