Kategoriler
Bilim & İnsan

Foton aslında nedir?

Bir pencereden süzülen sarı bir güneş ışığı huzmesi hayal edin. Kuantum fiziğine göre bu ışın, foton adı verilen ve havada akan zilyonlarca küçük ışık paketinden oluşuyor. Ama foton tam olarak nedir? Bir foton, elektromanyetik radyasyondaki en küçük ayrık miktar veya kuantumdur. Tüm ışığın temel birimidir. Fotonlar her zaman hareket halindedir ve boşlukta 2,99 x 108 m/s'lik (saniyede yaklaşık 299.800.000 metre) sabit bir hızla giderler. Bu genellikle ışık hızı olarak adlandırılır ve c harfi ile gösterilir.

Fotonun özellikleri

Fotonlar ışığı oluşturan maddelerdir.
Fotonlar ışığı oluşturan maddelerdir.

Einstein'ın ışık kuantum teorisine göre, fotonlar, salınım frekanslarının Planck sabiti ile çarpımına eşit enerjiye sahiptir. Einstein, ışığın bir foton akışı olduğunu, bu fotonların enerjisinin salınım frekanslarının yüksekliği olduğunu ve ışığın yoğunluğunun fotonların sayısına karşılık geldiğini kanıtladı. Bir foton akışının hem dalga hem de parçacık olarak nasıl hareket edebileceğini açıkladı.

Fotonların temel özellikleri şunlardır:

  • Sıfır kütleye ve durgun enerjiye sahipler. Sadece hareketli parçacıklar olarak varlar.
  • Kütlesi olmamasına rağmen temel parçacıklardır.
  • Elektrik yükleri yoktur.
  • Kararlıdır.
  • Spin -1 parçacıklarıdır yani bozondur (Spin, bir parçacığın 360 derecelik tam bir dönüş esnasında kaç defa ilk konumuna geldiğidir).
  • Frekansa bağlı olarak enerji ve momentum taşırlar.
  • Elektron gibi diğer parçacıklarla etkileşime girebilirler. (Compton etkisi gibi.)
  • Birçok doğal süreçle yok edilebilir veya oluşturulabilirler (Örneğin radyasyon emildiğinde veya yayıldığında).
  • Boş uzayda ışık hızında hareket ederler.

Fotonun tarihi

Işığın doğası – ister parçacık ister dalga olarak kabul edin – en büyük bilimsel tartışmalardan biridir. Yüzyıllar boyunca filozoflar ve bilim adamları, bir asır önce zar zor çözülmüş bu meseleyi tartıştılar.

MÖ 6. yüzyılda Hindu felsefesinin Vaisheshika adlı dalının öğrencileri, ışık hakkında şaşırtıcı bir fiziksel sezgiye sahipti. Antik Yunanlılar gibi onlar da dünyanın toprak, hava, ateş ve sudan oluşan "atomlar" üzerine kurulu olduğuna inanırlardı. Işığın kendisinin tejas adı verilen çok hızlı hareket eden atomlardan oluştuğun düşündüler. Modern ışık teorimize ve onu oluşturan fotonlara dair binlerce yıl sonra 1926'da Gilbert Lewis adında bir kimyager ve Frithiof Wolfers adında bir optik fizikçi tarafından ortaya atılan fikre oldukça benzerdir.

Daha sonra, MÖ 300 civarında, antik Yunan fizikçi Öklid, ışığın düz çizgilerde ilerlediğini öne sürerek büyük bir atılım yaptı. Öklid ayrıca yansıma yasalarını tanımladı ve bir yüzyıl sonra Ptolemi, kırılma hakkındaki yazılar yayımladı. Bununla birlikte kırılma yasalarının ortaya çıkışı ancak 1021 yılında İbni Heysem'in ufuk açıcı kitabı Kitab al-Menazir yani Optik Kitabı ile olacaktı.

İLGİLİ:  Dolu nasıl oluşuyor?

Rönesans, ışığın doğasına ilişkin yeni bir bilimsel araştırma çağını başlattı. René Descartes ışığın bir ortamdaki "toplar" ile temas ederek anında yayılan atımlardan oluştuğunu savundu. La dioptrique adlı 1637 tarihli makalesindeki düşünceleri dikkate değerdir. Daha sonra 1690'da yayınlanan Traité de la lumière'de Christiaan Huygens ışığı tıpkı ses basınç dalgaları gibi elastik bir ortamdaki sıkıştırılabilir dalgalar olarak ele aldı. Huygens, yansıyan, kırılan ve taranan ışık dalgalarının nasıl üretildiğini gösterdi ve ayrıca çift kırılmayı açıkladı.

Bu zamana kadar, bilim adamları iki tarafa ayrıldılar. Bir taraf ışığın bir dalga olduğuna inanırken, diğer görüş ışığın parçacık yani cisimcik olduğuna inanıyordu. "Cisimciler"in en büyük savunucusu şimdiye kadarki en büyük bilim insanı olduğuna inanılan Isaac Newton'dan başkası değildir. Newton, dalga teorisine pek sıcak değildi çünkü ışığın gölgede çok fazla sapabileceği anlamına geliyordu.

