Işık dalga mıdır, tanecik mi? Güneş ışınları veya genel anlamda ışık nasıl yayılıyor? Birçok bilim insanı, yaptıkları deneyler ile bu soruya cevap aramıştır. Bir grup fizikçi, ışık dalgalar hâlinde yayılır ve dalganın bütün özelliklerini taşır tezini savunurken diğer bir grup ise ışık tanecikler hâlinde yayılır, kütle ve hızından dolayı da enerji taşır tezini savunmuştur.

Işık Nedir?

“Hayatımın geri kalanını ışığın ne olduğunu düşünerek geçireceğim!”[1] Albert Einstein

Işık, insan gözünün algılayabildiği elektromanyetik dalgadır.[2] İsminden de anlaşıldığı gibi, elektromanyetik dalgalar, birbirine dik olarak salınan elektrik alan ve manyetik alandan oluşur. Elektrik alanındaki değişiklik manyetik alanın, manyetik alandaki değişiklik de elektrik alanının vücuda gelmesine vesile olur ve bu alanların birbirine dönüştürülmesiyle elektromanyetik dalga ortaya çıkar. Elektromanyetik dalgalar, mekanik dalgalardan farklı olarak yayılmak için bir ortama ihtiyaç duymadıkları için, yalnızca hava ve katı maddeler aracılığıyla değil, uzay boşluğunda da yayılabilir.[3]

İnsan gözünün algılayabileceği ışığın dalga boyu 400 nm ile 780 nm arasındadır. Görünür ışığın dalga boyu, kızıl ötesinden kısa (780 nm – 1 μm), mor ötesinden uzundur (100 nm – 400 nm).[4] Işığın boşluktaki hızı yaklaşık 300.000 km/s’dir. Işık, dalga boyuna göre göze farklı renklerde gözükür. Temel ışık renkleri; kırmızı, yeşil ve mavidir. Diğer renkler bu üç rengin karışımıyla elde edilir. Üç rengin bir arada olması, beyazın varlığına vesile olur. Hiçbir ışığın olmaması durumundaysa siyahın ortaya çıkması takdir edilir.[5]

Işık Dalgadır

Christiaan Huygens (1629–1695), 1678 yılında “Huygens ilkesi”ni tanımlamış ve ışığın dalga olduğu hipotezini savunmuştur. Huygens ilkesine göre, bir dalganın çarptığı her nokta, dairesel veya küresel yeni bir dalganın başlangıç ​​noktasıdır. Bir dalga sınırı üzerindeki her bir nokta, başka bir başlangıç dalgasının merkezini oluşturmaktadır. Bu küresel dalgacıklar, tekrar yeni bir dalga sınırı oluştururlar ve dalgalar bu şekilde yayılarak ilerler.[6] Huygens ayrıca ışığın doğrusal yayılması gerektiğini ifade etmiştir. Ona göre ışınlar, dalgalar hâlinde çıkıp doğrusal olarak yayılırlar. Huygens ilkesiyle birlikte dalgalı ışık modeli, optikte yerini almıştır.[7]

Işık Parçacıktır

Isaac Newton (1643–1727) bir prizma ile gerçekleştirdiği deneyleri delil göstererek ışığın bir parçacık akışı şeklinde yayıldığı tezini savunmuştur. Buna “ışığın parçacık teorisi” ismini vermiştir. Işık parçacıklarının her biri kırılana, yansıtılana ya da saçılana kadar düz bir yolda ilerlemektedir.[8] Newton, ışığın kırılma ve yansıma özelliğinin, ancak ışığın parçacıklardan oluşması ile açıklanabileceğini savunuyordu. Newton, teorisini kesin olarak ifade etse de ortada henüz izah edilemeyen iki önemli detay vardı:

  1. Eğer ışık tanecik olarak yayılıyor ise o hâlde ışık kaynağının, bu parçacıkları yaydığı zaman bir kütle kaybına uğraması gerekirdi.
  2. Eğer ışık gerçekten parçacıklardan oluşuyorsa, iki ışın birbirinin içinden geçtiği zaman parçacıklardan bazıları birbiriyle çarpışmalı ve birbirlerinin yolunu saptırmaları gerekirdi, ancak böyle bir sapmanın gerçekleşmediği, yapılan gözlemlerle ortaya konulmuştur.[9]

Thomas Young ve Çift Yarık Deneyi

1803 yılında, Thomas Young (1773–1829), Newton’un ışığın parçacık teorisini tekrar ele aldı. Maksadı, bu deneyin izah edilemeyen kısımlarını netliğe kavuşturmaktı. Bunun için “çift yarık” adıyla bilinen deneyini yaptı. Bu deney için çok basit üç şey kullandı:

  1. İğne deliğinden geçen güneş ışığı.
  2. Ortasında iki yarık olan bir tabaka (bundan dolayı deneye çift yarık deneyi denilmiştir).
  3. Işığın yansıyacağı bir projeksiyon ekranı.

