Zamanı anlamak-4: Işığı kovalamak

1895'te İsviçre'nin Aarau kasabasında on altı yaşında bir lise öğrencisi kafasında bir oyun oynuyordu. Bir ışık demetinin peşinden koştuğunu, ona yetişip yanında aynı hızla gittiğini hayal ediyordu. O zaman ışığı nasıl görürdü? Yanında giden bir otomobil size duruyor gibi görünür; ışık da donmuş, kıpırdamayan bir dalga gibi mi görünecekti?

Genç Albert Einstein bu sorunun cevabının "evet" olamayacağını sezdi. Ama nedenini bulması on yıl sürecekti. Bir önceki yazıda onu Bern'deki patent ofisinde, saat eşitleme başvurularının başında bırakmıştık. Onun vardığı sonucu anlamak için önce iki yüz yıllık bir hikâyeyi bilmemiz gerekiyor: ışığın hızının nasıl ölçüldüğünü ve bu hızın neden herkesi şaşkına çevirdiğini.

Uzaklaşan fener

Gece, uzun ve düz bir yolda yürüdüğünüzü düşünün. Arkanızda kalan bir arkadaşınız tam saat başlarında fenerini yakıp söndürüyor. Işık anında gitseydi, siz ne kadar uzaklaşırsanız uzaklaşın, ışığı tam saat başında görürdünüz. Ama ışığın bir hızı varsa, uzaklaştıkça her yanıp sönme size biraz daha geç ulaşır.

1676'da Paris Gözlemevi'nde çalışan Danimarkalı astronom Ole Romer, gökyüzünde tam böyle bir fener buldu: Jüpiter'in uydusu Io. Io, Jüpiter'in etrafını yaklaşık 42,5 saatte bir dolaşır ve her turda gezegenin gölgesine girip kaybolur. Bu kayboluşlar bir saat kadar düzenlidir. Romer bir tuhaflık fark etti: Dünya, Güneş etrafındaki yolculuğunda Jüpiter'e yaklaşırken tutulmalar erken, uzaklaşırken geç geliyordu. Aylar içinde biriken gecikme dakikaları buluyordu.

Romer'in açıklaması fener örneğiyle aynıydı: Io'nun ışığı, dünya uzaklaştıkça artan yolu kat etmek için zaman harcıyordu. Kasım 1676'daki bir tutulmanın hesaplanandan on dakika kadar geç geleceğini önceden söyledi ve haklı çıktı. Romer'e göre ışık, dünya'nın yörüngesini bir uçtan öbür uca 22 dakikada geçiyordu. Hollandalı Huygens bu veriden ışığın hızını saniyede 220-230 bin kilometre civarında hesapladı. Rakam eksikti ama ilk kez şu kesinleşmişti: Işık anında gitmiyordu.

Işığın hızını gezegenlere başvurmadan, yeryüzünde ölçmek için iki yüz yıl beklemek gerekti. 1849'da Fransız fizikçi Hippolyte Fizeau, Paris'te zekice bir düzenek kurdu. Suresnes'teki bir evin penceresine bir lamba ve 720 dişli bir çark yerleştirdi. Yaklaşık 8,6 kilometre ötedeki Montmartre tepesine de bir ayna koydu.

Lambanın ışığı çarkın iki dişi arasındaki boşluktan geçiyor, aynaya gidip geri dönüyordu. Çark durgunken dönen ışık aynı boşluktan geçip Fizeau'nun gözüne ulaşıyordu. Fizeau çarkı döndürmeye başladı ve yavaş yavaş hızlandırdı. Belli bir hızda ışık kayboldu. Çünkü ışık 17 kilometrelik gidiş dönüşü tamamlayana kadar çark bir diş kadar dönmüş, boşluğun yerine diş gelmiş ve ışığı kesmişti.

Gerisi basit bir hesaptı. Fizeau çarkın hızını biliyordu; dolayısıyla bir dişin yerini kaç saniyede değiştirdiğini de biliyordu. Işık 17 kilometreyi tam o sürede gitmişti. Sonuç: saniyede yaklaşık 313 bin kilometre. Bugünkü değere, yaklaşık 300 bine oldukça yakın. Bu hızla ışık bir saniyede Dünya'nın etrafında yedi buçuk tur atar.

Neye göre hız?

O yıllarda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, elektriği ve manyetiği tek bir teoride birleştirdi. Teorisinden şaşırtıcı bir sonuç çıktı: Elektromanyetik dalgalar belli bir hızla yayılmalıydı ve bu hız, Fizeau'nun ölçtüğü ışık hızıydı. Işık bir elektromanyetik dalgaydı.

