Işık tam olarak nedir?

Kısa cevap

Işık, elektrik ve manyetik alanların birbirini besleyerek uzayda ilerlediği bir elektromanyetik dalgadır. Radyo dalgalarından gama ışınlarına uzanan dev bir ailenin, yani elektromanyetik spektrumun yalnızca çok dar bir dilimini gözümüzle algılarız ve bu dilime "görünür ışık" deriz. Gözümüzün tam bu dilime ayarlı olması tesadüf değildir: Güneş'in en bol ışığı, atmosferin ve suyun geçirdiği pencere ve gözün kendi korunma düzeni bu aralıkta buluşur.

Işık bir elektromanyetik dalgadır

On dokuzuncu yüzyılın ortasına kadar elektrik, manyetizma ve ışık ayrı olgular sanılıyordu. İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmayı tek bir kuram içinde birleştiren denklemlerini 1865'te yayımladığında bu denklemlerden şaşırtıcı bir sonuç çıktı: değişen bir elektrik alanı bir manyetik alan, değişen bir manyetik alan da bir elektrik alanı doğurur ve bu karşılıklı döngü, uzayda dalga olarak ilerleyebilir. Maxwell bu dalgaların hızını hesapladığında, deneylerle ölçülmüş ışık hızına çok yakın bir değer buldu ve ışığın bu türden bir dalga olduğu sonucuna vardı.

Kuramı deneyle sınayan kişi Alman fizikçi Heinrich Hertz oldu. 1887'de laboratuvarında elektrik kıvılcımlarıyla görünmez dalgalar üretti ve odanın öbür ucundaki bir alıcıyla onları yakaladı. Bu dalgalar yansıyor, kırılıyor ve birbirleriyle girişim yapıyordu; yani tıpkı ışık gibi davranıyorlardı. Bugünkü radyo, televizyon ve cep telefonu teknolojisi bu deneyin torunlarıdır.

Bu dalgaları birbirinden ayıran tek şey dalga boyudur: dalganın bir tepesinden bir sonrakine olan mesafe. Kilometrelerce uzun radyo dalgası ile bir atomdan küçük gama ışını aynı türden şeylerdir. Dalga boyunun frekansla ve taşıdığı enerjiyle nasıl ilişkili olduğu ise BI-02'nin konusudur.

Spektrum: radyodan gamaya

Elektromanyetik dalgaları dalga boyuna göre dizdiğimizde bir yelpaze elde ederiz. En uzun uçta radyo dalgaları bulunur; ardından mikrodalgalar, kızılötesi, görünür ışık, morötesi, X ışınları ve en kısa uçta gama ışınları gelir. Bu diziye elektromanyetik spektrum denir.

Bu yelpazeyi bir piyano klavyesine benzetebilirsiniz: kilometrelerce uzanan bir klavye düşünün ve gözümüzün duyabildiği yalnızca tek bir oktav olsun. Görünür ışık, spektrumun geri kalanına göre işte o kadar dar bir dilimdir. Klavyenin geri kalanı çalmaya devam eder, ama biz onu doğrudan duymayız.

Görünür dilimin iki komşusunun keşfi, spektrumun gözle sınırlı olmadığını ilk kez gösteren deneylerdi. 1800'de gökbilimci William Herschel, bir prizmanın ayırdığı renklerin sıcaklığını ölçerken termometreyi kırmızının da ötesine, hiçbir ışık görünmeyen bölgeye koydu ve sıcaklığın orada da yükseldiğini fark etti: bu kızılötesiydi. Bir yıl sonra Johann Wilhelm Ritter, ışıkta kararan gümüş klorürü mor ucun ötesine koydu ve orada daha da güçlü bir kararma gördü: bu da morötesiydi.

Görünür dilim

İnsan gözünün algıladığı aralık yaklaşık 380 nanometreden 780 nanometreye uzanır; yani metrenin milyarda biri ölçeğinde birkaç yüz birimlik bir bant. Sınırlar keskin değildir: çok güçlü bir ışık kaynağıyla bu aralığın biraz dışı da görülebilir ve duyarlılık kenarlara doğru hızla düşer. Aralığın kısa ucu bize mor ve mavi, orta kısmı yeşil ve sarı, uzun ucu turuncu ve kırmızı gibi gelir.

Bu noktada KE-01'in önemli uyarısını hatırlamak gerekir: dalgaların kendisi renkli değildir. "Kızılötesi ve morötesi neden renk sayılmaz?" sorusunun cevabı da buradadır. Renk, gözdeki koni hücrelerinin tepkilerinin beyinde karşılaştırılmasıyla doğan bir deneyimdir. Kızılötesi ve morötesi dalgalar, retinaya ulaşsalar bile konilerimizi uyaramadıkları ya da retinaya hiç ulaşamadıkları için bir renk deneyimi doğurmaz. Onlar fiziksel olarak ışıktır, ama bizim için renk değildir.

Göz neden bu aralığa ayarlı?

Gözümüzün tam bu dilimi görmesinin birkaç sebebi birlikte çalışır. Güneş'in yaydığı enerjinin büyük kısmı görünür ve yakın kızılötesi bölgededir; Dünya atmosferi de bu bölgenin önemli bir kısmını yere kadar geçirir, çok kısa dalgaları ise ozon ve başka gazlar süzer. Bir başka pencere suyun kendisidir. Su, görünür ışığı görece iyi geçirirken kızılötesini güçlü biçimde soğurur. İlk gözler suda evrildiği için, suyun içinden geçebilen ışığı kullanmak avantajlıydı.

