Star Wars evreninde İmparatorluk ortaya çıkmadan, Star Trek evreninde Birleşik Gezegenler Federasyonu kurulmadan çok önce Isaac Asimov, ünlü Vakıf serisini yazmıştı. Asimov’un hayal ettiği imparatorluk, galaksinin dört bir yanına dağılmış 25 milyon gezegenden oluşuyordu ve bu gezegenler arasında gelişmiş uzay gemileri gidip geliyordu.
Ancak burada önemli bir sorun vardı. Yıldızlar arasındaki mesafeler o kadar büyüktür ki uzay gemileri ışık hızında hareket etse bile bir gezegenden diğerine ulaşmak yıllar sürer. Asimov bu sorunu hiperuzay sayesinde aşmıştı. Bu sayede galaksinin çok uzak noktaları arasındaki yolculukların neredeyse anında gerçekleşmesi mümkün oluyordu.
Doğa yasaları hikâyenin önüne aşılması zor bir engel koyduğunda, yazarlar bu engeli aşacak yeni bir kurgu fikri yaratırlar. Işık hızı da böyle bir engeldir. Bugünkü fizik anlayışımıza göre kütlesi olan hiçbir cisim boşlukta ışık hızına ulaşamaz ve onu aşamaz.
Peki ışık hızını neden gerçekten aşamıyoruz? Sonuçta geçmişte “ses duvarı”ndan da aşılamaz bir sınırmış gibi söz ediliyordu, ancak sonunda bu sınır aşıldı. Işık hızını bu kadar özel yapan nedir?
Işık, Evrenin Hız Sınırını Belirler
19. yüzyılda elektromanyetizma kuramı geliştikçe fizikçiler ilginç bir sorunla karşılaştılar. Denklemler, ışığın boşlukta saniyede yaklaşık 300.000 kilometrelik belirli bir hızla yayıldığını gösteriyordu. Ancak bu sonuç, hızların günlük yaşamda alışık olduğumuz biçimde toplanıp çıkarıldığı klasik hareket anlayışıyla kolayca bağdaşmıyordu.
Örneğin bir ışık demetinin peşinden çok yüksek bir hızla gittiğinizi düşünün. Günlük sezgimize göre ışığın sizden uzaklaşma hızının azalması gerekir. Oysa siz ışık hızının yüzde 99’una yakın bir hızla hareket etseniz, arkadaşınız da hareketsiz dursa bile, ikiniz de ışığın hızını aynı değerde ölçersiniz.
Fizikçiler bu garip sonucu açıklamak için ışığın “eter” adı verilen görünmez bir ortamda yayıldığını düşünüyordu. Eğer Dünya bu ortamın içinde hareket ediyorsa, ışığın ölçülen hızının hareket yönüne bağlı olarak küçük farklılıklar göstermesi bekleniyordu.
Albert A. Michelson ve Edward Morley tam da bu farkı ölçmeye çalıştı. Ancak ünlü deneylerinde beklenen değişimi bulamadılar. Işığın hareket yönüne bağlı olarak göstermesi gereken hız farkı ortaya çıkmadı.
Michelson–Morley deneyi bu nedenle bilim tarihinin en önemli “bulunamayan sonuçlarından” biri haline geldi. Deney, beklenen eter rüzgârını göstermedi; fakat fizikçileri uzay, zaman ve hareket hakkındaki temel kabullerini yeniden düşünmeye zorlayan gelişmelerden biri oldu.
Albert Einstein ise bu garip sonucu açıklamaya çalışmak yerine onu özel görelilik kuramının temel ilkelerinden biri olarak kabul etti. Kurama göre boşluktaki ışığın hızı, gözlemcinin hareketinden bağımsız olarak her zaman aynı değerde ölçülür.
Bu kabulün önemli sonuçlarından biri, uzay ve zamanın mutlak olmamasıdır. Bir gözlemcinin ölçtüğü zaman aralığı ya da uzunluk, başka bir gözlemci için farklı olabilir. Buna karşılık ışığın boşluktaki hızı değişmez.
Özel görelilik aynı zamanda evrende temel bir hız sınırı bulunduğunu da gösterir. Kütlesi olan bir cisim ışık hızına yaklaştırılabilir, ancak ışık hızına ulaştırılamaz.
Işık Hızına Neden Ulaşamıyoruz?
Kütlesi olan bir cismi hızlandırmak için ona enerji aktarmamız gerekir. Düşük hızlarda verilen enerji cismin hızını belirgin biçimde artırır. Ancak cisim ışık hızına yaklaştıkça onu daha da hızlandırmak için gereken enerji giderek artar.
Özel görelilikte bir parçacığın toplam enerjisi E = γmc² biçiminde ifade edilmektedir. Burada Lorentz faktörü olan γ ise γ = 1 / √(1 – v²/c²) şeklindedir.
Cismin hızı v, ışık hızı c’ye yaklaştıkça 1 – v²/c² ifadesi sıfıra yaklaşır. Bunun sonucunda γ ve dolayısıyla cismin toplam enerjisi giderek büyür.
v = c olduğunda ise payda sıfır olur. Yani cismi tam olarak ışık hızına ulaştırmaya çalıştığımızda ise gereken enerji matematiksel olarak sonsuza gider. Bu nedenle kütlesi olan bir cismi ışık hızına ulaştırmak mümkün değildir.
Başka bir deyişle sorun, henüz yeterince güçlü bir motor geliştirememiş olmamız değildir. Ne kadar gelişmiş bir teknolojiye sahip olursak olalım, bildiğimiz fizik yasaları kütlesi olan bir cismin ışık hızına ulaşmasına izin vermez.
Bir Gün Işık Hızını Aşmak Mümkün mü?
Bugünkü fizik bilgimize göre kütlesi olan bir cismi boşluktaki ışık hızının üzerine çıkarmanın bilinen bir yolu yoktur. Yine de fizikçiler bu sınırın çevresinde bazı ilginç olasılıkları uzun zamandır tartışıyor.
Bunlardan biri takyon adı verilen varsayımsal parçacıklardır. Takyonlar, eğer gerçekten varlarsa, her zaman ışık hızından daha hızlı hareket etmek zorunda olan parçacıklar olarak tanımlanır. Ancak bugüne kadar varlıklarına ilişkin herhangi bir deneysel kanıt elde edilememiştir.
Bir başka olasılık ise ışık hızını aşmak yerine gidilecek yolu kısaltmaktır. Genel görelilik denklemleri, uzay-zamanın birbirinden uzak iki bölgesini birbirine bağlayan solucan deliği adı verilen geometrik yapılara matematiksel olarak izin verir.
Böyle bir geçit gerçekten var olsaydı, normal uzayda çok uzak olan iki nokta arasında bir tür kestirme yol oluşturabilirdi. Ancak solucan deliklerinin doğada var olduğuna dair elimizde herhangi bir kanıt yoktur.
Benzer bir düşünce warp sürüşü için de geçerlidir. Fizikçi Miguel Alcubierre, 1994’te genel görelilik çerçevesinde uzay aracının çevresindeki uzay-zamanı değiştiren kuramsal bir model geliştirdi. Bu modelde uzay aracının arkasındaki uzay genişlerken önündeki uzay daralır.
Böylece araç kendi yakın çevresinde ışık hızını aşmadan, uzaktaki bir gözlemci açısından çok büyük mesafeleri olağanüstü kısa sürede kat eder. Ancak klasik Alcubierre modelinin uygulanabilmesi egzotik madde ya da negatif enerji yoğunluğu gibi fiziksel açıdan son derece sorunlu koşullar gerektirir. Bu nedenle mevcut fizik yasalarına göre ışık hızını aşmak olası değildir.
Ek Okuma: Evrenin Genişleme Hızı Işık Hızını Aşıyor mu?
Kaynaklar ve İleri okumalar için.
- What’s the real reason you can’t go faster than the speed of light?. Yayınlanma tarihi: 17 Nisan 2022. Yayınlanma yeri: Big Think. Bağlantı: What’s the real reason you can’t go faster than the speed of light?.
- Alcubierre, M. (1994). The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. Classical and Quantum Gravity, 11, L73–L77. DOI: 10.1088/0264-9381/11/5/001
- Ehrlich, Robert. (2022). A Review of Searches for Evidence of Tachyons. 10.48550/arXiv.2204.12017.
Matematiksel
