Göreliliği anlamak-2: Işığın sırrı: Kahire’deki karanlık odadan Jüpiter'in gölgesine

Bir  şimşek çakar. Bir, iki, üç sayarsınız; sonra gök gürültüsü gelir. Çocukken hepimize öğretilen hesap budur: saniye sayarsınız, üçe bölersiniz, fırtınanın kaç kilometre uzakta olduğunu bulursunuz. Çünkü sesin bir hızı vardır — saniyede 343 metre — ve bu hız, onu beklememize yetecek kadar yavaştır.

Peki ya şimşeğin kendisi? O, çaktığı anda gözünüzdedir. Aradaki mesafe ne olursa olsun, bir gecikme hissetmezsiniz.

İşte insanlık bu yüzden binlerce yıl boyunca ışığın anında yayıldığına inandı. Antik Yunan'ın hâkim görüşüne göre görme, gözden çıkan ışınların nesnelere değmesiyle oluyordu; uzaktaki bir yıldızı gözümüzü açar açmaz gördüğümüze göre de o ışınların hızı sonsuz olmalıydı.

Basra'da doğan İbnü'l-Heysem — Batı'nın Alhazen diye tanıdığı isim — Kahire'de, Fâtımî halifesi Hâkim'in gazabından kurtulmak için akıl hastası numarası yapıp girdiği ev hapsinde, on birinci yüzyılın başında yedi ciltlik Kitâbü'l-Menâzır'ı yazdı.

Yaptığı ilk iş, bin yıllık görme kuramını devirmek oldu. Işık gözden çıkmıyordu; nesnelerden yansıyıp göze giriyordu. Delillerinden biri son derece sadeydi: eğer ışınlar gözden çıkıyorsa, parlak bir ışığa baktığımızda gözümüz niye acısın?

Ama bizi ilgilendiren asıl sonuç bunun hemen ardından geliyor. Işık dışarıdan geliyorsa, bir yol kat ediyor demektir. Yol kat ediyorsa, vakit harcıyor demektir. İbnü'l-Heysem bu akıl yürütmeyle ışığın sonlu bir hızı olduğunu savundu — ve bir adım daha atarak, ışığın yoğun ortamlarda daha yavaş ilerlediğini söyledi. Suya batırılan bir çubuğun neden kırık göründüğünü, yani kırılma olayını, tarihte ilk kez doğru biçimde bu yavaşlamayla açıkladı. Karanlık odasında  bunları deneyerek sınadı.

Elinde ışığın hızını ölçecek bir alet yoktu; olması da mümkün değildi. Ama ölçülecek bir şey olduğunu biliyordu.

Bu fikir Latinceye çevrilip Avrupa'ya sızdı ve altı yüzyıl sonra Pierre de Fermat'nın masasında yeniden belirdi: Fermat, 1657'de "ışık iki nokta arasında en kısa zamanı veren yolu seçer" ilkesini kurarken, tam da Alhazen'in sonlu ve ortama göre değişen hız varsayımına dayanıyordu. Geometrik optiğin temeli o varsayımın üstüne atıldı.

Şunu özellikle not edelim: Descartes, İbnü'l-Heysem'den altı yüzyıl sonra, ışığın anında yayıldığını savunuyordu; hatta hızı sonlu çıkarsa bütün felsefesinin çökeceğini yazacak kadar buna bağlanmıştı. Yani bu meselede Avrupa ilerlemedi, geriledi. Bilim tarihi düz bir çizgi değildir; doğru fikir bulunur, unutulur, kaybedilir, sonra yeniden bulunur.

Galileo ise şüphelendi ve ölçmeyi denedi. İki adamı iki ayrı tepeye çıkardı, ellerine kapaklı birer fener verdi; biri kapağı açacak, öteki ışığı görür görmez kendi kapağını açacaktı. Hiçbir gecikme yakalayamadı. Sonucu dürüstçe yazdı: ışık ya anında yayılıyor, ya da benim ölçemeyeceğim kadar hızlı.

