Mikro Alemin Habercisi Işık

Işık asırlardır insanoğlu için büyük bir gizem kaynağıdır. Makrodünya dediğimiz büyük alemden haber verdiği gibi küçük ölçekli varlıkların dünyası olan mikroalemden de haber verir. Işığın yapısı nasıldır sorusu bilim adamlarını yüzyıllardır uğraştırdı.

Newton ışığın “corpuscle” adlı küçük parçacıklardan oluştuğunu düşünüyordu. Bu görüşe göre ışık küçük parçacıkların toplu hareketinden ibaretti. Bilim dünyası bir süre bu görüşün doğru olduğunu düşündü. Ancak beklenmeyen gelişmeler kapıdaydı.

İlerleyen yıllarda Thomas Young adlı bilim adamı ışığın ne olduğunun gizemini çözdüğünü düşünüyordu. Yaptığı deneylerle Christian Huygens’ın geliştirdiği ışığın dalga teorisine destek çıktı. Buna göre ışık parçacık değil bir tür dalga hareketiydi. Bir göle küçük bir taş attığınızda gölde su moleküllerinin düzgün bir titreşmesi olur ve bu titreşme neticesinde dalga hareketi oluşur. Buna göre ışık da göldeki dalgalara benzemeliydi. 1
 

Thomas Young yaptığı deneylerle ışığın dalga özelliği gösterdiğini ispatladı. Buna göre ışık gölde yayılan dalgalara benziyordu.

Göle taş attığınızda suda dalga hareketi olarak tabir edilen bir hareket görürsünüz. Bilim adamları, uzun bir süre ışığın da tıpkı su dalgası gibi, bir tür dalgadan ibaret olduğunu düşündüler.

Young’ın ışığın bir tür dalga olduğu görüşünü ispatlamak için kullandığı düzenek çift yarık deneyleri olarak bilinir. Bu deneylerde Young, ışığı bir perde üzerine düşürüyordu. Ancak perde ile ışık kaynağını birbirinden ayıran bir engel koydu. Bu engelde ise ışığın geçebileceği küçük yarıklar oluşturdu. Perde bu yarıklardan geçen ışıkla aydınlanıyordu. Yarıklar arasındaki mesafe belli bir uzunluktan küçük olunca benzersiz bir neticeye şahit oldu. Işık gölde yayılan iki dalganın birbiriyle karışmasında olduğu gibi birbirine karışıyordu. Neticede yarıklar perdede girişim denilen bir şeklin oluşmasına sebep oluyordu.

Yarıklar dalga hareketlerinin şekil değiştirip dairel dalgalar halinde yayılmasına sebep olurlar. Young deneylerinde bu tip yarıklar kullandı.

Farklı kaynaklardan çıkan dalgalar girişim adı verilen görüntülere sebep olurlar. Buna göre dalgalar, kimi yerlerde birbirine güç verirler, kimi yerlerde ise birbirlerinin etkilerini giderirler.

Thomas Young ışığın dalga karakterinde olduğunu göstermek için ilginç deneyler yapmıştır. Birbirine yakın iki yarığın olduğu bir engele ışık tutulduğunda, engelin arkasında bulunan perdede girişim saçağı denilen bir görüntü oluşur. Bu deneyle ışığın bir tür dalga olduğu görüşü ağırlık kazandı.

Böylelikle önce parçacık olduğu öne sürülen ışık için bu kez ışık dalgadır görüşü dile getirildi. Bu görüş bilim dünyasında giderek yaygınlaştı. İlerleyen yıllarda ise ışığın ne olduğu sorusu elektrik ve manyetik alanındaki gelişmelerle yeni bir boyut kazandı. James Clerk Maxwell ve Heinrich Hertz’in çalışmaları neticesinde ışığın aslında bir tür elektromanyetik dalga olduğu bulundu.   

Heinrich Hertz elektromanyetik kuramına yaptığı katkılarla bilinir. Çalışmaları ışığın da bir tür elektromanyetik dalga olduğu görüşünü güçlendirdi.

