Tarih öncesi dönemlerden beri doğa filozofları, ışığın tam olarak ne olduğuyla alakalı çeşitli öngörülerde bulunmuşlardır. Bu konu, 17.yüzyıla gelindiğinde bir hayli önem kazanmış; ışığın doğasına yönelik ortaya atılan temelde iki görüş ortaya çıkmıştı: Işığın parçacık olduğu görüşü ve ışığın dalga olduğu görüşü.
Işığın parçacık doğasına sahip olduğunu dile getiren kişi, 17.yüzyılda yaşamış ünlü fizikçi Isaac Newton‘dı. Newton, ışığın yoğun bir ortama girince kırılması ya da yansıma özelliğine bakarak ışığın, parçacıklardan oluştuğunu söylüyordu.
Öte yandan Hollandalı bilim insanı Christiaan Huygens başta olmak üzere bazı fizikçiler ışığın, tıpkı ses dalgası gibi bir dalga yapısına sahip olduğuna inanıyordu. Ancak bu iki görüşten hangisinin doğru olduğu konusunda fizikçiler arasında bir bilinmezlik hakimdi.
Çünkü her iki teorinin de doğru ya da yanlış olabileceğine yönelik gözlemler yapılıyordu. Fakat yazının konusu bu olmadığı için daha fazla detaya girilmeyeceğinden, ışığın dalga ya da parçacık özelliği ile alakalı tarihte yapılan deney ve gözlemlerin ele alındığı yazıyı buradan okuyabilirsiniz.
Işığın Bir Dalga Olduğu Ortaya Çıkıyor
19.yüzyıla gelindiğinde, ışığın dalga mı yoksa parçacık özelliği mi gösterdiğine yönelik bir sonuç ortaya koyan kişi, İngiliz fizikçi Thomas Young idi. 1801 yılında gerçekleştirdiği ünlü Çift Yarık Deneyi ile Young, ışığın bir dalga özelliğine sahip olduğunu ortaya koymuştu.
Demek ki ışık, tıpkı bir ses ya da su dalgası gibi bir dalga özelliği gösteriyordu. Bilindiği üzere dalgaların yayılabilmesi için bir ortamın olması gerekiyor. Örneğin su dalgasının oluşabilmesi için bir ortama, yani suya ihtiyaç vardır. Ya da bir ses dalgasının oluşabilmesi için de aynı şekilde bir ortama, bir havaya gereksinim vardır.
Eğer ışık da dalgalardan oluşuyorsa o zaman ışığın da yayılabilmesi için bir ortama ihtiyacı vardır. Peki bu ortam ne olabilirdi?
Cevap hava olamazdı. Çünkü uzayda hava yoktu ve ışık uzayda da yol kat edebiliyordu. Dolayısıyla ışık, kesinlikle bir hava ortamına ihtiyaç duymuyordu.
O zaman ışık, hangi ortamın içinde dalgalanıyordu?
Evrenin 5.Temel Maddesi : Eter (Esir)
Işığın bir dalga olmasına bağlı olarak neyin içinde dalgalandığı sorusu, 19.yüzyılda yaşayan fizikçiler açısından çok kritik bir öneme sahipti. Işığın dalga olduğu bilindiğine göre dalgalar, yayılabilmesi için bir ortama ihtiyaç duymaktaydı. Işık da bir dalga olduğuna göre uzayda nasıl bir ortam vardı ki dalgalanabiliyordu?
Fizikçilere göre bu ortam, eter denilen ve Türkçe karşılığı esir olan bir maddeden oluşuyordu. Eter, köken olarak Antik Yunan dilinden gelen bir kelime olup, ilk defa Aristoteles tarafından kullanıldığı bilinmektedir.
Aristoteles, evrendeki dört temel elementin yanı sıra, gök alemine ait beşinci bir elementin var olduğunu iddia ediyordu. Bu maddeye de eter ismini vermişti.
19.yüzyıl fizikçileri ise, ışığın doğası ile ilgili temel bir problemi açıklayabilmek adına antik döneme ait bu felsefi kavramı tekrar gündeme getirdiler. Bu sefer “eter”, ışığın nasıl yayıldığını açıklayabilmek üzere “bilimsel bir teori” olarak kullanılacaktı.
Aslında eter maddesini fizik literatürüne ilk sokan kişi, Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens’di. Daha önce kısaca bahsettiğimiz gibi Huygens, ışığın bir dalga olduğuna inanıyordu. Böylelikle ışık dalgalarının yayılması için de uzayı dolduran bir eter maddesinin varlığını öne sürmüştü.
