Özgür İrade 5: Dalgamıza Bakalım
Her zamanki gibi geçen bölümün bir hatırlatmasıyla başlayalım ama her zamanki gibi bunu yeni yeni şeyler ekleyerek yapalım, bugün de dalga konusuna eğileceğiz. Ve bu hatırlatma bittiğinde, öğrendiğinizi sandığınız iki konuda sizi ters köşe yapacağım, bakalım hangileri olacak?
Newton cisimlerin hareketini çözdükten sonra geriye 3 önemli şey kalmıştı: Elektrik, manyetizma ve ışık. Maxwell Denklemleri bunları zarif bir şekilde birleştirmişti. Gerçi elektrik ve manyetizma arasında gizli bir ilişki olduğu, bir yasak aşk yaşandığı, Faraday'ın deneyleri sayesinde biliniyordu ama özellikle ışığın da bu işin parçası olması, adeta bu yasak aşkın meyvesi olması, herkes için sürpriz olmuş, fizikçilerin o çağdaki örf ve adetlerine ters gelmişti. Orijinal çift yarık deneyinden beri, ışığın bir tür dalga olduğu iyice kabul edilmişti, artık bunun elektromanyetik dalga olduğu anlaşıldı. Doğru mudur bilmiyorum ama şunu hayal etmek bana zevk veriyor: Muhtemelen tarihte belli bir gün vardı ve Maxwell o günün sabahı uyandığında, ışığın, elektrik ve manyetik alanların etkileşimi olduğunu bilen tek kişiydi. Önemli bir konuda yeni bir şey bilen dünyadaki tek kişi olmak nasıl bir duygudur acaba?
Kısa bir süre sonra Hertz, Maxwell'in teorisini pratiğe döküp elektromanyetik dalgalar yaratınca -ki o yüzden dalga frekansının birimi hertz- herkes dedi ki, tamam, biz bu fizik işini bitirdik. Yalnız ufak bir sorun vardı. Ether denen şeyi halen görememiştik ve bu fikir bize her zamankinden daha çok gerekli olmuştu. Zira ta uzak yıldızlardan gelen bu dalganın dalgalanacağı bir ortam lazımdı değil mi?
Mekanik Dalgalar
O zamanki dalga anlayışı mekanik dalgalardan ibaretti, ki bu her gün tecrübe ettiğimiz dalga anlayışı. Yani atomlardan oluşan bir ortam var, dalga da atomların bir uçta bir uca hareket ederek enerji taşımasıdır. Ne? Tabii ki hayır, uyanık mısınız diye kontrol ediyordum. Dalga, bu atomların, net olarak yer değişimi yapmadan, birbirine enerji iletimidir.
Önce katılardaki ses iletimini düşünürsek, atomların yer değiştirmediğini anlamak daha kolay olacak. Bir boruya kulağınızı dayayınca 10 kat yukarda oturanın tık tık vurmasını duyabiliyorsunuz, borunun yapısı değişmemesine rağmen. Boru atomları, komşularını ittire ittire, meksika dalgası gibi, enerjiyi iletiyorlar.
Hava da benzer bir ortam, tek fark, atomlar biraz daha oynaklar. O yüzden de tek tük atomlar yer değiştiriyor ama "net değişim" yok. Odanın bir ucundan size "HOP" deyince ne oluyor? Ağzımın yakınındaki atomları ittiriyorum, onlar gidip komşularına çarpıyorlar, komşuları da kendi komşularına... Bu zincirin en sonunda, kulağınızın yanında sakin sakin takılan atomlar, bir anda yandan gelip kendilerine vuran serseriler yüzünden hızlanıp kulağınıza çullanıyorlar, bu anlık basınç elektrik sinyaline dönüşüyor, o sinyal de "ses" olarak algılanıyor beyin tarafından, sonra atomlar kulağınızdan sekip havaya dönüyorlar. Bayağı ilkel bir enerji iletimi, çok fazla dönüşüm ve kayıp var ama çalışıyor.
Şimdi "HOP" diye bağırmak kısa süreli bir değişim, bir şok dalgası gibi bir kere oluşuyor, yayılıyor ve bitiyor. Ya eğer "hooooop" diye uzun tutarsam sesi? O zaman yakınımdaki atomlara tek bir darbe yapmıyorum, sürekli darbelerle onları titreştiriyorum. Bir komşularına çarpıyorlar sonra geri dönüşte tekrar benim tarafımdan ittirilip komşularına geri çarpıyorlar. Bu sefer bu titreşim iletiliyor.