Işık ve Renkler

Günlük hayatta etrafımıza baktığımızda çeşit çeşit renkte ışık görürüz. Güneşin sarısı, denizden yansıyan mavi ışık, yanan ateşten gözümüze gelen kırmızı ışık arasında nasıl bir fark vardır? Farklı renkler aslında bir tür elektromanyetik dalga olan ışığın frekansındaki (yani saniyedeki titreşim sayısı) farklılıklardan ibarettir. Bu kuşkusuz büyük bir mucizedir. Yani aslında hiçbir rengin olmadığı bir dünyada yaşarız. Ne var ki, Allah bu renksiz dünyayı algımızda renklendirmiş ve hayatımıza olağanüstü zenginlik katmıştır.

Renkli bir dünyada yaşamak Allah’ın açık bir lütfudur. Normalde algımızın renksiz olması beklenirdi. Bizler elektromanyetik dalganın farklı frekanslarını (ya da dalgaboylarını) farklı renkler olarak algılarız. Dolayısıyla bu kitapta incelediğimiz diğer fiziksel kavramlar gibi aslında renk diye bir şey yoktur, yanlızca algımızda vardır.

Işığın İletimindeki Sır

İlerleyen yıllarda yapılan bazı deneyler ve teorik çalışmalar fizik dünyasında büyük şaşkınlığa sebep oldu. Işığın hareketini bir tür enerji transferi olarak düşünebiliriz. Ancak bu transfer ne şekilde olur? Işığı normal bir dalga gibi düşünen fizikçiler bunun nehrin akışı gibi sürekli bir biçimde olduğunu zannediyorlardı. Günlük hayattaki ışığa dair izlenimiz de bu yöndedir. Ancak gerçek sanıldığından daha farklıdır.

Enerji transferinin nasıl olabileceğine dair ilk ipucu termodinamikte kara cisim ışıması olarak bilinen o zaman için çözümü imkansız bir sorundan geldi. Bütün cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak ışıma yaparlar. Kara cisim adlı bir cismin ışıması ile ilgili teorik hesaplarda açıklanması imkansız sonuçlar çıkıyordu. Zamanın meşhur fizikçisi Lord Kelvin bu konunun fizikte cevap bekleyen son iki sorudan biri olduğunu söylüyordu. Ona göre sözkonusu iki sorunun cevaplanmasıyla fizik tamamlanmış olacaktı. Ne var ki bunlardan birinden görelilik diğerinden de kuantum fiziği doğacaktı.

19. yüzyılın sonlarında ve 20. Yüzyılın hemen başlarında fizikte çözümsüz halde duran iki büyük problemden biri karacisim ışıması olarak bilinir. Kara cisim üzerine düşen bütün ışımaları soğuran teorik bir cisim olarak bilinir. Bütün cisimler aynı zamanda dışarı ışıma da yaparlar. Örneğin közlenmiş kömürün gördüğünüz ışıması da bu tür bir ışımadır. Yapılan teorik hesaplamalar, kara cisim olarak adlandıran nesnelerin ışımalarının beklenen değerlerinin ölçülen değerlerinden çok farklı olduğunu gösterdi. Bu uzun süre çözümsüz bir problem olarak kaldı. Planck enerjinin sürekli olmayıp küçük paketçikler halinde yayıldığını ileri sürerek bu problemi çözdü. Bu keşif bilim tarihinin en önemli adımlarından biri oldu.

Meşhur Alman fizikçisi Max Planck, bilim dünyasının sıkıntısını çektiği bu problemin enerjinin küçük paketçikler halinde taşındığının kabul edilmesi halinde çözüleceğini farketti. Planck’ın bu adımı kuantum fiziğinin doğuşu olarak kabul edilir. Kuanta adını verdiği paketçikler, dalganın frekansına bağlı olarak farklı miktarda enerji değerlerine sahipler.

Meşhur Alman fizikçi Max Planck’dan önce bilim adamları enerjinin bir nehrin akışı gibi süreklilik arz ettiğini düşünüyorlardı. Planck ilk defa enerjinin “kuanta” adını verdiği paketçikler halinde taşınabileceğini gösterdi. Bunun kabul edilmesi ile fizikte çözümsüz görünen pek çok problemin sırrı anlaşıldı. Planck’ın bu çalışması kuantum fiziğinin başlangıcı kabul edilir.