Young, ortasında iki yarık olan bir tabakaya ışığı gönderdi. Young’a göre, ışık bir tanecik ise, tabakanın arkasındaki, ışığın yansıyacağı projeksiyon ekranında parçacıkların çarpmasıyla oluşan iki paralel çizgi görünecekti. Bu durumu, bir silahtan iki yarığa kurşun atılması gibi düşünebiliriz. Yarığın arkasında kurşunların değdiği yerlerde iki paralel çizgi oluşmalıydı. Fakat Thomas Young projeksiyon ekranında, ancak dalgaların oluşturabileceği bir desen oluştuğunu gördü. Bu desende, ortada dalgaların yığılmasından dolayı koyu bir şerit, hemen yanında, dalgaların birbirini yok etmesinden dolayı beyaz bir şerit ortaya çıktını fark etti ve daha sonra bu desenin tekrar ettiğini gözlemledi.[10] Young’ın bu deneyi, ışığın belirli özelliklere sahip bir dalga olduğunu ispatlıyordu.

Tam da ışığın dalga olarak yayıldığı ispatlanmışken, Albert Einstein (1879–1955), 1905 yılında yapmış olduğu fotoelektrik etki deneyi ile tartışmanın seyrini bir kez daha değiştirecekti.

Albert Einstein ve Fotoelektrik Etki

Einstein, deneyinde daha önce ışık üzerinde çalışmış iki fizikçinin bilgilerini kullandı. Bunlardan birincisi; Elektromanyetik dalgalar üzerindeki çalışması ile elektrik teorisinin temellerini atan James Clerk Maxwell (1831–1879) idi. Maxwell’in klasik dalga teorisine göre, yayılan elektronların enerjisi, çarpan ışığın şiddeti ile orantılı olmalıydı.[11] Diğer bir fizikçi ise Quantum fiziğinin kurucusu olarak kabul edilen Max Planck (1858–1947) idi. Max Planck’in foton hipotezine göre, ışık “foton” olarak adlandırılan belirli enerji paketlerinden oluşuyordu.[12] Ayrıca Planck, “Planck Sabiti” ile ışığın frekans ve enerjisi arasındaki matematiksel ilişkiyi tespit etti.

Einstein, yaptığı deneyde, bir ışık kaynağından bir metal yüzeye mor ötesi ışınlar göndermiş ve belli frekanstaki ışınların, belli hızlarda elektronların kopmasına sebep olduğunu, metal yüzeyine düşen ışığın frekansı ile kopan elektronların hızı arasında matematiksel bir ilişki bulunduğunu tespit etmiştir.[13] Yani ışın veya başka herhangi bir elektromanyetik dalga, bir metal yüzeye çarptığı zaman, enerjinin ve impulsun (itme) korunumu kanununa göre, foton enerjisini ve itme gücünü elektronlara aktarıyordu. Belli bir enerjiye sahip fotonlar, metal yüzeyden elektronları sökebiliyordu.[14] Bu durumu, bir misketin diğer bir miskete çarpması sonucunda, çarpan misketin büyüklüğü ve hızına bağlı olarak duran misketi savurması gibi düşünebiliriz. Bu da ışığın parçacık karakteri taşıdığının ispatıydı. Bu deneyi ile Albert Einstein, 1921 yılında Nobel Fizik Ödülünü aldı.

Louis de Broglie ve Madde Dalgaları

Yine başa dönülmüş ve ışığın parçacık olduğu tezi güçlenmişti. Tam da bu dönemde atom fiziği ve kuantum mekaniği alanındaki çalışmalarıyla tanınan Louis de Broglie (1892–1987), 1924 yılında dalga ve parçacık özelliğini taşıyan “madde dalgaları”[15] kavramını ortaya attı. Einstein’ın fotoelektrik etki ve Max Planck’ın kuantum mekaniğindeki çalışmalarını birleştirerek ışığın yayılırken dalga özelliği, bir ölçüm aleti ile gözlemlenirken parçacık özelliği gösterdiğini ispat etti. De Broglie, “De Broglie denklemi”[16] ile dalga özelliği olan “dalga boyu” ve tanecik özelliği olan “impuls” kavramlarını bir araya getirmiştir. De Broglie, bu istisnaî durumu, “dalga-parçacık ikiliği” olarak tanımlamış, iki tarafın da tatmin olacağı bir izah getirmiş ve tartışmaya bir süre için son vermiştir. Louis de Broglie, 1929 yılında “Madde Dalgaları” çalışması ile Fizik Nobel Ödülüne layık görülmüştür.[17]

