Hepimiz ışık hızının nihai olarak evrendeki en hızlı şey olduğunu biliriz. Peki neden? Işık neden bu kadar hızlı, bu hızın ötesine geçilebilir veya kendisinden bir gün fiziksel olarak yararlanabilir miyiz? Belki. En azından günümüzde ışık hızı nedir gibi sorulara cevap verebilecek kadar bilgimiz var. Kemerlerinizi bağlayın, çünkü ışık hızı nedir, niye bu kadar hızlıdır ve dahasını keşfetmeye gidiyoruz!
İçindekiler
Işık Hızı Nedir?
Işık hızı, evrenimizi oluşturan fizik kuralları çerçevesinde bir cismin veya parçacığın ulaşabileceği en yüksek hız limitidir.
Işık Hızı Kaç Km?
Kusursuz boşlukta ışık hızı saniyede 299.792.458 metre, ya da saniyede 300.000 km’dir.
Işık Hızı Ses Hızının Kaç Katıdır?
Işık hızı, ses hızına kıyasla 874.635 kat daha hızlıdır. Sesin hızı 343 m/s ışık hızı 300.000.000 m/s’dir. Yağmurlu bir günde şimşek çakınca bu yüzden ilk ışığı, saniyeler sonra gök gürültüsünü duyuyoruz. Ses, ışığa göre biraz daha tembel hareket ediyor.
Işık Hızı Neden Bu Kadar Hızlı?
Işığın kütlesi hem var hem de yok, bu kadar hızlı olmasının sebebi bu. Işık, şimdiye kadar gözlemlenebilmiş en küçük parçacık olan fotonlardan oluşur ve dalga gibi işlev gören foton formundaki elektromanyetik radyasyondur. Fotonların aslında kütleleri yoktur ancak yüksek hız nedeniyle kinetik enerjisi ona bir nevi kütle kazandırır. Kara delikler bu yüzden ışığı yutabiliyor!
Ayrıca evrendeki her şey, “Higgs alanı” denilen bir alan içerisinde hareket eder ve bu alan içerisinde “Higgs bozonu” denilen parçacıklar bulunur. Evrendeki her parçacık, Higgs alanındaki bozonlarla etkileşime girer ve bunun sonucunda kütle kazanır. Fotonlar (ışık) higgs bozonlarıyla etkileşime girmez ve herhangi bir kütle kazanmazlar.
Işık Nasıl Yayılır?
Işık hem bir dalga hem de parçacıklardan oluşan bir enerjidir. Fotonlar dar bir hat üzerinde ilerler ve herhangi bir objeye çarpana kadar ilerlemeye devam eder.
Işığın Yayılmasını İlk Kim Bulmuştur?
Christiaan Huygens, 1678'de ışığın matematiksel dalga teorisini geliştirdi ve 1690'da Treatise on Light adlı eserinde yayımladı. Işığın ortamda bir dizi dalga olarak her yöne yayıldığını öne sürdü.
Işık Hızını Kim Bulmuştur?
Ole Roemer, 1676’da ışık hızını ilk ölçen ve ışığın anlık olarak hareket etmediğini yaptığı hesaplamalarla bulmuş oldu. Roemer,Jüpiter'in bir uydusu olan Io'nun yörüngesine ilişkin gözlemlerini derliyordu. Roemer, Io'nun Jüpiter tarafından tutulmalarını zamanlayarak uydunun yörünge periyodu için daha doğru bir değer belirlemeyi umuyordu. Ancak, birbirini izleyen tutulmalar arasındaki zaman aralığının Dünya Jüpiter'e doğru hareket ettikçe giderek kısaldığını ve Dünya Jüpiter'den uzaklaştıkça uzadığını fark etti. Roemer bunun ışığın hızından kaynaklandığını fark etti ve ışığın Dünya'nın yörüngesinin çapını geçmek için 22 dakikaya ihtiyaç duyduğunu tahmin etti. Bu, ışık hızına ilişkin ilk nicel tahmini yapmasını sağladı ki doğru bir tahmindi.