18. yüzyılın büyük bölümünde ışığın doğasına dair tartışmalara parçacık teorisi hakim oldu. Ama sonra Mayıs 1801'de Thomas Young dünyaya ışık dalgalarının girişimini gösterdiği ünlü iki yarık deneyini gerçekleştirdi.

Young'ın yarık deneyi, küresel dalgaların yarıktan geçerken nasıl davrandığını gösterir.
Young'ın yarık deneyi, küresel dalgaların yarıktan geçerken nasıl davrandığını gösterir.

Deneyin ilk versiyonunda, Young aslında iki yarık değil, tek bir ince kart kullandı. Fizikçi bir açıklığı içinden ince bir ışık hunisinin geçtiği küçük delik bulunan kağıt parçasıyla kapladı. Young elindeki kartla ışının nasıl ikiye ayrıldığına tanık oldu. Kartın bir tarafından geçen ışık, kartın diğer tarafından gelen ışığı engelleyerek karşı duvarda görülebilen saçaklar oluşturdu. Daha sonra Young, bu verileri çeşitli ışık renklerinin dalga boylarını hesaplamak için kullandı ve modern değerlere dikkat çekici şekilde yaklaştı. Deney, ışığın bir parçacık değil, bir dalga olduğuna dair sağlam kanıtlar sağlamıştı.

Bu arada Fransa'daki son gelişmeler ile ışığın kutuplaşmasını ışık cisimcikleri arasındaki asimetriye bağlayan bir deneyle cisimci hareket hız kazandı. 1821'de ışığın boyuna titreşimi olmayan enine bir dalga olması durumunda kutuplaşmanın olabileceğini gösteren Augustin Fresnel tarafından büyük yenilgi aldılar. Daha önce Fresnel ayrıca kesin bir kırınım dalga teorisi ile ortaya çıktı.

Bu noktada Newton'un takipçilerinin tartışmayı sürdürmeleri için peki zemini yoktu. Işık yalnızca bir dalga gibi görünüyordu. Sorun, efsanevi eterin (elektromanyetik alanlar yaratan ve Fresnel'in yayılma yasalarını destekleyen gizemli ortam) herkesin onu bulmak için gösterdiği tüm çabalara rağmen ortada olmamasıydı.

İLGİLİ:  Mars'taki su neden ve nasıl kayboldu?

1861'de James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizma hakkındaki deneysel ve teorik bilgileri 20 denklemde yoğunlaştırarak büyük bir atılım gerçekleştirdi. Maxwell, geleneksel akımların yokluğunda bile boşlukta kendi kendine var olabilen bir "elektromanyetik dalga" öngördü. Işığın yayılması için eterin gerekli olmadığı anlamına geliyordu! Ayrıca bu dalganın hızının 310.740.000 m/s-1 olduğunu tahmin etti – ışık hızının gerçek değerinden sadece birkaç yüzde uzaktı.

O günden itibaren ışık kavramı ilk kez elektrik ve manyetizma kavramlarıyla birleştirildi. 14 Aralık 1900'de Max Planck, ısı radyasyonunun ayrık enerji paketleri – quanta içinde yayıldığını ve emildiğini gösterdi. Daha sonra Albert Einstein, 1905'te bunun ışık için de geçerli olduğunu gösterdi. Einstein, Lichtquant veya ışık kuantumu terimini kullandı. 20. yüzyılın şafağında fizikteki yeni bir devrim bir kez daha ışığın doğasına bağlı olacaktı. Bu sefer mesele ışığın bir parçacık mı yoksa dalga mı olduğuyla ilgili değildi. İkisi mi yoksa hiçbiri miydi?

Modern ışık ve foton teorisi

Işığın hem parçacık hem de dalga olarak ilk fotoğrafı.
Işığın hem parçacık hem de dalga olarak ilk fotoğrafı. (EPFL)

Einstein, ışığın bir parçacık (foton) ve foton akışının ise bir dalga olduğuna inanıyordu. Alman fizikçi, elektronların ışığa maruz kalan metal bir yüzeyden uçarak çıktığı fotoelektrik etkiyi keşfettikten sonra ışığın parçacık doğasına sahip olduğuna ikna oldu. Işık bir dalga olsaydı, bu olamazdı. Bir diğer kafa karıştırıcı konu, güçlü ışık uygulandığında fotoelektronların nasıl çoğaldığıdır. Einstein fotoelektrik etkiyi, daha sonra Nobel Fizik Ödülü'nü alacağı “ışığın kendisinin parçacık olduğunu” söyleyerek açıkladı.

Einstein'ın ışık kuantum teorisinin ana noktası, ışığın enerjisinin salınım frekansıyla ilişkili olmasıdır. Fotonların enerjisinin "Planck sabiti x salınım frekansına" eşit olduğunu ve bu foton enerjisinin salınım frekansının yüksekliği olduğunu, ışık yoğunluğunun ise fotonların sayısına karşılık geldiğini savundu. Elektromanyetik dalganın bir türü olan ışığın çeşitli özellikleri, çıplak gözle görülemeyen foton adı verilen son derece küçük parçacıkların davranışlarından kaynaklanmaktadır.

