Popüler BilimAstronomiEvrenFizikGeometri

Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Süperlüminal hareket en kaba tabiriyle ışıktan hızlı gerçekleşen ya da gerçekleştiği görülen olayları tanımlamak için kullanılan bir ifadedir (faster than light – FTL). Birçok kişi bu noktada itiraz edip “Hiçbir şey ışıktan hızlı hareket edemez!” diyebilir, lakin burada bahsedilen durumlar, ne Einstein’ın özel göreliliğini ihlal etmekte ne de herhangi başka bir fizik yasasına takılmaktadır.

Süperlüminal Hareket (Işıktan Hızlı Hareket) Nedir?

Süperlüminal hareket (superluminal motion) literatürde birkaç farklı başlıkta karşımıza çıkıyor. Öncelikle bunların ayrımını yapmak, sonra her birinin ne olduğuna odaklanmak önemli. İlk anlaşılması gereken nokta, “ışık hızı aşılamaz” ifadesiyle verilmek istenilenin, “ışığın boşluktaki hızı” olduğudur. Işığın farklı ortamlarda (örneğin suda) ölçülen hızı bu değerden kayda değer miktarda daha düşüktür. Böyle bir ortamda başka bir parçacık, ışığın o ortamdaki hızını geçebilir ve bu olduğunda Cherenkov ışıması ortaya çıkar. Bu, nükleer reaktörlerde sık rastlanan ve su altı nötrino dedektörlerinin (water Cherenkov detector) de temel çalışma prensibini oluşturan bir olaydır.

O halde ilk durumu, ışık hızının boşluktaki hızından yavaş ama içinde bulunduğu ortamdaki hızından hızlı hareket edilmesi durumu olarak açıklayabiliriz.

Bu durum, ışıktan hızlı hareketin kendisi kadar etkileyici görünmese de bunun gerçekleştiği ortamlarda özel ve algı dışı bazı olaylar gerçekleşir [2]. Bunların detayına girmeden önce, ışıktan hızlı hareketin diğer durumlarını ele almakta yarar var.

Işık Hızından Hızlı Giden “Şeyler”

Bazı “şeyler” ışığın boşluktaki hızından da hızlı hareket edebilir ve bunu engelleyen hiçbir fizik yasası yoktur. Örneğin bir lazer noktası. Eğer elimize bir lazer işaretleyici (laser pointer) alır ve bileğimizi döndürerek duvarda lazeri gezdirirsek, bir “noktanın” hareketini görürüz. Burada bileğin dönüş açısı sabittir ve belirli bir sürede hareketini tamamlar. Öyle ki, eğer duvarı yeteri kadar öteye götürecek olursak, lazer noktası bu sefer daha uzun bir mesafeyi aynı sürede tarayacaktır, dolayısıyla noktanın hızı artacaktır. Eğer duvarı yeterince uzağa taşırsak, elimizle yaptığımız tarama hareketi sonucunda o lazer noktasının duvardaki hızı, ışık hızının boşluktaki hızına eşit olur. Daha ötesinde de bu hızı geçer.

superluminal hareket Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket
Görsel: SixtySymbols, Youtube, “Superluminal Speeds (faster than light)”

Bu durum herhangi bir yasayı ihlal etmez, çünkü aslında lazer noktası fiziksel bir nesne değildir ve bir bilgi taşımaz. Buradaki “bilgi” ifadesi önemlidir ve özetle şunu söyler: Bunu kullanarak bir takım hileli yöntemlerle ışık hızından hızlı iletişim kurmanız mümkün değildir. Lazer noktası olarak yorumladığımız şey, aslında her an o yüzeyin farklı bir noktasına çarpan farklı fotonlardır. Bunu biz “gezen bir nokta” olarak yorumlarız, ama aslında gezen bir şey yoktur.

