Madde neden ışık hızını geçemez?

Işık hızı evreni sınırlayan bir üst limittir.

Kısa Bilgi

Madde neden ışık hızını geçemez?
Madde ışık hızına yaklşırsa ne olur?
Madde ışık hızını geçebilseydi ne olurdu?
Işık Hızı hakkında ilginç bilgiler

Madde neden ışık hızını geçemez?

Bilimsel bilgi ile alakalı olarak, dünya tarihinin en fazla sorulan sorusu bu olsa gerek.Tabi bu sorunun bu kadar geniş bir kitle tarafından soruluyor olması, aynı oranda geniş bir kitle tarafından da cevaplandırılmaya çalışılıyor olduğu anlamına geliyor. Bu cevaplama çabalarından yüzeysel bilgi ile yapılanlar, dairesel akıl yürütme olarak adlandırabileceğimiz, sonuçları neden olarak gösterme üzerine kurulu bir kısır döngü ortaya çıkarabiliyor. Sadece bu konuda değil, bilimsel bilgi kapsamında neyin nedeni soruluyor olursa olsun, bu kısır döngüye girmemek için neden soruları özel olarak ele alınması gereken sorulardır. Çünkü evrenin işleyişi ile alakalı olarak sorulan her neden sorusuna verilecek cevap, beraberinde bir diğer neden sorusunu da getirebilmektedir. Tabi her neden soru zincirinin cevaplandırılamayacak bir sonu da mutlaka vardır. Örneğin “C’nin olmasının nedeni B, B’nin olmasının nedeni ise A” dediğinizde, A’yı bir şekilde kütle, elektrik yükü, uzunluk, zaman vs. gibi evrendeki temel bir yapıtaşının ya da özelliğin varlığına dayandırabildiyseniz, soruları doğru bir şekilde cevaplandırarak sona geldiniz demektir. Çünkü bunun bir adım ötesinde sorulacak “neden kütle var”, “neden elektrik yükü var” gibi bir soruya insanoğlunun bilimsel bilgi kapsamında verebileceği bir cevabı yoktur. Ama eğer “C’nin olmasının nedeni B, B’nin olmasının nedeni de C” diyorsanız, o zaman konuyu cevaplandırmıyor sadece dairesel neden-sonuç ilişkisi kurarak bir kısır döngü yaratıyorsunuz demektir. “İşte biz bu hataya düşmeyelim” diyerek konumuza başlayalım. Var olduğumuz bu evrende kütlesiz varlıklar hep sabit bir hızla hareket ederler. Neden? Çünkü kütle, hareketteki değişime karşı bir cismin gösterdiği dirençtir. Bu direnç, ivme dediğimiz hızdaki değişimin ortaya çıkmasına sebep olur. İvme, kütle sayesinde var olan bir özelliktir eğer kütle yoksa ivme de yoktur. İvme yoksa hızda değişim de olmayacaktır. Yani kütlesiz bir varlığın aynı ortam içinde hareketi sırasında hızında artma ya da azalma gibi bir durum olamaz. Hızı hep sabittir. Kütle ivme ilişkisini bize, tarihin belki de en meşhur denklemi F=m.a’nın, a =F÷m olarak düzenlenmiş hali göstermektedir. -Ki bence F=m.a’nın en sağlıklı gösterimi de bu şekildedir-. Çünkü bu hali ile denklem soldaki ivme özelliğinin sağdaki kütle özelliğinin varlığına bağlı olduğunu ifade eder. Bizler de, böylece kütlesiz cisimlerin aynı ortam içindeki hareketleri sırasında ne daha hızlanabilir, ne de daha yavaşlayabilir olduğunu bilimsel bir bağıntı üzerinden