Işık hızını aşamamanın ardında ne var?

Prof. Dr. Sertaç ÖZTÜRK - @Sertac_Oztrk

Dönen elektronlardan dönen galaksilere, titreşen atomlardan etkileşen parçacıklara kadar her şey bir hareket ve değişim halindedir. Doğada ve hayatta mutlak durgunluğa yer yoktur. İnsanda, toplumda ve doğada değişimi anlama çabasıyla felsefe ve bilim yaparız. İnsanlardaki ve toplumlardaki değişimin hızı bazen mantığa aykırı olsa da, neyse ki doğada değişimin hızı mantık çerçevesinde sınırlanmış bir durumdadır. Evrendeki en üst hız olan ışık hızını aşamamızın arkasındaki düşünsel sürece ve nedenlere kısaca bakalım.

2500 YILLIK HİKÂYE

Hareketin doğasını anlama arayışı 2500 yıllık bir hikâyedir. Parmenides, hareketin ve değişimin bir yanılsama olduğunu savunmuş, varlığın bir ve değişmez olduğunu ileri sürmüştür. Ona göre, sadece "var olan" gerçek olabilir; değişim ve hareket ise akıl dışıdır, çünkü yokluk mantıksal olarak düşünülemezdir. Herakleitos ise hareketi ve değişimi evrenin temel gerçeği olarak görmüş, her şeyin sürekli bir akış içinde olduğunu ifade etmiştir. "Aynı nehirde iki kez yıkanamazsınız" sözüyle değişimin kaçınılmaz olduğunu ve varoluşun özünün sürekli dönüşüm olduğunu vurgulamıştır.

Hareketi sistematik olarak ilk inceleyen kişi Aristoteles’tir. Aristoteles,  Fizik  adlı eserinde hareketi detaylı bir şekilde ele almış ve onu bir nesnenin potansiyel durumdan fiili duruma geçişi olarak tanımlamıştır. Aristoteles'e göre hareket, bir nesnenin doğal yerini araması ya da bir potansiyelin gerçeğe dönüşmesidir. Aristoteles’e göre hareketin temelinde dört neden (madde, form, etkin neden ve ereksel neden) yatar ve hareket, bu nedenlerin bir araya gelmesiyle açıklanır. Özellikle etkin neden, hareketi başlatan şeyken ereksel neden, hareketin amacını veya nihai sonucunu ifade eder. Hareketi sürekli kılan kuvvetin etkisiyken, hareketin nihai amacı ise doğal yerine ulaşmaktır. Bu yüzden kaya, doğal yeri olan dünyaya ulaşmak için düşerken, su buharı ise doğal yeri olan hava küresine ulaşmak için yükselir. Hareketin hızı ise kütleye doğrudan bağlıdır. Aristoteles’in fiziğinde ağır bir taş, hafif bir taştan daha önce ve daha hızlı yere düşer. Boşluğun varlığı ise Aristoteles için akla aykırıdır. Aristoteles'in fiziği, Orta Çağ boyunca Batı ve İslam dünyasında bilimsel düşüncenin temelini oluşturmuş ve yaklaşık 2000 yıl boyunca baskın bir paradigma olarak kabul görmüştür.

GALILEO’NUN ÇIKIŞI

Aristoteles fiziğindeki çelişkileri gözler önüne seren ve modern fiziğin temellerini atan ilk kişi Galileo Galilei’dir. Aristoteles, bir cismin hareket etmesi için sürekli bir kuvvetin gerekli olduğunu ve kuvvetin kalkmasıyla hareketin duracağını savunuyordu. Galileo ise bu fikre meydan okuyarak, bir cismin üzerine bir dış kuvvet etki etmediği sürece sabit hızla hareketine devam edeceğini ileri sürdü. Ona göre, sürtünme gibi dış kuvvetler hareketi yavaşlatan veya durduran asıl etkenlerdir; yani hareketin kesintiye uğraması doğanın değil, dış etkilerin bir sonucudur. Galileo’nun hareket anlayışı, serbest düşme deneyleriyle de Aristoteles’ten ayrılmıştır. Aristoteles, ağır cisimlerin daha hızlı düştüğünü savunurken, Galileo ise farklı ağırlıklardaki cisimlerin, hava direnci olmadığı durumlarda, aynı hızda düştüğünü Pisa Kulesi’nden yaptığı ünlü deneyle göstermiştir. Galileo ayrıca, görelilik ilkesi olarak adlandırdığı temel ilke ile eylemsiz referans sistemlerinde fizik yasalarının aynı olması gerektiğini ortaya koymuştur. Bu ilkeye göre, eylemsiz referans sistemlerinde (yani sabit hızla hareket eden sistemlerde) fiziksel yasalar her zaman aynı şekilde işler. Başka bir deyişle, bir sistemin hareketi veya durumu, o sistemdeki fiziksel yasaların geçerliliğini etkilemez. Yani bir cismin hareketini gözlemleyen farklı gözlemciler, eğer her biri bir eylemsiz referans çerçevesinde bulunuyorsa, aynı fiziksel yasaları gözlemleyeceklerdir. Galileo’nun deney ve gözleme dayalı bilimsel yöntem yaklaşımı, klasik mekanik yasalarının temelini oluşturmuş ve bilim tarihinde önemli bir dönüm noktası olmuştur.

NEWTON YASALARI

Galileo sonrasında Newton, Galileo’nun fikirlerini alıp evrensel bir yasa haline getirdi ve hareketin matematiksel formülasyonlarını üç hareket yasasıyla özetledi. Özellikle Newton’un kuvvet, kütle ve ivme arasındaki ilişkiyi tanımladığı ikinci yasası (F=ma) bir devrimdir. Bu yasalar, o dönemde evrenin işleyişini neredeyse tamamen açıklıyor gibiydi. Hatta günümüzde bile bu hareket yasalarını mühendislik hesaplarında sık sık kullanmaya devam ediyoruz. Ancak Newton’un yasaları, bir sınırdan bahsetmiyordu; yani teorik olarak bir cismin hızını artırmak için yeterli kuvvet uygulandığında, o hız sonsuza kadar artabilirdi. Bu noktada, ışık hızının sabitliği fikri henüz ortada yoktu. Ancak 19. yüzyılda James Clerk Maxwell, Michael Faraday’ın gözlemlerinden yola çıkarak elektromanyetik dalgaların davranışlarını tanımlayan denklemlerini ortaya koydu. Işık, elektrik ve manyetik alanlardan meydana gelen bir tür dalgaydı ve hızı ortamın elektriksel ve manyetik geçirgenliğine bağlıydı. Fakat Maxwell’in denklemleri, Galileo’nun görelilik ilkesiyle çelişiyordu. Newton yasalarına göre hızlar toplandığında gözlemciye bağlı olarak ışık hızının artması gerekiyordu. Örneğin, ışık hızının yarısı hızla giden bir uzay mekiğinde el fenerini yaktığınızı düşünün. Uzay mekiğindeki kişiye göre ışığın hızı  c  iken, dışarıdan uzay mekiğine bakan bir gözlemci için ışığın hızı 1.5c  olacaktır. Bu durumda aynı ortam için iki farklı gözlemciye bağlı olarak farklı elektromanyetik özellikler ortaya çıkacaktır. Bu da eylemsiz referans sistemlerinde fizik yasalarının aynı olması gerektiği koşulu ile çelişecektir.

ÖZEL GÖRELİLİK

Bu paradoksu aşmanın yolunu bulan ve Galileo-Newton ile Maxwell’i barıştıran kişi ise Albert Einstein’dır. Einstein, 1905 yılında yayınladığı  Özel Görelilik Kuramı'nda iki önemli kabul yapar: fizik yasaları tüm eylemsiz referans çerçevelerinde aynıdır ve ışığın hızı, gözlemcinin hareketine veya ışık kaynağının hareketine bağlı olmaksızın her referans çerçevesinde sabittir. Dolayısıyla uzay mekiğinden el fenerini açtığınızda her gözlemci ışığın hızını aynı olarak ölçer. Işık hızının gözlemciden bağımsız bir şekilde sabit olması ve aşılamaması, evrende aynı fizik yasalarının geçerli olması için bir zorunluluktur. Özel görelilik kuramının ortaya koyduğu diğer önemli şey, kütle ile enerji arasındaki ilişkidir. Yüksek hızlara çıkıldığında kütle hıza bağlı olarak artar. Verilen enerji sadece cismin hızını artırmaz, aynı zamanda kütlesini de artırır. Dolayısıyla bir cismi ışık hızına ulaştırmak için sonsuz enerji gereklidir. Bu nedenle, kütleli bir cismi ışık hızına ulaştırmak fizik yasalarına göre imkânsızdır. Işık, kütlesiz fotonlardan oluştuğu için bu hıza ulaşabilir.

Sonuç olarak, ışık hızının sabitliği ve aşılamazlığı, evrenin yapı taşlarından biridir ve doğanın bize koyduğu bir bariyerdir. Işık hızını geçemiyoruz, ama bu hız sınırı, evrenin simetrisi ve fizik yasalarının evrenselliği hakkında bize çok şey söylüyor. Hayatta ve doğada olduğu gibi, sınırlar derinlikleri keşfetmemize engel değil; aksine, güzellikleri ve onların ardındaki sırları arayışımızda birer rehberdir.