Işık
Işık, Dalga boyu yaklaşık 0,4 mikron - 0,7 mikron arasında olan elektromagnetik ışınımı ya da daha doğru tanımıyla, bu aralıktaki elektromagnetik ışınıma verilen görsel yanıtı belirten terim. Işık terimi, daha geniş anlamda, gözle belirlenemeyen dalga boyu aralıkları için de sık sık kullanılır; söz konusu aralıklar morüstü ışık, kızılaltı ışık ve kara ışıktır. Bu ışınımın (ya da ışımanın) özelliğini ve niteliğini belirleyip tanımlamak için, dalga boyunun yanı sıra, hertz birimiyle ölçülen frekans ve uzunluk birimlerinin tersiyle ölçülen dalga sayısı da kullanılır. Görsel bir yanıt olan renk, dalga boyuyla ya da frekansla ilişkilidir. Bir demetteki bütün ışığın aynı dalga boyunda olduğu ideal durumu tanımlamak için tekrenkli (monokromatik) terimi kullanılır.
IŞIĞIN TANIMLANMASI
Işık, temelde zamansal bir nitelik olan dalga boyunun yanı sıra, geometrik ya da yönsel bir nitelik olan kutuplanma (polarizasyon) durumu ve derecesiyle, ayrıca, fiziksel bir nitelik olan şiddetle de tanımlanır. Işık şiddetinin görsel yanıtı parlaklıktır. Kutuplanma durumuna ve derecesine karşılık oluşturan bir yanıt, en azından insanın görme sisteminde yoktur; belirli eklembacaklıların, özellikle de arıların, gökyüzü ışığının kutuplanma durumuna duyarlı olduklarına ilişkin pek çok kanıt elde edilmiştir. Belirli göçmen kuşların da ışığın bu niteliğine yanıt veriyor olabilecekleri düşünülmektedir.
Işığın başka bir ayırıcı özelliği de eşevrelilik (koherans) derecesidir. Kutuplanma derecesiyle ve tekrenklilik derecesiyle yakından ilişkili olan eşevrelilik, bir ışık demetinin kendi kendisiyle girişim oluşturmasını belirtir. Bu nedenle, eşevrelilik, ışığın girişimölçümsel bir özelliğidir. Bir Michelson girişimölçeri kullanılarak, ışık kaynaklarının çoğunun girişim saçakları oluşturması sağlanabilir. Girişimölçerin iki kolu eşit uzunlukta olduğu zaman, bu saçaklar en büyük netliğe ulaşır. Ama kollardan biri daha uzunsa, saçakların kontrastı azalır ve giderek görünmez olurlar. Bir akkor kaynaktan gelen süzülmemiş ışık, koşullar ne olursa olsun, hemen hiç saçak oluşturmaz. Cıvalı ark lambasından gelen ışık, bir ya da iki cm'lik bir aralıkta saçaklar oluşturur. Sürekli dalgalı gaz lazerinin ışığı, 100 metreyi aşan bir uzaklıkta saçaklar oluşturmuştur.
Işık, saniyede 300 000 km hızla yol alan hareketli bir enerjidir. Hem parçacık akışı olarak, hem de dalga olgusu olarak düşünülebilir. Taban tabana karşıt gibi görünen bu iki düşünce, her ikisinin en iyi yanlarını birleştiren bir kuramda bir araya getirilmiştir. Parçacık birimi fotondur; bu birim, içerdiği enerji miktarını belirleyen (ya da onun tarafından belirlenen) merkezî bir frekansla (ya da dalga boyuyla) ilişkilidir. "Tekrenkli" diye adlandırılan demette, bütün fotonların enerjisi, dolayısıyla da frekansı aynıdır. Bunların, yüksek derecede bir eşevreliliğin yanı sıra, az çok türdeş bir kutuplanma durumu da gösteren bir girişim oluşturmaları sağlanabilir. Ama enerji fotonlarda rastgele dağılmışsa, demetin eşevreliliği ve kutuplanma derecesi azalır.