göstermiş oluruz. Işık da kütlesiz olduğu için bu özelliği sağlar ve hareketine hep sabit bir hız ile devam eder. Bu hıza sembolik olarak c hızı diyelim. Yani ışık hareketine başlarken hızını 0’dan c’ye çıkarmıyor mu? Hayır. Hareketine doğrudan sabit bir c hızı ile başlar. İvmelenmez. Peki, neden c hızı? Evrende c hızından başka hız değeri olmadığı için… Buna geleceğiz ama önce evrenin nasıl bir yapıda olduğunu anlamamız gerekiyor. İçinde yaşadığımız evrende, herhangi bir varlık için zamanın akış hızı, yani zamandaki hızı konumdaki hızından bağımsız değildir. Örneğin yolda yürüyüş hızınız sizin için zamanın akışını etkiler ve değiştirir. Yani uzay düzlemindeki hızımız, zaman düzlemindeki hızımızı; zaman düzlemindeki hızımız da uzay düzlemindeki hızımızı değiştir. Neden böyle? Çünkü her ne kadar içinde yaşıyor olsak da, nasıl bir şey olduğunu hayal edemediğimiz evrenimiz 4 boyutludur. Onun için bunun bilimsel adı uzay-zamandır. Algılayabildiğimiz 3 boyutlu uzay yine algılayabildiğimiz tek boyutlu zaman ile birleşerek, algılayamadığımız, resmedemediğimiz 4 boyutlu uzay zamanı meydana getirir. Burada birleşmekten kastedilen uzaydaki ve zamandaki hareketin birbirinden etkileniyor olması, bunları birbirinden bağımsız olarak ele alamayacak olmamızdır. İşte bu etkilenme, zaman genişlemesi ve uzunluk büzülmesi olaylarına neden olur. Zaman genişlemesi yani uzay düzleminde hızlanan cisim için zamanın daha yavaş akıyor olması ve uzunluk büzülmesi yine hızlanan cismin hızlandığı doğrultudaki boyunun kısalıyor olması yaşadığımız evrenin bu 4 boyutlu yapısının birer sonucudur. Eğer uzay ve zaman düzlemindeki hızlarımızın birbiri ile etkileşimi orantılı bir şekilde oluyorsa, bu, yaşadığımız 4 boyutlu evrende tek bir hız değeri olduğunu gösterecektir. Yani evrendeki tüm varlıklar bu 4 boyutlu uzay zamanda hep sabit bir c hızı ile hareket etmektedir. Buradan, var olan hızımızın bir kısmını uzay geriye kalan kısmını da zaman düzleminde kullanarak hareketimiz sırasında aslında hep c hızımızı korumakta olduğumuz gerçeğine ulaşırız. Özel Görelilik Kuramının bize gösterdiği evren bu şekildedir. Buradan da şöyle ilginç bir sonuç çıkıyor: Zamandaki ve uzaydaki hızın birbirini etkilediği evrende varlıkların uzaydaki hız değeri için mutlaka bir limit değer olması gerekmektedir. Bunun neden böyle olduğunu şöyle açıklayalım: Şimdi… 4 boyutlu evrenimizi hayal edemiyoruz dedik. Zaten evrenin 4 boyutlu yapıda olmasının etkilerinin günlük yaşantımızda pek bir karşılığı da yoktur. Çünkü 4 boyutlu yapının sonucu olan zaman ve uzunluk kısalması gibi etkiler, bizim gibi, uzay düzleminde hareketi sırasındaki hız farkı çok çok küçük olan varlıklar için ölçülebilir seviyede bile değildir. Onun için biz, evrendeki hesabımızı uzayın ve zamanın birbirinden bağımsız olduğunu düşünerek yaparız.