Birçok kişi bu noktada tatmin olmaz. Hiç kuşkusuz ışık hızının kendisini, fiziksel bir nesneyle (örneğin bir uzay aracıyla) aşmanın vereceği tatmin duygusu burada yoktur. Lakin bilime bu kadar faydacı bir gözle bakmamak gerektiğinin altını çizmek gerek. Aksi takdirde hastalıklar mevcutken neden tüm bilim insanlarının biyolog değil de bazılarının astronom olduğunu sorgulamak gibi hatalı sonuçlanabilecek girişimlere düşebiliriz.

Elbette bu keşfin önemli sonuçları vardır, bunun için olayı “lazer noktası” örneğinden daha genel bir duruma genişletmeliyiz. Peki bunlar ne olabilir? Gölgemiz olabilir mi? Pekala olabilir çünkü o da aslında fiziksel bir nesne değildir. Sadece ışığın daha az düştüğü (ya da hiç düşmediği) bölgeler, düşen bölgelere göre bir kontrast oluşturur, biz de onu bir gölge olarak algılar, tanımlarız. Eğer uygun bir düzenek kurarsak, gölgemizi çok uzaklara kadar götürebilir ve ışıktan hızlı hareket ettirebiliriz. Yine altını çizmekte fayda var ki burada bahsettiğimiz hareket kavramı, bir parçacığın hareketinden algısal olarak biraz farklı. Çünkü gerçekte konumunu değiştiren bir şey yok. Bu sadece optik bir etki.

Öyleyse süperlüminal hareketin ikinci bir durumu, gerçekten de ışıktan hızlı (ışığın boşluktaki hızından hızlı) hareket eden ama fiziksel olmayan bazı şeyleri tanımlar.

Lazer noktası ve gölge… Örnekler çoğaldıkça aslında ne tür bir durumdan bahsetmeye çalıştığımız, zihinlerimizde bir kavramın doğmaya başlamasına yardımcı oluyor. Fakat iki örnek, bir genellemeye varabilmek için çoğu durumda pek yeterli değildir. Bazen elde daha fazla örnek olmadığı için yapacak bir şey yoktur, ama bizim değinebileceğimiz bir örnek daha var: Işık ekosu.

Işık Ekosu (Light Echo)

Işık ekosu, uzak bir cisimden ışık yayılması sonucunda, çevresindeki aydınlattığı ortamdan yansıyan ışığın, gözlemciye farklı zamanlarda (gecikmeyle) ulaşması sonucunda oluşan bir etkidir. Özetle mesafe farklarından ötürü aslında aynı anda aydınlanan iki noktayı, farklı zamanlarda gördüğümüz için, farklı hızlarda algılarız. Bu durum optik bir fenomendir ve bu tür gözlemlerde ışık hızını geçen hiçbir şey olmamasına rağmen, ışıktan hızlıymış gibi görünebilir.

Astronomide bu tür gözlemler yapılmış ve halen daha yapılmaktadır. Yapılan gözleme göre aslında ölçülen değer, ışık hızının 10 katlarına kadar erişebilen hızlarda hareketin gerçekleştiğidir. Elbette aklı selim hiçbir fizikçi, böyle bir gözlemin peşine hemen, ışık hızının aşılabileceği düşüncesine kapılmaz. Ya gözlemsel bir hata aranır ya da başka bir açıklama. Bu noktada da konuyu açıklığa kavuşturan açıklama, ışık ekosudur ve aslında oldukça basit bir izahı bulunur.

En yaygın olarak bilinen örnek V838 Monocerotis’i ele alabiliriz. Bu aslında bir değişen yıldızdır ve 2002 yılında “patlama” benzeri bir olay geçirmiştir. Gözlenen olay, bir parlamanın ardından dışarıya doğru genişleyen bir bulutsu yapısıdır. Fakat ölçüldüğünde bu genişlemenin yalnızca bir ay gibi bir sürede 4-7 ışık yılı kadar genişlediği bulunmuştur ki bu ışık hızının ziyadesiyle üstündedir.

v838 monocerotis Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket
V838 Monocerotis ve zaman içerisindeki görsel değişimi. Görsel: NASA, ESA, H. E. Bond ve The Hubble Heritage Team

