Işık, kuşkusuz evrendeki en ilginç şeylerden biridir. Evrendeki en hızlı şey olması, foton adını verdiğimiz kütlesiz parçacıklardan oluşması ve bununla da kalmayıp dalga özelliği göstermesi ışığı ilginç kılan şeylerden sadece birkaçıdır. Fizikçiler ışık ile ilgili o kadar çok çalışma yaptı ki, artık ışığın doğasına dair her şeyi bildiğimizi düşünüyor olabilirsiniz. Ancak gerçek bundan biraz daha farklıdır.
İnsanlık yüzyıllardır ışık üzerine düşünmektedir. Antik çağlarda görme eyleminin gözümüzden çıkan ışınlar sayesinde gerçekleştiği varsayılıyordu. Ancak Öklid MÖ 300’lerde yazdığı Optica‘da bu kabulü sorgulamaktadır. Optica‘da ışığın özelliklerini inceleyen Öklid, ışığın düz çizgiler halinde hareket ettiğini söylüyordu. Romalı Lucretius ise De Rerum Natura adlı eserinde ise ışığın parçacıklardan oluştuğunu ileri sürüyordu. Fakat Lucretius’un görüşleri o dönemde kabul görmemişti.
Zaman hızla geçmeye devam ederken insanlık ışık üzerine düşünmeye devam etti. Pierre Gassendi’nin 1660’larda ölümünden sonra yayınlanan ışık parçacık teorisini geliştiren Isaac Newton çıktı sahneye. 1690 yılına geldiğimizde ise Christian Huygens, ışığın dalga özelliği gösterdiğini açıkladı.
Takvimler 1865’i gösterdiğindeyse James Clerk Maxwell sayesinde ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu keşfettik. Maxwell’in denklemlerini inceleyen Albert Einstein ise 1905’te ışığın foton adı verilen kuantum paketlerinden oluştuğunu söyleyecekti.
Ancak başta da belirttiğimiz gibi, ışık hakkındaki serüvenimiz bitmiş değil. İşte bu yüzden bu yazımızda Güneş yelkenlisinden görünmezlik pelerinine ışık ile ilgili 5 yeni keşiften bahsedeceğiz.
1. Carl Sagan’ın Güneş Yelkenlisi
Yaklaşık 400 yıl önce yelkenli gemilerin neredeyse tüm gezegeni dolaşmayı mümkün kılmasıyla Johannes Kepler’in aklına bir fikir gelmişti. Galaksiler arasında da bir yelkenliyle dolaşabilirdik. Fikir bu açıdan bakınca biraz komik fakat Kepler’in bunu düşünmesinin kendince haklı sebepleri vardı.
Kepler kuyruklu yıldızların kuyruğunun bir tür Güneş esintisi yüzünden oluştuğunu düşünüyordu. Eğer uzaya bir yelkenli gönderirsek o da bu Güneş esintisiyle yol alabilir diye düşünüyordu. Kepler elbette yanılıyordu çünkü uzayda rüzgar yoktur. Ama çok daha iyi bir şey vardır: Işık!
Carl Sagan, 1976 yılında katıldığı bir televizyon programında Kepler’in fikrine benzeyen bir fikrinden bahsetti. Yanında alüminyum folyodan yapılmış bir Güneş yelkenlisi modeli vardı. Işık (radyasyon) basıncını kullanarak bu yelkenlinin uzayda gezinebileceğini açıklamıştı.
Tıpkı rüzgarın yelkenlileri hareket ettirmesi gibi ışık da bu Güneş yelkenlisini hareket ettirir. Çünkü fotonlar bir nesneye çarptıklarında nesneye momentumunu aktarır. Bu radyasyon basıncı sayesinde doğru malzemelerden üretilmiş bir Güneş yelkenlisi kozmosta yol alabilir.
Günümüzde Carl Sagan’ın bu fikri artık bir hayal değil. 2010 yılında Japon Ulusal Havacılık ve Uzay Araştırma Ajansı (JAXA), IKAROS adında bir proje başlattı. IKAROS ışık basıncı sayesinde 6 ay sonra Venüs yakınlarında belirlenen hedefe ulaşmayı başardı.
IKAROS’un yanı sıra Carl Sagan’ın kurucusu olduğu Planetary Society de 2009 yılında LightSail adında bir proje geliştirdi. LightSail1 ve LightSail2 adındaki Güneş yelkenlerini uzaya gönderdi ve başarılı oldu. Gelecekte ulusal uzay ajanslarının ve Planetary Society’nin ortak çabasıyla çok daha iyi Güneş yelkenleri geliştirileceği kesin.
