Nöbetçi Eczaneler
Işık, evrendeki en hızlı fiziksel olgulardan biri olarak günlük hayatımızın her anında karşımıza çıkar. Güneş’ten Dünya’ya ulaşması yaklaşık 8 dakika 20 saniye süren ışığın boşluktaki hızı saniyede 299.792.458 metre olarak tanımlanır. Bu değer, modern fiziğin temel sabitlerinden biridir.
Albert Einstein’ın 1905’te yayımladığı özel görelilik çalışması, ışığın boşluktaki hızının gözlemcinin hareket durumundan bağımsız olduğunu ortaya koydu. Einstein’ın On the Electrodynamics of Moving Bodies başlıklı çalışması, ışığın hareketini klasik fiziğin alışılmış hız toplama anlayışından farklı bir çerçeveye yerleştirdi.
Bu nedenle ışığın hızını değiştirmek, fizik açısından son derece büyük bir iddia gibi görünür.
1999 yılında Danimarkalı fizikçi Lene Vestergaard Hau ve ekibi, ışığın bir ortam içindeki yayılımını olağanüstü ölçüde yavaşlatmayı başardı. Nature’da yayımlanan deney sonuçlarına göre, aşırı soğutulmuş sodyum atomlarından oluşan bir ortamda ışık darbesinin grup hızı saniyede 17 metreye kadar indirildi.
Birkaç yıl sonra araştırmacılar ışık bilgisini atomik bir ortamda depoladı. 2007’de ise bir Bose-Einstein yoğuşumunda durdurulan ışık bilgisi, yaklaşık 160 mikrometre uzaklıktaki başka bir yoğuşumdan yeniden ışık olarak ortaya çıkarıldı.
Bu deneylerin anlaşılması için önce Einstein’ın ışık hızı anlayışındaki temel ayrımı görmek gerekiyor.
Einstein’ın Işık Hızı Anlayışı
Özel görelilik, ışığın boşluktaki hızını fiziksel dünyanın temel sabitlerinden biri haline getirdi. Hau’nun deneyinin neden olağanüstü olduğunu anlamak için bu hız ile bir maddenin içindeki ışık darbesinin hareketini birbirinden ayırmak gerekiyor.
Boşluktaki Işık Hızı
Einstein, 1905 yılında yayımladığı özel görelilik çalışmasında boşluktaki ışığın hızının gözlemcinin hareket durumuna bağlı olmadığını ortaya koydu.
Gündelik hayatta hızlar birbirine eklenebilir. Hareket halindeki bir trenin içinde öne doğru top atan bir kişinin topu, trenin dışındaki bir gözlemciye göre trenin hızından etkilenir. Işıkta ise aynı yöntem kullanılmaz. Boşlukta yapılan ölçümlerde ışığın hızı, kaynağın veya gözlemcinin hareketinden bağımsız olarak aynı temel değeri verir.
Uluslararası Birimler Sistemi’nde metre, ışığın boşlukta 1 saniyede aldığı yol üzerinden tanımlandığı için 299.792.458 m/s değeri bugün tam bir sayıdır. NIST’in fiziksel sabitler veritabanında da vakumdaki ışık hızı bu değerle verilir.
Burada Einstein’ın özel görelilik kuramında söz konusu olan hızın boşluktaki ışık hızı olduğunu özellikle belirtmek gerekir.
Işığın Madde İçindeki Hareketi
Işık boşlukta en yüksek yayılma hızına ulaşır. Bir maddeyle etkileşmeye başladığında ise ışığın ortam içindeki yayılım özellikleri değişebilir.
Cam, su ve hava gibi maddelerin optik özellikleri birbirinden farklıdır. Bu nedenle ışığın bir ortamdan geçerken gösterdiği davranış da değişir. Kırılma, yansıma ve merceklerin çalışma prensibi gibi birçok optik olay bu etkileşimlerle bağlantılıdır.
Burada “ışığın hızı” ifadesinin altında farklı fiziksel kavramlar bulunur. Lene Hau’nun deneyinde özellikle grup hızı önem taşır.