Işığı, dalga cepheleri halinde yayılan bir olgu olarak düşünmek de yerinde olur. Bir deniz dalgasının tepesi gibi, bu dalgalar da, evre ilişkisinin değişmez olduğu yüzeylerdir. Deniz dalgasından farklı olarak, dalga cephesi ya da değişmez evreli yüzey gözlemlenemez ve saptanamaz. Işık, bir dizi dalga cephesinde taşınan enerji olarak düşünülebilir. Yayılma doğrultusu (anizotropik ortamlar dışında), dalga cephesine dik yöndedir. Işınlar, fotonların yörüngeleri olarak düşünülebilir.
IŞIK ÜRETİMİ
Öbür elektromagnetik ışınım türleri gibi ışık da ya hızlandırıcı bir elektrik yükünden ya da nükleer füzyon ya da fisyon tepkimelerinden kaynaklanır. Nükleer tepkimelerde foton, tepkimenin öbür temel parçacık ürünleriyle aynı biçimde oluşur. Ama Güneş ve yıldız ışığı dışında kalan ışık, çoğunlukla, atomların ve moleküllerin enerji soğururken ve yeniden enerji alırken yapılarında oluşan değişikliklerin sonucudur.
Akkor elektrik ışığının kaynağı, filamanın elektrik akımına gösterdiği dirençten ileri gelen ısıdır. Akkor haline gelmiş şömine süngüsü doğrudan doğruya ateşten ısı soğurur; bu ısı, kimyasal enerjinin serbest kalmasından kaynaklanır. Filamanın ya da süngünün yapıldığı maddenin ısısı yükselirken, atomlar ve moleküller, aralarındaki çarpışma sayısının artmasıyla kinetik enerji kazanır. Denge sıcaklığını sürdürmek için kullanılabilen mekanizmalardan biri, maddenin bir bölümünün kaynamasıdır. Başka bir mekanizma da, metaldeki çeşitli atomlarla ilişkili elektronların daha yüksek enerji düzeylerine taşınmasıdır. Sözkonusu elektronlar, yeniden düşük enerji düzeylerine inince bir foton yayar ve sürekli enerji sağlanıyor olmasına karşın, maddenin sıcaklığını az çok değişmez tutarlar; fazlalık enerji ışık olarak yayılır.
Isıl ışık üretimi temelde gelişigüzeldir ve kara cisim ışınımı olarak idealleştirilir. Üretilen ışık, maddenin Kelvin derecesi olarak T sıcaklığıyla ilişkili temel bir Xm maksimum değeri çevresinde kümelenen dalga boylarının, bir karışımını içerir. Bu bağıntıya, "Wien yer değişimi yasası" adı verilir. Böyle bir kaynaktan gelen ışığın oluşturduğu tayf kesintisizdir. Baskın bir dalga boyu bulunmasına karşın, bu ışık tekrenkli değildir. Genellikle kutuplanmamıştır ve eşevre boyu nispeten kısadır.
Başka bir ışık kaynağı türü de bir boşalım tüpünde (sözgelimi neon ampulünde) bulunan alev ya da gaz gibi enerji yüklenmiş plazmadır. Işık, ısıl yayıma benzeyen bir mekanizmayla üretilmesine karşın, atomlar gaz evresindedir ve daha az gelişigüzeldir. Elektronların ulaştığı enerji düzeyleri, daha çok, kendi elektron yapılarına bağlıdır; bu nedenle de, yayılan fotonlar, belirli dalga boylarında kümelenme eğilimi gösterir. Böyle bir kaynağın oluşturduğu tayf kesintisiz değildir; gazdaki atomlara ya da moleküllere özgü çizgilerden ya da kuşaklardan oluşur. Özellikle ışık süzgeçten geçirilirse, bu tür bir kaynaktan oldukça tekrenkli ışık elde edilebilir. Bu ışığın eşevre boyu çok daha uzundur; ama genellikle kutuplanmamıştır.
