Bilim

Işik suda ve camda neden kirilir?

Su dolu bardağa daldırılan bir kaleme baktığınız zaman kalemin kırıldığını görürsünüz. Bu sadece basit bir optik yanılsamadır ve deniz gözlüğüyle sualtında yüzerken başınızı sudan çıkarınca da örneğin uçan bir dronun gerçek konumunun sualtında gördüğünüzden farklı olduğunu ayırt edersiniz. Işık gözünüze oyun oynar.

Elbette ne su bardağındaki kalem kırılır ne de dronlar sizi şaşırtmak için su üstünde aniden ışınlanarak yer değiştirir. Aslında ışık kırılır. Işık ışınları su ve cam gibi havadan yoğun ortamların içinden geçerken tel gibi bükülür. Bu da optik yanılsamaya yol açar ki benim gibi 5 numara miyopsanız bizzat taktığınız gözlük camları mercek gibi çalışarak ışığı kırar ve düzgün görmenizi sağlar. Peki ışık neden kırılır?

IŞIK, MERCEKLER VE TELESKOPLAR

Işık iyi ki sudan ve camdan geçerken kırılır. Kırılmasaydı ne miyop gözlükleriniz ne dürbünler ne de teleskoplar çalışırdı. O zaman biz insanlar da yıldızlarla öte gezegenleri görerek evreni keşfetmemizi sağlayan teleskopları kullanamazdık. Astronomi, kozmoloji ve astrofizik gelişmezdi. Düşünün ki Newton evrensel yerçekimi yasasını geliştirip göklerdeki yıldızlarla yerdeki insanların aynı fizik yasalarına göre hareket ettiğini gösteremezdi. Biz de yaratılış efsanelerine inanmaya devam ederdik.

Işık iyi ki kırılır; çünkü ışık hızı aslında fiziksel etkileşimlerin uzayda yayılma hızı olup neden-sonuç ilişkisi ve nedenselliğin hızıdır. Işık kırılmasa radyo sinyallerini atmosferin üst katmanlarındaki iyonesferden geri sektirerek ayna gibi yere yansıtamaz, radarlar ve radyo yayınlarıyla ufuk ötesi iletişim kuramazdık. Pekala, ışık dünyayı görmemizi sağlayan önemli bir şeydir. Bunu anladık. Peki nasıl kırılır? Bunu size dört çekerli off-road araçları arasında en sevdiğim olan ATV ile anlatayım.

ATV ile asfalt yolda hızla giderken birden çamurlu toprağa saptığınız zaman çamurun ATV’yi fark edilir ölçüde yavaşlattığını görürsünüz ama dört tekeriniz aynı anda yavaşlamaz. Çamura ilk giren ön tekerlek diğerlerinden önce yavaşlar. Bu da ATV’de yanal hız dengesizliğine neden olarak aracınızın çamura giriş açısında daha fazla dönmesine yol açar. Kısacası ATV’nin yolu bükülür. Işık da prensipte böyle bükülür. Biz de önce ışığın klasik fizikte ve sonra kuantum mekaniğinde nasıl büküldüğünü göreceğiz.

IŞIK YAVAŞLIYOR MU?

Su ve camın içinden geçen ışık yavaşlar. Örneğin suda ışık hızı saniyede 225 bin ve camda yaklaşık 200 bin km’dir. Gerçekte ışık asla yavaşlamaz. Işığı oluşturan fotonlar hep ışık hızında gider ama su ve cam havadan yoğundur. Bu ortamlardaki çok sayıda atom fotonları soğurur (emer) ve tekrar tekrar yayınlar (kusar). Bu aynı zamanda fotonun momentumuna etkiler. Sonuç olarak ışığın suda ve camda aldığı yol uzar ki bu da pratikte ışığın yavaşlaması demektir. Şimdi gelelim ışığın kırılmasına:

IŞIĞIN KIRILMA İNDİSİ

İzmir Akkum’da deniz gözlüğüyle suya dalıp başınızı dışarı çıkardığınız zaman havadaki dronu sualtından farklı bir konumda göreceğinizi söylemiştim. Bunun iki nedeni vardır: Fiziksel neden ve psikolojik neden. Psikolojik derken, beyniniz ışığın kırılmasını algılayacak şekilde evrim geçirmemiştir. Bu nedenle sualtında bile ışık ışınlarının düz geldiğini varsayar. Başınızı çıkardığınız zaman da düz geldiğini varsayar ama aslında ışık suda kırılır ve siz de bunu suyun dışında aniden yer değiştiren dron olarak algılarsınız.

