Işık hızını nasıl ölçtük?
Işık sonsuz hızlı mı?
Lambayı yakarsın ve bütün oda bir anda aydınlanır. İnsanlar uzun süre ışığın hiçbir yere gitmediğini, her yerde aynı anda var olduğunu düşündü. Işığın bir yere gidip gitmediği nasıl ölçülür?
Fenerlerle deney
Galileo bunu fenerlerle denedi: Birbirinden yaklaşık bir kilometre uzaktaki tepelerde iki kişi. Biri fenerinin örtüsünü açar, diğeri bunu görür görmez kendi fenerini açar. Ama Galileo yalnızca insanların tepki vermesinin ne kadar sürdüğünü ölçtü, çünkü ışık bu iki kilometreyi gidiş dönüş saniyenin milyonda yedisi kadar bir sürede alır.
Gökyüzünde bir saat
Gökyüzünde hem uzun bir yol hem de bir saat vardı. Jüpiter’in uydusu Io, gezegenin çevresini her 42,5 saatte bir dolanır ve her seferinde bir süre onun gölgesinde kaybolur. Bu tutulmalar düzenli aralıklarla olur ve önceden hesaplanabilir.
Saat geri kalıyor
Danimarkalı astronom Ole Rømer 1676’da Io’nun tutulmalarının her zaman vaktinde olmadığını fark etti. Dünya Jüpiter’e en yakınken tutulmalar tam hesaplanan zamanda olur, ama Dünya uzaklaştıkça gitgide gecikir. Dünya’nın yörüngesinin karşı tarafında gecikme yaklaşık 17 dakikadır.
Işık Dünya’nın yörüngesini boydan boya geçer
Rømer nedenini anladı: Işığın Io’dan bize gelmesi biraz zaman alır. Yörüngenin karşı tarafında ışık, ek olarak yörüngenin bütün çapını, yaklaşık 300 milyon kilometreyi geçmek zorundadır. Rømer bunun 22 dakika sürdüğünü tahmin etti; bugün yaklaşık 17 dakika, yani aşağı yukarı 1.000 saniye sürdüğünü biliyoruz. Demek ki ışık saniyede yaklaşık 300.000 kilometre yol alır.
Dişli çark
Işık hızını Dünya üzerinde ilk ölçen, 1849’da Hippolyte Fizeau oldu. Bir lambanın ışığını dişli bir çarkın dişleri arasındaki boşluktan 8,6 kilometre uzaktaki bir aynaya gönderdi. Ayna ışığı geri yansıttı ve ışık aynı boşluktan geçip göze döndü. Ama bundan ışığın ne kadar hızlı gittiği nasıl anlaşılır?
Çark dönünce
Sonra çarkı döndürdü. Çark yavaş döndüğü sürece, ışık geri gelene kadar ancak biraz ilerliyor ve ışık aynı boşluktan geri geçiyordu. Fizeau çarkı hızlandırdıkça geri dönen ışık dişin kenarına gitgide daha çok çarptı ve zayıfladı. Saniyede 12 buçuk turda ışık tamamen kayboldu: Çark bu arada tam bir diş ilerlemişti ve ışık boşluk yerine dişe çarpıyordu. Çarkın bir diş ilerlemesi saniyenin 18.000’de biri kadar sürüyordu ve ışık bu sürede gidiş dönüş 17 kilometre yol alıyordu. Demek ki ışık saniyede yaklaşık 310.000 kilometre gider.
Kendin kontrol et
Mikrodalgalar da ışıktır, yalnızca onları göremeyiz. Mikrodalga fırının döner tabağını çıkar ve içinde bir tablet çikolatayı 20 saniye ısıt. Mikrodalgalar fırının duvarlarından yansır ve birbirinden tam yarım dalga uzaktaki noktaları en çok ısıtır: Çikolata yaklaşık her 6 santimetrede bir erir, yani bütün bir dalga 12 cm’dir. Bir dalganın hızı, uzunluğu çarpı saniyedeki titreşim sayısıdır; bu sayı da fırının etiketinde yazar: 2.450 MHz, yani 2,45 milyar. 12 cm × 2,45 milyar, saniyede yaklaşık 300.000 kilometre eder.
Bugün durum ne?
1970’lerde ışık hızı bir lazerle ve çikolatadakiyle aynı formülle ölçüldü: dalga boyu çarpı titreşim sayısı. Sonuç saniyede 299.792.458 metre çıktı ve 1983’ten beri bu sayı sabitlenmiştir; metrenin uzunluğu bile ona göre belirlenir. Bu yüzden bugün ışık hızını ölçmüyoruz, onunla ölçüyoruz: Astronotların Ay’a bıraktığı aynalardan yansıyan bir lazer ışını gidiş dönüş 2,5 saniye sürer ve buradan Ay’ın ne kadar uzakta olduğunu santimetresine kadar biliriz.
Peki onu nasıl ölçtük?
Işık o kadar hızlı ki onu ölçmek için devasa bir mesafe ya da çok hassas bir saat gerekir. Rømer Dünya’nın yörüngesini, saat olarak da Io’nun tutulmalarını kullandı; Fizeau 17 kilometreyi, saat olarak da hızla dönen bir çarkı. İkisi de ışığın inanılmaz ama sonlu bir hızla gittiğini gösterdi.