2. Hayalet Görüntüleme Teknolojisi
Başlık, ilk okuyuşta farklı bir anlam çıkarmanıza sebep olmuş olabilir. Ama merak etmeyin, fiziğin güzel nimetlerinden gerçek olmayan bir şeyi görüntülemek için yararlanmıyoruz. Diyelim ki ışıktan olumsuz etkilenen bir şeyin görüntüsünü elde etmek istiyoruz. İşte bu noktada korelasyonlu foton görüntüleme olarak da adlandırılan hayalet görüntüleme devreye giriyor.
Hayalet görüntülemede iki ışık dedektöründen gelen bilgiler birleştirilerek bir görüntü oluşturulur. Bu ışık dedektörlerinden biri nesneyi görüntülemeyen geleneksel bir dedektördür. Diğeriyse nesneyi görüntüleyen çok pikselli bir dedektördür.
Hayalet görüntülemeyi iki farklı yöntemle gerçekleştirmek mümkündür. Klasik yöntemi veya dolanık foton yöntemini kullanabilirsiniz. Dolanık foton yönteminde fotonlardan biri nesneye temas etmez, doğrudan çok pikselli dedektöre gider. İki dedektör arasındaki korelasyonların bilgisayar analizi, zayıf aydınlatmada bile nesnenin yüksek kalitede görüntüsünün oluşmasını sağlar. Yani ışığın az olduğu bir ortamda bile bir nesnenin kaliteli bir görüntüsünü elde etmek mümkündür.
Hayalet görüntüleme teknolojisi çoğunlukla askeri amaçlarla kullanılır. Yanı sıra, uzaktan algılama sistemlerinde de kullanılır. Ayrıca hayalet görüntüleme yönteminin en güzel yanlarından biri de, görünür ışıkla sınırlı olmamasıdır. Kızılötesi ve X ışınları ile de bu teknoloji kullanılmaktadır.
3. Işık Sayesinde Zaman İçerisinde Kuantum Yarıklar Oluşturmak Mümkün
Thomas Young’ın 1801’de yaptığı çift yarık deneyine birçoğumuz aşinayız. Çift yarık deneyinden çıkan sonuçlar uzun yıllar fizikçileri düşündürmüştür. Çünkü o zamana kadarki yaygın görüş ışığın parçacıklı bir doğaya sahip olduğu yönündeydi. Ancak çift yarık deneyi sadece ışığın değil, elektron gibi parçacıkların da dalga davranışı sergilediğini söylüyordu.
Çift yarık deneyindeki yarıklar uzayda oluşan yarıklardır, yani mekansaldır. Fakat Imperial College London’daki araştırmacılar, zamanda yarıklar oluşturmayı başardı. Bunu femtosaniye (saniyenin katrilyonda biri) düzeyinde özelliklerini değiştirebilen bir malzeme olan indiyum kalay oksit üzerine ışık göndererek başardılar.
Klasik çift yarık deneyinde fiziksel yarıklardan geçen ışık bir girişim deseni oluşturur. Bu deneydeki zaman yarıklarıysa ışığın frekansını değiştirir. Frekansın değişmesi ışığın rengini de değiştirir ve buna göre renkli bir girişim deseni oluşur.
Yakın bir zamanda yapılmış olan bu çalışmanın fizik dünyasında elbette bir anlamı var. Örneğin araştırmacılar dalga fiziğinin uzay alanından zaman alanına nasıl aktarabileceğimizi bu deney sayesinde keşfedebileceğimizi söylüyor. Ya da optik sistemlerde ve kuantum bilgisayarlarda ışığı yüksek hızlarda kontrol etmek için indiyum kalay oksit gibi malzemeleri nasıl kullanacağımızı öğrenebiliriz.
4. Işık Yavaşlar mı?
Hepimizin çok iyi bildiği bir gerçek varsa o da ışığın evrendeki en hızlı şey olduğudur. Öyle ki ışık vakumda saniyede yaklaşık 300 bin km hızla yol alır. Fakat sıradan bir maddeyle etkileşim söz konusu olduğunda ışık biraz yavaşlar. Örneğin fiber optik kablolarda ve camda ışığın hızı saniyede yaklaşık 200 bin km’dir. Ancak bu bile oldukça yüksek bir hızdır.
