Işık Hızının Aşılmasının Nedenselliğe Etkisi ve Solda Yansımaları

Yazan

Sina Güneyli

Maxwell denklemleri, elektrik alanın ve manyetik alanın uzaydaki ve zaman içindeki davranışlarını açıklayan fizik yasalarıdır[1]. Birbirlerine göre üniform bir hızla (ivmesiz) hareket eden koordinat sistemleri birbirlerine Lorentz dönüşümü ile bağlıdırlar. Örneğin, durağan bir koordinat sistemindeki elektrik alan, hareketli bir koordinat sistemindeki gözlemciye manyetik alan olarak görünecektir. Lorentz dönüşümünü sağlayan Maxwell denklemleri özel rölativite teorisi ile uyum içindedir.

Rölativite ile uyumlu olan Maxwell denklemlerinden türetilen sonuçların da rölativite ile uyumlu olması beklenir. Ne var ki, son zamanlarda, ışık hızı deneysel olarak aşılmıştır. Ayrıca, bu aşılmanın Maxwell denklemlerinin (ışığın dalga niteliğinde olmasının) bir sonucu olduğu ileri sürülmektedir[2],[3].

Işık hızının aşıldığında fizikçiler hemfikir olmakla birlikte, aşılan bu hızın hangi hız olduğu, bu aşılmanın rölativiteye aykırı olup olmadığı, ışık üstü hızlarda bilgi iletiminin olanaklı olup olmadığı halen tartışma konusudur. Bazı fizikçiler ışık üstü grup hızlarına ve sinyal hızlarına ulaştıklarını ve hatta Mozart'ın 40. senfonisinin ışık üstü hızlarda iletimini gerçekleştirdiklerini ileri sürmektedirler[4]. Diğer bazı fizikçiler de bilginin yalnızca ışık hızında yayıldığını ve ışık üstü grup hızlarına ulaşılmasının ışık üstü hızlarda bilgi iletilmesi olarak düşünülemeyeceğini belirtmektedirler[5].

Dalga denklemi bir dalganın uzaydaki ve zamandaki davranışını betimler. Maxwell denklemlerinden türetilebilen dalga denkleminin birden fazla çözümü vardır. Bu çözümlerden biri belli bir hızda yayılan elektromanyetik dalgadır. Bu tür dalgalar, zaman ilerledikçe uzayda yol alırlar, hareket ederler. Işık da bir elektromanyetik dalgadır. Bir ışık kaynağından çıkan ışık, uzayda ışık hızıyla yol alır. Dalga denkleminin diğer bir çözümü duran dalgaları verir. Duran dalgalar uzayda yayılmayan, ilerlemeyen, yerlerinde duran dalgalardır. Duran bir dalga, matematiksel olarak, birbirine zıt yönde yayılan iki elektromanyetik dalganın toplamı şeklinde ifade edilebilir.

Hem elektromanyetik dalgalar ve hem de duran dalgalar hız parametresine bağlıdırlar. Elektromanyetik dalgalar için hız parametresi dalganın yayılma hızını gösterir. Ancak duran dalgalar için hız parametresi yayılma hızını göstermez[6].

Işık, boş uzayda ışık hızı ile yayılır. Fiziksel bir ortamda ilerleyen ışık içinse farklı hızlar söz konusudur[7],[8]. Bu hızlar faz hızı, grup hızı, ön cephe hızı, sinyal hızı ve enerji hızıdır. Faz hızı, taşıyıcı dalganın sabit bir noktasının hareket hızıdır. Grup hızı, darbenin zarfının hareket hızıdır. Ön cephe hızı, ani bir değişikliğin yayılma hızıdır[9].

Bir bilgi sinyali hem zaman bölgesinde ve hem de frekans bölgesinde gösterilebilir. Frekans bölgesi gösterimi söz konusu bilgi sinyalinin hangi frekans bileşenlerinden oluştuğunu açıklar. Bu olay beyaz ışığın farklı renk ışıklara ayrılmasına benzerdir. Bilgi taşıyan bir sinyal, frekans bölgesinde, yüksek bir taşıyıcı frekans çevresine dağılmış küçük bir frekans bandı ile gösterilebilir. Böylesi bir sinyal, farklı frekanslardaki tek renkli dalgaların üst üste binmiş hali olarak düşünülebilir[10]. Frekans bölgesi gösteriminde, belli bir frekans aralığının dışında bileşeni olmayan bir sinyale dar bant sinyal denir.