Işıktaki enerji transferinin de bir nehrin suyunun taşınması gibi sürekli olduğu zannediliyordu.  Bu yanlış varsayım yüzünden karacisim ışıması ve fotoelektrik efekt adlı fiziksel deneylerin açıklanması mümkün olmuyordu. Bu varsayımın terkedilmesi de kuantum fiziğinin doğmasına sebep oldu.

Max Planck’ın öne sürdüğü kuanta kavramını Einstein ışık için kullandı. Böylece ışığın foton adını verdiği küçük enerji paketçikleri yoluyla taşındığını öne sürdü. Bunu kullanarak Fotoelektrik Efekt adlı deneyleri mükemmel bir doğrulukla açıkladı.

Fotoelektrik Efekt Deneyleri

Fotoelektrik Efekt Deneyleri ışığın parçacık özelliğinin kanıtı olarak gösterilir. Bu deneylerde bir metal plakaya değişik frekanslarda elektromanyetik dalgalar düşürülerek elektronların kopması sağlanır. Metal plakadan kopan elektronlar karşıda bulunan bir başka plakaya ulaşırlar. Bu iki plaka ayrıca bir elektrik devresi ile birbirine bağlıdır. Kopup karşı plakaya geçen elektronlar, elektrik devresi yoluyla tekrar önceki plakaya gelirler. Fizikçiler bu sayede oluşan elektrik akımını incelediler. Oluşan akımın detaylı analizleri ışığın klasik dalga anlayışının doğru olmadığını gösteriyordu.

Planck enerji iletiminin kuanta denilen enerji paketçikleri yoluyla olduğunu söylüyordu. Bu düşünce kuantum fiziğinin temelini oluşturdu.

Einstein, Planck’ın fizik dünyasına tanıştırdığı kuanta kavramını kullanarak foton dediği ışık parçacıkları ile deney sonuçlarını mükemmel bir şekilde açıkladı. Neticede fotoelektrik efekt deneyleri ışığın parçacık özelliği gösterdiğini ortaya koyuyordu. Daha sonra 1923 yılında, Arthur H. Compton yüksek enerjili fotonların elektronların saçılmasına sebep olduğunu göstererek ışığın parçacık özelliği de gösterdiğini kesin olarak ispatladı. 2 , 3 , 4 Işığa bir tür dalgadır demek doğru bir cevap olmuyordu. Aynı şekilde ışık sadece bir tür parçacık demek de doğru değildi.

Fotoelektrik Efekt Deneyleri ışığın parçacık özelliğinin kanıtı olarak gösterilir. Bir metal plakaya değişik frekanslarda elektromanyetik dalgalar düşürülerek elektronların kopması sağlanır. Metal plakadan kopan elektronlar karşı plakaya giderler. Bu iki plaka ayrıca bir elektrik devresi ile birbirine bağlıdır. Kopup karşı plakaya geçen elektronlar, bu devre yoluyla tekrar önceki plakaya gelirler. Oluşan elektrik akımının şiddeti ışığın yapısı hakkında fikir verir.

Burada kısaca gördüğümüz gibi ışığın ne olduğu sorusu bilim adamlarını yüzyıllar boyunca cevabını aradığı ve hayretler içinde bıraktığı bir soru olmuştur. Bu konuda otorite olan Richard Feynman araştırmaların tarihini şu şekilde özetler:
Işık teorisinin tarihçesi ile başlayalım. Önceleri ışığın yağmur gibi, tüfekten atılan mermiler gibi, bir parçacıklar, tanecikler sağanağına benzer şekilde davrandığı varsayılıyordu. Daha ileri araştırmalar sonucu bunun doğru olmadığı, ışığın gerçekte dalga gibi, örneğin sudaki dalgalar gibi davrandığı ortaya çıktı. Sonra, 20 yüzyılda yeni araştırmalar, ışığın birçok yönden gerçekten parçacıklar gibi davrandığı izlenimini uyandırdı. Foto-elektrik etkilerle bu parçacıklar sayılabiliyordu; şimdi onlara foton deniliyor. 5