Üçüncü bir kaynak türü de lazerdir. Lazerin çalışması iki ilkeye dayanır. Birincisi, lazer üreten gereç, özel bir enerji düzeyi yapısında atomlardan ya da atom karışımlarından oluşur. Bunlar enerji soğurunca, elektronları daha yüksek enerji düzeylerine taşınarak belirli yarı kararlı düzeylerde toplanma eğilimi gösterir. Buna "nüfus terselmesi" denir. Elektronlar, uygun frekanstaki bir foton tarafından uyarılıncaya kadar orada kalır. Sonra daha düşük bir enerji düzeyine inen elektronlar, uyarıcı fotonla aynı frekansta olan ve aynı doğrultuda hareket eden bir foton yayar. Tek bir foton, çok sayıda başka fotonun salınmasını uyarabildiği için, fotonların toplam sayısı artar; böylece, ortam içindeki ışığın şiddeti de artar. Bu süreç, "kazanç" diye adlandırılır.
İkinci ilke, lazerin geometrisidir. Lazer, org borusuna çok benzeyen, yayılan fotonların dalga boyuna ayarlanmış boş bir tüp olarak düşünülebilir. Bu süreç, lazerin iki ucu arasında ileri geri yansıtılan ve her yansıtılışta daha çok foton toplayan bir dalga cephesine benzetilebilir. Işığın boşluktan kaçmasına izin verilen bölümü, oldukça tekrenklidir ve eşevre boyu büyüktür. Bazı koşullarda, lazerin çıktısı oldukça kutuplanmış bir nitelik sergiler.
IŞIĞIN İKİLİ NİTELİĞİ
Işık kuramının tarihsel gelişmesi, en azından XVII. yy'dan sonraki gelişmesi, birbiriyle çelişir görünen iki tanımlamayı içermiştir. Söz konusu tanımlamalardan biri, ışığı küçük parçacıkların akışı olarak düşünen parçacık kuramıdır. Bu kavramda değişiklik yapan Descartes, ışığı, akış olmaktan çok basınç olarak (hareket olmaktan çok hareket eğilimi olarak) görmüş, ışık hareket olmadığı için de belirli bir hızla sınırlı olamayacağını düşünmüştür (başka bir deyişle, bir ışık demeti için geçiş süresi gerekli değildir). Pierre Fermat'ysa farklı bir görüşü savunmuş, ışığın belirli bir hızla yayıldığına inanmakla kalmayıp, ışık parçacıklarının yörünge ya da ışın çizdiklerine de inanmıştır. Öte yandan, Christiaan Huygens de, ışığın bir dalga olgusu olduğunu ileri sürmüştür. Görüşüne göre, ışık, tıpkı su dalgasının durgun bir havuzda halkalar oluşturarak yayılması gibi, belirli bir hızla hareket eden bir dalga olarak yayılır.
Bir ışık ışını, yüzey boyunca bir ortamdan öbürüne (sözgelimi, havadan cama) geçerken doğrultusu değişir; bu olgu "kırılma" diye adlandırılır. İlk olarak Willebrord Snell tarafından deneysel olarak bulunan, sonra da Descartes ve Fermat tarafından biçimsel olarak türetilen kırılma (ya da kırınım) yasasına göre, sin r = K sin'i dir; burada i, "geliş açısı" diye (yani ışık ışını ile kırıcı yüzeyin dikmesi [normali] arasında oluşan açı) adlandırılır. Kırılma açısıysa (r), kırılan ışın ile yüzey dikmesi arasındaki açıdır.
Fermat ve Descartes, kırınım yasasının biçimi konusunda aynı görüşü paylaşmakla birlikte, K değişmezinin anlamı konusunda taban tabana karşıt görüşler ileri sürmüşlerdir. Fermat'ya göre K, yayılma hızının tersiyle orantılıdır. Descartes'sa, yayılma hızının sınırsız olduğuna inanmasına karşın, farklı bir mantıktan yola çıkarak, K nin bir hızla orantılı olduğu sonucuna ulaşmıştır. Buradaki ayrım önemlidir; çünkü ışığın daha yoğun bir ortama geçerken hızlanıyor ya da yavaşlıyor olması, K nin anlamını belirler.
