Sadece tek tarafını gösteren camlar nasıl yapılıyor?

Bu camların çalışma prensibi, bildiğimiz tül perdelerin çalışma prensibiyle
aynı. Yani bu camların iki yüzü arasında bir fark yok. Bu noktanın daha iyi
anlaşılması için "üzerine düşen ışığı, düştüğü yüze göre farklı oranlarda
geçiren bir cam yapmak mümkün mü?" sorusunun detaylı yanıtlayalım. Fiziğin
temel yasalarından birisi olan termodinamiğin ikinci yasası bu soruya "kesinlikle
hayır!" yanıtını veriyor.

Bu yasanın değişik ifade edilme tarzlarından bir tanesi şöyle der: "Evrende
başka hiçbir şeyi değiştirmeden, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı
sağlamak mümkün değildir." Buradaki "Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden"
ifadesi önemli. Aksi takdirde, yasanın çay demlemek için su ısıtmanın bile imkansız
olduğunu söylediği anlamı çıkardı.

Işığı tek yönde geçiren, ya da farklı yönlerde değişik oranlarda geçiren camlardan
yapmak mümkün olsaydı, bu camları ikinci yasayı ihlal etmek için kullanabilirdik.
Bunu göstermek için bir düşünce deneyi tasarlamamız yeterli. Eğer elimizde ışığı
tek yönde geçiren, diğer yönde kesinlikle geçirmeyen bir cam varsa, duvarları
ışığı mükemmel yansıtan aynalarla kaplanmış bir odayı bu camla ikiye bölüp,
ışığın geçtiği taraftaki odaya sıcak bir çay, diğer odaya da buzlu su koyabiliriz.

Buradaki kilit nokta, her cismin sürekli ışık (daha doğru bir terimle elektro-manyetik
dalga) yayınladığı gerçeği. Cismi oluşturan atomlar ve bu atomlardaki elektronlar
sürekli hareket halindedir. Bu parçacıklar çoğunlukla en düşük enerji seviyelerinde
bulunurlar, ama önemli bir kısmı uyarılmış seviyelerdedir. Bu uyarılmış elektronlar
daha düşük enerji seviyelerine döndükçe, aradaki enerji farkını ışık olarak
yayınlarlar. Bir başka deyişle cisimler ışıyarak soğurlar. Cisim ne kadar sıcaksa,
bu yayınlanan ışık o kadar çok enerji taşır. Köz halindeki bir odunun bu nedenle
parlak olduğunu ve sizi ısıtmaya devam ettiğini burada ekleyelim.

Düşünce deneyimizdeki buzlu su da, bize göre soğuk olmasına karşın bir miktar
ışık yayar. Soğuk olduğundan dolayı, bu ışığın enerji yoğunluğu çayınkine göre
daha azdır; ama bu o kadar önemli değil. Buzlu sudan yayılan ışığın bir kısmı
özel camımızdan geçerek, çay tarafından soğurulur. Böylece ışıma yoluyla çaya
ısı aktarılmış olur. Çaydan yayınlanan ışınlarsa, camı geçemez ve aynı bölmede
kalır (ve çay tarafından tekrar soğurulur). Böylece, buzlu su enerji kaybederek
gittikçe soğur, çaysa gittikçe ısınır. Hatta biraz sabırlı davranıp beklersek
(bir iki yıl gibi), buzlu suyun tamamen donup soğumaya devam ettiği, çayınsa
buharlaşıp gittikçe daha çok ısındığını da gözlememiz mümkün.

Böylece, ikinci yasanın mümkün olmadığını söylediği şeyi, yani evrende başka
bir şeyi değiştirmeden, hatta kendiliğinden, ısının soğuk bir cisimden sıcak
bir cisme akmasını sağlamış oluruz. Termodinamiğin ikinci yasası oldukça sağlam
temeller üzerine oturduğundan, bu noktada sadece tek yöne ışık geçiren camların
yapılmasının mümkün olmadığını kabul etmekten başka yapacak şeyimiz yok!

