Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Fizikteki Tek Hız Sınırı Işık Hızı Mıdır?

Popüler bilimin şu günlerde dilinden düşürmediği bir ifade vardır hani; “X parçacığı parçaçık çarpıştırıcılarında ışık hızının %99.9 hızına ulaştırıldı” şeklinde. Peki bu günlere nasıl geldik? Işık hızı gibi devasa bir rakamın yüzdeliklerine ulaşmadan önce acaba başka hız limitlerini aşmaya çalıştık mı?

Bu sorunun cevabı hem evet hem hayır. Aerodinamik yasalarına göz atan veya uçaklara meraklı olan biri kesinlikle “Mach numarası” ile karşılaşmıştır. Mach numarası, bir akıntının (akış) hızının yerel ses hızına oranıdır. İdeal bir gaz için ses hızı sıcaklığın karekökü ile orantılıdır. Eğer Mach numarasını “M”, ses hızını “a” ve akıntı hızını “v” ile tanımlarsak termodinamik yasalarından karşımıza şöyle bir denklik çıkar (formüldeki “R” ve “gamma” sadece akış sabitleridir ve her akışta farklıdır).

11304097_10153395608709267_2127421307_n

Ses hızına ilk matematiksel yaklaşım Isaac Newton tarafından yapılsa da, bazı şeyleri göz ardı ettiği için yukardaki ifadeye ulaşamamıştır. Ancak 1700 lü yıllarda İngiliz William Derham ses hızını ölçmeyi başarmıştır.

Teknolojinin ilerlemesiyle insanoğlu daha hızlı araçlar icat etmiş, Dünya’nın 20 yılda gördüğü iki büyük savaşla (Dünya savaşları) birlikte uçaklar da bu ilerlemeden en büyük nasibi almıştır. Pilotların savaş sırasında gözlemledikleri bir olay, o zamanın aerodinamikçileri için büyük bir ilham kaynağı olmuştur. Pilotların gözlemlerine göre uçak ses hızına yaklaştıkça uçağın pervanesinin performansında düşüş olmuş ve o zamanın mühendislerini alternatif güç kaynaklarına yönlendirmiştir.

Ama mühendislerin kafalarını karıştıran birşey vardı: 1940’lı yıllardan çok daha önce akışkanlar mekaniğinde profesörlüğünü almış ve modern aerodinamiğin babası olarak bilinen Alman mühendis Ludwig Prandtl’ın teorisine göre sürtünme katsayısı ses hızına yaklaşıldığında sonsuza gidiyordu.

11301417_10153395608654267_1528875161_n

Burada alpha (α) relatif açıdır. Eğer Einstein’in özel görelilik teorisine göz attıysanız bu denklemi Lorentz transformasyonlarıyla bağdaştırmanız mümkündür. Orada da gamma faktörü ışık hızına yaklaşıktıkça sonsuza gidiyordu. Yani ses hızına yaklaşmak, ışık hızına yaklaşmaya çok benziyordu. Ancak, ışık hızına yaklaşıldığında yaşanan sorun zaman genleşmesi ve enerji ihtiyacı iken, ses hızına yaklaşıldığındaki tek sorun “sürtünme” idi. Dolayısıyla ses hızının aşılmaz gibi bir özelliği yoktu.

surtunmekatsayisi4578

Sürtünme katsayısının Mach sayısıyla nasıl değiştiğinin grafiği.

Bu durumda yapılacak tek şey vardı: Varı yoğu ortaya koyup “ses bariyerini” delebilecek bir uçak geliştirmek. Zaten İkinci Dünya Savaşı pilotlarının gözlemleri, ses bariyerinin ışık hızı gibi bir fiziksel bariyer olmadığını gözler önüne koyuyordu. Daha öncesinde birçok uçak, dalış yaptıkları sıralarda ses bariyerini aşmışlardı.

bell-x-1-478774521

Ses hızını ilk kez aşan uçak olan Bell X-1…

Amerikan mühendislerin imzasını attığı, roketten bozma X-1 Bell isimli uçak 1947 yılında Mach 1.06’ya ulaşmayı başardı (Meraklılar için The Right Stuff filmini öneririm). Ses hızını aşan bu ilk uçak, kendi başına havalanma yeteneğine sahip değildi. Öncesinde başka bir uçağın gövdesine bağlı olarak havalandı ve 7 km yükseklikte gökyüzünde serbest bırakıldı. Daha sonra pilot “roketleri” ateşleyerek uçuşa geçti. Yani anlayacağınız bu uçağın bir uçak motoru bile yoktu. Bu roketten bozma uçak, başarılı bir uçuş gerçekleştirerek saatte 1.100 km hıza ulaşmayı başardı ve sağ sağlim yere indi.

Aerodinamik hakkında daha çok deneysel bilgi topladıktan sonra uçakların dizaynında da değişikliklere gidildi. Ses hızına yakın uçan uçakların kanatları geriye doğru açılandırılmaya ve öte yandan da motorları güçlendirilmeye devam edildi. Savaş uçaklarının kanatları incelmeye başladı. Concorde gibi firmalar süpersonik hızlarda uçabilen yolcu uçakları bile tasarladılar.

rafale-IAF

Günümüzün en gelişmiş birkaç savaş jetinden biri olan Fransız “Dassault Rafale”. 65 milyon dolarlık bu uçak, ses hızının (Mach) 1.8 katına çıkabilir.

Sorunun cevabına gelince. Evet, ışık hızı fizikteki tek hız sınırıdır. Ses hızı aerodinamik yasalarında her ne kadar bir sınırmış gibi görünse de, teknolojinin nimetleri sayesinde bu hızın çok üstündeki yüzdelik dilimlere çıkabiliyoruz. Örneğin, Apollo 13 atmosfere girdiğinde Mach 30’un üzerinde bir hıza ulaşmış ve yüzey sıcaklığı sürtünme nedeniyle binlerce santigrat dereceye yükselmiştir. Öte yandan insanoğlu hiç bir zaman bildiğimiz fizik yasaları dahilinde ışık hızının üst yüzdelerine ulaşan, içine atlayıp da yıldızlararası seyahate çıkılacak bir araç yapamayacaktır.

dassault_rafale-31

Dassault Rafale uçağının ses hızını aşarken kanat çevresinde oluşan “sonic bomb”…

Bu arada üstteki gibi resimler genelde insanlara sanki bir ses duvarının içinden geçiyormuş hissi verir. Ancak koni biçiminde görülen o kısım düşük basınç alanıdır ve o görülen gri şeyler de havadaki aniden yoğunlaşan su tanecikleridir.

Sonuç olarak diyebiliriz ki, şu an için fizikteki tek (ve aşılmaz) hız; “ışık hızı”nda yol alan “kütlesiz parçacıklar”a ait hız sınırıdır. Bu hız, evrendeki her çeşit maddenin ve taneciğin “doğal hız sınırı”dır.

Işık hızı hakkında daha detaylı bilgi için, sitemizde yer alan “özel görelilik” yazı dizisini okumanızı tavsiye ederiz.

Alperen Erol

 

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Zafer Emecan

Bir astronomi işçisi. Kozmik Anafor’un kurucusu, her şeyi ve hiçbir şeyi. Alakasız üniversiteler bitirmiş olmasına rağmen, içinden atamadığı gökbilim sevgisini kaleme, klavyeye, araştırmalara dökmeye çalışan, haddini bilen, ama bazen aşan amatör bir bilimci.