Bir ışık darbesi, tek bir frekanstan oluşan sonsuz uzunlukta bir dalga gibi düşünülemez. Birbirine yakın frekans bileşenlerinin oluşturduğu bir dalbedir. Bu darbenin bir ortam boyunca ilerleme biçimi, ortamın ışığın farklı frekanslarına verdiği tepkiyle bağlantılıdır.
Hau’nun amacı ışığın boşluktaki temel hızını değiştirmek değildi. Atomik ortamın optik özelliklerini değiştirerek ışık darbesinin ortam içindeki ilerlemesini kontrol etmekti.
Bu amaç için araştırmacıların son derece sıra dışı bir madde ortamı oluşturması gerekti.
Lene Hau’nun Işığı Yavaşlatma Deneyi
Hau’nun 1999’da gerçekleştirdiği deney, ışığın maddeyle etkileşiminin ne kadar hassas biçimde kontrol edilebileceğini gösterdi. Deneyin merkezinde aşırı soğuk atomlardan oluşan bir Bose-Einstein yoğuşumu ve elektromanyetik olarak indüklenmiş saydamlık adı verilen kuantum optiği yöntemi bulunuyordu.
Bose-Einstein Yoğuşumunun Rolü
Yeterince düşük sıcaklıklarda bazı atomlar aynı kuantum durumunda toplanarak Bose-Einstein yoğuşumu adı verilen özel bir madde hali oluşturabilir. Böyle bir sistemde atomların kuantum özellikleri toplu biçimde gözlenebilir hale gelir.
Hau’nun 1999 tarihli Nature araştırmasında sodyum atomlarından oluşan gaz kullanıldı. Araştırmacılar gazı lazer soğutma ve buharlaştırmalı soğutma yöntemleriyle nanokelvin sıcaklıklarına kadar indirdi. Atom bulutu Bose-Einstein yoğuşumu oluşturacak koşullara getirildiğinde ışık darbesinin yayılımı olağanüstü biçimde yavaşladı.
Burada düşük sıcaklığın kendisi deneyin bütün açıklaması değildir. Soğuk ve yoğun atom bulutu, ışık ile madde arasındaki kuantum etkileşiminin hassas biçimde kontrol edilmesini sağlıyordu.
Bu kontrolü mümkün kılan temel yöntem EIT olarak bilinir.
Elektromanyetik Olarak İndüklenmiş Saydamlık
Elektromanyetik olarak indüklenmiş saydamlık, İngilizce adıyla electromagnetically induced transparency veya EIT, atomik bir ortamın belirli koşullarda ışığa karşı geçirgen hale getirilebilmesini sağlayan kuantum optiği yöntemidir.
Hau’nun deneyinde iki lazer alanı kullanıldı. Bunlardan biri atomik sistemde gerekli kuantum girişimini oluştururken diğeri ölçülen ışık darbesi olarak görev yaptı.
Nature’da 1999’da yayımlanan araştırmada, lazer alanları ile atomların etkileşimi sonucunda ortamın optik özelliklerinin değiştirildiği açıklandı. Ortamın kırılma indisinin ışığın frekansına karşı çok dik biçimde değişmesi, ışık darbesinin grup hızının büyük ölçüde düşmesini sağladı.
Araştırmacılar ışığı mekanik bir engelle karşılaştırarak yavaşlatmadı. Atomların kuantum durumları ile lazer alanları arasındaki etkileşimi kullanarak ortamın ışığa verdiği tepkiyi değiştirdi.
Işık Darbesinin 17 Metre/Saniyeye İndirilmesi
Hau ve çalışma arkadaşlarının 1999’da Nature’da yayımladığı Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas başlıklı araştırmada ışık darbesinin grup hızı 17 m/s seviyesine kadar indirildi.
17 m/s yaklaşık 61 km/saat’e karşılık gelir.
