Michelson-Morley deneyi olarak isimlendirilen proje 1881 yılında Albert Michelson tarafından yürütülen bir dizi çalışmalar ve daha sonra 1887 yılında kimyager Edward Morley tarafından tekrarlanmıştır. Deneyin sonucu negatif olsa da veriler ışığın garip dalga benzeri davranışlar gösterdiği sonucunu ortaya koymuştur.

Deney Öncesi

Deney ilk bakışta ışığın hızının ölçülmesiyle ilgili gibi görünüyordu. Ne var ki çok önemli bir deneydi bu. Işık hızının sonlu olduğu düşüncesi, Descartes’ın ve Newton’un maddesel ışık kuramlarında yer alıyordu. Sözü geçen iki düşünür de ışığın bir parçacık akışı olduğunu düşünmüştü. Işığın kesin bir hıza sahip olmasının kanıtı aslında astronomik gözlemlere dayanıyordu. Olaus Romer, Jüpiter ile Dünya’nın birbirine yaklaşıp uzaklaşması arasında geçen zaman içinde, bu gezegenin uydularının tutulma periyotları arasındaki sürelerin değiştiğini fark etmişti. Bu etkinin basit bir açıklaması şuydu: Eğer ışık hızı sabit ve sonlu ise, gezegenler birbirine yaklaştıkça ışık, Dünya’ya daha kısa sürede ulaşır, birbirinden uzaklaştıkça, daha uzun sürede ulaşır. Bu gözlemler 1675’te yapılmıştı.

İdeal olarak ışık hızı, sonuç hakkında kuşku uyandıracak her türlü engelden uzak, yerkürede kurulacak bir laboratuvarda ölçülmeliydi. 1849 yılında H. L. Fizeau basit, dâhice bir yöntem geliştirene dek, başvuracak güvenilir bir yöntem yoktu. Sonuçlar, Roemer’in gözlemlerine dayanılarak yapılan hız hesaplarıyla tutarlıydı.

Peki ışık neydi? Descartes ve Newton’un parçacık kuramı, yerini zamanla dalga kuramına bırakmıştı. Işığın evrensel ortamda, esir (eter) gibi çapraz işleyen bir titreşim olduğu düşünülüyordu. Esirinse, tüm evreni sardığı ve hareketin arka planı olduğu düşünülüyordu. Bu düşünce ile Newton’un mekanik evreni arasındaki ilişkiyi kavramak için, onun ünlü yasalarının bir özelliğine dikkat etmeliyiz. Galileo değişmezi denilen önemli bir matematiksel özelliğe sahiptir bu yasalar. Bu kısaca şu anlama geliyor: Newton’un hareket yasaları her cisim için aynıdır; göreli hızları ne olursa olsun, sabit esire göre hızları ne olursa olsun, bu yasalar her cisim için geçerlidir. Öyleyse bir cismin mutlak hareketini saptamak için mekanik bir yol bulunamaz.

Eğer Newton Yasaları, uygulandıkları sistemlerin göreli hareketleri ne olursa olsun hep aynı ise, hiçbir sistemin, sözgelimi bizim galaksimizin, gerçekten durağan olup olmadığını bilemeyiz. Ama eğer ışık durağan esirde yayılan titreşimden kaynaklanıyorsa, o zaman bu esir her türlü hareketin ölçülmesine olanak veren sabit bir zemin gibi düşünülebilir.

Deney

Diyelim ki hareket eden bir kaynaktan ışık dalgası yayılıyor ve kaynağın hareket doğrultusu üzerinde bir saptayıcı var. Eğer ışık dalgası durağan esir tarafından aktarılıyorsa, kaynağın ya da saptayıcının hızı ne olursa olsun, ışığın hızı değişmeyecektir, esire göre sabit olacaktır. Ama bu, ışık hızının, kaynağın ya da saptayıcının hızına göre sabit olduğu anlamına gelmez. Şimdi de ışığın, ışık kaynağının hareket doğrultusuna dik duran bir saptayıcıya düştüğünü düşünelim. Işık kaynağı ile saptayıcı arasındaki uzaklık her iki örnekte de aynı olsun. Artık bu iki örneği aşağıdaki diyagramda gösterebiliriz. Eğer hem ışık kaynakları hem de saptayıcılar çerçevelerine sıkıca bağlanmışlarsa, her iki ışık dalgası da esir içinde ve ona göre aynı sabit hızla hareket ediyorsa, birinci ışık dalgasının birinci saptayıcıya varış süresi, ikinci dalganın ikinci saptayıcıya varış süresinden uzun olacaktır. Işık dalgası esirde sabit hızla hareket ederken, birinci saptayıcı ileri doğru hareket etmek durumundadır. Birinci uzaklık, yani ışık kaynağı ile birinci saptayıcıyı aynı doğrultuda tutan çubuk, ikinci uzaklıktan, yani ikinci saptayıcıyı ışık kaynağına dik tutan çubuktan uzundur.