Aritmetiği ilk yapan Hollandalı bilim adamı Christiaan Huygens, ışık hızı için saniyede 210.824.064 metre değeri bulmuştur. Ancak doğrusu saniyede 299.792.458 metredir. Aradaki fark Roemer'in maksimum zaman gecikmesi tahminindeki hatalardan ve Dünya'nın yörünge çapına ilişkin kesin olmayan bilgilerden kaynaklanıyor. Fakat Roemer'ın verilerinin ışık hızı için ilk niceliksel tahmin sağlaması ve doğru çıkması bize büyük bir kapıyı açtı.
Işık Hızının Ölçülme Tarihleri ve Sonuçları
Yıl | Kişi | Teknik | Hız (km/s) | Hata Payı |
1638 öncesi | Galileo Galilei | Fener | Sonuçsuz | |
1667 öncesi | Accademia del Cimento | Fener | Sonuçsuz | |
1675 | Rømer ve Huygens | Uydu Gözlemi | 220.000 | %27 az |
1729 | James Bradley | Işığın Sapması | 301.000 | %0,40 fazla |
1849 | Hippolyte Fizeau | Dişli Çark | 315.500 | %5.1 fazla |
1862 | Léon Foucault | Dönen Aynalar | 298.000 | %0,60% az |
1907 | Rosa ve Dorsey | Elektromanyetik Sabitler | 299.710 | %0,0999 az |
1926 | Albert A. Michelson | Dönen Aynalar | 299.796 | 12 ppm fazla |
1950 | Essen ve Gordon-Smith | Mikrodalga Boşluğu | 299.792,50 | 0,14 ppm fazla |
1958 | Keith Davy Froome | Radyo İnterferometresi | 299.792,50 | 0,14 ppm fazla |
1972 | Kenneth Evenson | Lazer İnterferometrsi | 299.792,4562 | 0,006 ppm az |
1983 | 17. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı (CGPM) | Metrenin Tanımı | 299.792.458 | Tam ölçüm |
PPM = Parts-per million (milyonda bir birim için kullanılan ölçüm)
Işık Hızını Ölçmek İçin Kullanılan Teknikler
Tarih boyunca bilim insanları ışığın hızını ölçmek için çeşitli teknikler kullandı:
Fener Gözlemi
Uydu Gözlemi
Işık Sapması
Dişli Çark ve Dönen Ayna Tekniği
Elektromanyetik Sabitler
Mikrodalga Boşluğu
İnterferometre
Metrenin Tanımı
Şimdi bu tekniklerin nasıl uygulandığını kısaca detaylandıralım.
Fener Gözlemi
1638'de Galileo Galilei, birkaç yıl önce gerçekleştirdiğini iddia ettiği bir deney önererek, bir fenerin ortaya çıkarılması ile belli bir mesafeden algılanması arasındaki gecikmeyi gözlemleyerek ışığın hızını ölçmeyi amaçlamış. Işık yolculuğunun anlık olup olmadığını ayırt edememiş, ancak anlık değilse bile olağanüstü hızlı olması gerektiği sonucuna varmış.
1667'de Floransa'daki Accademia del Cimento, Galileo'nun deneyini fenerler yaklaşık bir mil ayrılmış halde gerçekleştirdiğini, ancak herhangi bir gecikme gözlemlenmediğini bildirmiştir. Bu deneydeki gerçek gecikme yaklaşık 11 mikrosaniye olacaktır.
Uydu Gözlemi
Işık hızına ilişkin ilk nicel tahmin 1676 yılında Ole Rømer tarafından yapılmıştır. Jüpiter'in en içteki uydusu Io'nun periyotlarının Dünya Jüpiter'e yaklaşırken ondan uzaklaşırken olduğundan daha kısa olduğu gözleminden hareketle, ışığın sınırlı bir hızda hareket ettiği sonucuna varmış ve ışığın Dünya'nın yörüngesinin çapını geçmesinin 22 dakika sürdüğünü tahmin etmiştir. Christiaan Huygens bu tahmini Dünya'nın yörüngesinin çapına ilişkin bir tahminle birleştirerek gerçek değerden %27 daha düşük olan 220.000 km/s'lik bir ışık hızı tahmini elde etmiştir.
Işık Sapması
Işık sapması, 18. yüzyılda James Bradley tarafından keşfedildi. Bu etki, uzaktaki bir kaynaktan (örneğin bir yıldızdan) gelen ışığın hızı ile gözlemcinin hızının vektörel olarak toplanmasıyla ortaya çıkar.