Kayıpsız bir ortamda faz hızı frekanstan bağımsızdır. Bazı fiziksel ortamlardaysa faz hızı frekansa bağlı olarak değişmektedir. Bu tür ortamlarda, farklı frekanstaki dalgalar farklı faz hızlarıyla yayılırlar. Bilgi taşıyan sinyaller belli bir frekans bandına sahip olduklarından, farklı frekans bileşenleri farklı faz hızlarında yol alırlar ve bunun sonucu bilgi sinyalinin şekli bozulur. Bu olaya sinyalin dispersiyona uğraması ve bu tür ortamlara da dispersif ortamlar denir.

Fiziksel ortamlar dispersiyon özelliği bakımından üç farklı grupta incelenebilir: Dispersiyonsuz ortamlarda faz hızı frekanstan bağımsız olup grup hızı faz hızına eşittir. Normal dispersiyona sahip ortamlarda frekans arttıkça faz hızı azalır, grup hızı faz hızından küçüktür. Anormal dispersiyonlu ortamlardaysa frekans arttıkça faz hızı artar ve grup hızı faz hızından büyüktür. Bu tür ortamlarda grup hızı ışık hızından büyük olabilir ya da negatif olabilir[11]. Born ve Wolf, bu olayın fiziksel bir anlamının olmadığını ileri sürmüşlerdir. Ancak fiziğin sonraki gelişimi bu yorumun doğru olmadığını ortaya koymuştur.

Nedensellik ilkesinin, anormal dispersif bir ortam için, bazı frekanslarda ışık hızından daha büyük grup hızları olmasını gerektirdiği gösterilmiştir[12]. Nedensellik ilkesinin korunması için ön cephe hızı ışık hızından küçük olmalıdır[13].

Işık üstü ve hatta negatif grup hızlarına daha önce de deneysel olarak ulaşılmıştır[14]. Bu olay "darbenin yeniden biçimlendirilmesinden" kaynaklanmaktadır: ortam gelen darbenin geç kısımlarını zayıflatmakta ve bu arada darbenin tepesi erken zamanlara kaymaktadır. Wang ve arkadaşlarının gerçekleştirdiği deney sırasındaysa ışık darbesinin şeklini koruduğu gösterilmiştir[15]. Dolayısıyla, söz konusu deney "darbenin yeniden biçimlendirilmesi" etkisiyle açıklanamamaktadır. Bu olayın mekanizması öncekilerden farklıdır.

Grup hızının ışık hızından büyük olmasının veya negatif olmasının sağduyuya aykırıymış gibi görünen bir sonucu vardır. Bu sonuç şöyle açıklanabilir: Işık hızının grup hızına oranı grup hızı indeksini verir. Grup hızının ışık hızından büyük olması grup hızı indeksinin 1`den küçük olmasına karşılık gelir. Grup hızının negatif olması grup hızı indeksinin de negatif olmasını gerektirir. İlk olarak serbest uzayda belli uzunlukta bir bölge düşünelim. Işık darbesinin bu bölgenin bir ucundan diğer ucuna gitmesi için gereken süre bölgenin uzunluğunun ışık hızına bölünmesiyle elde edilir. Şimdi aynı uzunlukta fakat grup hızı indeksi 1`den küçük olan bir ikinci ortam düşünelim. Işık darbesi aynı mesafeyi ikinci ortamda serbest uzaydakinden daha kısa zamanda kateder. Şimdi de grup hızı indeksinin negatif olduğu bir üçüncü ortam düşünelim. Bu tür bir ortamda ışık darbesi daha bölgenin bir ucundan girmeden diğer ucundan çıkıyormuş gibi görünür. Wang ve arkadaşları böylesi bir anormal dispersiyon ortamını sezyum atomları kullanarak gerçekleştirmişler ve grup hızı indeksini -310 olarak ölçmüşlerdir.

Son zamanlarda yayınlanan bir makalede, sinyal hızı konusunda bir çözüm önerilmektedir[16]. Bir sinyalin algılanabilmesi için, sinyalin gücü, aynı ortamdaki gürültünün gücünün belli bir katı olmalıdır. Sinyalin gücünün gürültünün gücüne oranına sinyal gürültü oranı denir. Adı geçen makalede, bir sinyalin geliş zamanı, sinyal gürültü oranının önceden belirlenen bir eşik değere ulaştığı an olarak tanımlanmaktadır. Darbenin kendisi boşluğa oranla hızlanmış olmakla birlikte, sinyalin geliş süresi uzamıştır. Sinyalin hızlanması sürecinde eklenen kuantum gürültüsü sinyalin algılanmasını geciktirmektedir.