Var Olduğu Öne Sürülen Eterin Özellikleri
Peki bu eter nasıl bir maddeydi ve hangi özelliklere sahipti? Fizikçilere göre eter, bütün evreni dolduran, en uzak yıldızlara kadar uzanan bir maddeydi aslında. Bütün uzayı doldurmasına rağmen diğer gök cisimlerini görebiliyorduk. Demek ki eter, ışığı içinde “dalgalandıracak” bir maddeydi.
Örneğin Ay’da bir patlama yaşansa, bu patlamayı duyamazdık. Çünkü ses dalgalarını bize taşıyacak bir ortam uzayda bulunmamaktadır. Ancak eter maddesi ışık dalgalarını taşıyabildiği için diğer gök cisimlerini görebiliyorduk.
Eterin bir başka özelliği de ışık çok hızlı yol aldığı için eter, çok hafif olmalıydı. Aynı zamanda gök cisimlerinin hareket etmesini sağlıyordu. Eğer eter direnci diye bir şey olsaydı gezegenlerin hızları yavaşlardı.
Bilim insanları ışığın doğasına yönelik daha fazla bilgi sahibi oldukça, eterin özellikleri de git gide enteresan bir hal almaya başlıyordu. Eter, bütün uzayı kaplayabiliyorsa akışkan bir yapıda olmalıydı.
Ayrıyeten ışık dalgalarını taşıyabilecek kadar da katı bir halde olmalıydı aynı zamanda.
Eter, her yerde vardı fakat görünmez, ağırlıksız ve tespit edilemiyordu. Fiziksel cisimler üzerinde de herhangi bir etkiye sahip değildi. Sanki hiç yokmuş gibiydi bu garip madde.
Işık, Neye Göre Saniyede 300.000 Kilometre Yol Alıyor?
Öte yandan Işığın doğasına ilişkin bir buluş daha ortaya çıkmıştı. İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu ve bu dalgalarında ışık hızında yol aldığını matematiksel olarak ispatlamıştı. Maxwell’in matematiksel ispatları, günümüzde Maxwell denklemleri olarak bilinir ve Elektromanyetizma Kuramı olarak adlandırılır
.Maxwell denklemleri, elektrik ve manyetik alanlardan meydana gelen dalgaların olabileceğini belirtiyordu. Bu dalgaların hızları da saniyede yaklaşık 300.000 kilometreydi. Tabi ki de bu, ışık hızına eşit bir hızdı.
Ancak bu keşif, büyük bir probleme yol açıyordu. Işık hızı, neye göre ölçülen bir hızdı?
Bir ses dalgasını düşünelim. Sesin hızını, sabit bir ortam olan havaya göre ölçmekteyiz. İşte eter fikrinin ortaya atılmasının sebeplerinden birisi de ışığın hızının ölçülebilmesi için ses dalgasında olduğu gibi hava gibi bir ortama, yani bir referans çerçevesine ihtiyaç vardı.
O referans çerçevesi de ışığın içinde dalgalanabileceği eter olmalıydı. Eğer eter yoksa, ışık hangi ortama göre saniyede 300.000 kilometre hızla dalgalanabilirdi ki?
Sonuç olarak ışık hızı çok büyük olduğu için eter, çok hafif olmalı ve aynı zamanda gök cisimleri herhangi bir sürtünme kuvveti hissetmeden eterin içinde hareket edebilmeliydi.
Bu açıdan bakınca eterin oldukça garip özelliklere sahip olduğu ortaya çıkıyordu. Bu özellikleri ortaya çıkaracak deneyler tasarlamak ise 19.yüzyıl fizikçilerinin en öncelikli çalışma alanlarından biri haline gelmişti: Eter tespit edilebilir miydi?
Dünya’nın Hareketi Eter Rüzgarına Sebep Oluyor
Yaygın olarak kabul edilen eter teorisine göre, hareket eden bir cismin etrafındaki hava moleküllerinin de hareket edip rüzgar oluşturması gibi Dünya, Güneş etrafında döndükçe etrafında bir eter rüzgarı oluşturacaktır. Böylelikle bu eter rüzgarı da Dünya’dan ölçülebilir olmalıydı.
1852 doğumlu Amerikalı fizikçi Albert Abraham Michelson, işte bu eter rüzgarını tespit edebilmek amacıyla bir deney yapmaya karar vermişti. Bu deney günümüzde Michelson-Morley Deneyi adıyla bilinmekte ve tarihte “başarısız olan en ünlü deney” olarak adlandırılmaktadır.