Hareket halindeki bir gözlemci, ışığın biraz farklı bir yönden geldiğini görür ve sonuç olarak kaynağı orijinal konumundan kaymış bir konumda görür. Dünya Güneş'in etrafında dönerken Dünya'nın hızının yönü sürekli değiştiğinden, bu etki yıldızların görünen konumlarının hareket etmesine neden olur. Yıldızların konumlarındaki açısal farktan ışık hızını Dünya'nın Güneş etrafındaki hızı cinsinden ifade etmek mümkündür; bu da bir yılın bilinen uzunluğu ile Güneş'ten Dünya'ya seyahat etmek için gereken süreye dönüştürülebilir.
Bradley, 1729'da bu yöntemi kullanarak ışığın yörüngesinde Dünya'dan 10.210 kat daha hızlı hareket ettiğini (doğrusu 10.066 kat) ya da eş değer olarak ışığın Güneş'ten Dünya'ya 8 dakika 12 saniyede gelebileceğini bulmuştur.
Dişli Çark ve Dönen Ayna Tekniği
Işığın bilinen bir mesafedeki bir aynaya gidip gelmesi için gereken süreyi ölçmek için kullanılan tekniktir. Hippolyte Fizeau ve Léon Foucault'nun deneylerinin ardındaki çalışma prensibi budur.
Fizeau tarafından kullanılan düzenek, 8 kilometre uzaklıktaki bir aynaya yönlendirilen bir ışık demetinden oluşur. Kaynaktan aynaya giderken ışın, dönen bir dişli çarkın içinden geçer. Belirli bir dönüş hızında, ışın çıkarken bir boşluktan ve geri dönerken başka bir boşluktan geçer, ancak biraz daha yüksek veya daha düşük hızlarda, ışın bir dişe çarpar ve çarktan geçmez. Çark ile ayna arasındaki mesafe, çarktaki diş sayısı ve dönme hızı bilinerek ışığın hızı hesaplanabilir.
Foucault'nun yöntemi çarkın yerine dönen bir ayna koyar. Işık, uzaktaki aynaya gidip gelirken ayna dönmeye devam ettiğinden, dönen aynadan dışarı çıkarken geri döndüğünden farklı bir açıyla yansır. Bu açı farkından, bilinen dönme hızından ve uzaktaki aynaya olan mesafeden ışığın hızı hesaplanabilir. Foucault, François Arago'nun bir önerisine dayanarak, ışığın havadaki ve sudaki hızını ölçmek için bu aygıtı kullanmıştır.
Elektromanyetik Sabitler
Elektromanyetik dalgaların yayılımının ölçümüne doğrudan bağlı olmayan c'yi türetmek için bir seçenek, c ile Maxwell teorisi tarafından belirlenen vakum geçirgenliği ε0 ve vakum geçirgenliği μ0 arasındaki ilişkiyi kullanmaktır: c2 = 1/(ε0μ0).
Vakum geçirgenliği bir kondansatörün kapasitesi ve boyutları ölçülerek belirlenebilirken, vakum geçirgenliğinin değeri amper tanımı aracılığıyla tam olarak 4π×10-7 H⋅m-1 olarak sabitlenmiştir. Rosa ve Dorsey bu yöntemi 1907 yılında 299.710 ± 22 km/s değerini bulmak için kullanmıştır. Yöntemleri standart bir elektrik direnci birimi olan "uluslararası ohm"a bağlıydı ve bu nedenle doğruluğu bu standardın nasıl tanımlandığıyla sınırlıydı.
Mikrodalga Boşluğu
Işık hızını ölçmenin bir başka yolu da vakumdaki bir elektromanyetik dalganın f frekansını ve λ dalga boyunu bağımsız olarak ölçmektir. Daha sonra c = fλ bağıntısı kullanılarak c değeri bulunabilir. Bir seçenek de bir boşluk rezonatörünün rezonans frekansını ölçmektir. Rezonans boşluğunun boyutları da biliniyorsa, bunlar dalganın dalga boyunu belirlemek için kullanılabilir. 1946'da Louis Essen ve A.C. Gordon-Smith, boyutları tam olarak bilinen bir mikrodalga boşluğunun çeşitli normal mikrodalga modları için frekansını belirlediler. Modların dalga boyu boşluğun geometrisinden ve elektromanyetik teoriden bilindiği için ilişkili frekansların bilgisi ışık hızının hesaplanmasına kapı aralamıştır.