İlk akla gelen şey bunun bir süpernova patlaması olup, dışarıya materyal fırlattığı olsa da hiçbir fiziksel cismin bu hızlara ulaşamayacağını biliyoruz. Aynı zamanda bunun bir süpernova patlaması olmadığını da, süpernovaların bizlere gösterdiği spektral kimliklerinden anlayabiliyoruz. Sonraları anlaşılıyor ki değişen yıldız bir takım astrofiziksel süreçler sonrasında (belki de bir birleşme sonrasında) bir anlık parlaklığında bir artış göstermiş. Bu ani artış tıpkı bir flaşın patlaması gibi, etrafında daha önceden de var olan ama yeterli ışık olmadığı için görülemeyen materyali aydınlatarak ilerlemiş. Yani aslında orada ışıktan hızlı yayılan bir bulutsu yok, tam aksine bulutsu daha önceden de oradaydı, ama ilk defa bu ışık dalgasıyla aydınlatıldı.

Işık dalgasının bu ilerleyişi tam olarak aradığımız ışık ekosunun oluşmasına neden olur. Tek bir noktadan yayılan ışık, küresel olarak çevresindeki materyali aydınlatır. Bu hayali kürenin yüzeyindeki her nokta aynı anda aydınlanır. Fakat kürenin bir tarafı bize daha yakınken, diğer noktaları daha uzaktadır. Dolayısıyla yakın olan noktalardan bize ışık daha erken ulaşır. Uzak ucunu gördüğümüzde ise yakındaki kısmı epey bir ilerleme kaydetmiştir. Bu nedenle yakın uçlarda ölçülen hız, ışık hızından hızlı gibi algılanır.

Bu durumu cümlelerden sezgisel olarak anlamak bana kalırsa ezbere kaçmak oluyor. O nedenle bunun basit geometrik ispatını, her ne kadar anlamış olabileceğinizi düşünüyor olsanız da aşağıdaki ileri okuma başlığından muhakkak incelemenizi öneriyorum.

Öyleyse süperlüminal hareketin üçüncü bir durumu, aslında ışıktan hızlı olmayan fakat öyleymiş gibi görünen olayları içerir.

Toparlamak gerekirse süperlüminal hareket (ışıktan hızlı hareket) üç alt başlıkta toparlanabilir:

  1. Işığın boşluktaki hızından yavaş, lakin içerisinde bulunduğu ortamdaki hızından hızlı hareket edilmesi durumu (Cherenkov ışımasının gerçekleşmesi).
  2. Gerçekten de ışık hızının boşluktaki hızından hızlı bir hareketin gerçekleşmesi, lakin bunu gerçekleştirenin bir fiziksel nesne olmayışı (lazer noktası, gölge vb.) nedeniyle, klasik hareket kavramından farklı olması.
  3. Özellikle ışık hızına yakın hızlarda (relativistik hızlarda) gözlemciye bağlı olarak hareketin ışıktan hızlı görünmesi/ölçülmesi (ama aslında öyle olmaması).

Dipnot: Belirtmekte fayda var ki burada süperlüminal hareket ile (ışıktan hızlı hareket ile) yalnızca, şu ana kadar gözlemi yapılmış ve doğruluğu bilinen olayları listeliyoruz. Bunun dışında takyonlar ve warp drive gibi teorik konular bulunsa da bu konuları bu makalenin dışında tutuyoruz.

İleri Okuma

Özellikle astronomik açıdan ele aldığımızda, bazı gök cisimleri ışık hızına çok yakın hızlarda (relativistik hızlarda) gerçekleşen bazı olaylar sergiler. Bunlardan birisi de relativistik jetlerdir. Bunlar kara delik gibi kompakt cisimler aracılığıyla iyonlaştırılmış maddeler ışık hızına yakın hızlara ivmelendirilirler. Genelde bu tür gözlemler aktif galaksi çekirdekleri (AGN) olan kuazar gibi gök cisimlerinde gözlenir.

