Boşluğu Titreştirerek Işık Üretmek
EVRENİN herhangi bir yerinde herhangi bir madde ya da parçacığın olmaması, hiçbir şey olmayacağı anlamına gelmiyor. 1948 yılında HollandalI araştırmacı Hendrik Casimir’in varsaydığı bu sonuca göre, boşlukta yerleştirilen iki ayna birbirlerini çok zayıf bir kuvvetle çekecektir. 1 cm2’lik bir yüzeye sahip iki aynanın 0,5 mikrometre aralıkla yerleştirildiği zaman birbirlerine etki ettirdiği bu kuvvet yaklaşık 0,2 miligramlık bir kütlenin yarattığı ağırlığa karşılık gelmektedir. Casimir etkisi 1958 yılında, başka bir HollandalI fizikçi olan, çekim kuvvetini ve bunun plakalar arasındaki aralığa göre değişimini gözler önüne seren Marcus Sparnay tarafından sınandı.
Peki bu Casimir etkisi nereden geliyor? Bu sorunun cevabı elektromanyetik teori ve kuantum fiziğinin yasalarının birlikteliğini gerektiriyor. Kuantum yasalarına göre, elektromanyetik alanın en küçük enerjisini hesapladığımızda, bunun sıfır olmadığını görüyoruz. Bu sonuç, elektromanyetik alanda kendiliğinden değişmeler olmasıyla yorumlanabilir. Öte yandan, “boşluk” gibi yerlerde en küçük enerji değerine sahip elektromanyetik alanın değerinin ortalama sıfır olması, onun hem eksi değerde hem de artı değerde sıfırın etra fında sürekli olarak değişmesinden kaynaklanıyor. Tüm
evrende olan bu değişmeler “sıfır noktası enerjisi” dediğimiz bir enerjinin oluşmasına neden oluyor. Görüldü ki bunun değeri sonsuz ve bu da bir zorluğu ortadan kaldırmış oluyor. Ancak fizikçiler, değeri sonsuz olsa da bunun gözlemlenemeyip sadece enerji farkının gözlemlenebileceğini söylüyorlar.
Casimir tarafından tasarlanan iki aynalı durumda, bu cisimler, varlıklarıyla elektromanyetik alanın kendiliğinden değişip durmasına neden oluyorlar. Gerçekten de, elektrik alan değerinin, elektriği çok iyi ileten bir yüzeyde (mükemmel bir aynada olduğu gibi) sıfır olması gerekir. Böylece iki ayna arasındaki aralığın içinde elektromanyetik alan salınım-larının da her iki uçta sınır değerlerine uyması gerekiyor. Bu durum iki ucundan sabit noktalara bağlanmış bir ipe benzetilebilir; titreşimlerinin büyüklüğü bağlantı noktalarında sıfır olmalıdır, bu da olası kiplerini sınırlar. Bundan dolayı herhangi uzunluktaki bir dalgaya (ya da frekansa) kendiliğinden karşı koyan bu salı-nımlar, kendi dalgaboylarının ayna aralığının dalgaboyuyla uyuşup uyuşmamasına göre ya büyüyor ya da küçülüyor. İki ayna tarafından oluş-
Hendrik B.G. Casimir 1948’de, boşluğa yerleştirilen iki metal plakanın birbirini elektromanyetik alan salınımiarı sonucu oluşan bir kuvvetle çekeceğini tahmin etmişti. 1909 yılında doğan bu HollandalI fizikçi aynı zamanda süperiletkenlik üzerine de çalışmıştı.
turulan aralığın içindeki alanın salı-nımları üzerindeki bu sınırlama da. aralığın enerjisini değişikliğe uğratmak gibi bir sonuç doğuruyor. He-saplanabilen bu enerji farkı aslında Casimir çekim kuvvetinin temelidir.