Essen-Gordon-Smith sonucu olan 299.792±9 km/s, optik tekniklerle bulunanlardan önemli ölçüde daha kesindi. 1950 yılına gelindiğinde, Essen tarafından tekrarlanan ölçümler 299.792,5±3,0 km/s'lik bir sonuç ortaya koydu.
İnterferometre
İnterferometri, ışık hızını belirlemek için elektromanyetik radyasyonun dalga boyunu bulmak için kullanılan bir yöntem. Lazer teknolojisinden önce, ışık hızının interferometri ölçümleri için uyumlu radyo kaynakları kullanıldı. Dalga boyunun interferometrik tespiti dalga boyu ile daha az hassas hale gelir ve bu nedenle deneyler, radyo dalgalarının uzun dalga boyu (~ 4 mm) ile hassasiyet açısından sınırlıydı. Daha kısa dalga boyuna sahip ışık kullanılarak hassasiyet artırılabilir, ancak bu durumda ışığın frekansını doğrudan ölçmek zorlaşır.
Bu sorunu aşmanın bir yolu, frekansı hassas bir şekilde ölçülebilen düşük frekanslı bir sinyalle başlamak ve bu sinyalden, frekansı daha sonra orijinal sinyale bağlanabilen daha yüksek frekanslı sinyallere sentezlemektir. Daha sonra bir lazer frekansa kilitlenebilir ve interferometri kullanılarak dalga boyu belirlenebilir. Bu teknik daha sonra Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü bir grup sayesinde ortaya çıktı.
Metrenin Tanımı
1983 yılında Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nın (CGPM) 17. toplantısında, frekans ölçümlerinden elde edilen dalga boylarının ve ışık hızı için verilen bir değerin önceki standarda göre daha tekrarlanabilir olduğu tespit edildi. 1967 yılındaki saniye tanımını korudular, böylece sezyum hiperfin frekansı artık hem saniyeyi hem de metreyi belirleyecekti. Bunu yapmak için metreyi "saniyenin 1/299.792.458'ü kadar bir zaman aralığında ışığın boşlukta kat ettiği yolun uzunluğu" olarak yeniden tanımladılar.
Bu tanımın bir sonucunda vakumdaki ışık hızının değeri tam olarak 299.792.458 m/s oldu ve SI (Uluslararası Birimler Sistemi) birimler sisteminde tanımlanmış bir sabit haline geldi. Ayrıca 1983'ten önce ışık hızını ölçen geliştirilmiş deneysel teknikler artık SI birimlerindeki ışık hızının bilinen değerini etkilememekte.
Işık Hızı Formülü
Işık hızı c = λf denklemi ile hesaplanır. “c”, Latincede “celeritas”, yani hız demek. λ, Yunan alfabesindeki 11. harf olan “Lambda”dır ve dalga boyutu için kullanılır. “f” ise “frequency”, yani frekans için kullanılır. Basitçe ışık hızı förmülü “Hız = Dalga boyutu x frekans” olarak tanımlanır.
Işık Hızı Nasıl Ölçülür?
Işığın saniyedeki hızını ölçmek için v = c/n formülü kullanır. “v” ortamdaki ışığın hızı, “c” ışığın hızı ve “n” kırılma indisini temsil eder.
Işık hızının boşlukta 3x10^8 m/s olduğunu bildiğimize göre yol alan ışığın ya da diğer elektromanyetik dalgaların boşlukta yol alan ışığa göre ne kadar yavaş ilerlediğini gösteren değeri, yani kırılma indisini bilmemiz gerekir. Örneğin camın kırılma indisi 1,6’dır, o zaman ışığın zamdan geçerkenki hızını:
v = 3x10^8 / 1,6 = 1,88 x 10^8 m/s olarak gösterebiliriz.
Işık Hızı Neden Sabittir?
Işık hızının sabit olduğu görelilik teorisinin temel bir önermesidir. Bu iki kısma ayrılabilir: Işık hızı gözlemcinin hareketinden bağımsızdır. Işık hızı zamana ya da yere göre değişmez.