Bu tür bir jet atımının geometrik modellemesini yapıp, gözlenen hızının ne olacağını inceleyebiliriz. Aşağıdaki görselde A noktası jet atımının gerçekleştiği gök cismini, AB doğrusu jetin kendisini, O noktası ise gözlemciyi ifade ediyor.

superluminal hareket isik hizindan hizli hareket ispati
Görsel: Khan Muhammad Bin Asad, Wikipedia, “Superluminal motion”

Bu tür gök cisimleri çok uzakta yer alırlar ve boyutları, uzaklıklarıyla kıyaslandığında çok küçük kalır. Bir başka deyişle bu jet atımı, gökyüzünde çok küçük bir açıya karşılık gelir. Dolayısıyla gözlemcinin gördüğü phi (ϕ) açısı (BOC açısı) için küçük açı yaklaşımı yapılarak, işleri basitleştirmek adına OB=OC kabul edilebilir. Buna DL mesafesi diyelim.

BAC açısı olan theta (θ) açısı olsun. Bu durumda C noktası bir dikmeyi tanımlasın ve basit dik üçgen yaklaşımı yaparak AB, BC ve AC mesafelerini aşağıdaki şekilde tanımlayalım. Burada v jetin hızıdır ve relativistiktir, yani ışığın boşluktaki hızına yakın ama ondan düşüktür. δt ise jetin A noktasından B noktasına gidiş süresidir. Bu durumda klasik X=V.t eşitliğinden;

superluminal 1 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

olur. O halde kosinüs ve sinüs ifadelerini bir dik üçgende kullanırsak AC ve BC ifadeleri de;

superluminal 2 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

olacaktır. Şimdi jetin t1 zamanında A noktasından yola çıktığını ve t2 zamanında B noktasına vardığını düşünelim. Bu durumda δt=t2-t1 olur.

İkinci bir zaman tanımı yapıp A noktasından çıkan ışığın gözlemciye ulaşma süresine t1‘ ve B noktasından çıkan ışığın gözlemciye ulaşma süresine de t2‘ diyelim. Bu durumda bu süreler, jetin bu noktalarda görünme (ulaşma) süreleri artı, ışığın o noktadan gözlemciye ulaşma süresidir.

superluminal 4 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Bu durumda gözlemciye A noktasından ulaşan ışık ile B noktasından ulaşan ışık arasındaki zaman farkını aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz. Bunu neden tanımladığımızı ve hesabın ne amaçla yapıldığını anlamanız önemli. Bu zaman farkı, gözlemcinin ölçtüğü, jetin A’dan B’ye gidiş süresidir. Altını çizmekte yarar var, gözlemcinin gördüğü gidiş süresi.

superluminal 6 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Böylelikle iki süre – gözlenen ve gerçek A’dan B’ye varış süresi – arasındaki ilişki aşağıdaki gibi olur. Burada beta (β), v/c’dir.

superluminal 7 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Şimdi gözlenen yanal hızı bulmak için elimizde zamanlar olduğuna göre, yanal mesafeye bakalım. Hiç kuşkusuz gözlemcinin gördüğü hareket BC doğrusu boyuncadır, çünkü bakarken üç boyutu değil iki boyuttaki izdüşümünü görürüz. Bu durumda BC için iki ayrı üçgen kullanılarak iki ayrı eşitlik yazılırsa aşağıdaki denklem elde edilir.

superluminal 8 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Bunu BC boyunca geçen süre olan δt ifadesine bölecek olursak BC boyunca görünen yanal hız (apparent transverse velocity) ifadesini buluruz. Işık hızıyla kıyaslama yapabilmek için ifadeyi c’ye bölüp, ışık hızı biriminden bir hız ifadesine dönüştürebiliriz.

superluminal 9 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Burada β ifadesinin ışığın boşluktaki hızından (c’den) küçük olduğuna dikkat edin. Jetin kendisi bu hızı aşmıyor, yani 0<β<1. Burada βT ifadesinin hangi theta (θ) açısında maksimum yaptığını bulmak için ilgili türevini sıfıra eşitleriz.