Boşluk, bu sıralarda araştırmacıları şaşırtmaya devam ediyordu. 1970’li yıllarda birçok araştırmacı, hareket halindeki cisimler üzerinde, boşluğu etkileyen değişimlerin sonuçları üzerinde ilgilenmeye başladı. Sonuçlar, sabit hızda ilerleyen tek bir ayna durumunda, hareketin hiçbir şekilde boşluğu bozmadığını gösterdi. Einstein’ın görelilik kuramına tamamen uygun bir sonuç değişmez bir hal olan boşluk, göz-
Boşluğu Titreştirerek
• •
Işık Üretmek
Boşluk acaba gözlemcinin hareketine mi bağlı? Teorik hesaplara göre, boşlukta titreştirilen iki ayna arasında oluşturulan bir aralık, bir ışıma meydana getirebilir. Bu kuantumlu sonuç Einstein ‘ın genel görelilik kuramını gündeme getiriyor.
Aynanın hareketinden kaynaklanan ışıma çok zayıf olduğundan, saptanacak sayıda foton yaratmak için çok şiddetli ivme değişimleri oluşturmak gerekir. Bu yayılmanın gözlemlenmesi pek gerçekçi görünmüyor. Oysa bu olay göreli ve mutlak hareket kavramları hakkında önemli ve hassas sorulan gündeme getiriyor. Öyle görünüyor ki boşluk, ivmesi sabit olmayan bir hareketin farkına varıyor, ancak öte yandan sabit ivmeli bir hareket göze çarpmadan geçiyor. Şu halde boşluk bazı hareketleri diğerlerine göre daha fazla tercih ederek, tercihi referanslar tanımlıyor. Bu da Einstein’ın, “her hareket görelidir” diyen görelilik kavramına ters düşüyormuş gibi görünüyor.
Değişen ivmeli bir hareketin oluşturacağı ışımayı algılama düşüncesi, boşluğun kuantumlanması ile genel görelilik arasında doğrudan bir ilişki kurduğu için çok ilginç bir bakış açısıdır. Nasıl daha gerçekçi bir deneysel durum verilebilir? Boşlukta tek bir ayna yerine, titreşen iki aynanın arasındaki ara bölgeyi düşünebiliriz. Bu durum optik rezonans ile açıklanır. Aynalar arasında gidip gelen ve uzunluğu ara bölgenin uzunluğuna uyumlu olan dalgaların şiddeti büyürken, diğer dalgaboyları sönüme gidecektir.
Sabit olmayan ivmeli harekete sahip ayna aralığında toplanmış enerjiyle ilgili birçok hesap, geçmiş-
fmdan yapıldı. Bu hesaplar için kusursuz yansıtan aynalar kullanıldığı farzedildi. Oluşturdukları aralık tamamen kapalı bir sistem gibi düşünülebilir. Bu durumda meydana gelen fotonlar bir aynadan diğer bir aynaya giderken dışarıya kaçamazlar (burada bir aynadan diğerine yaydan
fotonlarla ilgileniyoruz, yanı esas olarak ayna aralığıyla etkileşim halinde olanlarla). Oysa bu kadar mükemmel aynalar gerçekte yok. Öte
Karadeliğirı boşluk salınımlarının ışık yaydığı sonucuna varan Stephen Hawking, 1974 yılında karadeliklerin ışıdığını bulmasıyla uluslararası üne kavuştu.
Hawking, “Zamanın Kısa Tarihi” adlı kitabıyla ülkemizde de tanınıyor.
Jaeckel, Serge Reynaud ve Astrid Lambrecht, geçirgenliği sıfır olmasa da çok düşük olan gerçek aynalar üzerinde hesaplamalar yaptılar. Bu, özellikle “kip” (Kip burada fotonun aynalararası gidip gelme sayısını -aynaların birinden geçmeden önce-gösteriyor. Tabii bu aynaların yansıtma gücüne bağlı) etkisini nicel olarak değerlendirmeyi sağlar. Boşlukta titreştirilen tek bir ayna durumuna kıyasla iki aynanın hareketi nedeniyle oluşan foton akışı aralığın
i;
ıı «Tadil yalnızca büyüme olmaz. Aynaların titreşim frekansları, aralığın rezonans frekansının tam katı olduğu zaman, ışımanın önemli bir kısmı bazı ışık frekanslarında toplanır ki bunlar aynı zamanda rezonans frekansının katlarıdır.