Aynı argümanı her iki yönde ama farklı oranlarda geçirgen olan camlar için yürütmek
mümkün. Örneğin bu özel cam sağdan sola doğru gitmek isteyen ışığın sadece %50'sini
geçirsin, soldan sağa yönelen ışığınsa %50.001'ini geçirsin. Aradaki farkın
ne kadar küçük olduğu önemli değil. Eğer geçirgenlik oranları arasında bir fark
varsa, bu farkı kullanarak ikinci yasayı alt etmek mümkün.

Argümanı daha rahat görmek için iki odaya da aynı sıcaklıkta iki özdeş cisim
koyalım. Aynı sıcaklıkta bulunan cisimler aynı miktarda enerjiyi ışık olarak
yayarlar. Fakat soldan sağa aktarılan enerji sağdan sola aktarılandan bir miktar
fazla olduğundan sağdaki cisim biraz ısınıp, soldaki biraz soğur. Bir süre sonra,
ısınan cisim daha fazla, soğuyansa daha az enerji yayacağından, cam üzerinden
değişik yönlere giden ışığın taşıdığı enerjiler eşitlenir ve net ısı transferi
durur. İki odalı sistemimiz bu noktada dengeye gelir. Bu son durumda sağ odadaki
cisim soldakinden biraz daha sıcaktır. Önceki durumda olduğu gibi aşırı soğuma
ve ısınma söz konusu değil ama bu bile ikinci yasaya aykırı.

Bu camları kullanarak büyük sıcaklık farkları elde etmek de mümkün. Tek yapmanız
gereken şey, odacıkların sayısını mümkün olduğu kadar artırmak. Böylece, iki
ardışık odadaki sıcaklık farkı düşük olmasına rağmen, en uçtaki odaların sıcaklıkları
büyük oranda farklı olacaktır.

Sonuç olarak, bir camın, ya da herhangi bir cismin farklı yönlere farklı oranlarda
geçirgen olması ikinci yasaya aykırı. Eğer camınız soldan sağa %50.001 oranında
ışık geçiriyorsa, sağdan sola da %50.001 oranında geçirmesi lazım. Ne biraz
az ne de biraz fazla! İkinci yasanın saydamlık hakkında bu derece güçlü şeyler
söyleyebilmesi gerçekten çok ilginç.

Peki madem bu tip camlar fiziğe aykırı, o halde bu camlar nasıl işliyor? Buna
basitçe "göz aldanması" diyebiliriz. Gözümüzün müthiş yeteneklerinden
birisi değişik ışık seviyelerine kendisini ayarlayabilmesi. Gündüz çok parlakken
de, gece karanlığında da görme işlevini yerine getirebiliyor. Parlak bir ışık
kaynağının yanında zayıf bir ışık kaynağı varsa, göz kendini parlak olan ışığa
göre ayarlar ve zayıf ışığı fark etmemiz olanaksızlaşır. Bu nedenle gündüz vakti
yıldızları göremiyoruz. Halbuki yıldızlardan gelen ışık gündüz de gece de aynı
parlaklığa sahip.

Yabancı filmlerde gördüğümüz sorgu odalarında camın ayırdığı odalardan biri
karanlık diğeri de aydınlık tutuluyor. Camın özelliği, üzerine gelen ışığın
çoğunu yansıtması ve çok az bir kısmını geçirmesi. Aydınlık odada bulunan kişi,
aynadaki kendi parlak görüntüsünden düğer odadan gelen ışığı seçemiyor. Bu kadar
basit. Aynı işi bir tül perde de rahatlıkla yapıyor.

Resim1: Eğer cam ışığı sadece sağa geçiriyorsa, sağ odacığa ısı aktarımı
olur.