Meksika Dalgasını gözünüzde canlandırmanız daha kolay. Normal hali, stadyum boyunca dolanan tek bir şok dalgasıdır. Ama diyelim ki ilk başlatanlar yerlerinde oturduktan sadece 10 saniye sonra tekrar ayağa kalktılar. İkinci bir Meksika dalgası başladı. 10 saniye sonra bir daha. Stadyumdaki insanlar, tıpkı havadaki atomlar gibi titreşiyorlar ve bu titreşimin frekansı 1/10 hertz (saniyede 10'da bir). Her saniye oturup kalksalardı 1 hertz olacaktı.
Kulağımıza gelen sesleri de bu titreşim frekanslarına göre ayırt ediyoruz. Mesela La notasının standardı 440 hertz. Yani saniyede 440 kere kulağımızın yanındaki atomlar içeriye çullanarak basınç farkı yaratıyorlar. Do notasıysa 261 kere değişen basınç. Tabii burada dikkatli olmak lazım, herkes La'yi Do'yu aynı duymuyor frekans aynı olsa dahi. Havanın titreşmesi objektif olarak ölçülebilirken, bunun beynimizde yarattığı algı subjektif. İngilizcede frekansın yarattığı algıyı anlatan "pitch" kelimesi var, biraz talihsiz bir kelime oldu podcast için gerçi...Türkçe karşılığı ses perdesi ama Türkçede müzisyenler bunu algı manasında kullanıyorlar mı bilmiyorum.
Peki La ile Do arasındaki fark buysa, bağırmakla fısıldamak arasındaki fark ne? O da kulakta yaratılan basınç farkının büyüklüğü ile alakalı. Atomların hareket etme sıklığı başka şey, her hareket ettiklerinde kulağınıza ne hızla çullandıkları başka. Meksika dalgasında ayağa biraz kalkar gibi yapmakla, dimdik durmak, hatta sıçramak arasındaki fark gibi.
Şimdi bu saf notaları günlük hayatta nerede duyuyorsunuz?
Bu la notasıydı mesela. Bilgisayar dışında bir yerde duydunuz mu? Piyanoda çalınca böyle mi çıkıyor?
Hayır, çünkü piyanoda bir tuşa bastığınızda, birden fazla frekansta titreşim oluşuyor ve genelde bu frekanslar birbiriyle iyi uyuştukları için kulağa hoş geliyorlar. O yüzden zaten piyanodaki la ile kemandaki, gitardaki de birbirini tutmuyor. Hatta iki piyanonunki de tam olarak birbirini tutmuyor. Her enstrümandan çıkan seslerin bir ton rengi var, dolayısıyla çevrelerindeki havayı, aynı anda birkaç farklı frekansta titreştiriyorlar. Üst üste binen dalgaların oluşturduğu nihai dalga, havanın titreşimi oluyor.
Hele bir de benim konuşmamı düşünün. Her ağzımı açtığımda aynı anda bir sürü farklı frekansta ses çıkıyor, çoğu birbiriyle uyumlu da değil ve her birinin süresi ve şiddeti farklı. Dolayısıyla havadaki atomların titreşmeleri de karman çorman oluyor. Öyle temiz bir dalga şeklinde gözünüzde canlandıramıyorsunuz. Ama bir şekilde bunları ayırt edebiliyorsunuz.
İnanılmaz ama bu ayrımı yapabilmenizin, Heisenberg Belirsizlik İlkesiyle yakından alakası var. Daha da temelde, Fourier Dönüşümü ile alakası var. Ya öyle Meksika dalgası filan derken, bir anda mühendislerin korkulu rüyası Fourier ile vururum böyle.
Fourier Dönüşümü ve Kulağınızdaki Matematikçi
Aslında korkulacak bir şey yok, şunu diyor: Ne kadar karışık olursa olsun her sinyal, farklı şiddet ve frekanstaki birtakım temel sinüsoidal sinyallerin birleşiminden oluşur. Tıpkı bir ışığın, prizmadan geçince farklı bileşenlerine ayrılması gibi.