Michelson ile Morley’in tasarladığı düzenek, diyagramda gösterilenden tabiiki çok daha ayrıntılıydı. Çok ayrıntılıydı; çünkü onu, iki doğrultuda ışık hızının farkını saptayabilecek hassasiyetteki araçlarla donatmak zorundaydılar. Bunun için geliştirdikleri yöntemle, ayrıca, kaynaktan gönderilen ışığı tekrar kaynağa yansıtıp, kırılmaya müdahale eden etmenleri de saptayabileceklerdi.

Kuramsal olarak, örnekte verilen iki doğrultuda hareket eden ışığın hızları farklı olmalıydı. Ama bu kadar minik bir fark nasıl ölçülebilirdi? Burada Michelson ve Morley’in düşündüğü numara, ışık salınanlarından ya da saçaklarından faydalanmaktı. Bu olgu ışığın bir yönüyle dalga hareketine benzemesinden kaynaklanır. Dalga biçimini hayalimizde canlandırırsak, iki dalga üstü üstüste çakıştığında parazit salınanlarını saptamayı düşünebiliriz. Eğer A ve B, Birinci Durumda çakışırlarsa, yükseltiler ve alçaltılar bir genişleme etkisi oluşturacaktır. Ama İkinci Durumda, yükseltiler ve alçaltılar birbirini götürür, yani ışık kararır. Diyelim ki A ve B aynı kaynaktan yayılıyor, ama farklı yollarda birleşmek için başladıkları yere erişiyorlar. A ve B yolları eğer tam bir dalga boyu kadar birbirinden uzaksa, Birinci Durumu; yok eğer yarım dalga boyu kadar birbirinden uzaksa, İkinci Durumu elde ederiz. Ama diyelim ki Birinci Durumda hareketi başlattık. Şimdi A yolunu, B yolundan çok az geride bıraktığımızı düşünelim. Bu durumda B’nin yükseltileri, A’nın yükseltilerinden önce varacaktır. Artık çakışan yükseltilerin en yüksek noktası hafifçe sola kaydırılabilir. Bu kaydırma ile bir gözlemci A yolunun uzunluğunun değişip değişmediğini söyleyebilecektir.

Beyaz ışık, farklı dalga boylarından oluşan ışıkların bir karışımıdır. Dalga boylarındaki farklılık renkleri oluşturur (insan gözü tabii ki bunları algılayamaz). Dalgaların birbirine karışması nedeniyle, parazit etkileri beyaz ışık üzerinde çalışarak bulunmaya çalışıldığında, dalgaların tam bir karışımının parlak zirvelerini renkli saçaklar çevreler. Michel-Morley deneyinin yöneldiği nokta işte bu saçaklardaki kaymayı tespit edebilmekti.

Michelson ilk kez 1881 yılında, esir içinde dolaşan yerkürenin hareketini saptamaya girişmişti. Ne var ki “bu hareket yönüne dik düşen bir ışık demeti doğrultusundaki esir boyunca dolaşan yerkürenin hareketi”ni önemsememişti. Morley ile 1887’de yaptıkları deneyde bu etki hesaba katılmıştı.