Işığın foton adlı parçacıklar yoluyla ilerlemesinin çok ilginç neticeleri vardır. Günlük hayatta farkedemezsek de aslında ışık tıpkı yağmur tanelerinin yeryüzüne düşüşü gibi yayılır. Işığın bu özelliği Richard Feynman tarafından şu şekilde ifade edilir:
Newton ışığın parçacıklardan oluştuğunu düşünmüş ve bunlara “cisimcik (korpüskül)” adını vermişti. Bunda haklıydı (ama bu sonuca vardıran akıl yürütmesinde hatalıydı). Işığın parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz; çünkü üzerine ışık düştüğünde tıkırdayan, çok duyarlı bir aygıt kullanırsak görürüz ki ışık zayıfladığında her tıkırtının sesi hala aynı şiddetle çıkmakta, yalnızca aralıkları uzamaktadır. Demek ki ışık yağmur damlalarına benzer – her bir küçük ışık topağına bir foton denir – ve ışığın hepsi aynı renkteyse “yağmur damlalarının” hepsi aynı boydadır. 6
Işık yağmur taneleri gibi yayılır ama bizim algıladığımız dünya pürüzsüz, pırıl pırıldır. Bu derece güzel bir görüntü ile karşılaşmamız gerekirdi. Olması gereken ışığın yapısına uygun titreşimle dolu görüntü kümeleri olmalıydı. Allah’dan bir rahmet olmak üzere bize izlettirilen algı, yağmur görüntüsünden arındırılmış ve ışıl ışıldır.

Normalde etrafımızı adeta sürekli bir yağmur görüntüsü gibi titreşimli görmemiz gerekirdi. Çünkü ışık foton adı verilen parçacıklarla yayılır. Halbuki Allah bize ışığı pırıl pırıl ve pürüzsüz gösterir. Bu, Allah’ın bizim için sunduğu konforlardan biridir. Nitekim bu konu hakkında Feynman şu tespiti yapar: “ ... on kat daha duyarlı görebilseydik, bu konu hakkında konuşmamız gereksiz olacaktı: hepimiz tek renkli çok zayıf bir ışığı eşit şiddetle yanıp sönen küçük ışıltılar halinde görecektik.” 7 Kuşkusuz böyle bir dünya bizim için yaşaması hoş olmazdı.

Işığın Yapısı Atomdaki Süreksizliği Gösterir

Modern fiziğin en ilginç yanlarından biri, mikrodünyada çoğu fiziksel nitelik için belli değerlerin olduğunun görülmesi ile ortaya çıkmıştır. Bununla ilgili ilginç örneklerden biri atomun yaptığı ışıma ile ilgilidir. 20. Yüzyılın başlarında yapılan deneyler atomun da bir tür lamba özelliği gösterdiğini ortaya koymuştur. Lambalar ışığı düzenli bir şekilde yayarlar. Ancak atomlar ışığı özel şartlarda yayarlar. 17. Yüzyılda, Newton güneş ışığını bir prizmadan geçirerek güneş ışığının farklı ışıkların bir tür karışımı olduğunu keşfetti. Benzer şekilde, fizikçiler atomdan gelen ışığı incelediklerinde çok ilginç bir gerçekle karşılaştılar. Buna göre atomdan yayılan ışık belli dalgaboylarından oluşuyordu. Atomdan neden böyle kesikli dalgaboylarının yayıldığı fizikçiler için çözümü zor bir problem oldu. Klasik düşünce biçimleri bunu açıklamada yetersiz kaldı. Niels Bohr problemin çözümüne yönelik klasik dünya görüşüne dayalı en ileri modeli öne sürse de bu da bir yerden sonra yetersiz kaldı. Yeni fizik, materyalist düşünce şekillerinden esinlenen bütün görüşleri zorla bilimin dışına itiyordu.

Newton ışığı bir prizmaya tutarak inceledi. Bunun neticesinde beyaz ışığın aslında farklı tipte dalgaların karışımı olduğunu buldu. Günümüzde de spektrografi adlı bir yöntemle atomlardan gelen ışık incelenir. Bu ışığın dalgaboyları incelenerek atom hakkında fikir sahibi olunmaya çalışılır. Örneğin milyonlarca ışık yılı uzaklığındaki yıldızlardan gelen fotonlar incelenerek yıldızların üzerinde hangi elementleri barındırdığı anlaşılır. Kuantum fiziğinin çıkışında ışığın incelenmesiyle elde edilen veriler çok önemli bir yer tutmuştur.