Dolayısıyla bir sinyalin toplam şiddetinin zamana göre azalıp artmasını çizebileceğim gibi, farklı bir versiyonunu da çizebilirim. Bu versiyonda zaman ekseni yerine frekans ekseni olur. La notası mesela, 440 hz'de çizeceğim bir çubuktan ibaret (çubuğun yüksekliği sesin şiddetini gösteriyor). Farklı farklı frekanslarda çubuklar ekledikçe, bu sinyallerin birbirlerinin üstüne binmesi veya sönümlenmesi sonucu, zamana göre değişen çok karışık sinyalleri temsil edebilirim, bu cümledeki sesler gibi. Yani aynı bilgiye, bir zaman perspektifinden bakıyorum, bir de frekans. Bazı işlemleri yapabilmek için frekans perspektifi daha uygun, bazıları içinse zaman. Bu ikisi arasında rahatlıkla geçiş yapabilmemi de Fourier dönüşümü sağlıyor.
İşte kulağımızı da bu dönüşümü yapan bir sistem olarak düşünebiliriz. Kendisine ulaşan ne? Zamana göre değişen basınç farklarından oluşan bir sinyal. İç kulak, farklı frekanstaki titreşimlere daha duyarlı olan farklı hücreler barındırıyor. Dolayısıyla atomların o karman çorman çarpışmalarını yeterince uzun bir süre dinlersek, titreşimlerin içindeki temel frekans bileşenlerini ayırt edebiliyoruz, zira onlara denk gelen hücreler daha yüksek elektik sinyalleri yolluyorlar beyne.
"Yeterince uzun dinleme" kısmı Belirsizlik İlkesini anlamak için önemli olacak, bir not düşün. Eğer zaman ekseninde kısacık süren bir "HOP" sesi duyarsanız, bunun ses perdesini anlayamazsınız, yani frekans açısından belirsizlik yüksek olur, sanki her frekansta bir bileşen varmış gibi olur. Ama süreyi arttırırsak ve HOOOOOOOP diye beni uzun uzun dinlerseniz, ses perdesini, yani dolaylı olarak frekansları çok daha rahat ayırtedebilirsiniz.
Gitarın akort ayarını yaparken de aynısı olmuyor mu? Bir notayı çalar çalmaz tele bastırarak sesi keserseniz, bu ayarı yapamazsınız. Dijital akort cihazları da doğru şeyi ölçemez. Ama telin titreşmesine yeterince zaman verince, profesyoneller veya dijital cihazlar doğru frekansı gösteriyorlar.
Kısacası zaman eksenine yayılan bir sinyalin frekans eksenindeki belirsizliği azalıyor ve tam tersi, zaman ekseninde belirsizliği azalan sinyal frekans ekseninde iyice yayılıyor. Fourier Dönüşümü de bu ilişkinin matematiksel betimi. Alın size belirsizlik ilkesi. Sadece müzikte ve seste değil, dalga özelliği gösteren her şey için geçerli. Sonradan göreceğiz, Heisenberg ufak değişikliklerle bunu maddeye uyarlayacak.
Bu arada, kulağımızın gerçek hayatta yaptığı iş daha da karışık, çünkü size gönderdiğim bir titreşimi tek bir sefer duymuyorsunuz, enerjinin bir kısmı etraftaki objelerden sekip, biraz gecikmeyle kulağınızda ikincil, üçüncül bir basınç oluşturuyor. Bunun yeni bir ses mi, yoksa önceki sesin yankısı mı olduğunu da ayırt etmeniz lazım. Dahası, hava da sabit değil. Mesela rüzgar varsa, yani içinde bulunduğunuz ortamdaki tüm hava atomları belli bir yöne savruluyorlarsa, kulağınızda her saniye yüzlerce kez oluşan basınç farkları da biraz değişiyor, ona göre de kendini ayarlıyor beyin. Stadyumdaki taraftarların aynı anda hep beraber bir yöne koştuklarını, koşarken ister istemez biraz alçalıp yükseldiklerini ve işte bu hareket içindeyken de Meksika Dalgası yapabildiklerini hayal edin.
Demin ilkel mi demiştim kulağımız için? Geri alıyorum. Biz daha iyisini yaptık bile çoktan ama "kör bir saatçi" için hiç de fena bir tasarım değil.
