Isaac Newton ve Işığın Parçacık Teorisi – Işık Dalga mı Yoksa Parçacık Mı?

Işık tam olarak nedir? Nasıl yayılmaktadır? Cisimleri yansıyan ışıkla mı görürüz yoksa gözlerimizden çıkan ışınlarla mı?

Bu sorular tarih boyunca insanların kafasını meşgul etmiş ve oldukça da merak uyandırmıştır. Geçmişte birçok düşünür, ışığın doğasına yönelik çeşitli açıklamalarda bulunmuştu.

Örneğin Pisagor‘un takipçileri, her görünür cisimden yayılan ışığın bir parçacık akışı olduğunu öne sürüyordu. Bir diğer ifadeyle ışığın parçacıklardan oluştuğunu iddia ediyorlardı.

Milattan önce dördüncü yüzyılda yaşamış ünlü filozof Aristoteles ise ışığın, okyanustaki dalgalara benzer bir şekilde yayıldığı sonucuna varmıştı.

Tarih boyunca ışığın ne olduğuna yönelik bu açıklama girişimleri yüzyıllar geçtikçe yenilenirken ve geliştirilirken, meselenin özü yani ışığın bir dalga mı yoksa bir parçacık mı olduğu ikilemi günümüzde de hala bir tartışma konusudur diyebiliriz.

Görsel: Işık, üzerine düşünen herkesi büyülemiş ve günümüzde de ışığın doğası hakkında sonu gelmeyen tartışmalar yapılmaya devam etmektedir.

17.yüzyılın başlarında, ışığın doğası hakkındaki tartışmalar bilim camiasını çeşitli kamplara bölmüş vaziyetteydi. Taraflar, ortaya attıkları teorilerinin geçerliliği konusunda birbirleriyle sürekli ihtilafa düşüyorlardı.

Taraflardan biri olan, ışığın dalga teorisini savunan grup, argümanlarını Hollandalı bilim insanı Christiaan Huygens’in keşiflerine dayandırıyordu.

Karşı cephe ise Isaac Newton‘ın prizma ile gerçekleştirdiği deneyleri kanıt olarak görerek, ışığın bir parçacık akışı şeklinde yayıldığına inanıyordu. Bu ışık parçacıklarının her biri kırılana, yansıtılana ya da saçılana kadar düz bir yolda ilerlemekteydi.

Isaac Newton’ın Prizma Deneyi ve Işığın Parçacık Teorisi

Isaac Newton ışığın kırılma ve yansıma olgusunun yalnızca, eğer ışık parçacıklardan oluşuyorsa açıklanabileceğini savunuyordu. Çünkü dalga özelliğine sahip ışık, düz bir yolda hareket etme eğilimi göstermezdi.

Işığın dalga şeklinde yayıldığını savunanlar ise, ışığın beyaz ışıktan oluştuğunu ve bir prizma aracılığıyla görülebilen renk tayfının, camın içindeki ışığın “bozulmasıyla” meydana geldiğini öne sürüyordu. Bu şu anlama geliyordu: Işık ne kadar çok camın içinden geçerse o kadar “bozulacaktı”.

Bu hipotezin yanlış olduğunu kanıtlamak adına Newton, bir beyaz ışığı iki prizmanın içinden de geçecek şekilde gönderecek bir deneye başvurur.

Prizmalar öyle bir açıyla yerleştirilmişti ki ışık, ilk prizmadan geçerken tayf renklerine ayrılıyor ve ikinci prizmadan geçtikten sonra da tekrar beyaz ışığa dönüşüyordu.

Görsel: Newton bir prizma kullanarak beyaz ışığı tayf renklerine ayırmayı başarmıştır.

Newton’ın yaptığı deney şunu göstermekteydi: Renk tayfına sebep olan şey, ışığı dönüştüren cam ya da prizma değildi. Işık, beyaz gözükmek için birleşen renkli “parçacıklardan” oluşuyordu.

Newton’a göre farklı şekilde ve boyutta ışık parçacıkları, farklı renklerin oluşmasına sebep oluyordu.

“Renk tayfı” ifadesini ilk defa kullanan da kendisiydi. Her ne kadar tayfta çok çeşitli renkler ve aralarında görünür herhangi bir sınır olmamasına rağmen Newton, renk tayfını yediye ayırmıştı: Kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, çivit mavisi ve mor.

Newton’a göre her renk, uygun bir prizma kullanılarak hesaplanabilen eşsiz bir kırılma açısına sahipti. Ve bir renkli ışık parçacığı, ne kadar çok yansıtıldığı ya da kırıldığına bakılmaksızın aynı renkte kalacaktı.

