Albert Einstein’ın özel görelilik ilkesine göre, hiçbir cisim vakum ortamında ışık hızında veya ışık hızından daha hızlı olarak hareket edebilecek kütleye sahip olamaz.
Bilim-kurgu filmlerinde, uzay gemileri genellikle birkaç günde yıldızlar arasında yolculuk ettikleri gösterilir. Yıldızlar arasındaki yolculuğun böylesine hızlı olması ışık hızından daha büyük hızlarda yolculuk yapılmasını gerektirir. Ancak özel görelilik ilkesine göre bu mümkün değildir.
Peki, neden ışık hızı evrendeki en üst hız sınırıdır?
Kütlenin Artması ve Işık Hızı Limiti
Dışarıdan bakan bir gözlemci tarafından görüldüğü gibi, hareketli bir cismin kütlesi hızının artmasıyla artar. Matematiksel denklemlerle tanımlanan bu kütle artışına göre, kütle cisim ışık hızına vardığında sonsuz büyüklüğe sahip olur – ama matematiksel olarak. Newton’ın ikinci hareket yasası bir cismi ivmelendirmek için uygulanan kuvvetin onun kütlesi ile orantılı olduğunu söyler. Böylece sonsuz büyüklükteki bir kütleyi ivmelendirmek için sonsuz bir kuvvet gerekir. Dolayısıyla bir cismi ışık hızında hareket ettirmek için sonsuz bir dış kuvvet gerekli olacaktır.
Sonsuz büyüklükte bir kuvvet gerçekleşebilir bir durum olmayacağı için, kütleye sahip hiçbir cisim ışık hızına ulaşamaz. Işık parçacıkları fotonlar kütleleri sıfır olduğu için ışık hızında hareket edebilirler.
Lorentz Daralması ve Işık Hızı
Lorentz daralması hareketli bir cismin hareketinin yönünde dışarıdan bir gözlemci tarafından daha kısa görüneceğini öngörür. Matematiksel olarak bir dış gözlemci ışık hızında hareket eden bir cismi sıfır uzunluğa sahipmiş gibi görür.
Zaman Genişlemesi ve Işık Hızı
Özel görelilikte hareketli bir cisim içim zaman daha yavaş akar dışarıdan bir gözlemciye göre. Zaman genişlemesinin matematiksel ifadesinde bir dış gözlemci ışık hızında hareket eden bir cisim için zamanın durduğunu görecektir.
Görelilik teorisi hiçbir şeyin ışıktan daha hızlı olmasına izin vermez. Eğer bir cismin ışıktan daha hızlı gitmesi mümkün olursa, dış bir gözlemciye göre o cisim zamanda geriye gitmiş gibi olurdu.
Matematiksel Detaylar
Özel görelilikte kullanılan gama faktörü şöyle tanımlanır:
gama = 1/(√(1-v²/c²))
burada v hareket eden cismin hızı ve c ışığın hızıdır.
Işık hızında hareket eden bir cisim için v bölü c 1 olur. Karekök içindeki bu nicelik de kökü sıfır yapar. Matematiksel olarak bir şeyi sıfıra bölmek olanaklı bir durum değildir. cismin hızı v’ye c ışık hızına yaklaştıkça, karekökün içi sıfıra yaklaşır ve gama da sonsuza gider. Bu şekilde matematiksel olarak v=c olduğunda gama’nın sonsuza eşit olduğunu söyleriz.
Hareketli bir cismin kütlesini bulmak için, o cismin durgun kütlesi ile gama çarpılır. Bu nedenle ışık hızında hareket eden bir cismin kütlesi sonsuz olur.
Lorentz daralması da durgun durumdaki cismin uzunluğunun gamaya bölünmesini gerektirir. Bu nedenle ışık hızında hareket eden bir cisim dış bir gözlemciye göre sıfır uzunluğa sahipmiş gibi görünür.
Dış bir gözlemci tarafından gözlenen zaman aralığını bulmak için bir zaman aralığı gama ile çarpılır. v=c olduğunda, dış gözlemci tarafından görülen zaman aralıkları sıfır olur. Bu nedenle dış gözlemciye göre zaman duruyormuş gibi görünür.
Sıkı bir matematiksel duyarlılıkta gama faktörü ışık hızında hareket eden cisimleri için olanaklı değildir. Işık hızlı hareket etmek en azından ışık hızında hareket etmeyi gerektirir ki bu da özel göreliliği ihlal etmek anlamına gelir. Matematiksel olarak v, c’yi aştığında, gama matematikçiler tarafından sanal sayı olarak adlandırılan ifadelerle tanımlanır. Bu matematik sadece ışıktan hızlı hareket etmenizi değil ışıktan çok yavaş hızlarda da hareket edemeyeceğinizi söyler. Fizikçiler ışıktan hızlı hareket eden ama asla ışık hızından daha düşük hızlarda hareket edemeyen hipotetik parçacıkları takyonlar olarak adlandırırlar. Ancak takyonların deneysel olarak var olduğuna dair bir kanıt da yoktur. Işıktan hızlı parçacıklarla ilgili detaylı bilgi için şu yazımızı okumalısınız: Işıktan Hızlı Parçacıklar ve Özel Görelilik Kuramı
Işık hızında gama faktörünün sonsuz olması cisimlerin ışık hızında hareket ederken belirli bir kütleye sahip olmalarına izin vermez. Bu nedenle ışık hızı evrendeki en üst limit hızıdır.
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu – Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar:
- http://suite101.com/a/the-speed-of-light-c-the-ultimate-speed-limit-in-the-universe-a322047
- http://www.kuark.org/2012/05/isiktan-hizli-parcaciklar-ve-ozel-gorelilik-kurami/