“Newton, Sal Bizi Artık Kardeşim”
Mekanik dalgaları yeterince anladıysak ether fikrinin de yarısını anlamışız demektir. Havayı ether ile, ses dalgasını da elektromanyetik dalgalar ile değiştirin, zamane fizikçilerinin olaya bakışına ulaşmış olacaksınız.
Ether fikrinin ikinci yarısı da, referans çerçevesi muhabbetiyle ilgiliydi, zaten o yüzden biraz önce rüzgardan bahsettim. Rüzgar dediğimiz şey, havanın, yeryüzüne göre hareketi. Zamane fizikçilerinin yaptığı şuna benziyor: Denklemlerimizde ses hızı sabit çıkıyor olsun. Bu hız kime göre, neye göre ölçülmüş? Havanın perspektifinden ölçülmüş olmalı. Her şeyin hareketini ölçmekte kullanılabilecek mutlak bir referans çerçevesi olmalı hava. Öyleyse, rüzgar dediğimiz şey yine olur ama bu havanın hareketinden ziyade, yeryüzünün havaya göre hareketi olarak görülmeli. Mars, Venüs, vs hepsinin hareketini de bu havayı merkez alarak hesaplayabiliriz. Hah, şimdi hava yerine çok daha sihirli özellikleri olan etheri koyun, ses yerine de çok daha hızlı giden ışığı koyun, durum buydu.
Ama Michelson Morley deneyleri, ether rüzgarını gözleyemeyince, durumu kurtarmak için hareket eden şeylerin kısaldığı ve hepsinin kendine göre biraz ayrı bir zaman anlayışı olduğu varsayıldı Lorenz ve dadaşları tarafından. Ve Einstein da dedi ki "Ether yok kardeşim işte ısrar etmeyin, bir esas referans çerçevesi aramaya da gerek yok. Denklemlerde ışık hızı hep sabit çıkıyorsa, demek ki ışık herkes için hep aynı hızda. Işığa doğru koşsan da, ondan kaçsan da, yandan yandan baksan da hep aynı ölçeceğiz. Evet inanılmaz geliyor ama ether için öngördüğünüz özelliklerden daha inanılmaz değil. Işığın hızı hep sabitse hareketimizle değişen ne? Uzay ve zaman. Herkesin hareketi etrafındaki uzay-zamanı ayrı değiştiriyor. Esas bir referans çerçevesi de yoksa, esas uzay ve esas zaman diye bir şey de yok, herkesin kendine göre bir uzay zamanı var. Newton sal bizi artık kardeşim, yeni bir fizik anlayışının eşiğine geldik."
Özel İzafiyet Niye “Özel”?
Özel izafiyet teorisinin sonucu olarak ne gördük peki? Bu arada o zamanlar kimse buna "özel" izafiyet demiyordu. Hatırlayın, bu teorideki her düşünce deneyinde, gözlemciler farklı hızdalar birbirlerine göre ama hızları sabit. Yani ivme yok. Birkaç yıl sonra Einstein bu işleri ivmelenmeyi de hesaba katacak şekilde yapınca, yerçekimi denen şeyi de anladı. Çünkü yerçekimi bir güç ve etkisinde kalınca ivmeleniyorsun. Nihayetnde yerçekimiyle bükülmüş olan uzay-zamandaki hareket, genel teorinin konusu oldu, ilk teori de yerçekimi etkisinin önemsenmediği özel durumlar için oldu.
Özel izafiyet gösterdi ki, ışık hızı dediğimiz şey de aslında ışık hakkında değil, nedenselliği koruyan bir evrensel bir hız limiti. Bu önemli, çünkü bir gözlemci için A B'den önce olmuş, başka gözlemci için B A'dan önce olmuş gözüküyorsa, gözlemcilerin de biri diğerinden daha haklı olmadığı için, A ile B arasında nedensellik ilişkisi kurulamaz. Bazı olaylar, ışık hızına yaklaştıkça hakikaten böyleler. Ama ışık hızını aşarsak, her olay A ve B gibi oynak olur, nedensellik toptan göçer.