Darbe, ışık hızından daha büyük bir grup hızıyla ilerlemekle birlikte, bu şekilde tanımlanan sinyal hızı ışık hızı ile sınırlıdır. Sinyal hızını sınırlayan fiziksel mekanizma kuantum dalgalanmasıdır. Darbenin hızlanmasını sağlayan aynı kazanç mekanizması, kuantum dalgalanmalarını da yükseltmekte ve ışık darbesinin taşıdığı sinyalin algılanması için gerekli sinyal gürültü oranını düşürmektedir.

Yine aynı makalede, ışık darbesi için farklı sinyal hızı tanımlarının bulunabileceğine değinilmekte ve bu tanımların sağlaması gereken koşullar belirtilmektedir. İlk koşul, bunun bir sinyalin algılanmasının pratik ve bilinen bir yolu olmasıdır. İkinci koşul, bu tanımın pratik olarak bilgi göndermenin en hızlı yolunu belirtmesidir.

Işık üstü hızlar ve yerelsiz (nonlocal) etkileşmeler tartışması oldukça eskilere uzanmaktadır. Einstein, "EPR Makalesi"nde, ışık üstü hızlara çıkılmasını gerektirdiğinden yerelsiz etkileşmelere karşı çıkmış ve kuantum mekaniksel betimlemenin tam olmadığını savunmuştur[17]. Adı geçen makalede kuantum mekaniksel betimlemenin tam olduğu önermesinin yerelsiz etkileşmeleri gerektirdiği bir düşüncel deneyle gösterilmiştir.

Bohm'un geliştirmiş olduğu kuantum mekaniği teorisi halihazırda determinist ve realist olan tek teoridir[18]. Ancak bu teorinin en büyük zayıflığı yerelsiz etkileşmeleri gerektirmesidir. Bohm ve Hiley yeni bir bütünsel evren anlayışı önermektedirler[19]. Bir sistemin parçaları arasındaki ilişki, tek başına, tüm parçaların gerçek uzaysal ilişkileriyle açıklanamaz. Temel gerçekliğin, bir sistemin önceden verili bir etkileşim içinde olan parçalarından oluştuğunu söylemek bütün kavramının, yalnızca, gerçekte parçaların davranışının belli yönlerine birlikte bakmanın bir yolu olduğunu iddia etmek ve bütün kavramına ikincil bir önem atfetmektir. Bohm ve Hiley'in önerdiği bütünde parçaların etkileşimi, yalnızca parçalar ve parçalar arasında önceden verili ilişkilerle değil, çok-cisimli dalga fonksiyonuyla belirlenir. Sistemin durumunu belirleyen çok-cisimli dalga fonksiyonu Schrödinger denklemine uyarak evrimleşir. Bu özellik ilkesel olarak tüm evrene uygulanabilir.

Bohm ve Hiley’e göre temel yasa evrenin tümünde geçerlidir. Ancak, yine bu yasaya göre, evren birbirinden görece bağımsız çok sayıda parçaya ayrılma eğilimindedir. Her parça yerelsiz olarak ilişkili alt birimlerden oluşturulabilir. Bu görece bağımsız parçalarda geleneksel deney yöntemleri geçerli olup rölativite ilkesi korunmaktadır[20].

Belirli bir gerçeklik alanının ötesinde rölativite teorisi ya da kuantum teorisi yanlış olabileceği gibi her iki teori de yanlış olabilir[21]. Bu iki teori, daha geniş bir gerçeklik alanında geçerli daha "derin" bir teorinin dar gerçeklik alanlarında geçerli özel durumları olabilir. Gerçekliğin belirli bir alanında geçerli olan bir teorinin, gerçekliğin her alanında geçerliymişcesine mutlaklaştırılması çok problemli bir yaklaşımdır.

Işık Hızının Aşılmasına Türkiye Solunun Tepkisinden Örnekler

Işık hızının aşıldığının basında yer almasının hemen ardından Türkiye solunda bazı tepkiler ortaya çıktı[22],[23]. Bu yazılarda, ışık hızının aşılmasının nedenselliği etkilemediği vurgulanıyordu. Söz konusu yazılarda, nedensellik vurgusu yerinde olmakla birlikte, konunun anlaşılmış olduğunu söylemek mümkün görünmüyor. Bunu yapacağımız alıntılarla göstermeye çalışacağız.