Aralığın hareketiyle oluşan ışı-
mayı nasıl aniav .ibîiîn/? Bin.¡.o naneyi zor. ama imkânsız olmayacak tır. Süperiletken aynalardan oluşan bir aralığın kullanıldığını düşünebi-
bunu ölçebiliriz. Aynı zamanda bı aralıktan, çok uyarılmış atomları (Rydberg atomları) geçirmeyi düşü-j nebiliriz. Bu atomlar elektromanye-J tik alanlara karşı çok hassas oldukla rından, aralıktan çıkışlarındaki uys rılma durumlarını ölçerek aralığıi içerisindeki fotonların sayısı hak-J kında bilgi sahibi olabiliriz.
Lambrecht, bazı önlemler alın-{ masının gerekeceğini söylüyor. IsJ hareketlerden dolayı oluşan ışımala nedeniyle meydana gelebilecek katkıları yok etmek için, deneyle çok düşük sıcaklıkta (birkaç on mili-kelvin derecesinde) gerçekleştiriîı melidir. Gerekli olan bu teknikle! günümüzde ustalıkla uygulanmak-j tadır. Bu şekilde, optik rezonansı* büyütülmesi sayesinde, titreşim ne-| deniyle oluşan ışımanın saptanma« ilk defa mümkün görünüyor. Geriyt sadece deneyin yapılması kalıyor.
Kavramsal kapsamın daha iyi an laşılması için dikkat etmemiz gere ken, aynaların titreştiği bir durur da, aralarındaki mesafe sabit kala cak şekilde titreşimlerin aynı fazd^ olması. Oysa bu durumda dahi bı ışıma bekleyebiliriz. Bu, şu şekildcj anlaşılabilir: İki aynanın hareketi ■ rasında, elektromanyetik alan aralı! içinde yayılmaya devam ediyor. He ne kadar geometrik uzunluğu sabi^ kalsa da, alan referans çerçevesin den bakıldığında aralığın uzunluğı periyodik olarak değişiyor. Bur rağmen, fotonların yayılması bu du rumda çelişkili görünüyer^
ketin boşluk dışında hiçbir refer sı yok. Tek aynada olduğu gibi, boj luk sanki, sabit olmayan ivmeli ha reketlerle, sabit hızlı ya da ivme! hareketler arasında bir ayırım göze tiyor.
Oysa, Einstein’ın genel gör kuramına göre avrtrnİTgr’TfiiiTrhiç?? referans sistemi yoktun fizik ya’j lan, gözlemcinin hareketi ne olu olsun hep aynıdır. Boşluğun ku
te ozeiiikie Davits ve r’ulling tara–kip k.n.vixim ile buyiiycbi
olur^B
kuamfl
1 U ;-V-ıı
rr“Urr^rî—.
»N Ç ( T IVÎ -1“
lar da var: Kaybın olmadığı bir du- gücünde ve 109 mertebesinde bir
liiUdliS .’vüîi.lclvüuilll! ı-■ !_ı aıau^ı
■4^aBefiaetge=b%üfclüğünd6y4.^iga-
rıımria oıriKen lotoıııar /.amama suü-
Il\_ ^VİİVİ Fi“
sindeki hamn açıyor.
Bir aralığın titreşimiyle meydana gelen ışımayı saptamak: zor bir deney ama gerçekleşmesi olanaksız değil. Son günlerde, Marc Thierry
hertz frekansıyla titreştirebilirsek -gerçek dışı olmayan değerler- aynalar arasında, zayıf olmakla beraber, saniyede on fotonluk bir akı yerine
fıımcıl
dik oluşturuyor; bu da kuantum
hağm sorgulanmasına
A. Lam
“Secouer Le Vide Pour Créer de La Lui
La Recherche, Şııbac ‘
Çeviri: Alkım Oz