İşte bu yüzden 1999’da Harvard’da araştırmacı olan Lene Hau, ışığı daha da yavaşlatmak istedi. Ekibiyle yaptığı deneyde ışığı o kadar yavaşlattı ki, bisikletinizle o ışığı sollayabilirdiniz. Hau ve ekibi bunu başarmak için Bose-Einstein yoğuşmasını kullandı. Bu sayede ışığın hızını saniyede 17 metreye düşürmüşlerdi.
Bose-Einstein yoğuşması, çok düşük yoğunluklarda bir bozon gazının mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulmasıyla oluşan bir madde durumudur. Işık, bu ortamla diğer ortamlara nazaran daha çok etkileşime girer. Bu nedenle Bose-Einstein yoğuşmasıyla ışığı yavaşlatmak çok daha kolaydır.
Her ne kadar Bose-Einstein yoğuşması bu iş için uygun olsa da günümüzde oda sıcaklığındaki gazlarla da ışığı yavaşlatmak mümkün. Örneğin fiber optik kablolardaki sinyalleri senkronize etmek ve dijital verileri bilgisayarda depolamak için bunu kullanabiliriz.
Işığı saniyede 17 metre hıza kadar yavaşlattık da acaba durdurmak mümkün mü? Evet, mümkün. 2001 yılında Lene Hau ve ekibi ışığı tamamen durdurmayı da başardı.
5. Görünmezlik Pelerini
Uçmak, çok hızlı olmak, akıl okumak, görünmez olmak ve daha niceleri… Küçükken hepimiz saydıklarımıza benzer süper güçlerimiz olsun istemişizdir. İşte güzel haber! Görünmez olmak belli bir ölçüde mümkün görünüyor. Bu konuda yardımımıza elbette klasik optik yasaları koşuyor.
Bir nesnenin görünür olmasının ya da bizim onu görmemizin sebebi, nesneden yansıyan ışık ışınlarının gözümüze ulaşmasıdır. Prensipte görünmezlik pelerini gelen bu ışınları durdurabilir, kendi içine bükebilir veya kırabilir. Böylece ışık pelerin içinde seyahat eder ve biz de o nesneyi göremeyiz. Ancak ışığın bahsettiğimiz bu karmaşık yolu izlemesi için görünmezlik pelerini bir metamalzemeden yapılmalıdır.
Görünmezlik konusunda çok çeşitli kişilerin veya şirketlerin çalışması bulunuyor. Her birinin de kendine göre hedefleri ve dolayısıyla da işlevleri var. Örneğin yukarıda gördüğünüz görünmezlik kalkanı, ışığı akıllıca manipüle eden bir lens dizisi kullanıyor.
Bu lensler nesneden yansıyan ışığın çoğunu gözlemciden uzağa yönlendirerek kalkanın arkasındaki kişiyi görünmez yapıyor. Lenslerin yeniden yönlendirdiği ışık ışınları kalkanın yüzeyi boyunca yayılıyor. Böylece arkadaki kişiyi görünmez kılarken yalancı bir arka plan görüntüsü oluşturuyor.
Sonuç olarak;
Elbette mevcut görünmezlik teknolojilerinin eksiklikleri var. Çünkü ışık hakkında öğrenecek çok şeyimiz var. Ve öğrendiklerimizle de sıra dışı teknolojiler geliştirmemiz mümkün görünüyor.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- Five amazing new discoveries about light ; Bağlantı: Five amazing new discoveries about light – Big Think ; Yayınlanma tarihi: 19 Temmuz 2023
- Real-life invisibility cloaks are already here. But how do they work? ; Bağlantı: Real-life invisibility cloaks are already here. But how do they work? (zmescience.com) ; Yayınlanma tarihi: 10 Temmuz 2023
- Carl Sagan’s Solar Sail Is Finally Ready To Fly ; Bağlantı: Carl Sagan’s Solar Sail Is Finally Ready To Fly (popularmechanics.com) ; Yayınlanma tarihi: 22 Haziran 2019
- LightSail, a Planetary Society solar sail spacecraft ; Bağlantı: LightSail, a Planetary Society solar sail… | The Planetary Society
- Ghost imaging ; Bağlantı: Ghost imaging – Wikipedia
- A Quantum Leap Through Time: Famous Double-Slit Experiment Reimagined ; Bağlantı: A Quantum Leap Through Time: Famous Double-Slit Experiment Reimagined (scitechdaily.com) ; Yayınlanma tarihi: 13 Nisan 2023
Matematiksel