Birinci yazının ilk paragrafında, "… Einstein'ın … yöntemine saldırılar burjuva etik ve bilim anlayışının doruğunu oluşturuyor" deniliyor[24]. Bu cümleden, bir burjuva bilim olduğunu, bir de burjuva olmayan bilim (proleter bilim?) olduğunu ve Einstein'ın yönteminin burjuva olmayan bilim tarafında olduğunu öğreniyoruz.

Yine aynı yazıda, "Ve aynı zamanda Einstein hiçbir zaman özel koşullarda ışık hızı aşılamaz dememiştir. Einstein, aksine ışığın ve alt atomik parçacıkların özel koşullarda ışıktan daha hızlı hareket edebileceğini söylemektedir" deniyor ve daha ileri bir paragrafta şu değerlendirme ekleniyor: "Çürütülen Einstein teorisinde sorunun özü ışık hızının aşılıp aşılmaması değil, aşılmasının süreklilik taşıyıp taşımaması olgusudur." Makalenin yazarı rölativitenin r'sini bilmiyor. Rölativite hakkında devirmedik çam bırakmamış. Biraz fizik bilen, Einstein'ın kitaplarını anlayarak okumuş birinin bu yazıyı ciddiye alması mümkün değil. Einstein, ışığın ışıktan daha hızlı gidebileceğini söylemiş! Bu ne büyük iddia, ne büyük cüret! Bunu söylemek öncelikle rölativitenin mantığına aykırı. Ayrıca Einstein'a veya başka birine söylemediği şeyleri söyletmek çok yanlış. "Aşılmanın süreklilik taşıyıp taşımaması lafı" anlamsız bir laf. Yazar durumu idare etmeye çalışıyor.

Yine aynı paragrafta "[Einstein] zamanda geçmişe ve geleceğe yolculuk yapılamaz demektedir" deniliyor. Einstein bunu hangi makalesinde, hangi kitabında söylemiş? Yazar kendi fikirlerini Einstein'a söyletmeye devam ediyor. Özel rölativite teorisinin sonuçlarından biri "ikiz paradoksu" denilen olaydır. Buna göre zamanın yavaşlatılması yoluyla geleceğe kısmi yolculuk mümkündür.

Yine yazar, "Einstein özel ve genel izafiyet teorilerinin analizinde diyalektiğin bütün ilkelerini kullanmıştır" diyor. Nedense Türkiye solunda "diyalektik" çok sevilir. Diyalektik her derde devadır. Einstein diyalektiği kullanmışmış!

Ele alacağımız diğer makalenin yazarı, yazıya diyalektik materyalizm tekerlemesiyle başlıyor, felsefi gevelemelerle devam ediyor. Yazının bir yerinde, "Dünyayı açıklamakla yetinmeyip onu değiştirme gücüne de varan tek felsefe, diyalektik ve tarihi materyalizmdir. Bilimsel bir felsefeye sahip olmanın ve onu bir savaşım silahı olarak kullanmanın güncel önemi aynı zamanda buradan gelmektedir; ancak bu silahı kullanan bir parti sınıf, geleceğe umutla bakabilir" deniliyor[25]. Yazar, bize, diyalektik ve tarihsel materyalizmin bir felsefe olduğunu, bu felsefenin dünyayı açıklayabildiğini ve hatta değiştirebildiğini öğretiyor. Parti de bilimsel bir felsefe silahına sahip olarak başarıya ulaşabilirmiş! Ey yüce felsefe, sen nelere kadirsin!

Yazının ışık hızının aşılmasına karşı temel savunma mantığı, yazının kaleme alındığı tarihte, Wang ve diğerlerinin yazdığı makalenin henüz inceleniyor olmasına dayanıyor. Yazar büyük bir umutla deneyin yanlış çıkmasını ve makalenin reddedilmesini bekliyor. Böyle bir şey gerçekleşse yazarın hiçbir problemi kalmayacak. Bu durumda aynı yazarın Wang ve diğerlerinin makalesi Nature dergisinde yayınlandıktan sonra bir yazı daha kaleme alması beklenirdi.

