ALICE YASASININ IŞIK DENEYİNDE

IŞIK NİÇİN YÖN DEĞİŞTİRECEKTİR?

Han Erim

3 Kasım 2010

GİRİŞ

Hareket halindeki bir hedefe doğru giden bir ışığın hızı ve davranışları bu güne kadar laboratuar koşullarında ölçülmemiş ve incelenmemiştir. Alice Yasasının ışık deneyi bize bu olanağı verebilen bir deneydir. Deney, birbirine paralel dönen aynalar arasında ışığı yansıtmak ve bir hedefe düşürmek şeklindedir. Aynaların dönüş hızına bağlı olarak ışığın varma hedefi değişmektedir.

Bu yazımda size ışığın niçin yön değiştireceğini anlatacağım. Yazımın ilerleyen bölümlerinde sizin için büyük bir sürpriz de hazırladım. Konunun ne kadar önemli olduğunu sizin takdirinize bırakıyorum.

Daha basit mantık yürütebilmek için aşağıdaki düzeneği kullanalım. Birbirine paralel iki ayna arasında ışığı bir kaç kez yansıtıyoruz. Işık kaynağı düzeneğe monte edilmiş durumda ve düzeneği sağa sola hareket ettirebiliyoruz.

Düzeneğin referans sistemine göre düşündüğümüzde şunu hemen görürüz: Düzeneği hareket ettirmemiz, ışığın aynalar arasındaki gidiş rotasını hiçbir şekilde değiştirmemektedir. Bu doğal bir sonuçtur, çünkü düzgün doğrusal hareket eden sistemlerde fizik yasaları değişmezdir.

Alice Yasasının ışık deneyinde ışığın yön değiştireceğini anlamak için bu kadar bilgi zaten yeterlidir. Işığın aynalar arasındaki kalış süresini ne kadar uzatabilirsek, ışığın varış noktasını o kadar uzağa veya yakına taşımak mümkün olur. Bu nedenle de Alice Yasasının ışık deneyinde ışığın yön değiştireceği aşikardır.

Ancak burada üzerinde önemle durulması gereken bir detay vardır. Burada şu soru gündeme gelir: Işık aynaların hareket ettiğini nereden bilmektedir?

Öyle ya, olayı yer referans sistemine göre ele alırsak, ışığın düzeneğin referans sistemine bağlı bir şekilde davrandığı açıkça ortadadır.

Bu soruya Klasik Mekanik şu şekilde cevap verir: Düzeneğin hareket hızına bağlı olarak, ışık normal gidiş doğrultusuna ilave olarak düzeneğin hareket yönünde bir momentum taşır. Çünkü burada ışık kaynağı düzeneğe bağlıdır. Bu momentum, ışığın aynalar arasındaki rotasını sabit tutar.

Işık kaynağının düzeneğe monte edilmiş olup olmaması da o kadar önemli değildir. Çünkü, aynadaki ilk kırınımda ışık bu momentumu kazanacaktır.

Gördüğümüz gibi Alice Yasasının ışık deneyinde ışığın yön değiştirip değiştirmeyeceğini tartışmak yersizdir, ışığın yönü değişecektir.

Ancak burada önemli bir konuyu gözden kaçırmamak gerekiyor: Çünkü ışık momentum taşımaz.

Şu andan sonra konunun giderek ne kadar ilginç bir hal alacağını ve ne kadar önemli bir konu haline geldiğini görelim.

Işık momentum taşıyabilir mi?

Uzayda birbirine göre karşılıklı hareket eden A ve B şeklinde iki cisim ele alalım. B üzerinde bir ışık kaynağı (fener) vardır ve fenerin konumu X eksenine diktir.

Şimdi A cismi üzerinde olduğumuzu varsayalım.

Soru: A'nın hızını söyleyebilir miyiz?
Cevap: Hayır. Yalnızca B’ye göre olan hızımızı söyleyebiliriz.

Soru: A referans sistemini durağan kabul edebilir miyiz?
Cevap: Evet. Gidip gitmediğimizi bile bilmiyoruz. A durağandır ve B hareket halindedir diyebiliriz.

Soru: Fenerin ışığının A’ya ulaşması için fener nerede yanmalıdır?

Bu sorunun iki cevabı vardır:

1) Eğer ışık momentum taşıyorsa, fener A’nın koordinat sistemine göre X=0 noktasına varmadan önce yanmalıdır ve ışık B’nin mavi Y ekseni üzerinde hareket etmelidir. (Bu klasik mekanik yorumudur.)

2) Eğer ışık momentum taşımıyorsa, fener X=0 noktasında yanmalıdır ve ışık A’nın kırmızı Y ekseni üzerinde gitmelidir. (Bu Alice Yasası’nın görüşüdür. Einstein fiziğinde bu sorunun açık bir karşılığı yoktur.)

Gördüğümüz gibi karşımızda iki seçenek vardır. Tuhaf olan, bu iki görüşten hangisinin doğru olduğunun şimdiye kadar net olarak belirlenmemiş olmasıdır.

Işığın momentum taşıyıp taşımadığını nasıl ölçebiliriz?

Bu sorunun cevabını yine aynı iki cisim örneği üzerinden vereceğiz. Şimdi referans sistemimiz B olsun ve onu durağan kabul edelim. Bu taktirde A, B’ye göre hareket halindedir.

Referans sistemimizi değiştirmemiz olayı değiştirmez. Dolayısıyla yukarıda yazdığımız iki olasılık burada da geçerlidir:

1) Eğer ışık momentum taşıyorsa, fener A'nın X=0 noktasına varmadan önce yanmalıdır ve ışık B’nin mavi Y ekseni boyunca ilerlemelidir.

2) Eğer ışık momentum taşımıyorsa, fener A’nın X=0 noktasında yanmalı ve ışık A’nın kırmızı Y ekseninden ilerlemelidir.

Bu analizden şu sonucu çıkarabiliriz: B'nin referans sistemine göre, ışık eğer momentum taşıyorsa düz bir yol izler. Taşımıyorsa yön değiştirir. (Figür 9)

Artık bu farkı deneysel olarak nasıl tespit edebileceğimizi konuşabiliriz.

Işığın momentum taşıyıp taşımadığını deneysel olarak nasıl tespit edebiliriz?

Kare şeklinde bir kaidenin ortasına dönebilen bir disk yerleştiriyoruz. Bu deneyde yansıtma kullanılmadığı için ayna gerekmez. Amacımız, kaideye düşen ışığın fotoğrafını çekmektir.

Yukarıdaki mantığı burada da uygulayalım. B ışık kaynağı, A dönen disk olsun. (Figür 10)
Disk dönerken, çok uzak bir noktadan çok ince bir ışık çizgisi kaidenin tamamına düşürülür ve fotoğrafı çekilir. İşte Alice Yasasının Işık Deneyi budur.

1) Eğer ışık momentum taşıyorsa, çektiğimiz fotoğrafta kaide üzerine düşen ışık çizgisi bozulmayacaktır. Hem dış kaide hem de iç diskteki çizgiler birbiriyle hizalı, düz bir çizgi oluşturur. (Figür 11)

2) Eğer ışık momentum taşımıyorsa, disk üzerindeki ışık çizgisi dönüş yönünde kayacaktır. (Figür 12)

Sonuç ve Tartışma

Bu deneyin Alice Yasası ile bağlantısını burada anlatmadım çünkü buna şu an için gerek yoktur. Alice Yasası şunu demiş, Einstein fiziği böyle demiş gibi tartışmalardan öte bu deneyin fiziğin genel teorisini düzenleyebilecek kadar temel olduğu aşikardır.

Bu deneyin Alice Yasasının lehine sonuçlanacağını burada belirtmek isterim.

Ve son soru:

Bu deneyi kim yapacak?

Han Erim

Ayrıntıları inceleyebilmeniz için aşağıdaki animasyonu hazırladım. Kaynak kodlarını buradan download edebilirsiniz.