Madde ışık hızına yaklşırsa ne olur?

Günlük hayatımız için bu etkiler ölçülebilir seviyede olmadığından bu hesabın neredeyse hiçbir zararı da olmaz. Ama görelilik kuramının bize sunduğu kavramları tam anlamıyla anlamak istiyorsak bu yanlış bakış açısını bir kenara bırakmamız gerekiyor. Onun için, günlük hayatta, okullarda yaptığımız hesabı ve 4 boyutlu uzay zamana uygun yapılması gereken hesabı yan yana koyarak hız değerini çok yüksek değerlere çıkardığımızda ne olacağına bir bakalım. Şu şekilde A ve B noktaları olsun. Eğer bir araç, bu iki nokta arasını v hızı ile gittiğinde t kadar zaman geçiyorsa, 2v hızı ile gittiğinde t/2 kadar zaman geçecektir. Hızı 4v olursa bu sefer de t/4 kadar zamanda aynı mesafeyi kat edecektir. Bu şekilde hız değeri sonsuza ulaştığında ise geçecek zaman 0’a yaklaşacaktır. 0’a yaklaşması demek A noktasından B noktasına anında ulaşması demektir. Okulda öğrendiğimiz yol eşittir hız çarpı zaman denklemini kulandık. Yanlış bir şey var mı bu hesaplamada? Var. Hepsi yanlış. Aslında yaşadığımız evrende olaylar bu şekilde gerçekleşmiyor. Dediğimiz gibi biz çok çok küçük hız farkı değerleri ile hareket ettiğimiz için şimdi anlatacaklarımızı hissedemiyoruz ama gerçekte böyle olmuyor. Peki, ne oluyor? Hız arttıkça zaman da yavaşlamaya başlıyor. Bunun sonucunda v hızı ile t kadar zaman geçen aynı mesafeyi 2v hızı ile t/2 kadar zamanda değil, t/2’den daha kısa bir zamanda alıyoruz. Çünkü ne dedik? 4 Boyutlu evrenimizde hız ve zaman birbirini etkilemektedir. Aynı şekilde 4v hızı ile gittiğimizde ise t/4’ten daha da kısa bir zamanda aynı mesafeyi alıyoruz. Şimdi dikkat! Bu şekilde hızımızı arttırdığımızda, hızımızın sonsuz değere ulaşmasına gerek kalmadan geçecek zaman 0’a ulaşıyor. Yani uzay ve zamanın birbirini etkilediği bir evren yapısında iki nokta arasında geçecek zamanı 0’a indirmek için hızımızın sonsuz değere ulaşmasına gerek kalmıyor. Sonlu bir değerde zaman sıfırlanıyor ve A noktasından B noktasına anında ulaşılabiliyor. Yani o limit hızda hareket eden bir varlık için zaman hiç akmıyor. Kıyas edersek, hız ve zaman düzleminin birbirinden etkilendiği 4 boyutlu evren için bu limit değer, hız ve zamanın birbirinden etkilenmediği bir evren yapısındaki sonsuz hız değerine karşılık geliyor. Konu başlığımızdaki “Neden ışık hızı geçilemez?” sorusunun cevabını da buradan alıyoruz. Bu limit değer bizim evrenimiz için aslında sonsuz değerdir, o değerde zaman sıfırlanmaktadır. Bunun bir adım ötesi yani zamanın eksili bir değerde olması fiziksel olarak mümkün değildir. Ayrıca buradan, az önce bahsettiğimiz 4 boyutlu uzay-zamandaki tek hız değerinin, aynı zamanda uzay düzlemindeki limit değerine de karşılık geldiğini anlıyoruz. Toparlarsak, evrenin bu dört boyutlu yapısı zamandaki ve uzaydaki hızları orantılı bir şekilde etkiliyor. Bu bize evrende bir limit değer olduğu gösteriyor. Bu limit değer de aynı zamanda evrendeki tek hız değeri olmuş oluyor. Peki, kütleli ve kütlesiz varlıklar bu sabit c hızlarını istedikleri düzlemde istedikleri gibi kullanabilirler mi? Hayır. Önce kütleli varlıklar için konuşalım. Kütlenin varlığı bu c hızının kullanımına sınırlandırma getirerek hızın tamamının uzay düzleminde kullanılmasına izin vermez. Dolayısıyla zaman, kütleli varlıklar için, uzaydaki hız değerine göre ama hızlı ama yavaş, mutlaka akar. Zaman düzlemindeki hız bileşeninin sıfırlanması yani zamanın durması diye bir şey kütleli varlıklar için mümkün değildir. Neden? Bunun nedeni kütlenin enerji ile eşdeğer olma özelliği ile şöyle açıklanır. Einstein, kütle enerji eşitliği E=mc^2 bağıntısı ile kütle ve enerjinin birbirine dönüşebilen kavramlar olduğunu göstermiş böylece iki kavramı teklemeyi başarmıştır. Eğer denklemdeki kütle artışı ifadesini şöyle gösterirsek, bu eşitlik bize bir cismin kinetik enerjisindeki yani hızındaki artışın rölativisttik kütleyi de arttırdığını gösterecektir. Ne kadar hız o kadar kütle, bu da, o kadar enerji demektir. Bu da bize göstermektedir ki, kütleli bir cismi uzay düzleminde c hızına çıkarabilmek için sonsuz enerji gerekmektedir. Dolayısıyla kütleli bir cismin böyle bir hıza çıkması mümkün değildir. Yani kütlenin enerji ile denkliği, kütleli bir cismin uzay düzleminde c hızına çıkamayacağının göstergesidir. Ama enerji bizim türettiğimiz bir kavram. Hiç enerji kavramını karıştırmadan, bu durumun nedeni daha temel kavramlar üzerinden açıklanamaz mı? Şöyle desek: Eğer kütle varsa, ivme de var demektir. zaman