İki karşıt bakış açısı da evrim geçirmiştir. Descartes da, Fermat da parçacık kuramını savunurlarken, Huygens dalga kuramını savunmuş, dalga cephelerinin varlığı açısından kırınım yasasının bir kanıtını da elde etmiştir (bu buluşu günümüzde "Huygens ilkesi" diye adlandırılmaktadır).
Işık bir dalga olgusuysa, bir ortam gereklidir. Ses dalgaları havada yol alır, ama vakumda yol almazlar. Su halkaları içinse, su ortamı gereklidir. İlk başlarda hava, ışığın yayılmasını sağlayan ortam olarak düşünülmüş, ama havası boşaltılmış kavanozdan ışığın geçtiğini gösteren basit deney, bu kuramın doğru olmadığını açıkça ortaya koymuş, bunun üstüne kuramcılar, "esir" denilen bir ortamın varlığını öngörmeyi yeğlemişlerdir.
Işığa ilişkin dalga kuramını destekleyen deneysel bulgular çok sağlamdır. Işığın keskin bir kenar çevresinde bükülme eğilimi olarak tanımlanan kırınım, ışığın bir dalga hareketi biçimi olduğu düşüncesine geçerlilik kazandırmıştır. Başka bir destek de kutuplanmanın bulunmasıyla sağlanmıştır: Buluş, bir ışık dalgasının, yayılma yönüne göre ses ve su dalgaları gibi boylamasına değil, enlemesine dalgalar oluşturduğunu göstermiştir. Dolayısıyla, ışığın bir dalga olgusu olması için, esirin gerekli olduğu, çok büyük bir cisim esirin içinden geçtiğinde, belirli olayların gözlemlenmesi gerektiği düşünülmüş ve bu tür olayları saptamak amacıyla, yıldız ışığı üstündeki etkiyi belirlemek için teleskop tüpleri suyla doldurulmuş, ne var ki, hiçbir etki gözlenmemiştir. Esir "sürüklenimi"ni saptamaya yönelik deneyler de başarısızlığa uğramıştır.
James Bradley, 1729'da yıldız sapmasını bulmuştur. Bu buluşa göre, teleskopun, Yer'in hareketi yönünde, yıldızın varsayımsal konumunun biraz önüne ayarlanması gerekiyordu. Olay, yağmur altında yürüyen bir kişinin şemsiyesini biraz önüne eğmesine benzetilebilir. Bradley'nin buluşu, parçacık kuramını desteklemiş ya da en azından esir sürüklenmesi düşüncesini desteklememiştir.
Oysa, esir varsa, gözlemlenebilir başka bir olgunun, yani esir "sürüklenim"inin de var olması gerektiği öngörülmüştür. Hem Yer, hem de ışık esir içinde hareket ediyorsa, ışığın Yer'de gözlemlenen hızının gözlem yönüne bağlı olacağı düşünülmüş, esir durağan kabul edilmiştir. Yer, öbür gezegenler, Güneş, yıldızlar ve ışığın esirin içinde hareket ettiği, ışığın çeşitli yönlerdeki görünür hızı ölçülerek Yer'in mutlak hareket hızı ve hareket yönünün belirlenebileceği öne sürülmüştür.
XIX. yy. sonlarında A.A Michelson ve E.W.Morley (1838-1923), Yer'in esir içindeki mutlak hareketini ölçmeyi denemişler ve esir sürüklenimi diye bir şey gözlemlememişler, ışık hızının değişmez ve gözlemcinin hareketinden bağımsız olduğu biçiminde kavranması güç bir sonuca ulaşmışlardır. Bu paradoks, son derece önemli bir evrenbilim kuramı olan Einstein'ın özel görelilik kuramına yol açmıştır.