Bunun, determinizme nasıl darbe vuracağını şıp diye görüyorsunuzdur ama işin komiği, özgür iradeyi de bozuyor. İrade, bir eylemin sebebi olduğunuz fikri üstüne kurulu. En azından sebeplerinden biri siz olmalısınız. E sebep-sonuç belirsizleştiğinde ne oluyor? Bir gözlemciye göre o elmayı bırakmak istediniz ve sonra bıraktınız, diğer gözlemciye göre ise elma yerden elinize sıçradı ve SONRA onu bırakmak istediniz. İsteğiniz olaydan sonra geliyorsa ne iradesinden bahsediyoruz? Işık hızı limiti bizi bu çöküşten koruyor.
Ether Revisited
Evet, Maxwell ile Einstein arasındaki ilk bağlantı buydu, yeni bilgilerle pekiştirdiğimiz hatırlatma kısmı da sonra erdi. Peki şimdi bilin bakalım, bugün bahsettiğim hangi iki şey hakkında sizi ters köşe yapacağım?
İlk cevap ether. Görüp dokunamadığımız için Occam'ın Usturası ile kesip attığımız o ether kavramı, aslında bir anlamda var, ve ona "alan" diyoruz. Aramızdaki fizikçiler sakin olsunlar, kriz geçirmesinler, bunu yarı şaka olarak söylüyorum, arada dev farklar var. En temeli de şu: Ether, uzayı doldurmuş bir madde olarak düşünülüyordu, o yüzden mekanik dalgalar üstüne o kadar konuştum. Oysa "alan" kavramını, daha ziyade, uzayın bir özelliği gibi düşünmek daha pratik olur. O alan içinde belli şeylere kuvvetler uygulanıyor.
Fakat en azından şu açıdan benzerler. Alan kavramı da her yerde ve ortalama insan açısından epey soyut. En son ne zaman düşündünüz, elektrik alanı nedir diye? Şu podcasti dinlemekten tutun, etrafınızı görmeye kadar her işiniz ona bağlı. Gezegendeki tüm yaşam ona bağlı. Geçen bölümde bu konuyu biraz hızlı geçtiğimi fark ettim, o yüzden bölümün kalanını bu klasik alan kavramına ayırayım.
Bu arada klasikti, kuantumdu, izafiyet yahut relativiteydi, bu kategorilerin arasında kafanız karışırsa, wikipedia basit bir grafik gördüm, yardımcı olabilir. Bir sayfayı 4 kısma ayırıyorsunuz:
Sol üst köşe klasik mekanik, yani büyük ve yavaş cisimlerin hareketi. "Mekanik" lafı, hareketlerin incelenmesini belirtiyor.
Sağ üst köşe relativistik mekanik, büyük ve hızlı cisimlerin hareketi. Hızlı derken, ışık hızına yakın hızlar için bu. Şu ana kadar bu ikisi hakkında konuştuk hep. Bazen bunların toplamına klasik fizik deniyor.
Alt taraf ise fantezi dünyası. Sol altta küçük ve yavaş cisimlerin hareketi inceleniyor, kuantum mekaniğinin alanı bu.
Sağ alt köşe ise küçük ve hızlı şeyleri de hesaba katıyor, yani hem kuantum hem rölativite var, kuantum alan teorisi burası. Here be dragons diyerek uyarayım.
Biz okullarda elektromanyetik alanı, Maxwell'in de anlayacağı şekilde öğreniyoruz, çünkü mesafeler ve alandaki kuvvetler yeterince büyük olunca, kuantum etkileri kayboluyor. İşin, belki Maxwell'in çağdaşlarının anlamayacağı kısmı, dalganın ether olmadan bu bomboş alanda nasıl ilerlediği. Mekanik olmayan bir dalga nasıl çalışıyor?
Alan Nedir?
Şimdi bu podcasti nerede dinliyorsunuz? Odanızdasınız diyelim. Odanın bir noktasına bir cisim koyarsanız, mesela bir maymun, bu yere düşecek. Sanki odanın her noktasında, oraya koyacağınız maymuna uygulanacak yerçekimi kuvveti ve bu kuvvetin yönü yazılı. Bu tip alanlara vektör alanı denir, vektörleri yön ve büyüklük belirten oklar olarak hayal edin. Yerçekimi alanımız biraz sıkıcı, zira tüm oklar aynı uzunlukta ve aşağı doğru işaret ediyor, çünkü alan Dünya'nın dev kütlesinden etkileniyor. Aslında tam olarak o kadar sıkıcı değil, irili ufaklı her cisim tarafından da etkileniyor bu alan. Hatta odanıza koyduğunuz o maymun da kendi etrafındaki vektörleri etkiliyor. Dolayısıyla aslen cismin yere düşüşü düzenli olmuyor, her noktada farklı kuvvetlere tabi olarak gerçekleşiyor.