Resim2: Cam sağa daha fazla oranda ışık geçiriyorsa, denge durumunda
sağdaki cisim daha sıcak olacaktır.

Herkes en düşük sıcaklık noktasını bilir: -273 derecedir. Benim merak ettiğim en yüksek sıcaklık noktası. -273 derecedeki bir maddenin molekülleri hareketsizdir. Bu maddeye ısı verelim, moleküller titreme hareketi yapacak, hareketlenmeye başlayacak. Isıyı arttıralım. Her hal değişiminde moleküllerin hızları sürekli artacak, öyle değil mi? Bu madde en son gaz halindeydi. Sürekli ısı vermeye devam edelim. Herhalde bu artış sonsuza doğru sürecek değil. Ben şöyle düşünüyorum: Einstein'ın teorisine göre hiç bir madde ışıktan daha hızlı gidemez. O halde bu moleküllerin hızları 300,000 km/sn'yi geçemeyecek. Yani en üst sıcaklık noktası belirmektedir. Ya sizce?

Bir maddenin sıcaklığı moleküllerinin hızından çok sahip oldukları ortalama
enerjiyle ilgili olduğu için bu sorunun yanıtı hayır. Maddeyi ısıtmaya devam
ettiğiniz sürece sıcaklığı artacaktır.

Bu anlamda bir cismin hızının ışık hızı ile sınırlı olması oldukça aldatıcı.
Konuyu görelilik kuramının bize kazandırdığı kütle ile enerjinin eşdeğerliliği
kavramıyla daha iyi anlamak mümkün. Ünlü E=mc2 formülü kütle ve enerji ölçümlerinin
arasındaki ilişkiyi veriyor. Böylece, örneğin bir gram suyu bir derece ısıttığınızda
enerjisinin 1 kalori arttığını söyleyebileceğiniz gibi, kütlesinin de 4.7x10-17
kg arttığını da söyleyebilirsiniz.

Bir cismi hızlandırmak için cisme vermek zorunda kaldığımız enerji için de aynı
şey geçerli. Kinetik enerji olarak adlandırılan bu enerji türünün de bir kütlesi
olduğundan, cisim hızlandıkça kütlesi de artar. Bu nokta çok önemli. Çünkü kütle,
eylemsizliğin, yani hareketteki değişimlere karşı cisimlerin direncinin bir
ölçüsü. Öyleyse, görelilik kuramına göre hareketli bir cismi hızlandırmak için
daha fazla enerji harcamalıyız: Hem cismin orijinal kütlesi için hem de yeniden
hızlandırmadan önce var olan kinetik enerjinin kütle eşdeğeri için.

Olayı biraz daha netleştirmek için bir oyuna benzetme yapabiliriz (en azından
deneyebiliriz). Elinizde bir çuvalla, bol çakıllı geniş bir alanda bulunuyorsunuz.
Oyunun tek kuralı, her adım attığınızda yerden bir çakıl alıp çuvala atmak.
Doğal olarak taşıdığınız yük arttıkça adım atmanız zorlaşıyor ve adım boyunuz
küçülüyor. Soru şu: istediğiniz kadar uzağa gidebilir misiniz? Eğer çok uzakta
bir noktayı hedef olarak seçmişseniz oraya kadar gitmeniz mümkün olmayabilir.
Bir süre sonra yükünüz o kadar ağırlaşır ki adım atmanız ya da çuvalı sürüklemeniz
imkansızlaşabilir. Kısacası bu oyunda gidebileceğiniz maksimum uzaklık kendiliğinden
ortaya çıkıyor. Buna rağmen çuvalı istediğiniz kadar doldurabilir misiniz? Eğer
çuvalınız yeteri kadar büyükse bu soruya yanıt evet olacaktır. Yani mesafe için
bir sınır olmasına karşın yük için bir sınır yok.

