Işık hızı, evren için aşılamaz görünen büyük kısıtlamalardan birisidir. Her ne kadar teoride ışıktan hızlı gitmenin veya ışık hızına ulaşmanın farklı yolları olsa da pratikte bundan çok uzağız. Fakat son yıllarda üzerine daha çok çalışılmaya başlanan bir fikir, ışık hızına ulaşmak konusunda bize çok ilginç şeyler söyleme potansiyeline sahip.
Bahsettiğimiz fikir, Casimir etkisi adı verilen bir etkidir. Bu etki ilk olarak Hendrik Casimir tarafından II. Dünya Savaşı’ndan hemen sonra ortaya atıldı. O zamanlar Hendrik Casimir’in kendisi bile bulduğu şeye pek önem atfetmemişti. Öyle ki, bilim camiasının da sonradan ilgisini çeken Casimir etkisinin büyüklüğünü bundan sadece 27 yıl önce deneysel olarak ölçebildik.
Bu deney sonrasında Casimir etkisi üzerinde yepyeni çalışmalar yapılmaya başlandı. Çünkü Casimir etkisi bize sonsuz enerjinin uzay boşluğuna nüfuz ettiğini söylemektedir. Bu kısım oldukça ilgi çekici. Uzay boşluğuna nüfuz etmiş sonsuz bir enerjinin olması kulağa harika geliyor. Bir düşünün, bu enerjiyle her şeyi yapabiliriz. Mesela Casimir etkisinin yardımıyla ışık hızına ulaşmak mümkün mü? Gelin bu soruyu cevaplamak için Casimir etkisinin ne olduğuna bir bakalım.
Casimir Etkisi Nedir?
Hollandalı bir fizikçi olan Hendrik Casimir, yüksek lisans yıllarını kuantum fiziğinin babalarından biri olan Niels Bohr’un danışmanlığında geçirmişti. Bohr ile olan bu yakınlığı sayesinde kuantum dünyası ilgisini çekmeye başlamıştı. Fakat kuantum fiziği alanındaki çalışmalar arttıkça bu dünyanın bizim dünyamızdan çok farklı olduğunu görmeye başladı. Bu nedenle Casimir, bunları nasıl test edebileceğimizi merak etmeye başladı. Bu da onu Casimir etkisi olarak adlandırdığımız şeyi keşfetmesine yol açtı.
Casimir etkisi kabaca vakumdaki iki yüksüz plaka arasındaki küçük çekim kuvvetini ifade eder. Vakumdaki plakalar arasındaki bu çekim kuvveti, yalnızca plakalar birbirine birkaç atom çapı kadar yakın olduğunda ölçülebilir.
Casimir etkisinin oluşmasını sağlayan şey, elektromanyetik alanın kuantum vakum dalgalanmalarıdır. Yani bir diğer adıyla sıfır noktası dalgalanmaları. Plakalar arasındaki çekim kuvvetini oluşturan şeyse vakumun bile sürekli bir dalgalanma durumunda olan çok sayıda sanal elektromanyetik parçacık ve anti-parçacık içermesidir. Buna vakum enerjisi denir.
Plakalar arasındaki boşluk, sanal parçacık çiftlerinin olası dalga boyunu sınırladığından plakalar arası boşlukta dışarıya göre daha az sanal parçacık vardır. Bu da plakalar arasındaki enerji yoğunluğunun dışarıdakinden daha az olduğu anlamına gelir. Böylece plakaların birbirine çekilmesini sağlayan negatif bir basınç oluşmuş olur. İşte Casimir etkisi dediğimiz şey tam olarak budur.
Hendrik Casimir 1948’de bu etkiyi keşfettiğinde kendisi de bulduğu şeye pek önem vermedi. Çünkü hesaplamalarla öngördüğü bu etkiyi deneysel olarak gözlemlememişti. Bilim camiası da o zamanlar bu keşifle pek ilgilenmedi. 1958’de Marcus Spaarnay, kolloidal çözeltilerin özelliklerini incelerken bu etkinin varlığını gözlemledi. Daha sonra1997’de Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan Steve K. Lamoreaux’nun ölçümleriyle bu etkinin büyüklüğünü öğrenebildik.