Yerçekimi alanı odadaki tek alan değil, elektrik ve manyetik alanlar da var ve bunlar daha eğlenceliler çünkü daha dinamikler. Mesela maymun biraz elektrik yüklüyse -ki bu ne demek, elektron fazlası veya eksiği var demek- siz bu zavallı maymunun elektronlarını çalmışsanız mesela pozitif yüklenmiş oluyor ve etrafındaki elektrik alanını değiştiriyor. Oradaki oklar, maymundan dışarıya doğru işaret edecek şekilde resmediliyor genelde. Niye dışarı doğru? "Biz bu alana pozitif yüklü ufacık bir parçacık koyarsak, nasıl hareket eder" sorusunun cevabı o çizgiler. Pozifit yük de, pozitif yüklü maymundan kaçacak. Standart o olmuş, tam tersi de olabilirdi tabii. "Buraya küçük mutlu bir elektron koyarsak nereye gider" diye sorsaydık, maymuna doğru gideceğinden, oklarımızı da maymuna doğru çizerdik. Aslında bu daha mantıklı da olurdu, çünkü aslen hareket eden şeyler negatif yüklü elektronlar. Ama Benjamin Franklin yüzünden "akımın yönü pozitif yükün hareket yönüdür" diye kalmış işte, öyle gidiyor. Neyse, mühim olan, yerçekiminin aksine, elektrik alanındaki vektörlerin yönünün, yüke göre değiştiğini hatırlamak.
Bir parantez: Muhtemelen ikisi arasında duymuş olduğunuz bir fark da, elektromanyetik kuvvetin, yerçekime göre 10 üzeri 36 kat daha güçlü olduğu. Milyar milyar milyar milyar kat yani. Fakat bu yanıltıcı bir kıyas. Atomaltı parçacıklar seviyesinde geçerli, çünkü yerçekimi kuvveti kütleye oranlı. Öte yandan daha büyük seviyelerde yerçekimi lehine 137 katlık bir avantaj olduğunu okudum. Yani böyle evrenin her noktasında geçerli tek bir kuvvet oranı yok, ölçeğe bağlı değişiyor, dikkat edin. Myths of Physics: 2. Gravity Is Much Weaker Than Electromagnetism
Yakın Alan
Şimdi gelelim işin eğlenceli kısmına. Bu yüklü maymunla odanın bir ucundan diğerine yürürseniz sabit hızda, geçtiğiniz yolun yakınındaki elektrik alanı değişecek. Auranız gibi düşünün bunu. Ve o hareket, bir de manyetik kuvvet oluşturacak odada. Yani elektrik kuvvetini belirten vektörlere ek olarak, onlara ve hareket yönünüze dik yönde başka bir grup vektör ortaya çıktı, şimdi onlar da çekiştiriyorlar odadaki yüklü parçacıkları.
Gerçek hayatta oklar moklar yok tabii, sadece maymundaki yüklü parça ile yakınlarındaki diğer yüklü parçalar arasında uygulanabilecek kuvvetlerin bir modeli bu. Ve gerçek hayatta bu işi maymun gezdirerek yapmıyoruz, elektronları bir noktadan diğerine ittirerek yapıyoruz. Elektrik akımı dediğimiz şey, pozitif yüklü bir nokta ile negatif yüklü bir nokta arasında oluşan o elektrik alanında, elektronlara uygulanan kuvvetle onların hareket etmeleri, hareket ettikçe de o alanı değiştirmeleri.
Böyle duran veya sabit hızda hareket halinde olan yüklerin etrafındaki kuvvetlerin toplamına yakın alan deniyor. Örneğin, bir demir çubuğun etrafına doladığınız telde hareket eden elektronlar, o hareket yönüne dik bir manyetik kuvvet yarattıkları için, çubuk mıknatıslanıyor. Ama bu mıknatıslanma etkisi dalga dalga etrafa yayılmıyor, yakın çevrede kalıyor.
