Michelson – Morley deneyi

Okunmamış mesaj 28 Şub 2010, 23:01

Michelson-Morley deneyi ’nin yıktığı kavramlar ve getirdiği yeni bakış açıları...

Yıllar önce Descartes, hareketin doğasını incelerken doğanın boşluktan hoşlanmadığı gibi bir düşünceye ulaşmıştır. Onun düşüncesine göre, evrenin tamamını dolduran bir yapı söz konusuydu. Tüm fiziksel olaylar hareket halindeki eylemsiz madde tarafından meydana geliyordu. Ancak evreni dolduran bu yapının engellemesi nedeni ile hareketin olabilmesi için her bir cismin eş zamanlı uzaya doğru hareket etmesi gerekiyordu. Bu süreç ancak kapalı halkalar üzerinde mümkündü. Böylelikle Descartes, gezegenlerin neden dairesel hareket yaptığını açıklıyordu. Dairesel hareket zorunlu olmamakla beraber doğal olmadığından, dolu uzaya bir merkezkaç basıncı uygular. Descartes, başlıca doğa olaylarını işte bu basınca bağlıyordu. Sonsuz uzay doluluğu içinde hareketin ilk sonucu evrenin sonsuz sayıdaki girdaplan oluştuğudur. Güneş sistemimizin içindeki girdap öylesine büyüktü ki, büyük bir bölümü, birbiri ile sürekli çarpışmaktan kusursuz küreler haline gelmiş küçücük toplarla doluydu. Descares bunlara “ikinci element” diyordu. Birinci element ya da 17. yüzyılda sık sık kullanılan adı ile “eter” ise, ikinci element küreleri arasındaki uzayı ve bütün öteki gözenekleri dolduran son derece ince parçacıklardan oluşmuştu. Descartes’in evreninde bir üçüncü madde türü daha vardı ki; bu, daha büyük parçacıkların daha büyük cisimler üzerinde toplanması ile oluşan gezegenlerdi. Girdap ekseni etrafında çevrilirken her bir parçacık merkezden uzaklaşma eğilimi içinde olacaktı. Bu iki dengenin eşitlendiği vakit yörüngeler oluşacaktı. Descartes, benzer kavramları kullanarak açıklamalar yaptı. Ona göre, dairesel hareketin doğal sonucu olarak bir merkezkaç basıncı oluşacaktı. Işığı oluşturan da bu basınçtı. Güneş sisteminin merkezine denk gelen Güneş ise bu görüşe destek sağlıyordu.

Günimüzde bu teori geçerliliğini kaybetmiştir ancak ışık hakkındaki düşüncenin gelişimine bakılırsa ara ara evreni dolduran yapı olduğuna inanılan “esir” kavramı gündeme gelmiştir. Şimdi bu düşünce gelişimini tarihsel sıra ile anlatalım:

Işık hakkındaki görüşler:

İlk çağlarda Platon ve Euclides gibi düşünürler, ışığın gözden yayıldığını ve görmenin böyle olduğunu savundular. Daha sonraları Pythagoras ışığın, ışık kaynaklarından taneler şekinde, Empedocles ise ışığın bir çeşit yüksek hızlı dalgalar şeklinde yayıldığı fikrini ileri sürdü. Fakat ışığın, taneciklerle yayıldığı fikri ilk defa Sir Issac Newton tarafından ciddi bir şekildde savunuldu. Newton’a göre ışık, kaynaktan tanecikler şeklinde çıkmakta ve oldukça hızlı olarak yayılmaktadır. Yansıma ve kırılma gibi olayları da bu modelle açıklayan Newton’un tanecik modeli daha sonra ki aksi görüşlere rağmen rabet gördü.

Henüz Newton hayatta iken, ışığın tanecikli yapıda oluşundan daha ziyade, dalga özelliği gösterdiği fikri ileri sürüldü. Bu görüşü ilk defa savunan Huygens, “Işık dalgalar şeklinde yayılır.” diyerek yansıma ve kırılma olaylarının dalga modeli ile açıklanabileceğini gösterdi. Her yeri kaplayan “eter” isimli görünmez, kütlesiz ve statik bir kav- ram olarak açıkladığı yapıyı ortaya attı.