Madde ışık hızını geçebilseydi ne olurdu?

İvme varsa, hız-zaman-ivme bağıntısına göre, denklemin sağ tarafı da mutlaka tanımlı olmalıdır. Yani ivmeli hareket özelliği gösteren bir cisim için hız ve zaman mutlaka olmak zorundadır. Denklemde hız zaten tanımlı olduğuna göre, zaman da mutlaka tanımlı olacaktır. Bunların hepsi birbirine zincirleme bağlı olduğu için kütleli cisimler hiçbir şekilde, sadece uzay düzleminde hareket eden dolayısıyla zamanın akışının farkında olmayan bir varlık gibi hareket edemezler. Dolayısıyla kütleli varlıklar uzay düzleminde maksimum hız değerine ulaşamazlar. Gelelim kütlesiz varlıklara… Kütleli varlıklar için var olan sınırlandırmanın bir benzeri kütlesiz varlıklar için de geçerlidir. O da kütlesiz varlıkların zaman düzleminde hız bileşenlerinin olmaması yani tüm c hızlarını uzay düzleminde harcayarak maksimum değerde hareket etmeleridir. Peki, kütlesiz varlıklar neden sadece uzay düzleminde hareket ediyorlar? Zaman onlar için de aksa olmaz mı? Buna cevap olarak birçok yerde nedenselliğin sağlanması denmiş, bazı yerlerde ise tesadüf denmiş. Öncelikle, -biraz sonra işleyeceğimiz- nedensellik kavramının sağlanıyor olması hiçbir şeyin nedeni değildir. Tablomuzun son 3 hanesindeki olayların ve limit değer kavramının sonucudur. Tesadüf demek de cevap yok demektir. Hâlbuki az önceki mantığımızı bu duruma da uyarlayarak temel kavramlar üzerinden yine bir cevap verebiliriz. Şöyle: Eğer zaman kavramı kütlesiz varlıkların hareketi için tanımlı olacak olsa, doğrudan ivme de tanımlı olacaktır. Bu da kütlenin tanımlı olmasını da beraberinde getirecektir. O zaman şu açıktır ki zaman kavramının ve kütlesizliğin bir arada olması çelişik bir durumdur. Yani kütlesiz olma zamansız olma ile beraber olmak zorundadır. Bunun sonucu olarak kütlesiz varlığın zaman düzleminde hız bileşeni olamayacağından tüm c hızı uzay düzleminde olacaktır. Ama bunu beğenmediniz biraz daha karmaşık bir açıklama isterseniz, yine az önce yaptığımız gibi, kütle enerji eşitliğini kullanarak da bu konuyu açıklayabiliriz. Az önce yazdığımız kütle enerji eşitliğini şu şekilde düzenleyip, kütlenin sıfır olduğunu göz önüne alırsak, buradan denklemi sağlamak için v’nin de c’ye eşit olmak zorunda olduğunu görürüz. E peki öteki çarpan yani enerji sıfıra eşit olamaz mı? Olamaz, yani matematiksel olarak olur gibi gözükse de fiziksel olarak olamaz. Çünkü bir varlığın hem kütlesi hem de enerjisi yoksa zaten yok demektir. Onun için durgun kütle sıfırsa, v’nin c’ye eşitliği üzerinden, sıfır değerine ulaşılmalıdır. Buradan da ışığın tüm hızını uzay düzleminde kullandığını dolayısıyla uzayda maksimum hızla hareket ettiğini ve ışık