Bizler, hayatın en hızlı temposunda bile aksayan bir saatin tıkırtılarında huzur bulmayı bilen canlılarız. Bir trenin camından dışarıya bakarken, ormanın içinde hızla geçen ağaçların karıştığı manzarada gizli bir dinginlik buluruz. İnsanlık, var olduğu günden beri hızın peşinde koşuyor; attan trene, otomobilden uçağa, her adımda daha hızlı olmayı, daha fazla mesafeyi daha kısa zamanda kat etmeyi arzuluyor. Peki ya ışık hızı? Işık hızına ulaşabilir miyiz?
Işık hızı, boşlukta bir ışık dalgasının bir saniyede kat ettiği mesafeyi ifade eder. Yaklaşık olarak 299.792 kilometre/saniye hızında ilerler. Evrende ulaşabileceğimiz en yüksek hız budur ve hiçbir şeyin ışık hızını geçmesi, Einstein’in özel görelilik teorisine göre, mümkün değildir.
2023 itibariyle insanlığın ulaştığı en yüksek hız, Voyager 1 uzay aracının hızıdır, yaklaşık 61.000 kilometre/saat. Bunu ışık hızı ile aynı birime çevirirsen sadece 17 kilometre/saniye ediyor. Bir tarafta saniyede yaklaşık 300.000 km, diğer tarafta saniyede yaklaşık 17 km. Bu hız, ışık hızının yanında oldukça küçük kalmaktadır. Şimdiden söylemeliyiz ki; daha gidecek çok yolumuz var.
Neden ışık hızına erişemiyoruz?
Bunun nedeni, Einstein’ın özel görelilik teorisinden gelen enerji-ivme ilişkisidir. Bir cismin hızını arttırmak için enerji gereklidir. Fakat hız arttıkça, bu enerjiyi sağlamak için gereken enerji miktarı artar ve ışık hızına yaklaştıkça, teorik olarak, bu enerji sonsuz olur. Bu nedenle, hiçbir cisim ışık hızına ulaşamaz.
Neden ışık hızına yaklaştıkça, teorik olarak, sonsuz bir enerji ihtiyacı olur? Ve saniyede 200.000 kilometre ilerleyebilmek için gereken enerji miktarı nedir?
Işık hızına yaklaştıkça sonsuz enerji gerekliliği, Einstein’ın ünlü E=mc^2 formülü ve özel görelilik teorisi ile alakalıdır. Bu formül, enerjinin (E), kütle (m) ile ışık hızının (c) karesi arasındaki ilişkiyi ifade eder.
Burada önemli olan nokta, hız arttıkça bir cismin etkili kütlesinin de artmasıdır. Bir cisim ışık hızına yaklaştıkça, kütlesi de artar ve bu nedenle onu hareket ettirmek için daha fazla enerji gereklidir. Işık hızına tam olarak ulaşıldığında, teorik olarak cismin kütlesi sonsuz olacağından, onu hareket ettirmek için de sonsuz enerji gerekecektir. Bu nedenle, hiçbir maddi cismin ışık hızına ulaşması mümkün değildir.
Saniyede 200.000 kilometre hızda hareket eden bir cismin enerji ihtiyacını hesaplarken, göz önünde bulundurulması gereken birçok faktör vardır. Bunlar arasında cismin kütlesi, başlangıçtaki hızı ve üzerindeki dış etkiler bulunur. Ancak genel olarak, hız arttıkça enerji ihtiyacı da artar. Bu, yukarıda belirtildiği gibi, hız arttıkça artan etkili kütleyle alakalıdır.
Belirtmek önemlidir ki bu konular, modern fizik ve özellikle görelilik teorisi ile ilgilidir. Bu konular hakkında tam bir anlayış elde etmek, genellikle karmaşık matematiksel hesaplamalar ve detaylı fizik bilgisi gerektirir. Ancak temelde, enerji ve kütlenin birbiriyle bu şekilde ilişkili olduğunu ve hız arttıkça enerji ihtiyacının da artacağını anlamak önemlidir.
Saatte 61.000 kilometre (saniyede 17 kilometre) ile ilerleyen Voyager1 aracının kütlesi ne kadar artmıştı?
Bir cismin hızı arttıkça kütlesi de artar; ancak bu artış, genellikle çok küçüktür ve ancak çok yüksek hızlarda, ışık hızına yakın hızlarda belirgin olur. Voyager 1 uzay aracının hızı, saatte 61.000 kilometre olmasına rağmen, bu hız ışık hızına (yaklaşık olarak saatte yaklaşık 1 milyar kilometre) kıyasla oldukça küçüktür. Dolayısıyla, Voyager 1’in kütlesi hızından dolayı yalnızca çok küçük bir miktar artmıştır.
Bu artışın ne kadar olduğunu hesaplamak, karmaşık görelilik denklemlerini gerektirir ve ayrıca Voyager 1’in tam kütlesi ve başlangıç hızı gibi bilgileri de gerektirir. Ancak genel olarak, Voyager 1’in kütlesinin hızından dolayı anlamlı bir şekilde artmadığını söyleyebiliriz.
Görelilik teorisinde, bir cismin hızı arttıkça kütlesinin arttığı fikri, aslında “görelilik kütlesi” adı verilen bir kavramla ilgilidir ve bu, bir cismin enerjisinin ve momentumunun görelilik etkilerini hesaba katmanın bir yoludur. Ancak bu, cismin “gerçek” kütlesinin – yani, hızdan bağımsız olarak ölçülen kütlesi – arttığı anlamına gelmez. Bu nedenle, Voyager 1’in “gerçek” kütlesi hızından dolayı değişmemiştir. Bu, ancak ışık hızına çok yakın hızlarda hareket eden cisimler için belirgin bir etki olur.
Ancak bu, hikayenin sonu değil. İnsanlık, her zaman sınırları zorlama eğilimindedir. Kim demiş ışık hızına ulaşamayız diye? Evet, belki bugünkü teknoloji ve fiziksel kanunlar ışığında bu mümkün görünmüyor, fakat belki de yarınlardaki bilim insanları, bugünkü fizik kanunlarını altüst edecek bir buluşla karşımıza çıkabilir. Einstein’ın zaman ve mekanı bükme teorisi gibi bir teori, ışık hızına yaklaşmamızı sağlayabilir.
Bir gün ışık hızına ulaşabilir miyiz?
İleride bilim ve teknoloji, belki de ışık hızını aşmayı sağlayabilecek gelişmeleri içerebilir. Bilim, sınırları zorlamak ve imkansızı mümkün kılmakla ilgilidir. Belki bir gün, bir bilim insanı, kâğıdın üzerinde sonsuz enerji gerektirdiğini düşündüğümüz bir denklemi çözer ve bizleri ışığın hızına yaklaştırır. Sonuçta, bir zamanlar dünyanın düz olduğunu düşünmüş olan bizler, bugün uzay araçlarıyla yıldızlara ulaşıyoruz.
Bir sonraki tren seyahatinizde dışarıdaki ağaçlara bakarken, hızla geçen o manzaranın belki de ışık hızında olabileceğini hayal edin. Çünkü bilim ve hayaller, birbirlerini besleyen iki büyük güçtür.