Einstein, maddenin içindeki elektronlar fotonlarla çarpıştığında, elektronların fotonların enerjisini alarak hareketlendiğini ve çarpan fotonların salınım frekansı ne kadar yüksekse, dışarı fırlayacak elektron enerjisinin o kadar büyük olacağını tahmin etti. Örneğin, güneş panelleri ile bu kolayca görülebilir. Kısacası, ışığın bir foton akışı olduğunu, bu fotonların enerjisinin salınım frekanslarının yüksekliği olduğunu ve ışığın yoğunluğunun fotonların sayısıyla ilişkili olduğunu söylüyordu.

İLGİLİ:  Evrende ne kadar galaksi var?

Einstein, fotoelektrik etki üzerindeki deneylerinden Planck sabitini türeterek teorisini kanıtladı. Hesaplamaları, Max Planck'ın 1900'de elektromanyetik dalgalar üzerine yaptığı araştırmayla tam olarak elde ettiği 6,6260755 x 10-34'lük Planck sabiti değerini verdi. Işığın bir dalga olarak özellikleri ve salınım frekansı ile parçacık olarak özellikleri ve momentumu arasındaki yakın ilişkiye işaret ediyordu. Daha sonra 1920'lerde Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger bir dalganın neye benzediğini tanımlamak için kuantum dalga fonksiyonu denklemiyle bu yaklaşımları detaylandırdı.

Einstein'ın ışığın çifte doğasını göstermesinden 100 yıldan uzun bir süre sonra İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan'dan İsviçreli fizikçiler bu ikili davranışın ilk anlık görüntüsünü yakaladılar. Fabrizio Carbone liderliğindeki ekip, 2015 yılında bir nanotele lazerin ateşlendiği ve elektronların titreşmesinin sağlandığı akıllı bir deney gerçekleştirdi. Işık, otoyoldaki arabalar gibi, bu küçük tel boyunca iki olası yönde hareket etti. Zıt yönlerde hareket eden dalgalar birbiriyle karşılaştığında yerinde duruyormuş gibi görünen yeni bir dalga oluştururlar. Bu duran dalga nanotelin etrafına doğru yayılan bir ışık kaynağı haline geldi. Durağan ışık dalgasını görüntülemek için yeni bir elektron ışını ateşlendi ve ışığın dalga yönünün görüntüsünü sundu.

Foton nasıl görünüyor?

Sağ tarafta teorik olarak öngörülen foton şekline karşı sol tarafta görülen ham ölçümlere dayanan foton hologramı.
Sağ tarafta teorik olarak öngörülen foton şekline karşı sol tarafta ham ölçümlere dayanan foton hologramı. (FUW)

Bir fotonun nasıl bir şekle sahip olduğunu hiç merak ettiniz mi? Bilim insanları on yıllardır bu soru üzerinde kafa yoruyorlar ve nihayet 2016'da Polonyalı fizikçiler tek bir ışık parçacığının ilk hologramını yarattılar. Varşova Üniversitesi'ndeki ekip, aynı anda kalsit kristalinden yapılmış bir ışın ayırıcıya iki ışık huzmesi ateşleyerek hologramı üretti. Işın ayırıcı, trafik ışığı kavşağına benzer, her foton ya düz geçebilir ya da dönebilir. Bir foton kendi başına olduğunda, her yol eşit derecede olasıdır, ancak daha fazla foton söz konusu olduğunda birbirleriyle etkileşime girerler ve olasılıklar değişir. Fotonlardan birinin dalga fonksiyonunu biliyorsanız, dedektörde görülen parlama konumlarından ikincisinin şeklini anlamanız mümkündür. Ortaya çıkan görüntü, tıpkı Schrödinger denkleminden tahmin edilen dalga fonksiyonu gibi biraz Malta haçına benzer.

Fotona dair gerçekler

  • Işık sadece fotonlardan oluşmaz, tüm elektromanyetik enerji (yani mikrodalgalar, radyo dalgaları, X ışınları) fotonlardan oluşuyor.
  • Foton konsepti Albert Einstein tarafından geliştirildi. Bununla birlikte onu tanımlamak için "foton" sözcüğünü ilk kullanan bilim insanı Gilbert N. Lewis'ti.
  • Işığın hem dalga hem de parçacık gibi davrandığını belirten teoriye dalga-parçacık ikiliği teorisi denir.
  • Fotonlar her zaman elektriksel olarak nötrdür. Elektrik yükleri yoktur.
  • Fotonlar kendi kendilerine bozunmazlar.

Yazar Ayberk Göktürk

Genellikle modern tarih, yakın tarih ve popüler bilim üstüne içerikler üretiyor. Özel ilgi alanları arasında Kuzey Afrika ve Güney Amerika'nın sömürge tarihi ve Avrupa'daki eski monarşiler yer alıyor.