Dalga teorisi, bilim adamlarının çoğu tarafından hemen kabul görmedi. Bunun temel nedenlerinden birisi, bilinen ses ve su dalgalarının ancak belirli ortamlarda yayılabilmesi, boşlukta yayılamamasıydı. Işığın dalga olarak yayolması fikri ise Güneş ışığının, boşluk kabul edilen uzaydan geçerek yeryüzüne ulaşması ile çelişmekte idi çünkü ıık ses ve su dalgalarının aksine ortam olmadan da yayılabiliyordu. Dalga modelinin başlangıçta bilim adamları tarafından kabul edilmemesinin ikinci önemli nedeni ise, su dalgalarının önüne çıkan engelin arkasında da bükülerek ilerleyebilmesiydi (kırınım). Işık için böyle bir olay, yani engel arkasında bükülme olayı henüz gözlenememişti. Daha sonra 1660 yıllarında francesco Grimaldi isimli bilim adamının ışığın kırınımı olayı ile ilgili deneyler yapmış olamasına rağmen, Newton’a duyulan büyük hayranlık, diğer araştırmacıların dalga teorisine ısınmasını geciktirdi.

Dalga modeli hakkında tatmin edici ilk deney, Thomas Young tarafından yapıldı. Young ilk defa ışıkta girişim olayını gözlemledi ve ışığın dalga özelliği gösterdiğini ispatlamış oldu. Daha sonraları Fresnel isimli Fansız fizikçi, ışığın girişimi ve kırınımı ile ilgili olarak birçok deneyler yaptı ve Young’u destekledi.

Bununla birlikte 19. yüzyülda dalga modelini destekleyen bir çok yeni çalışmalar yapıldı. Bu çalışmalardan en önemlisi 1973’de Maxwell’in ışık hakkında ileri sürdüğü ve formüllerle ispatladığı düşünceleridir. Maxwell, ışığı elektrik ve manyetik alan titreşmlerinden oluşan bir elektromanyetik dalga olarak tanımladı. 1887’de Hertz ise elektromanyetik dalgaların varlığını deneysel olarak ispatlayarak bu elektromanyetik dalgaların yansıma, kırılma gibi, dalgalara ait diğer özellikleri taşıdığını gösterdi.

Dalga modeli ile ilgili ileri sürülen bu teorilerin yanında, ışığı tamamen dalga kabul ettiğimizde, açıklamakta zorlandığımız bir kısım deneyler de derçekleştirildi. Bunlardan birincisi, yine ilk defa Hertz tarafından keşfedilen fotoelektrik olayı’dır. 19. yüzyıl sonlarında Max Planck’ın çalışmaları daha sonradan Einstein tarafından desteklenerek fotoelektrik olay açıklanmış ve bununla da tanecik teorisi kuvvetlenmiş oldu. Tanecik teorisini savunanlar için en tatmin edici deneysel verileri 1925’te Compton elde etti. Compton’un gerçekleştirdiği ışığın elektronlardan saçılması deneyi, Compton olayı olarak fizik litaratürüne girdi.

Işığın hızının hesaplanması:

Burada ilk göze çarpan şey, ışığın tanecik modelinin açıklayamadığı bir takım verilerin elde edildiği, bu sorunun ışığın dalga modeli ile aşılabilmesi ancak sadece tanecik modeli ile de açıklanabilen bazı olayların da olduğudur. Ayrıca tek başına dalga modelinin çıkmazlarından birsi, dalgaların yayılabileceği bir ortamın hala ispatlanamamış olmasıdır. Deneylerin her aşamasında öncelikle bilinmesi gereken şey, ışığın hızının hassas bir ölçümüydü. İşte tam bu aşamada Albert A. Michelson çıktı. Michelson’dan önce ışığın hızını ölçebilmek için Galile, Roemer, Bredley gibi bilim adamları çeşitli yöntemler tasarlamışlardı. Michelson bu deneyleri geliştirerek şöyle bir düzenek kurdu:

Michelson methodu:

Foucault (fuko)’nun bulduğu ve Michelson’un geliştirdiği methoda göre, yukarıdaki gibi 8 yüzlü aynanın 1. yüzüne düşürülen ışık uzaktaki düzlem aynadan yansıdıktan sonra döner aynanın 3. yüzüne gelir ve ışık yeni bir yansımadan sonra göze ulaşır. Dönen ayna daha az veya daha çok dönerse, giden ve geri dönen ışınların yolu bozulacağı için, göze ışın gelmez. Ancak dönme miktarı 1/8 dönme (ve ya bunun tam katları) kadarsa, aynalar, ışık gidip gelinceye kadar birbirlerinin yerine gelecklerinden, ışık yeniden görünür. Işığın kesiksiz görünebilmesi için 8 yüzlü aynanın saniyede 520 veya bunun tam katları kadar dönme yapması gerekir. Buradan ışığın 26 km lik mesafeyi gidip gelmesi için geçen zaman hesaplanabilir:

t = 1 / 520.8 = 1/4160 saniye yapar. O halde ışık hızı ,

c = X / t den, 72 / (1/4160)

yaklaşık 300.000 km/sn çıkar.