Spektrum olarak adlandırılan grafik, atomdan yayılan ışığın dalgaboyları incelenerek elde edilir. Bu resimde hidrojen atomunun yaydığı dalgaların dalgaboyları görülmektedir. Atom ve molekül düzeyinde yapılan incelemeler bunlardan yansıyan ışığın dalgaboylarının belli değerler aldığını gösterdi. Bu süreksizlik atom fiziğinin temel çıkış noktası oldu. Kuantum fiziği bu süreksizlikleri mükemmel bir şekilde açıkladı. Klasik fiziğe dayanan modeller ise -bir yerden sonra- bu kesikli çizgileri açıklamada yetersiz kaldı.

Atom bir tür küçük anten gibi çalışır. 8 Belli frekanslardaki ışığı yakalayıp, aynı frekanslarda da ışık yayabilir. Her atomun bu üstün özellikle yaratılması açık bir yaratılış mucizesidir.

Stern-Gerlach Deneyi ve Atomun Süreksizliği

Atomdaki süreksiz yapıyla ilgili bir ilginç deney de 1922 yılında Stern ve Gerlach tarafından gerçekleştirildi. Bu deneyde bir kaynaktan çıkan elektron demeti manyetik bir alandan geçirildi. Bu deneyin neticesinde elektronların belirgin bir şekilde ikiye ayrıldığı görüldü. Halbuki klasik bakış açısından bu tür belirgin iki yol beklenmiyordu. 9 Bu durum bir sınıftaki öğrencilerin boylarını ölçtüğümüzde yalnızca iki tip boy uzunluğu olduğunun görülmesine benzer.

Stern Gerlach deneyinde elektronlar bir mayetik alandan geçirildi. Bunun neticesinde her elektronun 2 yoldan ancak biri seçebileceği görüldü. Klasik bakış açısında is elektronların sırf bu iki yoldan değil sürekli bir aralıkta pek çok yoldan gitmeleri beklenirdi.

Stern-Gerlach deneyinin neticesi. Stern-Gerlach deneyindeki elektronlar manyetik bir alan uygulandığında elektronların iki farklı yoldan birini seçmeleri ile neticelendi. Soldaki resim manyetik alan olmadan elektron demetinin izini gösterirken sağdaki resim ise manyetik alan neticesinde gözlemlenen izi göstermektedir.

Atomların dünyasında belli değerlerin oluşuna Kuran’da da işaret edilir. Bir ayette Allah, "... her şeyi yaratmış, ona bir düzen vermiş, belli bir ölçüyle takdir etmiştir. " buyurmaktadır. (Furkan Suresi, 2)

Kuantum fiziğinin en ilgi çeken yanlarından biri, Allah’ın belli ölçüyle takdir ettiği şeyleri, bizi de şahit etmesidir. Örneğin, atomlardan yayılan fotonların frekansları belli değerler alabilir, elektronların enerjileri belli değerler olabilir, açısal momentleri gibi çeşitli fiziksel özellikleri belli değerler olabilir. Bu kesikli hal, yeni fiziğin temel bir özelliğidir.  

Fizik tarihini incelediğimizde ışık için başta parçacık dendiğini gördük. Sonra fizikçiler ışığın dalga özelliği yönündeki delilleri görmelerinin ardından ışığın bir tür dalga olduğunu söylediler. Daha sonra bu dalganın bir tür elektromanyetik dalga olduğu anlaşıldı. Planck’ın keşfi ile bu dalgaların belli enerji paketçikleri yoluyla taşındığı görüldü ve son olarak da atomdan yayılan ışınlar incelenerek bu ışının belli dalgaboylarından oluştuğu ortaya çıktı. Ancak özellikle bir deney vardı ki bütün bilim dünyasının kafasını karıştırdı. Işığın ne olduğu sorusu o tarihten itibaren yerini çok ilginç bir cevaba bırakacaktı.

Bu deneye göre ışığın hem dalga özelliği gösterdiği hem de parçacık özelliği gösterdiği durumlar vardı. Bu, fizikçileri hayrete düşüren bir konu oldu. Kuantum fiziğinin barındırdığı pek çok gizem, meşhur çift yarık deneyini daha yakından tanımakla daha iyi anlaşılır. Bu deney fizikçilerce o kadar önemsenmektedir ki bu deneye daha yakından bakmak, deneyin batıl felsefeleri nasıl geçersiz kıldığını anlamak açısından faydalı olacaktır.

Kaynak: