İlginizi Çekebilir
  1. Ana Sayfa
  2. Fizik
  3. Işık Hızı Neden Geçilemez?

Işık Hızı Neden Geçilemez?

Işık Hızı Neden Geçilmez?

Işık hızı (fotonların hızı), kusursuz vakumda saniyede 299.792.458 metredir (m/s). Bu, kabaca saatte 1.079.250.000 kilometreye eşittir. Yani saatte 300 kilometre hız yapabildiğiniz bir arabayla çıkabileceğiniz maksimum hızın 3.597.500 katına… Fotonları bu hızda gidiyor gibi görüyoruz, çünkü fotonların kütlesi yoktur. Buna rağmen kinetik enerjileri vardır; ancak buna az sonra geleceğiz.

Einstein ışık hızı için “Evren’in hız limiti” demişti. İddiasına göre ışıktan hızlı gitmek nedensellik prensibini ihlal etmek demekti. Bu konularla ilgili derin bilgisi olmayan okurlarımız için, “nedensellik” ilkesi basitçe bir neden ile sonucu arasında ilişki olması demektir. “Neden-sonuç ilişkisi” olarak da bilinir. Nedensellik ilişkisinin bozulması ise mantık hatalarına neden olur. Buna bir örnek olarak, henüz tetiği çekmemişken, silahınızdan çıkacak merminin hedefi vurması örneğini verebiliriz. Işık hızını aşmak, bazı temel enerji yasalarını ihlal etmek anlamına gelir. Ancak bu yapılabilecek olursa, zamanda yolculuk bile mümkün olacaktır.

Neden Hiçbir Şey Işıktan Hızlı Gidemez?

Buna dalmadan önce, ışık hızının ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Böylece “evrensel hız sınırı” ile ilgili bazı yanlış anlaşılmaları düzeltebiliriz.

Fotonlar da dahil olmak üzere evrenimizdeki her parçacık, “Higgs alanı” dediğimiz bir alan içerisinde hareket ederler. Bunu su içerisinde yüzmeye benzetebilirsiniz; ya da sert rüzgarlı bir havada, rüzgara karşı yürümeye. Nasıl ki su içerisinde veya rüzgara karşı ilerlemek zorsa, parçacıklar da Higgs alanından geçerken zorlanırlar ve bu onlara kütle kazandırır. Farklı parçacıklar Higgs alanıyla farklı şiddetlerde etkileşime geçerler. İşte bu sebeple bazı cisimler daha ağırdır, diğerleri daha hafiftir. Fotonlar da Higgs alanından geçerler; ancak onunla hiç etkileşmezler, olduğu gibi içinden geçer giderler.

Bu ne anlama gelir? Fotonlar bu alanla etkileşmedikleri için, onların hızını kesecek hiçbir unsur yoktur. Bir diğer deyişle, serbest bir şekilde, hiçbir engele takılmaksızın uzayda hareket ederler. Dolayısıyla tek sınırları, halihazırda var olan sabit hızları gibi gözükmektedir. Bu hız fotonun, dolayısıyla herhangi bir diğer parçacığın da çıkabileceği en yüksek hızdır. Çünkü kütlesiz olup, hiçbir kütle kazandırıcı alanla etkileşmeden gidip de, daha yüksek bir hıza çıkmanız bu evren şartlarında mümkün değildir; mümkün olsaydı, fotonlar o hıza çıkabilirlerdi. Çünkü kütlesizden daha kütlesiz bir yapı var olamaz; dolayısıyla fotondan daha “hafif” olup da, daha hızlı gitmesini hayal edebileceğimiz bir parçacık var olamaz. Evren’imiz bu hızla sınırlanmıştır.

Yani kim olursa olsun ve ne kadar yüksek teknoloji geliştirirsek geliştirelim, bu hıza asla ulaşamayacağız. Bunun sebebi ise çok basit: Kütlemiz var! Kütleli bir nesneyi istediğiniz gibi hızlandırabilirsiniz. Ancak şunu söylemeliyiz ki, “c”ye (Latince’de “celeritas”, yani “hız”) ulaşabilmeniz için sonsuz enerjiye gerek duyarsınız. Üzülerek söylüyoruz ki, evrende sınırlı bir enerji var. 

Ne var ki bu, ”c”nin %90’ına, %99’una ya da %99,9999’una razı olacağımız anlamına da gelmiyor. Bizler her zaman, enerjiden ekstra bir parça daha ekleyerek, hızı ”c”ye yaklaştırıyoruz; ancak ulaşmamızın olanağı bulunmuyor. Buna, yani ışık hızına yaklaşma deneyimlerine en fazla, Higgs bozonunu bulduğumuz CERN’de tanık olduk. 

İki protonu birbiriyle, saniyede 299.792.447’şer metre hızlarla çarpıştırarak (ışık hızından yalnızca 11 m/s düşük), yani iki protonu da zıt yönlerde, aynı hıza çıkararak gerçekleştirdiğimiz çarpışmalarda bizler, Einstein’ın E=mc2E=mc^2E=mc2’sinin sınırladığı enerji aralığında, inanılmaz enerjik parçacıklar elde edebiliyoruz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki güncellemeler tamamlandığında ise söz konusu çarpışma hızı, saniyede 299.792.455 metreye çıkarılacak (yani ışık hızından sadece 3 m/s düşük) ve şimdiye kadar Dünya üzerindeki en hızlı protonlar elde edilecek. Ancak buna ”hemen hemen” parametresini de eklemeliyiz. 

Sonuçta proton, 1836 katı kadar ağır olduğu, atom çekirdeği etrafındaki elektrona nispeten ağır bir parçacık. Protonları, elektronlardan yüksek enerjilerde elde etmiş olsak bile, elektronları aynı hızlara çıkarmamız için gereken enerji, protonları bu hızlara çıkarmamız için gereken enerjinin 1836’da 1’i olur; yani %0,054’ü. Aradaki oran açık: kütleler, yani enerjiler. Yani E=mc2E=mc^2E=mc2; diğer bir deyişle, bir miktar kütlenin enerji olarak karşılığını, kütleyi, çok büyük bir sayı olan, ışık hızının karesi ile çarparak bulabiliriz. Atom bombalarında da bu prensip işler; çok az bir madde (atomik boyutlardaki izotoplar), inanılmaz bir enerji açığa çıkarır. Konumuza dönelim. 

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın öncülü olan Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, 104,5 GeV’luk (1 GeV, yani ”1 Gigaelectronvolt”: Kabaca bir protonun kütlesinin enerji olarak ifadesi) enerjisiyle müthiş bir başarıya ulaşmış olsa da 2009 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 1180 GeV (1.18 TeV) enerjiye ulaşarak rekoru kırmıştır.

Esasında çıkılması beklenen hız, saniyede 299.792.457,9964 metre; diğer bir deyişle, ışık hızının %99,9999999988’i. Bu hız, vakumda; yani prensipte hiçbir madde parçacığının olmadığı boşlukta, ışık hızından saniyede 3,6 milimetre yavaş. Tabii bunlar, bizim enerji kaynakları kısıtlı Dünya’mızdan çıkan sonuçlar. Evrenden bu bağlamda ne gelir; bilemiyoruz, fakat bizim elektromıknatıslı hızlandırıcılarımızdan yüksek enerjilerde bir şeyler olduğu kesin gibi görünüyor. 

Dış uzay, çöken yıldızlarla, süpernovalarla (yıldız kalıntılarıyla) ve süper kütleli kara deliklerle dolu. Özellikle büyük galaksilerin, süper kütleli kara delikler bulunan aktif merkezleri söz konusu olduğunda, manyetik alanlar, Dünya’mızın manyetik alanıyla veya rutin alanlarla karşılaştırılamayacak derecede, milyarlarca kat daha fazla gözlenir. Uzayda her yönden gelen ve adeta evreni kat eden kozmik ışınlar (yüksek enerjili parçacıklar; genellikle protonlar), bizim dünyada ürettiğimiz her makineyi adeta gözümüzde küçültüyor. 

Evet, daha yüksek enerjilere çıktıkça daha az parçacığa rastlıyoruz; fakat en yüksek enerjiler, artık GeV ile ölçülmüyorlar. GeV’in 1000 katı olan TeV (Teraelectronvolt), hatta TeV’un 1000 katı olan PeV (Petaelectronvolt) söz konusu! Tüm bu rakamların yerine şunu söyleyebiliriz: bu enerjilerin hepsini, 10 milyar GeV’a kadar çıkarabiliyoruz; burada sınırlanıyoruz. 

İşte buradaki sayı oldukça ilginç! Çünkü 40 veya 50 milyar GeV’un üzerine çıkıp o enerjilerde kalmanıza, evren izin vermiyor! “Sorun nerede?” öyle değil mi? İster inanın, ister inanmayın, parçacığınız ne kadar yüksek enerjilere çıkarsa çıksın, Büyük Patlama’dan kalan bir radyasyon banyosunun içinden geçmek zorunda! Bu radyasyon, 2.725 Kelvin (-270 Santigrat derece) değerine karşılık gelen bir sıcaklığa sahip, yani bizler için çok soğuk. Eğer bizler her bir fotonun uzaydaki ortalama enerjisini hesaplarsak, 0,00023 electronvolt gibi çok küçük bir enerjiye ulaşırız. Her zaman, bir yüksek enerjili ve yüklü parçacık, bir fotonla etkileşme olasılığına sahip olur. Bu, etkileşen tüm parçacıkların sahip olduğu olasılıkla aynı olasılıktır: eğer E=mc2E=mc^2E=mc2 izin veriyorsa, yeni bir parçacığın oluşabilmesi olasılığı var demektir. 

Şu işe bakın ki, gözlemler de 50 milyar GeV sınırının üzerinde, kozmik ışın bulunmadığını ortaya koyuyor! Protonlar bu enerjiyle hareket ettiği sürece hızlarının ne olacağını tahmin edebilir misiniz? Hızları bu durumda tam olarak, saniyede 299.792.457,999999999999918 metre olurdu. Bu, en yakın galaksiye göndereceğimiz proton ve fotonun yarışında, fotonun, Dünya’mıza sadece 22 mikronluk (mikron: milimetrenin 1000’de 1’i) bir farkla önce ulaşacağı demek. 

Sonuç: evrendeki tüm yüklü parçacıklar (her kozmik ışın, her atom çekirdeği, her proton) ışık hızı ile sınırlanmıştır. Aslında Büyük Patlama’nın kalıntısı sebebiyle, “Tam olarak ışık hızıyla bile değil; ışık hızına çok yakın bir hızla sınırlanmıştır.” demek, daha doğru olur. 

Bize Katılın!
Yeni yazılarımızdan, etkinliklerden ve her şeyden ilk siz haberdar olun.