Michelson, bir diğer Amerikalı fizikçi Edward William Morley ile birlikte söz konusu olan deneyi yaparak eterin varlığını tespit etmeye çalışacaklardı. Deneyin amacı şu şekildeydi:
Dünya, Güneş etrafında döndükçe etrafında bir eter rüzgarı yaratmalıydı. Michelson ve Morley, Dünya’nın hareket doğrultusu yönünde ve bu doğrultuya dik olmak üzere iki tane ışın gönderip, ikisi arasında bir hız farkının olmasını bekliyordu.
Çünkü Dünya’nın hareket doğrultusu yönünde gönderilen bir ışın, eter rüzgarına kapılacak ve kısmen yavaşlayacaktı. Ancak Dünya’nın hareket doğrultusuna dik açı yapacak şekilde bir başka ışın gönderildiği zaman, bu ışının hızı değişmeyecekti. İki ışının arasındaki hız farkından da dolaylı olarak eter rüzgarının varlığı kanıtlanacaktı.
Ancak ortada bir sorun vardı. Işık hızı saniyede 300.000 kilometre hızla gidiyordu. Dünya’nın Güneş etrafındaki hızı ise sadece saniyede 30 kilometreydi. Dünya’nın böylesine yavaş hızı, ışık hızının üzerinde ne gibi bir etkiye sahip olabilirdi ki?
Interferometre (Girişimölçer)
Michelson ve Morley, bu sorunu ortadan kaldırmak üzere bir alet kullanmaya karar verdiler. Interferometre (girişimölçer) isimli bu alet, Thomas Young’un ismini verdiği ve ışığın bir özelliği olan “girişim özelliğinden” faydalanan bir araçtır.
Her dalga örneğinde olduğu gibi ışık da dalga yapılı olduğu için bu dalgaların tepe noktaları ve çukur noktaları bulunmaktadır. Bu iki nokta birbirleriyle “çakıştığı” zaman bir girişim örneği meydana gelmektedir.
Eğer tepe-tepe ya da çukur-çukur noktaları birbirine denk gelirse “yapıcı girişim” olup daha büyük bir dalga oluşacaktır. Tersine tepe-çukur ya da çukur-tepe noktaları üst üste gelirse “yıkıcı girişim” meydana gelecek ve dalga kendi kendini yok edecektir.
Daha da anlaşılması açısından suyun üzerindeki dalgalar örneğini vermekte fayda var. Küçük bir havuzun kenarında olduğunuzu farz edin. Eğer iki parmağınızı suyun içinde eş zamanlı olarak hareket ettirecek olursanız, iki parmağınızdan yayılan daire şekilli iki dalga oluşacaktır.
Bu dalgalar üst üste geldiği zaman, başlangıçtaki iki dalgadan tamamen farklı, yeni ve büyük bir dalganın meydana geldiğini görürsünüz. İşte bu dalganın oluşmasını sağlayan şey, önceki iki dalganın tepe-tepe ya da çukur-çukur noktalarının üst üste gelmesiyle oluşmasıdır.
Çünkü iki parmağınızı eş zamanlı olarak ve aynı hızda kıpırdattınız. Sonuç olarak da dalgalar birbiriyle “yapıcı girişim” oluşturacak şekilde birleşti.
Eğer parmakları aynı anda ve hızda hareket ettirmeseydiniz dalgalar birbirini beslemeyecek ve “yıkıcı girişim” meydana gelerek kaybolacaktı. İşte dalgaların bu özelliği, girişim olarak adlandırılmaktadır.
Işık da bir dalga olarak kabul edildiği için Michelson ve Morley, interferometre aracında ışığın bu girişim özelliğinden yararlanacaktı.
Deney şundan ibarettir: Öncelikle bir kaynaktan gönderilen ışık, ilk olarak ortadaki yarı geçirgen, ayırıcı özelliği olan bir aynaya çarpacak. Bu yarı geçirgen ayna, ışığı iki ayrı ışın parçasına bölecek ve her ikisini de birbirine dik açı yapacak şekilde iki farklı tarafa gönderecektir.
Bu iki farklı tarafı kat eden ışınlar, gittikleri yönün sonundaki aynalara çarpacak ve tekrar geri yansıyıp ortadaki yarı geçirgen aynaya ulaşacaklardır. Bu aynada tekrar bir araya gelen ışınlar, bir girişim örneği oluşturarak başlangıçtaki gibi tek bir ışın haline gelecektir.