Veya Maxwell'in denklemleri simetrik olduğu için tersini de düşünebiliriz: Bir mıknatısın etrafında manyetik kuvvetler var. Mıknatıs hareket ederse, hem bu alan değişiyor, hem de etrafında bir elektrik alanı oluşuyor, yeni vektörler ekleniyor. Bu yeni alanda bir iletken varsa, oradaki elektronlar oynamaya başlıyorlar, akım yaratılıyor. Ama bu da lokal bir etki. Uzaktaki bir enerji santralinde mıknatıs döndürdüler diye, benim evimdeki tellerde akım yaratılmıyor, bedava elektrik kullanamıyorum. Oysa ışık, çok uzaklardan geliyor bize. Uzakları da etkileyecek bir dalga olması için ne lazım?
Dalganın Oluşumu
Cevap, ivmelenme. Veya ivmelenmedeki değişim. Genelde bunun etkisi şöyle anlatılıyor: Elektronun hareketi de değişiyorsa, etrafındaki manyetik alan da değişiyordur, değişen manyetik alan da bir elektrik alanı yaratır. Yani elektrik alanını sadece yükler yaratmıyor, değişen manyetik alan da yaratıyor ve tam tersi, o değişen elektrik alanı da bir manyetik alan yaratır. İşte bu simetri yüzünden bunlar birbirini besleye besleye ilerlerler.
Bunu okuyunca ben bir şey anlamıyorum. Maxwell'in Denklemlerini dogma olarak kullanıp "işte böyle dalga yaptık" diye kestirip attığımızı görüyorum.
Asıl kritik nokta, ivmelenme yüzünden bir anda değişiveren alan bilgisinin etrafa yayılması için bir süre geçmesinde yatıyor. Bunu görsel bir şekilde anlatan bir animasyonu linkliyorum bence çok daha rahat anlarsınız, anlatınca olmuyor orada olmanız lazımdı diyesim geldi. Şöyle tarif etmeyi deneyeyim: Eskiden sabitken, kısa bir ivmelenme sonucu belli bir hıza ulaşan, sonra ivmelenmesi duran ve o hızda devam eden bir yüklü parçacık var olsun. Bunun hemen dibindeki alan anında değişiyor ama uzaklardaki EM alanı, özellikle de hareket yönünün ters tarafında kalan EM alanı, halen o parçacığı, eski pozisyonunda ve statik sanıyor. Unutmayın, evrendeki bilgi transferi hızı ışık hızını aşamaz. Oradaki değerlerin güncellenmesi biraz vakit alacak dolayısıyla. Bu güncelleme de dalganın ta kendisi işte. Yani dalga, yüklü bir parçacığın hızını ve yönünü değiştirdiği bilgisinin bize biraz geç gelmesi.
Bu bir şok dalgası idi. Bunu periyodik bir dalgaya dönüştürelim: Bir tele, belli frekansta bir alternatif akım uygularsam, teldeki elektronlar bir uçtan diğerine akarken önce hızlanacak, sonra kutup değiştiği için yavaşlayıp, ters yöne doğru hızlanmaya başlayacaklar. Her değişim, alanlardaki bir güncelleme dalgası yaratacak. Bu dalganın ilerlemesi için, onu yaratan yüke yakın durmasına gerek yok. Yükün sürekli hareket etmesine de gerek yok, bir noktada durabilir, ama dalga devam edecek. Bu dalganın şiddeti, mesafenin karesiyle azalıyor. Diyelim gitti gitti, uzaklarda bir yerlerde, değiştirdiği elektrik alanı sayesinde orada bulunan yüklü parçacıkları hareket ettirdi. Yani evrenin bir ucunda bir parçacık ivmelendi, şimdi diğer ucunda bir yerde bir akım yaratılıyor. Bunu belli bir protokole göre yaparsak haberleşme oluyor.
"Göz" Anteni
Eğer dalganın frekansı epey yüksekse, göz denen başka türlü bir anten işlev kazanıyor. Gözümüz, elektromanyetik alandaki sık kuvvet değişimlerini algılayan bir anten gibi. Ve tıpkı ses örneğinde olduğu gibi, bir sürü farklı frekanstaki dalga aynı anda gözümüze ulaşıyor ama biz bunları renklere ayırabiliyoruz.
Tamam, şimdi alan ve dalga konusu biraz daha oturmuşsa, ikinci ters köşemizin tam zamanı: Işık ve elektromanyetik dalgalar aslında dalga da değiller. Yani öyleler de tam değiller. Bu da Einstein ve Maxwell arasındaki ikinci bağlantımız.
