Huygens ilkesi nedir? Christiaan Huygens’in bulduğu ilkenin özellikleri ve açıklaması. Dalgalar nasıl ilerler, Satürn’ün halkaları hakkında bilgi.
Huygens İlkesi
Göle bir taş atarsanız, giderek genişleyen, halka şeklinde bir dalga oluşturur. Bu dalga neden genişler? Ve bir nesneyle, söz gelimi bir ağaç kütüğüyle, karşılaştığında çevresinden dolanacağını ya da gölün kenarına çarptığında geri yansıyacağını nasıl öngörebilirsiniz? Huygens ilkesi dalgaların nasıl ilerlediğini anlamak için kullanılan bir araçtır. Bu ilkeye göre dalga cephesindeki her noktanın yeni bir dalgalanma kaynağı olduğu kabul edilir.
Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens dalgaların ilerleyişini öngörmek için pratik bir yönteme başvurdu. Diyelim ki göle bir çakıltaşı attınız ve dalga halkaları oluştu. Halka şeklindeki dalganın bir an için donduğunu düşünün. Bu durumda dairesel dalga üzerindeki her nokta -özellikleri donmuş dalgayla aynı olan- yeni bir dalga kaynağı olarak düşünülebilir. Sanki ilk dalganın oluşturduğu halkanın tam üzerinde dizili çok sayıda çakıltaşı bir anda suya bırakılmış gibi olur. Bu taşların düşüşü dalgayı daha da genişletir. Yeni noktalar kümesi de bir dizi yeni yayılan dalga enerjisi kaynağının başlangıç noktaları olur. Bu ilkeyi birçok kez yineleyerek dalganın gelişimi izlenebilir.
Adım adım
Bir dalga cephesi üzerindeki her noktanın dalgayla aynı frekans ve fazda yeni bir dalga enerji kaynağı gibi hareket ettiği düşüncesine Huygens ilkesi denir. Bir dalganın frekansı belli bir süre içinde oluşan dalga tekrarı sayısıdır. Dalganın fazı da bir devrin neresinde olunduğunu gösterir. Örneğin bütün dalga tepeleri aynı fazdadır ve bütün çukurlar da onlardan yarım devir uzaktadır. Bir deniz dalgası düşünün, dalgaboyu olarak bilinen iki dalga tepesi arasındaki uzaklık 100 metre olabilir.
Bu dalganın frekansı, yani bir noktadan bir saniyede geçen dalgaboyu sayısı, 60 saniyede 100 metrelik bir dalgaboyu yani dakikada bir devir olabilir. En hızlı okyanus dalgaları saatteki hızları 800 km’yi yani bir jet uçağı hızını, bulan tsunamilerdir. Bunlar kıyıya yaklaştıkça hızları saatte onlarca kilometreye iner ama bu sırada boyları yükselebilir ve kıyıları basabilirler.
Bir dalganın ilerleyişinin haritasını çıkarırken dalga engellerle karşılaştığında ya da başka dalgalarla yolu kesildiğinde Huygens ilkesi tekrar tekrar uygulanabilir. Bir kağıda bir dalga cephesinin konumunu çizerseniz, bu çizim üzerindeki birçok noktadan pergelle çizeceğiniz küçük çemberlerin dış kenarlarını birleştirdiğinizde dalganın bir sonraki konumunu resmetmiş olursunuz.
Huygens’in bu basit yöntemiyle dalgaların değişik durumlardaki halleri tanımlanabilir. Doğrusal bir dalga ilerlerken de düzgünlüğünü korur; çünkü uzunluğu boyunca çizilecek dairesel dalgacıkların ön kenarları birleştirildiğinde bunlar ilk dalganın az ilerisinde yine doğrusal bir dalga cephesi oluşturur.
Eğer paralel deniz dalgalarının liman duvarındaki küçük bir açıklıktan geçişini izlerseniz, açıklıktan geçen dalgaların şekil değiştirip yay şeklinde ilerlediğini görürsünüz. Düz dalgaların yalnızca çok kısa bir bölümü aralıktan geçer ve bu değişmemiş kalıntının (Huygens ilkesine göre dairesel yeni dalgaların doğduğu) kenarlarında yaylar oluşur. Eğer açıklık dalgalar arası mesafeye göre daha kısaysa, o zaman yuvarlanan kenarlar örüntüde hakim olur ve iletilen dalga neredeyse bir yarım daire şeklini alır. Dalga enerjisinin, açıklığın iki yanındaki bu yayılımına kırılma denir.
2004’te Sumatra açıklarında meydana gelen şiddetli bir depremin yarattığı korkunç tsunami hızla Hint Okyanusu’nun her yanma doğru ilerledi. Bazı bölgelere ulaştığında gücü azalmıştı; çünkü yolunun üzerindeki ada dizilerinin arasından geçerken oluşan kırılma nedeniyle dalganın enerjisi yayılmıştı.