Bu bağlamda bir maddenin kırılma indisi, o maddede yol alan ışığın ya da diğer elektromanyetik dalgaların boşlukta yol alan ışığa göre ne kadar yavaş ilerlediğini gösteren bir katsayıdır. Genellikle n sembolü ile gösterilir. c ışığın boşluktaki hızı, v ise madde içindeki hızıdır. Örneğin havanın kırılma indisi 1,0003, suyun 1,333, camın 1,517 ve elmasın 2,417’dir. Işığın kırılma indisini Snell yasasıyla hesaplarız.

Gördüğünüz gibi ışık havanın içinden geçerken de kırılır ama aradaki fark çok düşüktür ve insan gözü bunu uzayın kenarından baksa bile algılamaz. Genel olarak ortam ne kadar yoğunsa ışık o kadar fazla kırılır. Elmasla suyu karşılaştırın! Sonuçta ışığın kırılması demek örneğin Güneş’ten gelen ışığın açısının suyun içinde değişmesi demektir. Ancak şuna dikkat edin:

IŞIĞIN KIRILMASI VE IŞIK YOLU

Işık her zaman iki nokta arasındaki en kısa yolu izler. Yerçekiminin de uzayı büktüğünü ve dolayısıyla ışığı büktüğünü söylemiştim. Dolayısıyla yerçekimi mercek gibi davranabilir ki yerçekimi merceği denilen bir etki vardır. Yerçekimi uzayı bükerken ışık da bükülür ama rastgele bükülmez. Işık bükülen uzayda bile iki nokta arasındaki en kısa yolu izler. Düz uzayda bu doğrudur. Eğri uzayda ise şey… eğridir.

Keza ışığın kırılma indisi rastgele değildir. Bu kez camın ve suyun yerçekiminden çok atomların elektromanyetik etkisi ışığın aldığı yolu büker. Siz de ışığın kırılmasını anlamak için Google Haritaların yol tarifi uygulamasını düşünebilirsiniz. Google şehirde size en kısa yolu göstermez. Trafiği de hesaba katarak en kısa sürede gideceğiniz yolu gösterir. Öyle ki uzun yoldan giderek hedefinize daha kısa sürede ulaşabilirsiniz ama bir detay daha var: Hız belirli zamanda alınan uzaklıktır.

Dolayısıyla hız ve zaman birbiriyle ilişkilidir. Işık hızı camdan geçerken pratikte yavaşlar dedik ya, aslında bu ışığın gidebileceği maksimum hız ve minimum uzaklığı dengeleyerek bulduğu hızdır. Demek ki ışık camın içinde saniyede 300 bin km hızla da gidebilirdi ama aslında yolu uzar ve bu da ışığı daha fazla geciktirirdi. Işığın camdaki hızı olabilecek en kısa yolda gidebileceği maksimum hızın bileşkesidir.

İKİ NOKTA ARASINDAKİ EN KISA YOL

Işığın iki nokta arasında her zaman en kısa yolu izlediği ilkesine Fermat İlkesi deriz. (En kısa uzaklığı değil, en kısa süreli yolu). Böylece ışığın neden ve nasıl kırıldığını klasik fiziğe göre gördük. Oysa ışık bir kuantum nesnesi olup kuantum mekaniğine tabidir. Siz de Snell yasası ve Fermat İlkesi neden öyle derseniz asıl nedeni kuantum mekaniğidir. Öyleyse kuantum optiğin temellerini görelim:

KUANTUM MEKANİĞİ VE OPTİK

Işık sadece iki nokta arasındaki en kısa yolu olmaz. Aslında ışığı oluşturan fotonlar iki nokta arasında en kısa ve uzun bütün olası yolları alır. Hani fotonlar yüzde 70 olasılıkla soldan gider deriz ya işte bunu yüzde 30 olasılıkla sağdan gittiğini hesaba katarak hesaplarız. Dolayısıyla ışığın soldan gittiğini görürseniz bilin ki sağdan gitmiş kadar olmuştur; çünkü bütün olasılıkların toplamı her zaman 1’e eşittir. Peki öyleyse başınızı sudan çıkardığınızda neden dronu yer yerde görmüyorsunuz?

Neden dronu gökyüzünde sadece belirli bir yerde görüyorsunuz? Hani ışık bütün olası yolları izliyordu? Feynmann diyagramlarında anlattığım gibi gerçekte durum biraz farklı: Bunun için ışığın hem dalga hem parçacık olduğunu hatırlayın. Burada kuantum dalga mekaniğine girmeyeceğim ama ışığı oluşturan fotonları faz vektörünü gösteren bir saat eklenmiş dalga olarak düşünebilirsiniz. Kısacası her fotona zamanın ne hızda aktığını gösteren bir saat takılıdır ve fotonun zamanı da vektörüne bağlıdır.