Newton sahip olduğu bu bakış açısıyla, renk olgusunun cisimlerin bir özelliği değil, cisimlerden yansıyan ışığın bir özelliği olduğu sonucuna varmıştı. Cisimlerin renkleri, onları aydınlatan renkli ışık parçacıklarının renginden geliyordu.

Isaac Newton, ışığın doğasına yönelik ortaya attığı parçacık teorisi hakkında kendisi bile bazı şüpheler barındırıyordu. Ancak bilim camiasındaki saygınlığı o kadar ağır geliyordu ki bu teoriyi destekleyenler, teorinin neredeyse bütün kusurlarını görmezden gelmekteydi.

Newtonın Işık Teorisinin Sorunları

Işığın parçacık olduğunu söyleyen bu teorinin bazı sorunları mevcuttu. Farz edelim ki bir ışık kaynağından ışınlar çıkıyor ve bu ışınlar da tıpkı Newton’ın dediği gibi parçacıklardan oluşsun. O halde ışık kaynağı, bu parçacıkları yaydığı zaman bir kütle kaybına uğraması gerekmektedir.

Lakin o dönemde yaşayan bilim insanları, böyle bir kaybın olduğunu ölçememişlerdi. Newton teorisinin bir diğer sorunlu açıklaması ise yoğun bir ortamda ışığın hızının fazla, az yoğun bir ortamda hızının da az olacağını iddia etmesiydi.

Görsel: Işık, su ya da cam gibi yoğun bir ortamdan geçerken kırılmaya uğrar.

Çünkü Newton’a göre yoğun bir ortama giren ışık, o ortamdaki moleküller tarafından çekilecek ve böylelikle ışığın hızında bir artış gözlemlenecekti.

Bu argümanın doğru olup olmadığını belirlemenin tek yolu, farklı ortamlar içinde, örneğin hava ve cam içindeki ışığın hızını ölçmekti. Ancak o dönemde ışığın hızının ne olduğunu ölçebilecek aletlerin henüz icat edilmediğini söyleyebiliriz.

Günümüzde bildiğimiz üzere ışık, yoğun bir ortama girdiği zaman hızı azalır ve az yoğun bir ortamda daha hızlı ilerler. Ancak Newton, ışığın yoğun bir ortamda hızlanacağını, daha az yoğun bir ortamda ise yavaşlayacağını söyleyerek, kesin gerçekliğe aykırı birtakım argümanlarda bulunmuştu.

Fakat dediğimiz gibi Newton’ın o dönemde hatalı olduğunu kanıtlayabilecek herhangi bir deney yapmak mümkün değildi.

Isaac Newton’ın bilim camiasında sahip olduğu yüksek itibara rağmen birtakım seçkin bilim insanları, parçacık teorisine pek sıcak bakmıyordu. Örneğin dile getirdikleri karşıt argümanlardan birisi şöyleydi:

Eğer ışık gerçekten parçacıklardan oluşuyorsa, iki ışın birbirinin içinden geçtiği taktirde parçacıklardan bazıları birbiriyle çarpışmalı ve birbirlerinin yolunu saptırmaları gerekirdi.

Ancak böyle bir sapmanın gerçekleşmediği, yapılan çeşitlerle gözlemlerle aşikardı. Bu yüzden ışığın parçacıklardan oluşmaması gerektiği şeklinde bir karşı argüman öne sürmüşlerdi.

Christiaan Huygens’in Dalga Teorisi

1678 yılına gelindiğinde, Hollandalı doğa filozofu Christiaan Huygens, ışığın kırılma ve yansıma olgusunun, geliştirdiği dalga teorisinden çıkabileceğini göstererek Newton’ın parçacık teorisini çürüttüğünü iddia etmiştir.

Huygens ışığın kırılma olgusunun, dalga cephelerinin girişimi nedeniyle oluştuğunu savunuyordu. Örneğin ışık, küçük bir yarık içinden geçirildiği zaman dalgalar farklı açılar yaparak geçiyordu. Bu da karşı yüzeyde “girişim örneği” dediğimiz, karanlık ve aydınlık kesitler oluşturuyordu.

Su dalgaları da küçük bir boşluğun içinden geçtiği zaman aynı şekilde davranır. Demek ki ışık da tıpkı bir su dalgası gibi dalga özelliği taşıyor, diye düşünüyordu Huygeens.

Görsel: Huygens’e göre ışık, dalgalar halinde yayılmaktadır.

Huygens, ışık dalgalarının boyuna hareket ettiğine inanıyordu. Örneğin ses dalgası da boyuna bir dalgaydı. Çünkü ses dalgaları, havadaki molekülleri periyodik olarak yerinden oynatarak ileri doğru hareket ediyordu. Fakat moleküllerin kendisi hareket etmiyor, sadece titreşiyordu.

Sonuç itibariyle ışığın bir dalga olarak uzayda hareket etmesi için, içinde hareket edeceği bir ortamın olması gerekiyordu. Böylelikle bundan önceki ışığın doğası ile alakalı bütün teoriler gibi Huygens’in teorisinin de evrenin, Aristoteles’in beşinci elementi olan “eter” ile dolu olduğu fikrine dayandığını söyleyebiliriz.

Kraliyet Topluluğu’ndan Newton’a Eleştiriler Geliyor

Isaac Newton’ın ışığın doğasına ilişkin parçacık teorisi, Huygens’in dalga teorisini ortaya atmasıyla bazı problemlerle karşılaşmıştı. Parçacık teorisinin geliştirilmesinden bir yıl sonra Kraliyet Topluluğu üyesi, İngiliz doğa filozofu Robert Hooke, ışığın bir dalga olduğunu söyleyerek Newton’ın fikirlerine bazı eleştirilerde bulunuyordu.

Topluluğun diğer birçok üyesi de Newton’ın teorisine karşı Hooke’ın görüşlerine katılıyordu.

Newton’ın “Optik” Eseri

Muhtemelen bir insanın yazabileceği en büyük kitap olup, adeta bir mihenktaşı niteliğindeki “Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri” eserini yazdıktan 17 yıl sonra, Isaac Newton diğer usta eserini 1704 yılında kaleme almıştı: Optik.

Optik eserinde Isaac Newton, ışığın doğasına yönelik çalışmalarını anlatırken, ışığın bir parçacık olduğunu söylüyordu. Ancak bu çalışmayı 1704 tarihinden çok daha erken bir tarihte yayınlayabilirdi. Bu gecikmenin sebebi ise, onun en büyük entelektüel rakibi ve eleştireni olan Robert Hooke’un ölümünü beklemesiydi.

Isaac Newton, ortaya attığı teorilere yönelik birçok kesimden eleştiriler almıştı. Hooke’da bu eleştirmenlerden birisiydi. 1703 yılında ölümüne kadar Newton’ın çalışmalarını eleştirmeye devam etmişti.

Newton ise bu eleştirilere, özellikle de Hooke’ın eleştirilerine karşı çok alıngan bir tavır gösteriyordu. Böylelikle Newton, Robert Hooke’ın ölümünü beklemenin “uygun ve akıllıca” olduğunu düşünerek, onunla tartışmaktan kaçınıyordu.

1704 yılında Newton, Kraliyet Topluluğu’nun Başkanı seçildikten sonra, ışığın doğasına ilişkin en kapsamlı teorisini ele aldığı Optik eserini yayınlamıştı. Eserin yayınlanmasından sonra Newton’ın parçacık teorisi, Huygens’in dalga teorisine karşı önemli bir popülerlik kazansa da teoriyi eleştirenlerin çoğu bu konuda ikna olmamıştı.

Bu tarihten yaklaşık 100 yıl sonra ise, öyle bir deney gerçekleştirilecekti ki yukarıda bahsedilen iki teorinin de tek başına yanlış olduğu ortaya çıkacaktı.

İngiliz bilim insanı Thomas Young tarafından gerçekleştirilen, “çift yarık deneyi” olarak adlandırılan bu deneyde Young, ışığın hem bir dalga hem de bir parçacık olduğunu göstererek fizik alanında, özellikle de ışığın doğası hakkında yepyeni bir bakış açısı kazanmamızı sağlayacaktır.

Kaynaklar:

1- Toppr, “Newton’s Corpuscular Theory”. <https://www.toppr.com/ask/content/story/amp/newtons-corpuscular-theory-46037/>. (Erişim Tarihi: 29 Temmuz 2021).

2- The Star Garden, “Newton’s theory of Light”. <http://www.thestargarden.co.uk/Newtons-theory-of-light.html>. (Erişim Tarihi: 29 Temmuz 2021).

3- Olympus, “The Physics of Color and Light”. <https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/lightandcolor/particleorwave/>. (Erişim Tarihi: 29 Temmuz 2021).

4- Nyambuya, G. G., Dube, A. and Musosi, G., Salvaging Newton’s 313 Year Old Corpuscular Theory of
Light
, National University of Science and Technology, Eylül 2017. (Erişim Tarihi: 29 Temmuz 2021).

Leave a Reply