Yazıdaki materyalizm savunusu yazının tek olumlu tarafı. Ancak bu da, o kadar laf salatası arasında güme gidiyor. Yazar ışık hızının aşılması konusundaki problemi anlamamış. Kuşkusuz yazı yazıldığında Wang ve diğerlerinin makalesi henüz basılmış değildi. Dolayısıyla yazardan bu beklenemez. Ama yazarımız rahat durmuyor, çok sabırsız. Rölativite hakkında bildiklerini sıralıyor. 'Bakın', diyor, 'ben neler biliyorum. Bunları bilen birinin ışık hızı hakkında söyledikleri de doğrudur. Bakmayın siz burjuva basına. Nedenselliğe bir şey olduğu yok.' Bu yazı talihsiz bir yazıdır. Yazar, anlamadığı bir konuda kalem oynatmakta, okuyucuyu sanki bir problem yokmuşcasına yanlış yönlendirmektedir.

Ortada bir problem varken, problemin varlığını ortaya koyup problemle yüzleşmek gerekiyor. Problemi yok saymak, problemin çevresinden dolaşmak gibi tutumlar kısa vadede çözüm gibi görünse de sağlıklı bir yaklaşım değil. Rölativite ve kuantum fiziği gibi özel bilim alanlarına ilişkin yazı kaleme alacak insanların fikir sahibi olmadan önce, biraz çaba gösterip konuyu öğrenmeleri bekleniyor.

 

 


[1] A. Einstein, L. Infeld, Fiziğin Evrimi, Çev.: Öner Ünalan, 2. baskı, Onur Yayınları, Ankara 1976, s. 134.

[2] L. J. Wang, A. Kuzmich, A. Dogariu, “Gain-assisted Superluminal Light Propagation”, Nature, vol. 406, 20 July 2000, ss. 277-279.

[3] A. Dogariu, A. Kuzmich, L. J. Wang, "Transparent anomalous dispersion and superluminal light-pulse propagation at a negative group velocity", Physical Review A, vol. 63, 2001, 053806.

[4] W. Heitmann, G. Nimtz, "On causality proofs of superluminal barrier traversal of frequency band limited wave packets", Physics Letters A, vol. 196, 1994, ss. 154-158.

[5] G. Diener, "Superluminal group velocities and information transfer", Physics Letters A, vol. 223, 1996, ss. 327-331.

[6] M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, Third Edition, Pergamon Press, Oxford 1965, s.11.

[7] M. W. Mitchell, R. Y. Chiao, "Causality and negative group delays in a simple bandpass amplifier", American Journal of Physics, vol. 66, 1998, ss. 14-19.

[8] W. Heitmann, G. Nimtz, a.g.e.

[9] M. W. Mitchell, R. Y. Chiao, a.g.e.

[10] M. Born, E. Wolf, a.g.e., s. 19.

[11] A.g.e., s. 23.

[12] E. L. Bolda, R. Y. Chiao, "Two theorems for the group velocity in dispersive media", Physical Review A, vol. 48, 1993, ss. 3890-3894.

[13] M. W. Mitchell, R. Y. Chiao, a.g.e.

[14] S. Chu, S. Wong, "Linear pulse propagation in an absorbing medium", Physical Review Letters, vol. 48, 1982, ss. 738-741.

[15] L. J. Wang, A. Kuzmich, A. Dogariu, a.g.e.

[16] A. Kuzmich, A. Dogariu, L. J. Wang, "Signal velocity, causality, and quantum noise in superluminal light pulse propagation", Physical Review Letters, vol. 86, 2001, ss. 3925-3929.

[17] A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, “Fiziksel Gerçekliğin Kuantum-Mekaniksel Betimlemesinin Tam Olduğu Düşünülebilir mi?”, Çev.: Sina Güneyli, Teori ve Politika 5, ss. 80-90.

[18] D. Z. Albert, “Kuantum Mekaniğine Bohm Alternatifi”, Çev.: Sina Güneyli, Teori ve Politika 2, ss. 97-113.

[19] D. Bohm, B. J. Hiley, The Undivided Universe: An Ontological Interpretation of Quantum Theory, Routledge, London 1993, s. 58.

[20] A. g. e., s. 59.

[21] A. g. e., s. 289.

[22] "Son Söz Geleceğindir", Yaşamda Perspektif, Ağustos 2000, s.11.

[23] "Işık Hızı, Zaman, Nedensellik, Görelilik Kuramı", Alınterimiz, Özel Sayı 133, Temmuz 2000.

[24] "Son Söz Geleceğindir", a.g.e.

[25] "Işık Hızı, Zaman, Nedensellik, Görelilik Kuramı", a.g.e.

Okunma 15699 kez

Yorum yapın

(*) ile işaretlenmiş zorunlu alanların tümünü doldurduğunuzdan emin olun. HTML kodları kullanılamaz.