Işığın Hızının Sabit Olduğunun Örneği
Şu an olduğunuz yerde durun ve etrafinıza bakın, her yerde algıladığımız ama göremediğimiz, çevreyi aydınlatan fotonlar mevcut.
Işık Madde Midir?
Hayır, ışık bir madde değil, enerjidir. Maddelerin atomları olur ve atomlar 0,00000001% olsa bile o cisme bir kütle sağlar ve ışık hızına ulaşması imkansız olur. Işık bir çeşit elektromanyetik radyasyon olduğu için kuantum parçacıklardan oluşur. Eğer ışık bir madde olsaydı bu kadar hızlı olamazdı.
Işık Hızına Ulaşmak Mümkün Mü?
Hayır. Işık hızına ulaşmak için herhangi bir cisimin 0 kütlesi olması gerekir . Ayrıca bir cismin ışık hızına ulaşması için sonsuz enerjiye ihtiyacı olur.
Işık Hızına En Yakın Hız
Evrende ışık hızına çok yaklaşan iki parçacık var: OMG partikülü ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki protonlar.
Oh-My-God partikülü, 15 Ekim 1991’de saptanmış bir yüksek enerjili kozmik ışındır. Bu ışın, atmosferimize tam olarak 0,9999999999999999999999951 ışık hızında çarpmıştır. Perseus takımyıldızı yönünden geldiği bilinen bu partikül hala gizemini koruyor.
Büyük Hafron Çarpıştırıcısı ise dünyanın en büyük ve en yüksek enerjili partikül çarpıştırıcısıdır. Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) tarafından 2008’de açılmıştır. Burada, elektromanyetik alanlar kullanılarak protonlar yaklaşık 0,999999990 ışık hızına ulaştırılmıştır.
Işık Hızı Geçilebilir Mi?
Hayır, evrenimizin yasalarına göre hiçbir şey ışık hızından daha hızlı olamaz. Işığın kütlesi sonsuzdur ve zamanı yoktur. Özellikle kütlesi olan bir cismin ışık hızına erişmesi imkansızdır.
Işık Hızından Hızlı Ne Var?
Çoğu fizikçi için fiziğin yasaları ile tutarlı olmasa da takyonlar teorik olarak ışık hızından daha hızlı parçacıklardır. Takyonlar için en yavaş hız ışık hızıdır ve ışık hızında olamazlar.
Işık Hızını Geçersek Ne Olur?
Özel göreliliğe göre eğer bir şey ışık hızını aşarsa zamanda geriye doğru hareket edecektir.
Işık Hızı Neden Aşılamaz?
Einstein, 1905’te ortaya attığı özel görelilik kuramıyla evrene olan bakışımızı tamamen değiştirdi. Özel görelilik kuramı, uzay-zamanda meydana gelen fiziksel olayları tanımlar. Bu kuram öncesi, iki parçacığın arasındaki mesafeye göre etkileşim kuvvetlerinin de değiştiği düşünülüyordu. Yani bu iki cismin aralarındaki mesafe değiştiğinde kuvvetin değiştiği sanılıyordu. Ancak özel görelilik kuramına göre kuvvetteki değişiklik anlık değil, mesafeye göre gecikmeli yaşanır ve yayılma hızı ile uzayda yayılır. İşte buradaki yayılması hızında aşılamayacak bir hız olması gerekir. Çünkü bir parçacık, etkileşimin yayılma hızını aşmamalı. Işık hızının neden aşılamayacağı da özel görelilik kuramına göre etkileşim yayılma hızının ışık hızının ta kendisi olmasından kaynaklanıyor.
Işık Hızına Yaklaştıkça Zaman Neden Yavaşlar?
Hız ve zaman kavramı birbiriyle ters orantılıdır. Bunun nedeni Einstein’ın genel görelilik kuramı: zaman, ışık hızında akar ve ışık hızına yaklaştığınız anda zamanın akışı o cisim için yavaşlar. Bu duruma zaman genişlemesi denir ve en güzel örneklerinden biri kara deliklerin olay ufkudur. Işığın dahi kaçamadığı olay ufkunda geçirdiğiniz 1 saat, Dünya’daki bir insan için 100.000.000 yıla eş değerdir. Çünkü orada ışık yoktur ve ışık demek bilginin size ulaşması demektir.
Işık Hızında Zaman Durur Mu?
Evet, ışık hızına ulaşan bir cismin zaman kavramı yok olur çünkü zaman ışık hızında akar. Daha kolay anlaşılması için size aynı yönde ve aynı hızda giden iki araba örneği vereyim. O arabalardan biri siz, diğeri zaman olsun. İkiniz de aynı hızda ve aynı yönde hareket ederseniz gerçekten hareket edip etmediğinizi anlayamazsınız, yani eşit olursunuz. Bu durumda zaman sizin için akmaz.
Işık Hızı Her Yerde Aynı Mıdır?
Işığın hızı her zaman aynıdır ancak bulunduğu ortama göre değişebilir. Işık bir ortama girdiğinde ortamdaki atomlar veya moleküllerle etkileşime girer. Yaşanan etkileşimler ışığın atomlar veya moleküller tarafından emilmesine ve yeniden yayılmasına neden olur, bu da ortamdaki toplam ışık hızını yavaşlatır. Ne kadar çok etkileşim meydana gelirse ışığın hızı ortamda o kadar yavaşlar.
Işık Hızının Yavaşlayıp Azaldığı Nasıl Belirlenir?
Bir ortamda ışık hızının ne kadar yavaşladığı, ortamın kırılma indisi tarafından belirlenir. Kırılma indisi, ışığın ortamdan geçerken hızının vakumdaki hızına kıyasla ne kadar azaldığının bir ölçüsüdür. Kırılma indisi, ortamın yoğunluğu ve bileşiminin yanı sıra sıcaklık ve basınç gibi diğer faktörlerden de etkilenir.
Işığın Hızı Hangi Maddede Daha Fazladır?
Işık, hava veya vakumda daha hızlı ilerler çünkü kırılma indisi 1’e çok yakındır. Yani etkileşime girme oranı düşüktür.
Işığın Hızı Hangi Maddede Daha Azdır?
Işık, suda daha yavaştır çünkü suyun kırılma indisi 1,33’tür. Bu nedenle ışık suda vakumda olduğundan yaklaşık %25 daha yavaş ilerler.
Işık Hızı Dünya’yı Kaç Saniyede Dolaşır?
Işık, uzayda stabil olarak 300.000 km/s ilerler ve 1 saniyede Dünya’nın ekvator çizgisinden 7,5 defa tur atabilir.
Evren Işık Hızından Hızlı Mı Genişliyor?
Bu sorunun cevabı tamamen nereye baktığınıza bağlı. Evren, her saniye Dünya’ya göre stabil olarak 1 megaparsekte (3,26 ışık yılı) bir 73.3 ± 2,5 km genişliyor. Şimdi evreni mayalanmaya bırakılmış bir hamur, galaksileri de hamurdaki parça çikolatalar olarak düşünün. Hamur zaman geçtikçe büyür ve çikolatalar hareket etmeseler de birbirinden uzaklaşır. Dünya’dan milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki galaksiler teknik olarak bizden ışık hızından daha hızlı uzaklaşır. Sebebi de diğer galaksilere olan uzaklığımız. Buna istinaden, evrendeki galaksilerin %97’sinin bizden ışık hızında uzaklaştığını biliyor muydunuz?
Işık Hızında Seyahat Mümkün Olabilir Mi?
Hayır, kütlesi olan bir cismi ışık hızına çıkarmak için sonsuz enerjiye ihtiyaç vardır. Bu yüzden ışık hızında seyahat fizik kuralları gereğince mümkün değildir.
1 Işık Hızı ile Yolculuk Süreleri
1 Işık hızı ile Dünya'dan nereye ne kadar zamanda gidebilirsiniz işte hepsi burada:
Nereye? | Gerekli Vakit |
Dünya'nın Bir Ucundan Diğer Ucuna | 0,13 saniye |
Ay | 1,25 saniye |
Mars | 3 dakika |
Güneş | 8 dakika |
Pluto | 4 saat |
Samanyolu'nun Merkezi | 25.000 yıl |
Andromeda Galaksisi | 2,5 milyon yıl |
Gözlemlenebilir Evrenin Sonu | 46,5 milyar yıl |