İkincisiydi. Ve bunu ispatlayan şey, ne bir tepe ne bir fener oldu. Jüpiter'in bir uydusunun gölgeye girme saati oldu.

1676: Gecikmiş bir tutulma

Danimarkalı astronom Ole Rømer, Paris Gözlemevi'nde Jüpiter'in uydusu Io'nun tutulmalarını kaydediyordu. Io, Jüpiter'in etrafında 42 saatte bir dönüyor ve her turda gezegenin gölgesine giriyordu. Mükemmel bir gök saatiydi bu; denizcilere boylam hesabında kullandırmayı umuyorlardı.

Ama saat bozuktu. Yılın belli aylarında tutulmalar takvimden erken, belli aylarında geç oluyordu. Fark birkaç dakikaydı ama inatçıydı.

Rømer, kimsenin bakmadığı yere baktı: Dünya'nın Jüpiter'e olan uzaklığına. Dünya yörüngesinde Jüpiter'e yaklaştığı aylarda tutulmalar erken, uzaklaştığı aylarda geç görülüyordu. Uydu şaşmıyordu. Işık yolda vakit kaybediyordu.

1676 yılının eylülünde, meslektaşlarının önünde bir kehanette bulundu: kasımın dokuzundaki tutulma, hesapladığınız saatte olmayacak, yaklaşık on dakika gecikecek. Dediği gün geldi, teleskoplar Jüpiter'e çevrildi ve Io tam Rømer'in dediği gecikmeyle gölgeye girdi.

O gece, insanlığın evren tasavvurunda bir şey kırıldı. Işık anında gitmiyordu. Bir hızı vardı. Christiaan Huygens bu verilerden kaba bir rakam çıkardı: saniyede yaklaşık 220 bin kilometre. Gerçeğin epey altındaydı ama mesele rakamın kendisi değildi. Mesele, gökyüzüne bakan bir insanın sırf gölgelerin saatini not ederek evrenin en temel sabitini yakalamış olmasıydı.

Sonrası incelikti. 1728'de James Bradley yıldızların konumundaki minik kaymadan hesabı yeniledi. 1849'da Hippolyte Fizeau, Paris'te Suresnes ile Montmartre arasına kurduğu düzenekte dönen dişli bir çarkın dişleri arasından ışık gönderip geri gelen huzmenin hangi dişe çarptığına bakarak ölçüm yaptı. 1862'de Léon Foucault dönen aynalarla rakamı iyice sıkıştırdı. Beş yüz yıl önce Kahire'de bir odada söylenmiş söz, nihayet rakama dönüşmüştü.

Bugün sayı, ölçülen bir değer bile değildir; tanımdır. Saniyede 299 milyon 792 bin 458 metre. Evrenin en katı rakamı.

Asıl şok bundan iki yüzyıl sonra, hiç ışıkla uğraşmayan bir adamın masasında yaşandı.

İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmayı tek bir denklem takımında birleştirmeye çalışıyordu. Elinde laboratuvarlarda ölçülmüş iki sabit vardı: biri elektrik kuvvetinin şiddetiyle, öteki manyetik kuvvetin şiddetiyle ilgili. İkisi de mıknatıslarla, tellerle, pillerle bulunmuştu. İkisinin de ışıkla zerre alakası yoktu.

Maxwell denklemlerini çözdüğünde karşısına bir dalga çıktı. Elektrik ve manyetik alanların birbirini doğurarak boşlukta ilerlemesi. Ve o dalganın hızı, bu iki sabitten kendiliğinden geliyordu. Hesabı yaptı. Saniyede yaklaşık 300 bin kilometre.

Yani Rømer'in Jüpiter'in gölgesinde bulduğu rakam, Fizeau'nun dişli çarkla ölçtüğü rakam, hiç ışık kullanmadan yapılmış elektrik deneylerinin içinden çıkıvermişti. Maxwell'in vardığı sonuç, bilim tarihinin en cesur cümlelerinden biridir: ışık, elektromanyetik bir dalgadır. Göz, bir elektrik olayını görüyordu.

Ve büyük sıkıntı: Dalga neyin içinde gidiyor?