Karşılaştırma yapmak için vakumdaki ışık hızını ve deneyde ölçülen grup hızını yan yana koyabiliriz:
- Vakumda ışık: 299.792.458 m/s
- Hau’nun deneyindeki ışık darbesi: 17 m/s
Araştırmacıların hesaplamasına göre bu, ışık darbesinin vakumdaki ışık hızından yaklaşık 20 milyon kat daha yavaş ilerlemesi anlamına geliyordu.
Buradaki önemli ayrıntı, 17 m/s değerinin evrensel ışık hızının yeni bir değeri olmamasıdır. Ölçülen değer, özel olarak hazırlanmış atomik ortamın içindeki ışık darbesinin grup hızıdır.
Bu ayrım, Hau’nun deneyinin Einstein’ın özel görelilik kuramıyla neden çelişmediğini de açıklar.
Işığın Durdurulması ve Bilginin Depolanması
1999’daki deney ışık darbesinin olağanüstü biçimde yavaşlatılabileceğini gösterdi. Hau ve çalışma arkadaşları daha sonra aynı kuantum kontrol yöntemlerini kullanarak ışığın taşıdığı bilginin atomik bir sistemde tutulabileceğini araştırdı.
Bu aşamada deneyin konusu ışığın hızından çok optik bilginin kontrolü haline geldi.
Işık Darbesinin Atomik Ortamda Depolanması
2001 yılında Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi ve Lene Hau tarafından Nature’da yayımlanan Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses başlıklı araştırmada, ışık darbesinin atom bulutu içinde durdurulması ve optik bilginin atomik sistemde depolanması gösterildi.
Deneyde EIT kullanılarak ışık darbesi büyük ölçüde yavaşlatıldı ve atom bulutunun içinde sıkıştırıldı. Kontrol lazerinin uygun biçimde değiştirilmesiyle ışık darbesinin taşıdığı optik bilgi atomik sistemin kolektif kuantum durumuna aktarıldı.
Bu nedenle “ışık durdu” ifadesinin fiziksel karşılığını doğru kurmak gerekir.
Havada donmuş halde duran bir ışık topundan söz edilmiyordu. Işığın taşıdığı bilgi, atomik ortamın kuantum durumuna aktarılmıştı.
Kontrol alanı yeniden uygulandığında depolanan bilgi tekrar bir ışık darbesine dönüştürülebiliyordu. 2001 tarihli araştırma böylece optik bilginin atomik bir ortamda koherent biçimde depolanıp yeniden okunabileceğini gösterdi.
Işık Bilgisinin Başka Bir Atom Bulutuna Aktarılması
Hau’nun çalışmalarındaki bir sonraki önemli aşama 2007’de geldi.
Naomi Ginsberg, Sean Garner ve Lene Hau tarafından Nature’da yayımlanan Coherent control of optical information with matter wave dynamics başlıklı araştırmada, yavaşlatılmış bir ışık darbesinin bir Bose-Einstein yoğuşumunda durdurulması ve daha sonra başka bir yoğuşumdan yeniden oluşturulması gösterildi.
İki Bose-Einstein yoğuşumu arasında yaklaşık 160 mikrometre mesafe bulunuyordu.
Bu deneyde optik bilgi doğrudan bir ışık darbesi olarak taşınmadı. Bilgi, atomların kolektif hareketiyle ilişkili bir madde dalgasına dönüştürüldü. Daha sonra ikinci yoğuşumda bu bilgi yeniden ışık darbesine çevrildi.
Deneyin genel akışı şöyle özetlenebilir:
Işık → Atomik Durum → Madde Dalgası → Atomik Durum → Işık
Bu çalışma, ışık ile madde arasındaki etkileşimin ve optik bilginin kuantum düzeyde kontrolünün daha ileri bir aşamasını ortaya koydu.
Lene Hau Deneylerinin Bilimsel Önemi
Hau’nun çalışmaları “ışığı yavaşlatmak” başlığıyla tanınsa da deneylerin bilimsel kapsamı bundan daha geniştir. 1999, 2001 ve 2007 araştırmaları birlikte değerlendirildiğinde, ışığın yayılımının kontrol edilmesinden optik bilginin atomik sistemlerde depolanmasına ve farklı bir kuantum sistemde yeniden oluşturulmasına uzanan bir çizgi ortaya çıkar.
