Işığın İletimindeki Sır
Işık Allah'ın en güzel yaratma sanatlarından biridir. Işıktaki teknik detaylar insanı derinden etkiler. Bu yazıda bununla ilgili şaşırtıcı bilgiler bulacağız.
Işıkla ilgili yapılan deneyler ve teorik çalışmalar fizik dünyasında büyük şaşkınlığa sebep oldu. Işığın hareketini bir tür enerji transferi olarak düşünebiliriz. Ancak bu transfer ne şekilde olur? Işığı normal bir dalga gibi düşünen fizikçiler bunun nehrin akışı gibi sürekli bir biçimde olduğunu zannediyorlardı. Günlük hayattaki ışığa dair izlenimiz de bu yöndedir. Ancak gerçek sanıldığından daha farklıdır.
Enerji transferinin nasıl olabileceğine dair ilk ipucu termodinamikte kara cisim ışıması olarak bilinen o zaman için çözümü imkansız bir sorundan geldi. Bütün cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak ışıma yaparlar. Kara cisim adlı bir cismin ışıması ile ilgili teorik hesaplarda açıklanması imkansız sonuçlar çıkıyordu. Zamanın meşhur fizikçisi Lord Kelvin bu konunun fizikte cevap bekleyen son iki sorudan biri olduğunu söylüyordu. Ona göre sözkonusu iki sorunun cevaplanmasıyla fizik tamamlanmış olacaktı. Ne var ki bunlardan birinden görelilik diğerinden de kuantum fiziği doğacaktı.
19. yüzyılın sonlarında ve 20. Yüzyılın hemen başlarında fizikte çözümsüz halde duran iki büyük problemden biri karacisim ışıması olarak bilinir. Kara cisim üzerine düşen bütün ışımaları soğuran teorik bir cisim olarak bilinir. Bütün cisimler aynı zamanda dışarı ışıma da yaparlar. Örneğin közlenmiş kömürün gördüğünüz ışıması da bu tür bir ışımadır. Yapılan teorik hesaplamalar, kara cisim olarak adlandıran nesnelerin ışımalarının beklenen değerlerinin ölçülen değerlerinden çok farklı olduğunu gösterdi. Bu uzun süre çözümsüz bir problem olarak kaldı. Planck enerjinin sürekli olmayıp küçük paketçikler halinde yayıldığını ileri sürerek bu problemi çözdü. Bu keşif bilim tarihinin en önemli adımlarından biri oldu.
Meşhur Alman fizikçisi Max Planck, bilim dünyasının sıkıntısını çektiği bu problemin enerjinin küçük paketçikler halinde taşındığının kabul edilmesi halinde çözüleceğini farketti. Planck’ın bu adımı kuantum fiziğinin doğuşu olarak kabul edilir. Kuanta adını verdiği paketçikler, dalganın frekansına bağlı olarak farklı miktarda enerji değerlerine sahipler.
Meşhur Alman fizikçi Max Planck’dan önce bilim adamları enerjinin bir nehrin akışı gibi süreklilik arz ettiğini düşünüyorlardı. Planck ilk defa enerjinin “kuanta” adını verdiği paketçikler halinde taşınabileceğini gösterdi. Bunun kabul edilmesi ile fizikte çözümsüz görünen pek çok problemin sırrı anlaşıldı. Planck’ın bu çalışması kuantum fiziğinin başlangıcı kabul edilir.
Işıktaki enerji transferinin de bir nehrin suyunun taşınması gibi sürekli olduğu zannediliyordu. Bu yanlış varsayım yüzünden karacisim ışıması ve fotoelektrik efekt adlı fiziksel deneylerin açıklanması mümkün olmuyordu. Bu varsayımın terkedilmesi de kuantum fiziğinin doğmasına sebep oldu.
Max Planck’ın öne sürdüğü kuanta kavramını Einstein ışık için kullandı. Böylece ışığın foton adını verdiği küçük enerji paketçikleri yoluyla taşındığını öne sürdü. Bunu kullanarak Fotoelektrik Efekt adlı deneyleri mükemmel bir doğrulukla açıkladı.
Fotoelektrik Efekt Deneyleri
Fotoelektrik Efekt Deneyleri ışığın parçacık özelliğinin kanıtı olarak gösterilir. Bu deneylerde bir metal plakaya değişik frekanslarda elektromanyetik dalgalar düşürülerek elektronların kopması sağlanır. Metal plakadan kopan elektronlar karşıda bulunan bir başka plakaya ulaşırlar. Bu iki plaka ayrıca bir elektrik devresi ile birbirine bağlıdır. Kopup karşı plakaya geçen elektronlar, elektrik devresi yoluyla tekrar önceki plakaya gelirler. Fizikçiler bu sayede oluşan elektrik akımını incelediler. Oluşan akımın detaylı analizleri ışığın klasik dalga anlayışının doğru olmadığını gösteriyordu.
Planck enerji iletiminin kuanta denilen enerji paketçikleri yoluyla olduğunu söylüyordu. Bu düşünce kuantum fiziğinin temelini oluşturdu.
Einstein, Planck’ın fizik dünyasına tanıştırdığı kuanta kavramını kullanarak foton dediği ışık parçacıkları ile deney sonuçlarını mükemmel bir şekilde açıkladı. Neticede fotoelektrik efekt deneyleri ışığın parçacık özelliği gösterdiğini ortaya koyuyordu. Daha sonra 1923 yılında, Arthur H. Compton yüksek enerjili fotonların elektronların saçılmasına sebep olduğunu göstererek ışığın parçacık özelliği de gösterdiğini kesin olarak ispatladı. 1 , 2 , 3 Işığa bir tür dalgadır demek doğru bir cevap olmuyordu. Aynı şekilde ışık sadece bir tür parçacık demek de doğru değildi.