Fotoelekrik Etkisi
Maxwell Denklemleri birçok şeyi açıklıyordu ama fotoelektrik etkisini değil. Bir maddeye ışık tutunca, o maddenin elektron yaymasıydı bu etki. Işık bir dalgaysa, ışığın şiddeti ve süresi arttıkça daha fazla elektron emisyonu olmalıydı, çünkü daha çok enerji o maddeye transfer edilecek ve elektronların bağı eninde sonunda kopacaktı bu enerji sayesinde. Ama deneyler gösteriyordu ki, emisyonu arttıran tek şey frekanstı. Hatta ışık belli bir frekansın altındaysa, onu ne kadar uzun süre tutarsak tutalım, hiç elektron emisyonu olmuyordu.
Bu saçma bir durumdu. Mekanik dalgalardan örnek verirsek, iki tepe noktası arasındaki mesafe uzak olan ama çok yükseklere ulaşan veya çok uzun süre devam eden su dalgaları düşünün. Böyle bir deniz de sonuçta enerji iletiyor kıyıya. Ve bu enerji de birike birike eninde sonunda kıyıyı erozyona uğratmalı, oradan parça koparmalı. Ama olmuyordu.
Einstein yeni bir deney yapmadı, her zaman yaptığı gibi, başkalarının saçmalık olarak düşündüğü fikirleri ciddiye aldı, "ya doğruysa" dedi. Bu seferki fikir, birkaç sene önce Planck'ın öne sürdüğü bir hesap yöntemiydi. Konu blackbody radiation idi. Black body, kendisine gelen her elektromanyetik dalgayı emen, kendisi de ışıma yapan, idealize edilmiş bir cisimdi. Bu ideale yakın olan cisimlerin ışımalarına bakıldığında gariplikler görülüyordu. Planck da "ışımanın süreklilik arzetmeyen ve minimum bir değeri olan paketler halinde olduğunu farzedersek olayı çözeriz" demişti. Paketlerin adı quanta.
Einstein'ın yaptığı "ya bu gerçekten doğruysa" demekti. Sadece blackbody cisimleri değil, tüm elektromanyetik dalgalar, parça parça yayılıyor olmalıydılar. Bu ufacık parçalara foton diyelim ve bunları gerçek kabul edelim. Foton enerjisi ışığın frekansına bağlı. Ancak yeterince yüksek enerjili bir foton, atomlara çarptığında o atomun etrafında dolanan elektronu söküp atmayı başarıyor ve fotoelektrik etkisi yaratıyordu. Işığın şiddetini veya süresini arttırmaksa daha fazla foton yollamaktan ibaretti. Bu fotonların yeterli enerjileri yoksa, ne kadar çok olduklarının önemli olmuyor, Çin Seddine koşturup koşturup kafa atan askerler kadar etkisiz oluyorlar. Ama yüksek enerjili fotonlar, az sayıda bile olsalar, Çin Seddine atılmış gülleler gibi, düştükleri yerdeki tuğlayı yerinden ediyorlardı.
Tabii ki 100 senelik alışkanlıkların bitmesi kolay olmadı, hele ki bize bu kadar ters gelen yeni bir bakış açısı ile değiştirilince. Ne demek ışık dalga ama parçacık gibi de. Ama 1914'te Millikan'ın deneyleri bu teoriyi doğruladı ve birkaç sene sonra bir Nobel Ödülü kazandırdı bizim bıyıklıya.
İki Işık Saldırısı
Kısacası Einstein, 1905 senesinde, klasik fiziğe iki cepheden saldırmış oldu. Işık, iki saldırıda da kullandığı silahtı. İlk saldırı, çok hızlı hareket eden şeylerin yeni bir fiziğe ihtiyacı olmasıydı. Bunun konumuza etkisi, zamanı ve nedenselliği değiştirmesiydi. İkincisi de çok ufak şeylerin davranışındaki gariplikti, hem dalga hem parçacık gibi davranıyorlardı. Bunun konumuzla ilgisini de belirsizlik ve rastgelelik kavramları yoluyla göreceğiz. O zamana kadar esen kalınız efenim, beynimizin yanması onu çalıştırdığımızı gösterir, dert etmeyelim.