Ama bir dalganın hızı her zaman bir şeye göredir. Ses havada yayılır; havasız uzayda ses yoktur. Deniz dalgası suda yayılır. Fizikçiler ışığın da görünmez bir ortamda yayıldığını düşündü ve ona "esir" dedi. Newton'un mutlak zamanı gibi, mutlak bir durağanlıktı.

Eğer esir varsa, Dünya onun içinde Güneş'in etrafında saniyede yaklaşık 30 kilometre hızla ilerliyordu. Rüzgârsız bir günde hızla bisiklet süren biri yüzünde rüzgâr hisseder. Dünya da esirin içinden geçerken bir "esir rüzgârı" hissetmeliydi. Bu rüzgârı ölçmek, Dünya'nın evrendeki mutlak hızını ölçmek demekti.

Nehirde iki yüzücü

Amerikalı fizikçi Albert Michelson'un fikri, bir nehirde yapılan bir yarışa benziyordu. Durgun suda saatte 5 kilometre yüzen iki yüzücü düşünün. Nehir saatte 3 kilometre akıyor. Birinci yüzücü akıntıya karşı 400 metre yüzüp geri dönüyor. İkincisi nehri enine 400 metre geçip geri dönüyor.

Birincisi giderken akıntı onu iter; saatte yalnızca 2 kilometre ilerler ve 12 dakika harcar. Dönerken akıntı onu taşır, saatte 8 kilometreyle 3 dakikada döner. Toplam 15 dakika. İkincisi sürüklenmemek için biraz yukarıya doğru açılı yüzmek zorundadır; karşıya gerçek ilerleyişi saatte 4 kilometredir. Gidiş dönüşü 12 dakika sürer. Aynı güçteki iki yüzücüden enine yüzen, üç dakika önce döner. Akıntı ne kadar güçlüyse fark o kadar büyür.

Michelson yüzücülerin yerine ışığı, nehrin yerine esir rüzgârını koydu. 1887'de Cleveland'da Edward Morley ile birlikte kurdukları düzenekte bir ışık demeti yarı gümüşlenmiş bir camla ikiye bölünüyordu. İki demet birbirine dik iki kola gidiyor, uçtaki aynalardan yansıyıp geri dönüyor ve yeniden buluşuyordu. Biri "akıntı boyunca", öbürü "enine" yüzüyordu.

Işıkların hangisinin önce geldiğini nasıl anlayacaklardı? Buluşan iki ışık dalgası, havuza atılan iki taşın halkaları gibi üst üste biner. Tepe tepeyle buluşursa parlak, tepe çukurla buluşursa karanlık bir çizgi oluşur. Ekranda zebra desenini andıran çizgiler belirir. Demetlerden biri saniyenin katrilyonda biri kadar gecikse bile çizgiler yana kayar.

Ama çizgiler kaymadı. Daha doğrusu, kayma beklenenin yirmide birinden bile azdı; ölçüm hatasının içinde kayıp gidiyordu. Michelson ve Morley düzeneği cıva havuzunda yüzen bir taş bloğa kurmuştu; onu sarsılmadan her yöne çevirdiler, günün farklı saatlerinde ölçtüler. Sonuç hep aynıydı: Esir rüzgârı yoktu.

Yani Dünya'nın saniyede 30 kilometrelik koşusu, ışığın hızına hiç eklenmiyor, ondan hiç çıkmıyordu. Işık, hangi yöne giderse gitsin, Dünya nasıl hareket ederse etsin, aynı hızla ölçülüyordu.

Bunun ne kadar akıl dışı olduğunu bir örnekle görelim. Saatte 100 kilometreyle giden bir trenden ileriye doğru bir top atarsanız ve top trene göre saatte 50 kilometreyle giderse, yerdeki biri topu saatte 150 kilometreyle gidiyor görür. Işık bu kurala uymuyordu. Trenden ileriye ışık tutarsanız, yerdeki de trendeki de ışığı aynı hızda ölçer.

Einstein ise ters yönden baktı. Ya sorun deneyde değil de fikirlerimizdeyse? Ya ışığın herkes için aynı hızda olması bir tuhaflık değil de doğanın temel bir yasasıysa? On altı yaşında kovaladığı ışık demetinin cevabı buradaydı: Ne kadar hızlı koşarsanız koşun, ışık sizden hep aynı hızla kaçar. Ona asla yetişemezsiniz.

Ama bu yasayı kabul etmenin bir bedeli vardı. O bedeli, zamanın kendisi ödeyecekti.

Gelecek yazı: Aynı An Yoktur — Işığın hızı herkes için aynıysa, saatler neden anlaşamaz?