Peki Vakumda Nasıl Enerji Olabilir?
Bu soruyu cevaplayabilmek adına kuantum dünyasına dair bir özellikten bahsetmemiz gerekiyor. Elektron deyince zihninizde ne canlanıyor? Çok ama çok küçük bir top canlanıyorsa yanıldığınızı söylemeliyim. Kitaplarda elektronu ya da diğer parçacıkları bu şekilde gösteriyoruz ancak bu pek doğru değildir. Aslında elektronlar, fotonlar, nötrinolar gibi parçacıklar kuantum alanlarının bir parçasıdır.
Bu kuantum alanlarında titreşimler bir parçacık oluşturacak kadar güçlü olmasa bile her zaman titreşir. Mesela bir kutu alıp içindeki her şeyi boşaltsanız (tüm atomları ve atomaltı parçacıkları), bu kutu hala kuantum alanlarıyla dolu olacaktır. Kalan bu kuantum alanları izole haldeyken bile titreştiğinden kutunun içerisinde hala bir enerji olacaktır. İşte vakumda bu yüzden enerji vardır.
Ve işin daha da şaşırtıcı yanı, bu kuantum alanların her birinde kaç tane titreşim olduğunu hesaplayabilirsiniz. Cevap ise sonsuz! Bu durum sağduyumuza gerçekten ters. Çünkü boşluk dediğimiz, hiçlik ya da vakum dediğimiz şeyde nasıl sonsuz enerji olabilir ki? Aslında bu durumun cevabını Casimir etkisi ve matematik çok güzel veriyor.
Hendrik Casimir’in deneyinde plakalar arasında sonsuz tane titreşim vardır. Fakat plakaların dışında daha da sonsuz tane titreşim vardır. Plakaların dışında daha da sonsuz tane titreşim olmasını matematikteki farklı sonsuzlukları düşünerek anlamlandırmamız gerekiyor.
Matematikte bazı sonsuzluklar bazılarından daha büyüktür. (Detaylar için buradaki yazımıza bakabilirsiniz). Casimir etkisinde de karşımıza çıkan şey budur. Böylece plakların içindeki ve dışındaki titreşimlerin farkı bulabiliyoruz. Bu fark da plakaların neden birbirine çekildiğini açıklıyor.
Bu Enerjiden Faydalanarak Işık Hızına Ulaşmak Mümkün mü?
Casimir etkisinin ne olduğundan bahsettik. Fakat bu etki son derece küçüktür. Kabaca 10-12 Newton’dır ve plakaların birbirine bir mikrometre kadar yakın olmasını gerektirir. Zaten bu nedenle Hendrik Casimir bu etkiyi öngörebilse bile ancak 1997’de büyüklüğünü ölçebildik.
Ve evet, Casimir etkisini günlük hayatta görmüyoruz, hissetmiyoruz, deneyimlemiyoruz. Az önce söylediğimiz gibi etki de son derece küçük. Fakat bu durum onun önemsiz olduğu anlamına gelmiyor. Örneğin mikro ve nano ölçekli teknolojiler tasarlamak istediğimizde bu etkiyi göz önünde bulundurmamız gerekiyor. Aksi takdirde geliştirdiğimiz cihaz çalışmayabiliyor.
Son birkaç yıldır ise araştırmacılar, vakum enerjisini çıkarıp enerji kaynağı olarak kullanıp kullanamayacağımız üzerine çalışıyorlar. Örneğin bu fikirden yola çıkarak patenti alınmış bir pil bile var. Yine de bu etki üzerindeki çalışmalar devam ediyor. Işık hızına ulaşma hayalimiz ise biraz daha bekleyecek gibi görünüyor.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- What is the Casimir Effect? ; Bağlantı: What is the Casimir Effect? (with picture) (allthescience.org) ; Yayınlanma tarihi: 13 Şubat 2024
- By Harnessing the Unlimited Vacuum Energy In Space, We Could Finally Reach Light Speed ; Bağlantı: The Casimir Effect: Unlocking a Mind-Boggling Part of Reality (popularmechanics.com) ; Yayınlanma tarihi: 29 Mart 2024
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