Gözün kendisi de bir süzgeç taşır. Gözün ön yüzeyi olan kornea çok kısa dalga boylu morötesini, göz merceği ise 300 ile 400 nanometre arasındaki morötesinin büyük bölümünü soğurur ve retinayı korur. Katarakt ameliyatında doğal mercek çıkarılıp yerine morötesini süzmeyen bir mercek konmayan bazı kişilerin, yakın morötesini soluk mavimsi bir ışık olarak görebildiği bildirilmiştir. Yani görünür aralığın mor sınırının bir kısmı, konilerimizden değil merceğimizden gelir.

Örnek — termal kamerada yüzler

Bir havaalanında ateş ölçen termal kameraları düşünün. Bu kameralar görünür ışığı değil, cildin yaydığı kızılötesini görür. Görünür ışıkta ten rengi, melaninin ışığı ne kadar soğurduğuna göre açık tenden koyu tene kadar geniş bir aralıkta değişir. Kızılötesinde ise durum bambaşkadır: deri, rengi ne olursa olsun, neredeyse mükemmel bir ışıma yapar ve termal görüntüde ten tonları arasındaki fark kaybolur, yalnız sıcaklık farkı kalır.

Bu örnek, spektrumun farklı dilimlerinin aynı nesne hakkında farklı şeyler söylediğini gösterir. Görünür ışık bize cildin rengini, kızılötesi sıcaklığını anlatır. Renk, spektrumun yalnızca bizim gözümüzün okuyabildiği diliminde yazılı bir bilgidir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Işık, elektrik ve manyetik alanların birbirini besleyerek ilerlediği bir elektromanyetik dalgadır; Maxwell bunu kuramla, Hertz deneyle gösterdi.
2. Elektromanyetik spektrum radyodan gamaya uzanır; gözümüz kabaca 380–780 nm arasındaki dar dilimi görür, kızılötesi ve morötesi bu dilimin görünmez komşularıdır.
3. Gözün bu aralığa ayarlı olması Güneş ışığı, atmosferin ve suyun geçirgenliği ve merceğin morötesini süzmesiyle açıklanır.

Kendini sına

1. (Kolay) Işığın bir elektromanyetik dalga olduğunu kuramla ilk gösteren bilim insanı kimdir?
2. (Kolay) Kızılötesini 1800'de hangi deneyle kim keşfetti?
3. (Orta) Kızılötesi ve morötesi neden "renk" sayılmaz?
4. (Orta) Gözümüzün görebildiği aralığın mor sınırını belirleyen etkenlerden biri neden göz merceğidir?
5. (Zor) Suyun kızılötesini güçlü biçimde soğurması, görme sistemlerinin evrimi hakkında hangi hipotezi destekler?
6. (Zor) Termal kamerada farklı ten tonlarının birbirine benzemesi, görünür ışık ile kızılötesinin taşıdığı bilgi hakkında ne söyler?

Cevaplar

1. James Clerk Maxwell; 1865'te elektromanyetik dalgaların ışık hızında ilerlediğini türetti («Işık bir elektromanyetik dalgadır»).
2. William Herschel; prizmayla ayrılan ışığın kırmızı ucunun ötesine koyduğu termometrenin ısındığını gördü («Spektrum: radyodan gamaya»).
3. Renk, gözdeki konilerin tepkisinin beyinde yorumlanmasıyla doğan bir deneyimdir. Kızılötesi ve morötesi fiziksel olarak ışıktır, ama konilerimizi uyaramadıkları ya da retinaya ulaşamadıkları için bir renk deneyimi doğurmaz («Görünür dilim»).
4. Göz merceği 300–400 nm arasındaki morötesinin büyük bölümünü soğurur; mercek çıkarıldığında bazı kişiler yakın morötesini algılayabilir («Göz neden bu aralığa ayarlı?»).
5. İlk gözler suda evrildiği için, suyun geçirebildiği görünür bölgeyi kullanmak avantajlı olmuştur; görme aralığı bu geçirgenlik penceresiyle örtüşür («Göz neden bu aralığa ayarlı?»).
6. Görünür ışık, melaninin soğurmasına bağlı olarak ten rengini taşır; kızılötesinde deri renginden bağımsız olarak neredeyse aynı yayım gücüne sahip olduğu için yalnız sıcaklık bilgisi kalır. Spektrumun her dilimi aynı nesne hakkında farklı bir bilgi taşır («Örnek — termal kamerada yüzler»).

Kaynaklar

• Maxwell, J. C., «A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field», Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155, 1865.
• Caltech IPAC, Cool Cosmos, «The Herschel Experiment» ve «The Ritter Experiment».
• Delgado-Bonal, A. ve Martín-Torres, J., «Human vision is determined based on information theory», Scientific Reports 6, 2016.
• Steketee, J., «Spectral emissivity of skin and pericardium», Physics in Medicine and Biology 18(5): 686–694, 1973.
• Stark Lab, Saint Louis University, insan morötesi duyarlılığı üzerine çalışma sayfası.

Sonraki adım

BI-02 bu dersin ölçü birimlerine iniyor: dalga boyu ile frekansın ters ilişkisini, mavi fotonun kırmızıdan neden daha enerjik olduğunu ve macentanın spektrumda yer almadığı hâlde neden görüldüğünü açıklıyor. BI-04 ise ışığın bir nesneyle karşılaştığı ana geçiyor: seçici soğurma, yansıma eğrileri, saydam ve opak malzemeler üzerinden bir domatesin neden kırmızı göründüğünü anlatıyor.