Işıktaki Hikmetler

Işık, her şeyi sayısız hikmetle yaratan Rabbimizin harikulade icraatlarından biridir. Işıktaki en önemli hikmetlerden biri fotosentezdir. Fotosentez, klorofile sahip bazı canlıların ve bitkilerin, kendilerine ihsan edilen mekanizmalar vesilesiyle, karbondioksit ve suyu kullanarak organik madde ve oksijen üretmesidir. Fotosentezin gerçekleşebilmesi için ışığa ihtiyaç duyulur.[18] Işığı oluşturan fotonların, bitkinin yaprağına ulaşması ile belli tepkimeler sonucu oksijen açığa çıkarılır. Bu da bitkilerin ve hayvanların solunum yapmasını sağlayan atmosferdeki oksijenin temel kaynaklarından biridir.

Kendini tanıttırmayı ve sevdirmeyi murat eden Rabbimizin takdiriyle, meyvelerin olgunlaşması, bizim için harika güzelliklere bürünmesi ve eşsiz lezzetleri almasında güneş ışınları istihdam edilir.[19] “Allah’a halife olduğunun şuuruna varan bir insan, baktığı her yerden kendisini Allah’a ulaştıracak menfezler açar, şehrahlar oluşturur. Allah’a götüren yolların mahlûkatın nefesleri sayısınca çok olmasının anlamı da budur.”[20] Kâinattaki her varlık, lisan-ı hâliyle, “Beni ancak Allah (celle celâluhu) yaratabilir.” demektedir.

Dipnotlar

[1] “Memorable Albert Einstein Quotes“, www.asl-associates.com/einsteinquotes.htm

[2] “Light”, www.britannica.com/science/light

[3] “Anatomy of an Electromagnetic Wave”, science.nasa.gov/ems/02_anatomy

[4] “Licht – Physikalische Eigenschaften”, www.vision-doctor.com/physial-eigenschaften-licht.html

[5] “Işık Nedir?”, isikvesiz.weebly.com/i351305k-nedir.html

[6] “Das huygenssche Prinzip”, www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/das-huygenssche-prinzip

[7] “Huygens İlkesi Nedir”, www.muhendisbeyinler.net/huygens-ilkesi-nedir/

[8] “Isaac Newton ve Işığın Parçacık Teorisi – Işık Dalga mı, Yoksa Parçacık mı?”, bilimintarihi.org/bilim-tarihi/isaac-newton-ve-isigin-parcacik-teorisi-isik-dalga-mi-yoksa-parcacik-mi/

[9] A.g.e.

[10] “Echoes of the past: Young’s experience at the heart of the new method of X-ray spectroscopy”, sudonull.com/post/3181-Echoes-of-the-past-Youngs-experience-at-the-heart-of-the-new-method-of-X-ray-spectroscopy

[11] “James ClerkMaxwell”, physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/James_Clerk_Maxwell

[12] “Quantenhypothese”, de.wikipedia.org/wiki/Quantenhypothese

[13] “Fotoelektrik Etki”, www.turkcebilgi.com/fotoelektrik_etki

[14] “Particle and wave-like behavior of light measured simultaneously”, www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121101141107.htm

[15] “Wave Nature of Particle MCQs”, www.quickstudyhelper.com/wave-nature-of-particle-mcqs.html

[16] “Louis de Broglie Kimdir?”, cilginfizikcilervbi.com/louis-de-broglie-kimdir/

[17] “Liste der Nobelpreisträger für Physik”, dewiki.de/Lexikon/Liste_der_Nobelpreistr%C3%A4ger_f%C3%BCr_Physik

[18] “Işık Miktarının Fotosenteze Etkisini Gözlemleyelim”, bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/isik-miktarinin-fotosenteze-etkisini-gozlemleyelim

[19] “Wieso gibt es rote, grüne und gelbe Äpfel?”, www.simplyscience.ch/kids/wissen/wieso-gibt-es-rote-gruene-und-gelbe-aepfel

[20] M. Fethullah Gülen, “İnsanın Hilâfet Sorumluluğu”, fgulen.com/tr/eserleri/kirik-testi/insanin-hilafet-sorumlulugu