Burada, bugün bize saçma gelen ama o gün gayet makul olan bir soru doğdu. Dalga demek, bir şeyin dalgalanması demektir. Ses havanın dalgalanmasıdır; havayı boşaltın, ses biter. Deniz dalgası suyun dalgalanmasıdır. Peki ışık neyin dalgalanmasıydı?

Cevap hazırdı: esîr. Evreni baştan başa dolduran, görünmez, kokusuz, ağırlıksız, hiçbir şeye direnç göstermeyen bir madde. Fizikçiler ona inanmak zorundaydı; başka türlü dalganın taşıyıcısı yoktu.

Ve esîr varsa, bir şey daha vardı: mutlak durgunluk. Esîr evrenin sabit zemini olacaktı. Dünya o zeminin içinde saniyede 30 kilometre hızla yol alıyordu. O hâlde yüzümüze bir "esîr rüzgârı" çarpmalıydı. Rüzgârın yönüne doğru giden ışık ile ters yönde giden ışık, farklı hızlarda ölçülmeliydi. Tıpkı akıntıya karşı ve akıntıyla yüzen iki yüzücünün farklı sürelerde dönmesi gibi.

Bunu ölçmek, on dokuzuncu yüzyıl fiziğinin en somut ödeviydi.

1887: Tarihin en ünlü başarısız deneyi

Amerikalı Albert Michelson ve Edward Morley, Cleveland'da bunun için bir alet kurdular. Ağır bir taş bloğu cıva havuzunda yüzdürdüler ki titreşim olmasın. Bir ışık huzmesini ikiye böldüler, birini bir yöne, ötekini dik açıyla başka yöne gönderdiler, aynalarla geri getirip birleştirdiler. En ufak hız farkı, birleşme deseninde kayma olarak görünecekti. Alet o kadar hassastı ki, beklenen etkinin kırkta birini bile yakalayabilirdi.

Ölçtüler. Hiçbir şey çıkmadı.

Aleti döndürdüler, farklı mevsimlerde tekrarladılar, Dünya yörüngenin öteki ucuna geçince yeniden denediler. Sonuç hep aynıydı: ışığın hızı her yönde aynı. Esîr rüzgârı yoktu. Daha doğrusu, ışık, Dünya'nın hareketini hiç umursamıyordu.

Bu, bir deneyin başarısızlığı değildi. Bir dünya görüşünün çöküşüydü.

Çünkü ortada artık kabul edilemez bir gerçek vardı: bir ışık kaynağı size doğru saatte on bin kilometre hızla gelse de, sizden aynı hızla kaçsa da, ölçtüğünüz hız değişmiyor. Toplama yok. Çıkarma yok. Hayatınız boyunca doğru bildiğiniz aritmetik, ışığın önünde geçersiz.

Fizikçiler binayı kurtarmak için çırpındılar. İrlandalı George FitzGerald ve Hollandalı Hendrik Lorentz, "belki cisimler hareket yönünde birazcık kısalıyordur, bu yüzden farkı ölçemiyoruzdur" dediler. Doğru bir sezgiydi ama yamaydı; deneyi kurtarmak için uydurulmuş, hiçbir temeli olmayan bir düzeltmeydi.

Kimse asıl soruyu sormaya cesaret edemiyordu. Çünkü asıl soruyu sormak, Newton'un iki yüz yıllık binasını yıkmayı göze almak demekti. O soruyu, 1905 yılında Bern'de bir patent memuru sordu. Yirmi altı yaşındaydı, üniversitede kendine iş bulamamıştı, günlerini başkalarının icat başvurularını inceleyerek geçiriyordu. Sorusu şuydu: Ya ölçümlerimiz yanlış değilse? Ya ışık gerçekten herkes için aynı hızdaysa — ve yanlış olan, zaman ile mekân hakkındaki kabullerimizse?

Yarın, bu sorunun zamanı nasıl esnettiğini konuşacağız. Ve bir trenin tavanında zıplayan basit bir ışık huzmesiyle, saatinizin niçin benim saatimle aynı işlemediğini adım adım göreceğiz.