Işığın Yavaşlatılmasından Bilgi Kontrolüne
1999’daki deneyde ışık darbesinin grup hızı 17 m/s’ye kadar indirildi. Bu sonuç, ışığın maddeyle etkileşiminin uygun kuantum koşullar altında olağanüstü biçimde değiştirilebileceğini gösterdi.
2001’de optik bilgi atomik ortamda depolandı ve yeniden ışık sinyaline dönüştürüldü.
2007’de ise bilgi iki Bose-Einstein yoğuşumu arasında aktarılabildi ve ikinci sistemden yeniden optik sinyal olarak çıkarıldı.
Böylece araştırmalar, ışığın hızını düşürmekten çok daha geniş bir fiziksel olguyu ortaya koydu: ışık ile madde arasındaki bilgi alışverişinin kontrolü.
Einstein’ın Işık Hızı ile Hau’nun Deneyi
Einstein‘ın özel görelilik kuramı ile Hau’nun deneyini yan yana koyduğumuzda 299.792.458 m/s ile 17 m/s arasında devasa bir fark görürüz. Fiziksel olarak ise bu iki sayı aynı şeyi ifade etmez.
Einstein’ın kuramındaki c, boşluktaki ışığın temel hızıdır. Hau’nun deneyindeki 17 m/s ise özel olarak hazırlanmış atomik gazın içinden geçen ışık darbesinin grup hızıdır.
1999 tarihli Nature araştırması, düşük sıcaklıktaki sodyum atomlarından oluşan ortamda EIT aracılığıyla optik özelliklerin değiştirildiğini ve bunun sonucunda ışık darbesinin grup hızının büyük ölçüde düştüğünü ortaya koydu.
Dolayısıyla Hau’nun çalışması Einstein’ın ışık hızını değiştirmedi. Deney, ışığın maddeyle etkileşimi kontrol edildiğinde bir ışık darbesinin ortam içindeki yayılımının olağanüstü ölçüde yavaşlatılabileceğini gösterdi.
Bu ayrım, haber başlıklarındaki “ışık hızını yavaşlattı” ifadesini daha doğru anlamamızı sağlar.
Lene Hau’nun Çalışmalarının Bıraktığı Sonuç
Lene Hau’nun deneyleri üç önemli aşamada özetlenebilir:
1999: Işık darbesinin grup hızı 17 m/s’ye kadar düşürüldü.
2001: Işığın taşıdığı optik bilgi atomik bir ortamda depolandı ve yeniden oluşturuldu.
2007: Optik bilgi bir Bose-Einstein yoğuşumundan diğerine aktarıldı ve yeniden ışık olarak ortaya çıkarıldı.
Bu nedenle Lene Hau’nun çalışmalarını “ışık hızını değiştirdi” şeklinde özetlemek, deneylerin en ilginç kısmını gözden kaçırır.
Asıl başarı, ışık ile madde arasındaki etkileşimin kuantum düzeyde kontrol edilmesiydi. Işık darbesi yavaşlatılabildi, bilgisi atomik bir sistemde tutulabildi ve daha sonra farklı bir kuantum ortamından yeniden ortaya çıkarılabildi.
Einstein’ın ışığın boşluktaki hızını evrenin temel sabitlerinden biri haline getiren kuramından yaklaşık bir asır sonra gerçekleştirilen bu deneyler, o temel hızı değiştirmedi. Bunun yerine kuantum fiziğinin sunduğu yöntemlerle ışığın madde içindeki davranışının ne kadar hassas biçimde kontrol edilebileceğini gösterdi.
Bugün Lene Hau’nun adı “ışığı yavaşlatan fizikçi” olarak anıldığında, 17 m/s’lik sonuç elbette en çarpıcı bölüm olarak öne çıkar. Deneylerin asıl bilimsel değeri ise ışığın bilgisinin kontrol edilebilir hale gelmesinde yatıyor.