Bu ölçümlerin yapıldığı zamanlar, ışık hıızının gözlemcinin hareketinden etkileneceği düşünülüyordu. Yani günümüze uyarlarsak ileri duğru giden bir arabanın farlarından çıkan ışığın hızının geri giren bir aracın farlarından çıkan ışığın hızından daha az olacağı gibi bir fikir hakimdi. Hocası olan Tycho’nun çok hassas gezegen hareketleri ölçümlerini kullanan keplerin gezegenlerin evrensel hareket kurallarını bulması gibi; Einstein’da zamanı gelince Michelson’un çok hassas ölçümlerini kulla-narak klasik fizikteki hız, zaman, kütle, uzunluk, ve enerji gibi kavramlara verilen anlamları tamamen yıkacak görelilik kuramını gelişirecekti. Ancak bunun için “eter” ve ışık hızının doğası gibi kavramları açıklığa kavuşturacak Michelson – Morley deneyinin yapılmış olması gerekiyordu.

Michelson – Morley deneyi

Michelson, 1887’de Edward Morley ile birlikte Işığın hızını (s), sonra da dünyanın hareketi yönündeki hızını ölçmek amacı ile bir deneye giriştiler. Bu işlemi ışığın hızı eksi dünyanın hareket hızı (s-m) sonucunda elde edeceklerdi. Bu değeri kurdukları düzenek yardımı ile ölçecekler, ve bunu ışığın hızından çıkardıklarında [s-(s-m)] = m dünyanın hızına ulaşacaklardı.

Deney düzenekleri yukarıdaki gibi yarı gümüşlenmiş bir ayna tarafından oluşturulan bir ayna tarafından oluşturulan bir çift ışığın girişiminin incelenmesine dayanıyordu. Işık hüzmelerinden birisi esir akıntısına dik bir yol izleyerek başka bir aynaya gönderilir. Diğer ışık hüzmesi ise esir akıntısına paralel bir yol izleyerek başka bir aynaya gider. İki hüzme de en sonunda gözleme ekranında buluşurlar. Bu düzenekteki uzunluklar, düzenek sabit tutulduğu zaman(esir akıntısı olmadığı zaman) bu iki farklı yoldan gelen ışınların birbiri ile girişim yapabileceği bir biçimde ayarlanmıştır. Düzenek hareket ediyorsa -ki zaten ediyor(dünyanın hareketi)- esirin varlığı durumunda bir esir akıntısı oluşacak ve bu da gelen ışınların girişim koşullarının bozulmasına yol açacaktır. Ancak böyle bir etki gözlenememiştir. Yani esir denilen bir ortamın varlığı gerçek payı taşıma dığını anlamış oldular. Bu deneyden çıkan ikinci sonuç ise ışık hızının her gözlemci için aynı olduğudur.

Sonuç:

Albert Einstein, bu gözlemleri iyi yorumlayarak doğa yasalarının sabit hızlı sistemlerde değişmeyeceğini ışığın hızı, toplam yük gibi fiziksel büyüklüklerin ölçüm yapan her gözlemci için aynı olduğunu, buna karşın uzay, zaman, kütle ve enerji gibi kavramların yeniden yorumlanması gerektiğini çünkü bu niceliklerin göreli olduğunu bir makale halinde yayınladı. Bunşarı düşünen başka kişiler de vardı ancak bunları sistemli bir biçimde ifade edemediler. Einstein’in başarısı, çocukluğundan beri mevcut sistemin doğruluğundan her zaman şüphe eden ve bunu dile getirmekten korkmayan bir kişi olmasına bağlıdır. Yaklaşık olarak 10 yıl sonra düşüncelerinin matematiksel yanlarını kuvvetlendirerek genel görelilik adı altında birleştirdiği kuramını yayınladı. Kütlesel çekime yeni yorumlar getirdi. Yaşamının son yıllarında kütlesel çekim ile elektromanyetizmayı birleştirmek için uğraştı ama başaramadı. Bizler onun bilimsel dehasına çok şey borçluyuz.