için, zamanın akmıyor olduğunu anlarız. Böylece neden kütlesiz varlıkların maksimum değerde, popüler deyimiyle “ışık hızında” hareket ettiklerini ve kütleli varlıkların neden bu değere ulaşamayacağını göstermiş olduk. Son olarak, sormamız gereken bir soru daha kaldı: Işık daha hızlı gidebilir mi? Hayır gidemez. Neden? Çünkü evrenin 4 boyutlu geometrisi buna izin vermez. İster kütleli, ister kütlesiz hiçbir varlık c’den daha hızlı hareket edemez. Çünkü etmesi demek evrenin geometrisini yıkması demektir. Zaten, onun için, bu durumu formüle uyguladığımızda, zaman kavramı eksili çıkmakta, sanki zaman geriye akacakmış gibi abuk bir sonuçla karşılaşmaktayız. Bu sonuç, geometrinin yıkılıyor olduğunun bir göstergesidir aslında. Geometrisi yıkılmış bir evren zaten yoktur; olmayan bir evren için böyle bir hesap yapmanın anlamı da yok demektedir bu sonuç bize. Ve tüm bunların sonucu yani kütleli varlıkların zamandaki hızlarını sıfırlayamaması ve kütlesiz varlıkların tüm hızlarını uzay düzleminde kullanmaları yani ne yaparsak yapalım ışıktan hep bir adım daha geride olmamız ve ışık da dâhil hiçbir şeyin c hızını aşamıyor oluşu ise nedenselliği sağlar. Nedensellik, bir olayın nedeninin kendisinden daha sonra meydana gelemeyecek olmasıdır. Neden, sonuçtan her zaman önce olmalıdır. Bu, örneğin bir adamın önündeki silahı ateşlemesi ve daha sonra silahtan çıkan merminin hedefi vurması şeklinde yani önce nedenin sonra sonucun yaşanması şeklinde olur. Elbette öyle olmalı, bundan daha doğal ne var diyorsanız… Eğer en son saydığımız 3 durum yaşanmıyor olsa evrenimizde yaşanan olaylarda 2 şekilde nedensellik bozuluyor olacaktı. Birinci durum için, eğer ışık c’den daha yavaş gidiyor olsa ve kütleli cisimlerin hızı ışıktan hızlı olsa, şu şekilde mermi hedef olayını gözlemleyen bir gözlemci, önce merminin hedefe gittiğini daha sonra silahtan ateşlendiğini görebilir olacaktı. Yani olayları tersten oluyormuş gibi görecekti. Ama örneğin buradaki gözlemci ise nedeni ve sonucu doğru bir sırada görecekti. Bunun sonucunda gözlemciler bir fikir birliğine varamayacak daha fenası, bilim yasaları her gözlem çerçevesinde aynı işlemeyecekti. Bu birinci şekilde nedenselliğin bozulmasıdır. İkincisinde ise eğer herhangi bir varlık c hızından daha hızlı gidebilecek olsa, dediğimiz gibi zamanda geriye doğru gidecek, bunun sonucunda, yaşanmış olayların tamamının nedenini değiştirebilecek durumda bulacaktı kendisini. Bu ise birincisinden daha büyük bir felaket ile sonuçlanacaktı. Ve işte tüm bu durumların neticesinde yaşadığımız evrende nedensellik sağlanmakta ve neden sonuç ilişkisi kurmaya mahkûm aklımız da görevini yapabileceği bir evren bulmaktadır.