Işık hızında seyahat, bilim kurgu eserlerinin vazgeçilmez bir temasıdır. Bu yazıda, ışık hızının sınırlarını zorlayan teoriler ve bilimsel gerçeklikler arasındaki ilişkiyi keşfedin.
Bilim kurgu dünyasında, ışık hızı veya ötesinde yolculuk eden uzay gemileri, evrenin derinliklerini keşfetme hayalini gerçeğe dönüştürüyor. Ancak, Dünya’dan ayrılmadan, hantal bir roketin içinde ışık hızında (boşlukta saniyede 299.792.458 metre) seyahat etmek, fiziksel açıdan imkansız bir durum. Michigan Eyalet Üniversitesinde yardımcı fizik profesörü Gerd Kortemeyer, “O hızda yalnızca kütlesiz parçacıklar seyahat edebilir” diyor. Bu nedenle, kütleli hiçbir nesne o hıza ulaşamaz. Kütlesiz parçacıklar bile, ışık hızında hareket etme sınırına tabidir. “Buna genelde kozmik hız sınırı denir çünkü hiçbir şey bu sınırı geçemez” diyor Kortemeyer.
Uzaktaki galaksilere seyahat etme hayali kuranlar için, daha da kötü bir durum söz konusu: Işık hızına yakın bir hızda hareket etmek bile neredeyse imkansız. “Dünya’mızla kıyaslandığında, ışık hızına yakın bir hızda seyahat etmek ne mümkün ne de hayatta kalınabilir bir şey” diyor Kortemeyer. Populer Science Türkçe’nin aktardığına göre, insan taşıyan herhangi bir uzay aracını bu hıza çıkarmak için muazzam miktarda yakıt ve enerji gerekmektedir. Kortemeyer’in hesaplamalarına göre, 10 ton ağırlığında bir uzay gemisini (çoğu uzay aracından çok daha hafif) ışık hızının yüzde 99’una ulaştırmak için, Dünya’da bir yılda tüketilen enerjinin 200 katından fazlasını kullanmak gerektiği ortaya çıkıyor. Üstelik bu, kütlenin hiç ısı kaybı olmadan itiş enerjisine dönüştüğü varsayımıyla geçerli; zira termodinamiğin ikinci kanununa göre bu durum da bir fiziksel imkansızlık taşır.
Işık hızına en yakın olduğumuz nokta, küçük atomik parçacıkların ışık hızının yüzde 99,99999896’sına kadar hızlandırıldığı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’dır. Ancak tüm bunları bir kenara bırakalım ve ışık hızına yaklaşabildiğimizi düşünelim. Eğer mükemmel, verimli (ve bolca) yakıtımız, bu hıza dayanacak şekilde inşa edilmiş bir uzay aracımız ve cesaretimiz olsaydı, ışık hızına yakın bir hızda yolculuk yapmak nasıl olurdu? İşte o zaman işler oldukça ilginç bir hal alırdı.
Öncelikle, ışık hızının tuhaf yanlarından bazılarını anlamak önemlidir. Kortemeyer, bunun yalnızca bir hız değil, “doğanın temel sabitlerinden biri” olduğunu açıklıyor. 1600’lerden bu yana gezegenlerin hareketleri üzerine yapılan gözlemler, ışığın hızını işaret ediyordu. 1865 yılında James Clerk Maxwell, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu keşfetti ve “Elektromanyetik alanın dinamik bir kuramı” başlıklı makalesinde, bilinen değere yakın bir hız hesapladı. Ardından, Einstein fiziğe dair bildiklerimizi alt üst etti. 1905 yılında sunduğu özel görelilik teorisi, uzay-zamanı “c” sabitiyle bağlantılı birleşik bir yapı olarak ele aldı. “C” değeri, Einstein hesapladığında ışık hızına eşit olarak ortaya çıkmıştı. İşte meşhur E=mc² denklemi de buradan gelir.
En basit terimlerle özel görelilik, ışık hızının değişmediğini ancak zamanın (dördüncü boyut) cisimlerin hareketlerine göre büküldüğünü belirtir. Bu nedenle, hareket halindeki cisimler, durağan cisimlerden farklı bir zaman deneyimi yaşar. Dünya üzerindeki hızlarımızda bu fark göze çarpmazken, ışık hızına yakın hızlarda, zaman genişlemesi olarak bilinen bir olgu ortaya çıkar.
Ayrıca, ışık hızının uzay-zaman ile olan benzersiz ilişkisi nedeniyle, bir gözlemcinin hızı ne olursa olsun, ışık hızı sabit kalır. Bir an için otoyoldaki bir araba olduğunuzu düşünün; eğer saatte 60 km hızla gidiyorsanız ve önünüzdeki bir araba saatte 120 km ile geçiyorsa, o zaman bu araba sizden saatte 60 km hızla uzaklaşır. Ancak bir ışık huzmesiyle yarıştığınızda, ışık hızının yüzde 50’sine ulaşsanız bile, o foton sizden hâlâ ışık hızında uzaklaşmaya devam eder. “Nasıl hareket ederseniz edin, bu her zaman ışık hızındadır, diğer her şeyden çok farklıdır” diyor Kortemeyer. Bu kavramlar birlikte, ışık hızına yaklaşmayı heyecan verici bir yolculuk haline getiriyor.