Düzeneğin, esir içinde dolaşan Dünya ile birlikte hareket ettiği düşünülüyor. Basit bir matematiksel çözümleme, iki dik doğrultuda gözlemlenmiş ışık yollarının uzunlukları arasındaki farkların Dv2/c2 olması gerektiğini gösterecektir. Formülde D düzeneğin kolunun uzunluğunu, v esirde hareket eden Dünya’nın hızını, c de ışık hızını simgeliyor. Michelson ile Morley’in işaret ettikleri gibi, “yerkürenin sadece yörüngesel hareketi göz önüne alındı. Eğer bu hareket hakkında çok az şey bildiğimiz Güneş sisteminin hareketiyle birleştirilirse, sonucun gözden geçirilmesi gerekecektir; gözlemler sırasında çok küçük de olsa, bir fark bulunmuş olması mümkündür ancak. Üç aylık aralarla deney tekrarlanacak, böylece her türlü kuşku bertaraf edilecektir.

Eğer düzenek 90 derece döndürülürse, fark yine Dv2/c2 çıkacaktır. Ama uzun yolu belirleyen kol, bu kez kısa yolu belirlediğinden toplam fark şimdi Dv2 / c2 x 2 olacaktır. Michelson ile Morley’in kullandığı ölçülerdeki bir düzenekte bunun etkisi, ışık demetlerinin çakışmasıyla üretilen parazit saçaklarının, bunların asıl durumda gözlemlendiği göreli konumlarından salınım uzaklığının 0,04’ü kadar kayması olmalıdır.

Deneyde kullanılan fizik ilkeleri çok basit olduğu gibi, gözlemler de zorluk çıkarmıyordu. Deneyciler düzenekleri geliştirirken, hata kaynaklarını olabildiğince elemek için tüm hünerlerini ortaya döktüler. Karşılarında iki büyük sorun duruyordu. Doğrultularından sapan titreşimler düzeneğin optik kısmını kızdırabilir ve salınımların açıkça görülmesini engelleyebilirdi. Işık demetlerinin yollarının kısa olması, etkinin küçük olacağı ve kesin tespitin zor olacağı anlamına geliyordu. Her iki zorluk da son düzenlemede atlatıldı.

Michelson ve Morley, düzeneği ikinci konuma getirerek yerleşmesini beklemek yerine, cıva küveti içindeki düzeneğin tümünü birden yavaşça çevirirlerse, çok daha net optik etkiler elde edeceklerini anladılar. Zemin yavaşça çevrilirken, salınımları inceleyebilmişlerdi. Biri öğle saatlerinde, diğeri akşam altı sularında olmak üzere, her gün iki dizi gözlem yapıyorlardı. Bu şekilde hava koşullarında meydana gelen değişikliklerin etkilerini azaltacaklarını umuyorlardı. Öğle saatlerinde yapılan gözlemler sırasında, zemin saat ibresinin tersine, akşamları ise saat ibresi yönünde çevriliyordu.

Deneyin temel yapısını gösteren diyagrama başvurursak, düzeneğin iki kolu üzerindeki ışık dalgalarının yolunun uzunluğunda bir fark saptanamamasının, esiri sabit bir arka plan (bu arka plan karşısında dünyanın gerçek hareketi ölçülüyordu) gibi gören düşünceye büyük bir darbe vurduğu görebiliriz.

Ama deneyin sonucu nasıl açıklanmalıydı? Belki telafi edecek birtakım değişiklikler yapmak olasıydı. Düzeneğin rijit olduğu düşünülüyordu. Peki o zaman Birinci Saptayıcı yönündeki düzeneğin kolu esir tarafından sıkıştırılıp küçültülemez miydi? Bu, Michelson ile Morley’in salınımlardaki herhangi bir saptamadaki başarısızlığını açığa kavuşturabilirdi. Bu Lorentz’in çözümüydü ve öneride bulanan iki kişiden ötürü “Fitzgerald-Lorentz” çözümü adıyla anıldı. Çok daha köklü bir açıklama, deney tasarlanırken göz önünde bulundurulan evren kurgusunun, özellikle esir düşüncesini destekleyen kurgunun terk edilmesiydi. Eğer esir yoksa, sonuç elde etmeyi beklemek de gereksizdi. Ama sonucu görünüş itibarıyla kabul edebiliriz. Işığın hızı aynı olsaydı, sadece hayali esirle değil, neyle kıyaslanırsa kıyaslansın, olumlu sonuç alamazdık.

Kaynakça:
https://www.britannica.com/science/Michelson-Morley-experiment
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/mmhist.html

Yazar: Taner Bakan

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here