Normalde eğer ışınların kat ettiği mesafe aynı olursa, yapıcı girişim ortaya çıkacak ve başlangıçtaki girişim deseniyle aynı bir girişim deseni gözlenecektir. Ancak ışınların kat ettiği mesafe farklı olursa, bu sefer tepe-tepe ya da çukur-çukur noktaları tam olarak birbiriyle “denk gelmeyecek” ve böylece farklı bir girişim deseni ortaya çıkacaktır.
Deneyin Sonucu
İşte Michelson ve Morley’in tespit etmek istediği desen tam olarak da buydu. Biri Dünya’nın hareket yönünde, diğeri de dik bir doğrultuda gönderilen iki ışının alması gereken mesafe farklı olacaktı ve sonuç olarak da başlangıçtaki ışığın girişim deseninden daha farklı bir desenle karşılaşacaklardı.
Çünkü Dünya ile aynı doğrultuda gönderilen ışın bir eter rüzgarı hissedecek ve hızı yavaşlayacaktı. İki bilim insanı da bu yavaşlığı interferometre aracıyla tespit etmek istiyordu.
Michelson ve Morley, interferometre aygıtının bir kolunu, Dünya’nın uzaydaki hareket yönü doğrultusunda, diğerini de bu hareket doğrultusuna dik olacak şekilde konumlandırdı. Deneyden bekledikleri, Dünya’nın hareket doğrultusu yönünde gönderilen ışının hızının, diğer kol boyunca gönderilen ışının hızından az olmasıydı.
Ancak deneyi defalarca tekrarlamalarına rağmen bir türlü bulmayı bekledikleri girişim desenini bulamamışlardı.
Bir diğer ifadeyle iki kol boyunca gönderilen ışınların hızları aynıydı. Sonuç olarak da dalgaların çukur-çukur ya da tepe-tepe girişim olgusuyla aynı bir girişim deseni ortaya çıkıyordu.
Michelson – Morley Deneyi Başarısız Ama Sonuçları Çok Önemli Bir Deney
Peki bu ne anlama geliyordu? Demek ki eter, ışık üzerinde herhangi bir etkiye sebep olmuyordu. Ya da eter diye bir madde hiç var olmamıştı.
Bundan sonraki yıllarda Michelson ve Morley de dahil çeşitli bilim insanları, eterin varlığını kanıtlayabilmek amacıyla çeşitli deneyler yapsa da herhangi bir netice alamamışlardı. Ne yaparlarsa yapsınlar, garip özelliklere sahip bu maddenin var olup olmadığı hala bir muamma olarak kalacaktı.
1905 yılına gelindiğinde Albert Einstein, ünlü Özel Görelilik Teorisi’ni yayınladığı zaman, ışık hızının kaynaktan ve gözlemciden bağımsız olduğunu ve bu nedenle saniyede yaklaşık 300.000 kilometre olan ışık hızının değişmez olduğunu söyleyecekti.
Böylelikle ışığın yayılabilmesi için herhangi bir ortama ihtiyaç duymadığı ortaya çıkmıştı. Işık, uzay boşluğunda saniyede 300.000 kilometre hızla yol alabiliyordu.
Görelilik Teorisi’nden önce eter ile ilgili temelde iki problemin var olduğundan bahsetmiştik: Birincisi, ışık dalgalarının yayılabilmesi için bir ortamın var olması gerektiği düşünülüyordu.
İkincisi, yapılan ölçümlerle ışığın hızının saniyede 300.000 kilometre olduğu belirlenebilmişti. Ancak bu ışık dalgalarının neye göre saniyede bu kadar hızla gittiği sorunu vardı.
Görelilik Teorisiyle birlikte bu iki sorun da aniden ortadan kalkmıştı artık. Eter teorisi, ışığın yayılabilmesi için bir ortamın olması gerektiğini söylerken Einstein’a göre ışık, yayılabilmesi için herhangi bir ortama gereksinim duymuyor, boşlukta yayılabiliyordu.
Işığın hangi referans sistemine göre hızının belirlendiği ikinci soruna geldiğimiz zaman ise Görelilik Teorisi, ışığın hızının kaynaktan ve gözlemciden bağımsız olduğunu ifade ediyordu.
Böylelikle Einstein, formüle ettiği Özel Görelilik ile birlikte ışığın doğasına yönelik yepyeni bir bakış açısı getirmiş, 20.yüzyılın başındaki fizik anlayışının temelden değişmesine sebep olmuştu.
Sonuç olarak Görelilik Teorisi’nin, eter teorisinin öneminin bir hayli yitirilmesine yol açmış olduğunu söyleyebiliriz.