Kortemeyer ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki ortakları, 2012 yılında geliştirdikleri bir simülasyonda, ışık hızına yakın hareket etmenin göreli etkilerini görselleştirerek tasvir ettiler. Bu basit oyun, ışık hızına yakın seyahat etmenin görsel etkilerini anlatmayı amaçlıyor ve ışığın çok daha yavaş hareket ettiğini hayal ederek, siz dünyada dolaşırken sürekli yavaşladığı bir evrende geçiyor. O evrende, ışık hızına hâlâ ulaşamayacak veya onu aşamayacak olsanız da, tempolu bir yürüyüş hızında yaklaşabilirsiniz.
Bunu yaptığınızda, yanınızdan hızla geçen bir ambulansın sirenlerinin tonunun değiştiği gibi bir Doppler etkisi yaşarsınız. Bir cisme doğru hareket ettiğinizde, dalga boyu görsel olarak kısaldığı için o cisim daha mavi görünür. Bir cisimden uzaklaştığınızda ise bunun tersi meydana gelir ve görünüşü daha kırmızı olur. Ayrıca, bir cisme doğru hızlanmak, o cismin algıladığınız parlaklığını artırır. Kortemeyer, bu durumu yağmurda koşmaya benzetiyor. Bir sağanak yağmurdan hızla geçmek, ön tarafınıza daha fazla damlanın çarpmasına neden olur ve dolayısıyla giysiniz daha fazla ıslanır. Bu simülasyonda ise su damlacıklarının yerini fotonlar alır. Bir ışık ışınına yakın hızda hareket etmek, gözlerinize tek seferde daha fazla ışık parçacığının çarpması anlamına gelir.
Eğer yeterince tuhaf gelmediyse, bir de zamana ne olacağını düşünün. Zaman genişlemesi kavramını hatırladınız mı? Uzay-zaman ışık hızı sabitine uyum sağlamak için büküldüğünden, ışık hızına yakın bir hızda uzayda giden bir birey, Dünya’da bekleyen diğer tüm insanlardan daha yavaş yaşlanır. Bu fikir, ikiz paradoksu düşünce deneyinde de örneklendiriliyor. Zaman genişlemesi ve belli bir hızda hareket halindeki zamanın, durma halindeki zamana göre değişimi hassas bir şekilde hesaplanabiliyor.
Eğer saniyede 299.792.450 metreye ulaşmayı başarır ve uzayda iki dakika yolculuk yaparsanız, gezegenimizde yaklaşık altı gün geçmiş olur. Bu bükülmüş zaman kavramı genellikle hiper-ışık hızı yolculuğunun nasıl çalışabileceğini açıklamak için kullanılıyor. “Star Trek’in büyük bir hayranıyım, bu yüzden moral bozmak istemiyorum,” diyor Kortemeyer. Ancak dizinin ışık hızını geçme iddiasının tamamen kurgu olduğunu ve bilimsel bir temeli olmadığını vurguluyor. “Uzayı bükmek fiziksel bir gerçeklik” fakat hızı manipüle etmek için uzayı bükmeye zorlamanın veya bükülmeyi kontrol etmenin bir yolu yok. “Fizikte büküm sürüşü diye bir şey yok” diyor Kortemeyer. “Fiziğin hangi ilkesinin bunu mümkün kılacağını bilmiyorum.”
Ayrıca, işleri daha da gerçekçi hale getirecek olursak, saniyede 299.792.450 metreye ulaşmak başlı başına bir deneyim olurdu. Yüksek hızlar söz konusu olduğunda, en büyük engel sabit bir hızda seyretmek değil, hızlanmaktır. Zaten tahmin edebileceğinizden çok daha hızlı hareket ediyoruz. Dünya üzerindeki bizler, Güneş’in etrafında saatte yaklaşık 108.000 km hızla dönüyoruz. Ancak bu hız sabit olduğu için onu hissetmiyoruz. Fakat Dünya’ya göre ışık hızına ulaşmak çok farklı bir hikaye olurdu. “Öylece kalkış yapıp ışık hızına ulaşamazsınız. O zaman vücudunuz düzleşir” diyor Kortemeyer.
Hızlanma sırasında dikkat edilmezse, ışık hızına yaklaşmanın g-kuvveti son derece yüksek olur. İnsanlar, Dünya’daki kütle çekim hızı olan 1 g’ye uyum sağlamış durumdadır. Çoğu insan, birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar değişen kısa atılımlarda 4-6 g’ye dayanabilir. Ancak daha uzun süreli veya daha yüksek yoğunlukta g kuvvetine maruz kalmak, vücudumuzdaki sıvı dinamiklerinin yapışkan hale gelmesi nedeniyle ölümcül sonuçlar doğurabilir. Kortemeyer’in hesaplamalarına göre, hızlanma kuvvetini 3 g’nin altında tutmak istiyorsanız, bir insanın ışık hızına kadar hızlanması yaklaşık bir yıl alır. Ancak bu seviyedeki hızlanma kuvvetine bile uzun süre maruz kalmanın vücut üzerindeki etkilerini henüz tam olarak bilmiyoruz. Evrimleştiğimiz şeyin ötesinde, aralıksız 12 ay süresince hızlanma kuvvetine maruz kalmak, yalnızca fiziğin sınırlarını değil, aynı zamanda kendi fiziksel sınırlarımızı da test edebilir.