Fotoelektrik Efekt Deneyleri ışığın parçacık özelliğinin kanıtı olarak gösterilir. Bir metal plakaya değişik frekanslarda elektromanyetik dalgalar düşürülerek elektronların kopması sağlanır. Metal plakadan kopan elektronlar karşı plakaya giderler. Bu iki plaka ayrıca bir elektrik devresi ile birbirine bağlıdır. Kopup karşı plakaya geçen elektronlar, bu devre yoluyla tekrar önceki plakaya gelirler. Oluşan elektrik akımının şiddeti ışığın yapısı hakkında fikir verir.
Burada kısaca gördüğümüz gibi ışığın ne olduğu sorusu bilim adamlarını yüzyıllar boyunca cevabını aradığı ve hayretler içinde bıraktığı bir soru olmuştur. Bu konuda otorite olan Richard Feynman araştırmaların tarihini şu şekilde özetler: Işık teorisinin tarihçesi ile başlayalım. Önceleri ışığın yağmur gibi, tüfekten atılan mermiler gibi, bir parçacıklar, tanecikler sağanağına benzer şekilde davrandığı varsayılıyordu. Daha ileri araştırmalar sonucu bunun doğru olmadığı, ışığın gerçekte dalga gibi, örneğin sudaki dalgalar gibi davrandığı ortaya çıktı. Sonra, 20 yüzyılda yeni araştırmalar, ışığın birçok yönden gerçekten parçacıklar gibi davrandığı izlenimini uyandırdı. Foto-elektrik etkilerle bu parçacıklar sayılabiliyordu; şimdi onlara foton deniliyor. 4
Işığın foton adlı parçacıklar yoluyla ilerlemesinin çok ilginç neticeleri vardır. Günlük hayatta farkedemezsek de aslında ışık tıpkı yağmur tanelerinin yeryüzüne düşüşü gibi yayılır. Işığın bu özelliği Richard Feynman tarafından şu şekilde ifade edilir: Newton ışığın parçacıklardan oluştuğunu düşünmüş ve bunlara “cisimcik (korpüskül)” adını vermişti. Bunda haklıydı (ama bu sonuca vardıran akıl yürütmesinde hatalıydı). Işığın parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz; çünkü üzerine ışık düştüğünde tıkırdayan, çok duyarlı bir aygıt kullanırsak görürüz ki ışık zayıfladığında her tıkırtının sesi hala aynı şiddetle çıkmakta, yalnızca aralıkları uzamaktadır. Demek ki ışık yağmur damlalarına benzer – her bir küçük ışık topağına bir foton denir – ve ışığın hepsi aynı renkteyse “yağmur damlalarının” hepsi aynı boydadır. 5 Işık yağmur taneleri gibi yayılır ama bizim algıladığımız dünya pürüzsüz, pırıl pırıldır. Bu derece güzel bir görüntü ile karşılaşmamız gerekirdi. Olması gereken ışığın yapısına uygun titreşimle dolu görüntü kümeleri olmalıydı. Allah’dan bir rahmet olmak üzere bize izlettirilen algı, yağmur görüntüsünden arındırılmış ve ışıl ışıldır.
Rain falling on ground
Normalde etrafımızı adeta sürekli bir yağmur görüntüsü gibi titreşimli görmemiz gerekirdi. Çünkü ışık foton adı verilen parçacıklarla yayılır. Nitekim bu konu hakkında Feynman şu tespiti yapar: “ ... on kat daha duyarlı görebilseydik, bu konu hakkında konuşmamız gereksiz olacaktı: hepimiz tek renkli çok zayıf bir ışığı eşit şiddetle yanıp sönen küçük ışıltılar halinde görecektik.” 6 Kuşkusuz böyle bir dünya bizim için yaşaması hoş olmazdı. Halbuki Allah bize ışığı pırıl pırıl ve pürüzsüz gösterir. Bu, Allah’ın bizim için sunduğu konforlardan yalnızca biridir.
Kaynak:
1 Particle or Wave, The Evolution Of The Concept Of Matter In Modern Physics, Charis Anastopoulos, Princeton University Press, 2008, Sayfa 153
2 Understanding Quantum Physics, A User’s Manual, Michael A Morrison, Prentice-Hall Inc. , Sayfa 25
3 Six Roads From Newton, Great Discoveries In Physics, Edward Speyer, Wiley Popular Science, John Wiley & Sons Inc. 1994, Sayfa 98
4 Richard Feynman, The Character of Physical Law, Türkçe baskı: Fizik Yasaları Üzerine, TÜBİTAK Yayınları, s. 149
5 QED The Strange Theory of Light and Matter, Richard P. Feynman, 1985, Türkçe Basım Kuantum Elektrodinamiği: KEDİ Işığın ve Maddenin Tuhaf Kuramı, Richard P. Feynman, Nar Yayınları, 2. Baskı, Ağustos 1997, Sayfa 23
6 QED The Strange Theory of Light and Matter, Richard P. Feynman, 1985, Türkçe Basım Kuantum Elektrodinamiği: KEDİ Işığın ve Maddenin Tuhaf Kuramı, Richard P. Feynman, Nar Yayınları, 2. Baskı, Ağustos 1997, Sayfa 23