Parçacık hızlandırma oyunu yukarıdaki oyuna (tamamen olmasa bile) oldukça benziyor.
Sonuçta ulaşamayacağınız bir en yüksek hız, ışık hızı, ortaya çıkıyor. Bu hıza
istediğiniz kadar yaklaşabilirsiniz ama ulaşmanız ve geçmeniz mümkün değil.
Üstelik taşınan çakıllara benzetebileceğimiz enerjiyi istediğiniz kadar artırabilirsiniz.
Işık hızına erişmeniz sonsuz enerji gerektirdiği için, evrende de büyük olasılıkla
sonlu miktarda enerji (kütle) olduğu için pratikte ve kuramda mümkün değil.


 

Modern parçacık hızlandırıcılar yukarıdaki oyuna oldukça benzer bir şekilde
çalışıyorlar. Örneğin protonları hızlandırmak için, parçacıklar bir elektrik
geriliminin yaratıldığı bir bölgeden geçiriliyor. Protonlar 1 voltluk bir gerilim
farkını atlamak zorunda bırakılırsa enerjileri 1 eV (elektron volt) artar. Bu
sonuç protonun hızına bağlı değil. Eğer protonları döndürüp dolaştırıp aynı
bölgeden defalarca geçirebilirseniz, enerjilerini istediğiniz kadar artırabilirsiniz.

Örneğin, Fermilab'daki Tevatron'dan çıkan protonlar 800 GeV'luk inanılmaz bir
enerjiye sahipler (GeV=giga eV=109 eV). Bu 0.983 GeV olan protonun durağan kütlesinin
(enerjisinin) 850 katı kadar! Bu durumda protonların hızı ışık hızının %99.99993'üne
eşit. Bu kadar hızlı protonları daha da hızlandırmak mümkün. CERN'de 2005 yılında
tamamlanması planlanan 'Büyük Hadron Çarpıştırıcısı' (Large Hadron Collider,
LHC) 14 TeV'luk protonlar üretecek (TeV=tera eV=1012 eV). Bu Fermilab'dakilerden
yaklaşık 17 kat fazla bir enerji demek. Çıkan protonların hızıysa ışık hızının
%99.9999997'sine eşit olacak.

Bu kadar büyük enerji farkı olduğu durumda hızların birbirlerine çok yakın görünmesinin
ne kadar aldatıcı olduğunu bir örnekle daha iyi anlayabiliriz. Bu hızlandırıcılardan
çıkan protonları uygun bir kapta topladığınızı varsayalım. Elinizde bir Fermilab
kabı bir de CERN kabı olsun. Hangi kaptaki proton gazının daha sıcak olduğunu
anlamak için klasik bir yöntemi denemeye karar verdiniz: Bir elinizi bir kaba,
diğer elinizi diğer kaba soktunuz. Hangi eliniz daha çok yanar?

Yanma, bir başka ifadeyle vücudunuzun kimyasal maddesindeki hasar, protonların
size enerjilerinin ne kadarını aktardıklarıyla doğru orantılıdır. Yani daha
fazla enerjisi olan protonlar elinizi daha çok yakacaktır. Hatta, elinizin protonları
tamamen soğurduğunu düşünürsek, CERN'den gelen kaptaki protonların Fermilab'dan
gelenlere oranla 17 kat daha fazla yaktığını da söylemek mümkün. Uzun lafın
kısası, hızın önemi yok, CERN kabı çok daha sıcak.

Bu kadar yüksek enerjiye sahip protonlar normalde 1015 derece sıcaklığında ortaya
çıkabilirler. Bu sıcaklık derecesi ve hatta daha yüksek sıcaklıklar evrenimizi
meydana getiren büyük patlamanın ilk anlarında oluşmuştu. Zaten, hızlandırıcılarla
bu kadar yüksek enerjilere ulaşılmasının bir amacı da büyük patlamanın bu evresinde
neler olup bittiğinin ve günümüz evrenini nasıl etkilediğinin anlaşılması.