Huygens Titan’da
14 ocak 2005’te Huygens uzay sondası yedi yıllık bir yolculuktan sonra Titan’ın yüzeyine indi. Birkaç metre çapında koruyucu bir dış kabuğun içindeki Huygens sondası buzdan düzlüğe konmadan önce atmosferden geçerken rüzgârın hızını, atmosfer basıncını, sıcaklığı ve yüzeyin bileşimini ölçen bir dizi deney yaptı. Atmosferi ve yüzeyi sıvı metan içeren Titan ilginç bir dünyaydı. Bazılarına göre metan yiyen bakteriler gibi ilkel yaşam biçimlerine ev sahipliği yapıyor olabilir. Huygens, dış Güneş Sistemi’ndeki bir gökcismine inen ilk uzay aracı olmuştur.
Kulaklarınıza inanabiliyor musunuz?
Yan odadaki birine seslendiğinizde sesinizin sanki odanın kapısındaymışsınız gibi duyulması da Huygens ilkesiyle açıklanır. Huygens’e göre dalgalar kapıya vardığında, tıpkı liman duvarındaki açıklıkta olduğu gibi, yeni bir dizi noktasal dalga enerjisi kaynağı yaratılır. Dolayısıyla dinleyen kişinin kulağına gelen, kapıda yaratılan bu dalgacıklardır; dalganın öteki odadaki geçmişi yok olmuştur.
Aynı şekilde dairesel bir dalganın gölün düz olan kıyısına varışını izlerseniz, yansıma ters dönmüş halkalar oluşturur. Dalganın gölün kenarına ulaşan ilk noktası yeni bir kaynak gibi davranır ve yeni bir dalganın ters yönde yayılımı başlar. Dalga yansımalarını tanımlarken de Huygens ilkesi kullanılabilir.
Deniz dalgaları sığ sulara, örneğin bir sahile, geldiğinde hızları değişir ve dalga cephesi sığlığa doğru içe bükülür. Huygens bu “kırılma’yı dalgacıkların yarıçaplarının değişimiyle açıklar. Ona göre yavaş dalgalar daha küçük dalgacıklar üretir. Yavaş dalgacıklar hızlı olanlar kadar uzağa gidemez ve böylece yeni dalg?( cephesi de orijinale göre açılı olur.
Huygens ilkesinin gerçekçi olmayan bir ön kabulü vardır: Bütün yeni dalgacıklar birer dalga enerjisi kaynağıdır; o zaman ileriye doğru olduğu kadar geriye doğru da dalga oluşmalıdır. Yani neden dalga yalnızca ileriye doğru yayılır? Huygens’in buna bir yanıtı yoktur ve dalga enerjisinin ileriye doğru yayıldığını kabul edip geriye hareketi ihmal eder. Dolayısıyla Huygens ilkesi aslında dalgaların gelişimine tam bir açıklama getiren bir yasa değil, yalnızca onların gelişimini öngören kullanışlı bir araçtır.
Satürn’ün halkaları
Huygens dalgalar üzerine çalışmanın yanında bir de Satürn’ün halkalarını keşfetti. Gezegenin yanlarında uydular olmadığını ya da ekvatorunda değişken bir şişkinlik bulunmadığını ama yassı, ince bir diskle kuşatıldığını ilk kez o gösterdi. Uyduların yörünge hareketini açıklayan fiziğin, yani Newton’ın kütleçekiminin, gezegenin çevresinde bir halka üzerinde ilerleyen birçok küçük nesneye de uygulanabileceğini düşündü. 1655’te Huygens, Satürn’ün en büyük uydusu Titan’ı keşfetti. Tam 350 yıl sonra Cassini adlı bir uzay aracı Satürn’e vardı. Cassini’nin taşıdığı Huygens adlı uzay sondası Titan’m bulutlarla kaplı atmosferinden geçerek onun donmuş yüzeyine indi. Titan’da kıtalar, kumullar, göller ve belki de ırmaklar vardı. Ama bunlar sudan değil katı ve sıvı haldeki etan ve metandandı. Huygens kendi adını taşıyan bir uzay aracının bir gün o uzak dünyaya gideceğini bilse çok şaşırırdı. Onun adını taşıyan ilke tabii ki oradaki dalgaları da açıklamak için kullanılır.
Huygens İlkesi 2. Kaynak Kısaca
Huygens ilkesi, boşlukta ya da saydam bir ortamda yayılan ışığın dalga yüzü üzerindeki bütün noktaların, hızlarıyla orantılı olarak her yöne doğru genişleyen yeni dalgacıkların kaynakları gibi değerlendirilebileceğini ileri süren optik ilkesidir. Felemenkli matematikçi, fizikçi ve astronomi bilgini Christiaan Huygens‘in 1690’da ortaya koyduğu bu ilkeden çeşitli optik olayların incelenmesinde yararlanılır.
Dalgacıklara teğet bir yüzey, yeni dalga yüzünü oluşturur ve buna dalgacık zarfı denir. Eğer ortam homojense, bir başka deyişle her yerde aynı özelliklere sahipse ve ışığın ortam içindeki hızı her doğrultu için aynı ise (yönsemezlik), bu ortamdaki bir noktasal kaynağın üç boyutlu zarfı küre biçimindedir; bu koşullar geçerli değilse, birçok kristal türünde olduğu gibi zarfın biçimi elipsoit olur. Yaygın bir ışık kaynağında sonsuz sayıda noktasal kaynak bulunur; bu tür bir kaynağın düzlemsel bir dalga yüzü oluşturduğu varsayılabilir.