superluminal 10 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

Dolayısıyla bir başka deyişle,

superluminal 11 Süperlüminal Hareket: Işıktan Hızlı Hareket

olur. Burada γ ifadesinin özel görelilikteki Lorentz faktörü olduğuna dikkat edin. Kendisi karşımıza buradaki basit işlemde de çıkıyor. İfadeyi sonuçlandıracak olursak,

isiktan hizli hareket superluminal hareket denklemi ispati

olduğunu buluruz. Bu şu demektir. Eğer gamma birden çok büyükse (γ>>1), yani jetin hızı relativistikse (c’ye yakınsa), görünen yanal hız birden büyük olacaktır βTmax>1 (yani ışık hızından büyük olacaktır). Bu durum betanın kendisi birden küçük olduğu (β<1), yani hızın kendisinin aslında ışık hızından düşük olduğu relativistik durumda, gözlenen hızın süperlüminal (ışıktan hızlı) olacağını ifade eder.


Hazırlayan: Ögetay Kayalı

Referanslar

1. Cherenkov, P. A. (1934). “Visible emission of clean liquids by action of γ radiation”. Doklady Akademii Nauk SSSR. 2: 451

2. Nemiroff, R. J., Annalen der Physik 2018, 530, 1700333. <https://doi.org/10.1002/andp.201700333>

3. SixtySymbols, Youtube, “Superluminal Speeds (faster than light)”, <https://youtu.be/IsEDigUHsOQ?t=201>

4. Wikipedia, “Superluminal motion”, <https://en.wikipedia.org/wiki/Superluminal_motion>

5. Wikipedia, “Light echo”, <https://en.wikipedia.org/wiki/Light_echo>

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.

4 yorumlar

  1. Çok ilginç bir konu ele almışsınız. Fakat yazının ya anlaşılırlığı çok düşük yada konunun bilimsel düzeyi çok yüksek ve ben konuyu anlayabilecek bilgi seviyesine sahip değilim.

    1. Merhabalar, yorumunuz için teşekkürler. Bu tür alışık olmadığımız türden konular bir de sezgi dışı kaldıklarında, anlaşılmaları çok zor olabiliyor. Özellikle böyle fizik konularını tek seferde anlayamamak son derece doğal ve ben dahil herkes için geçerli olan bir durum. O nedenle ben ara sıra geri dönüp okumalar yapılmasını sık sık dile getiriyorum. Zamanla bazı şeyler daha iyi yoluna oturacaktır. En nihayetinde bazen romanlar bile yavaşlayıp, tekrar okumayı gerektirebiliyor. Saygılar, sevgiler…

  2. Merhaba hocam,konu çok ilgi çekici ama ben de arkadaşa katılıyorum,anlaması biraz güç olmuş en azından diğer yazılarınıza göre. Birinci madde harika olmuş ve bu açıdan hiç bakmamıştım resmen aydınlanma yaşadım ama ikinci madde yani gölge konusu bana biraz zorlama geldi özür diliyorum. Şundan mütevellit ki; gölge zaten oradadır hocam gölge hareket etmez ,ışık hareket eder ve gölgenin boyu veya şekli değişir.tabii ben de yanlış anlamış olabilirim ama zaten bu bir tartışma ,siz çağırıdnız Twitterdan geldim:D

    1. Teşekkür ederim yorumunuz için. Gölge kısmındaki açıklamayı ben de yetersiz buldum, kafa karışıklığı muhtemelen bundan dolayı. Buraya görsel bir ekleme yapacağım, fakat kısaca yanıt da vermiş olayım. Elinize bir fener alın (şu askılı olan her tarafı aydınlatan), ve sizi de aydınlatıp arkanızdaki duvara gölgeniz düşsün. Eğer ışığı önünüzde bir sağa bir sola gezdirirseniz, gölgeniz de arkadaki duvarda yer değiştirecektir. Bu durum aslında lazer noktasında olan hikayenin aynısı. Umarım daha anlaşılır olmuştur.

Leave a Reply

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

Back to top button