Işık Hızını Neden Aşamayız?
Saniyede 299.792 kilometre. Bu sayı neden evrenin değişmez hız sınırı ve ona yaklaştıkça neler olur?
Işık boşlukta saniyede tam olarak 299.792.458 metre yol alır. Bu hızla Dünya’nın çevresini bir saniyede yaklaşık 7,5 kez dolaşabilirsin. Ama asıl şaşırtıcı olan hızın büyüklüğü değil, hiçbir kütleli cismin bu hıza ulaşamaması.
Bu bir yasak değil, bir geometri
Işık hızı, bir trafik levhasındaki sınır gibi “aşmayın” diye konmuş bir kural değil. Einstein’ın 1905’teki özel görelilik kuramına göre uzay ve zaman birbirinden bağımsız değildir. İkisi birlikte uzay-zaman denen tek bir yapı oluşturur. Işık hızı da bu yapının dokusuna işlenmiş temel bir sabittir.
Kuramın iki basit varsayımı var:
- Fizik yasaları, sabit hızla hareket eden tüm gözlemciler için aynıdır.
- Işığın boşluktaki hızı, kaynağın ya da gözlemcinin hızından bağımsız olarak herkes için aynıdır.
Bu iki cümleden inanılmaz sonuçlar çıkar.
Hızlandıkça neler olur?
Bir uzay gemisinin ışık hızına yaklaştığını düşün:
- Zaman yavaşlar: Gemideki saatler, Dünya’dakilere göre daha yavaş ilerler (zaman genişlemesi).
- Boy kısalır: Gemi, hareket yönünde kısalmış gibi ölçülür (uzunluk büzülmesi).
- Hızlanmak zorlaşır: Gemiye verdiğin her ek enerji, hızını giderek daha az artırır.
Son madde kilit noktadır. Cismin enerjisi, Lorentz faktörü denen bir çarpanla büyür. Hız ışık hızına yaklaştıkça bu çarpan sonsuza gider. Yani kütleli bir cismi ışık hızına çıkarmak için sonsuz enerji gerekir. Evrende de sonsuz enerji yok.
Peki ışık nasıl o hızla gidiyor?
Çünkü fotonların (ışık parçacıklarının) durgun kütlesi sıfırdır. Kütlesiz parçacıklar ışık hızından daha yavaş gidemez; onlar her zaman tam olarak bu hızda hareket eder.
Bunun kanıtı var mı?
Kesinlikle. İşte iki örnek:
Müonlar: Kozmik ışınlar atmosferin üst katmanlarına çarptığında müon denen parçacıklar oluşur. Müonların ömrü yaklaşık 2,2 mikrosaniyedir. Bu sürede, ışık hızına yakın gitseler bile ancak yaklaşık 660 metre yol alabilmeleri gerekir. Oysa yaklaşık 15 kilometre yükseklikten yere kadar ulaşırlar. Neden? Çünkü bizim gözümüzde onların zamanı yavaşlamıştır.
GPS: Uydulardaki atom saatleri, hem hızları (özel görelilik) hem de Dünya’nın kütleçekiminden uzakta olmaları (genel görelilik) nedeniyle yerdeki saatlerden farklı işler. Bu düzeltmeler yapılmasaydı GPS günde yaklaşık 10 kilometre hata biriktirirdi.
Işıktan hızlı bir şey var mı?
Bazı şeyler ışıktan hızlıymış gibi görünebilir. Örneğin uzak galaksiler, evrenin genişlemesi nedeniyle bizden ışık hızından daha hızlı uzaklaşır. Ama bu durumda galaksiler uzayda hareket etmiyor; aradaki uzayın kendisi genişliyor. Bu da göreliliği ihlal etmez.
Kuantum dolanıklık da ışıktan hızlı bilgi iletimine izin vermez. Ama o, başka bir yazının konusu.
Kaynaklar: Einstein, A. (1905) “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Rossi & Hall (1941) müon deneyi, Ashby, N. (2003) “Relativity in the Global Positioning System”, Living Reviews in Relativity.