Dediğim gibi fotonun uzayda aldığı yol uzadığında zamanı yavaşlar fakat dikkat! Bu sadece siz fotona dışarıdan baktığınız zaman geçerlidir (Ne de olsa dronu siz göreceksiniz değil mi? Dronun ışığı olan fotonlar kendini veya dronu görmeyecek). Yoksa fotonlar hep ışık hızında gider ve onlar için zaman akmaz. Yanlış anlamaları giderecek ön açıklamaları yaptığımıza göre işin özüne geçebiliriz.

FOTONLARIN İZLEDİĞİ YOL

Fotonlara takılı bu vektörel saatlere faz vektörü veya fazör deriz (Hayır, Uzay Yolu’ndaki fazer ışın silahları değil). Şimdi bu fazörlerin yelkovanı diyelim, fotonun frekansı kadar hızlı döner. Fotonun dalga boyu ne kadar kısa ve frekansı ne kadar yüksekse o kadar hızlı döner. Size göre fotonun zamanı o kadar hızlı akar. Tabii fotonun aldığı yol ne kadar uzun olursa olsun (ki dronla aranızda 1 milyar ışık yılı mesafe olacak hali yok) görünür ışığın frekansı çok yüksektir. Fazörler de çılgın bir hızda dönecektir.

IŞIK VE KUANTUM OPTİK

İlla tekniğe gireceğim diyorsanız fazörler sinüzoidal bir ifadenin genlik ve faz açısı bileşenleri kullanılarak oluşturulmuş formülasyonudur. Kısacası frekans, dalga boyu ve vektörün bileşkesidir ama bu aşamada kendinizi o kadar yormayın. Sadece daha basit açıklamamı okuyun: Sonuç olarak ışık uzun-kısa bütün olası yolları izleyerek sudan çıkan gözlerinize ulaşır.

Oysa siz dronun 1 saniye önceki ve 1 saniye sonraki konumunu aynı anda görmezsiniz. Görelilik teorisindeki blok zamanın tersine siz sadece tek bir dron görürsünüz. O da ışığın 20 metre uzaktan gözünüze ulaşması için gereken çok kısa süre önceki halidir. Şimdi, ışık tıpkı kendi kuyruğunu yiyen yılan gibi havada sayısız halka çizerek de gözünüze ulaşabilir! 😮 Gözünüze ulaşana dek sittin sene geçebilir fakat ışığın sarmallar veya çemberler çizdiği süper düşük olasılıklı yollar birbirini siler; çünkü ne dedik? Kuantum mekaniğinde bütün olasılıkların toplamı 1’e eşittir.

Böylece geriye ışığın drondan gözünüze ulaşabileceği en kısa yol kalır. O da en yüksek olasılıktır ki pratikte hep öyle olur. Böylece dronun gelmişini geçmişini görmeden yalnızca size göre şimdiki zamandaki halini görebilirsiniz. İşte bu yüzden ışık iki nokta arasında her zaman en kısa yolu izler. Yine de bu dronun ışığının sizin görmediğiniz o sıfırlanan yolları hiç izlemediği anlamına gelmez. Paralel evrenler yorumunun temeli olacak şekilde fotonun bütün olasılıkları bir nevi gerçekleşir:

IŞIK VE ÇİFT YARIK DENEYİ

Tek bir foton alın, önüne iki yarıklı bir engel koyun ve engelin arkasına perde gerin. Sonra fotonu ateşleyin! Foton kendisiyle girişim yaparak her iki yarıktan birden geçer; çünkü aynı zamanda dalgadır ve arkadaki perdeye yarıkların izdüşümünü gösteren dikey gölgeler halinde yansır. Gölgeler ve aydınlık bölgeler arasındaki geçiş yumuşaktır. Nitekim atmosferde asla keskin gölgeler görmezsiniz. Hep gri tonlar vardır; çünkü hava molekülleri ışığı hem saçar hem de kırar.

Gerçi vakumda bile gölge geçişlerini tümüyle elimine demezsiniz; çünkü foton yarıktan geçtikten sonra perdeye gidebileceği bütün olası yolları izler. Bu da size çizgili gölgeler olarak yansır. Peki ya fotonun izleyeceği bütün olası yolların üzerine (sonsuz yol vardır) birer foton boyunda prizma koyarsanız ne olur (sonsuz sayıda prizma)?

O zaman fotonun aldığı yolu uzatabilir veya kısaltabilirsiniz. İşte burada fazörler devreye giriyor. Foton hep en kısa yolu izlemek istediği için camların içinden geçerken kırılacaktır. En kısa yollara ancak böyle sadık kalabilir. Peki bu nedir? Bu ışığı kıran, yani büken mercektir! Benim durumumda 5 numara miyop gözlük camıdır. 😀 Böylece ışığın nasıl kırıldığını gördük ki önümüzdeki günlerde size kaleydoskoplarla fraktal geometri arasındaki ilişkiyi de anlatacağım.

Similar Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *