34. IŞIMA AKISI KAYMASI

Radyasyon veya ışınım tanımı, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımı şeklindedir. Işıma Akısı elektromanyetik radyasyonun birim zamandaki ışıma enerjisidir. Işıma Akısı yalnızca görünür ışık ile ilgili değildir tüm elektromanyetik spektrumu kapsar. Konuyu fazla derinleştirmemek için burada güneş veya lamba gibi bireysel ve rast gele foton ışıması yapan ışık kaynaklarıyla konuyu sınırlıyorum. Foton ışıması, elektromanyetik dalgaların birbirinden bağımsız enerji paketleri halinde gönderilmesi şeklinde olmaktadır.

Konumuz (c+v)(c-v) matematiğinin elektromanyetik dalgalarda Işıma Akısı üzerinde yaptığı etki ile ilgilidir. Alfa ve Beta ışımaları gibi kütle taşıyan parçacık ışımalarının konumuzun kapsamına girdiğini düşünmüyorum, bu parçacıkların kütleye sahip olmaları nedeniyle (c+v)(c-v) matematiğine uygun bir şekilde davranmaları zor bir ihtimaldir.

Işıma Akısı, ışığı yayınlayan kaynak açısından ele alındığında birim zamanda ne kadar foton yayınladığının bir ölçüsüdür. Işığın varma hedefi açısından ele alındığında ise birim zamanda ne kadar foton alındığının bir ölçüsü olur. Fotonların taşıdıkları enerji de Işıma Akısını belirleyen ikincil bir faktör olarak bu oluşumun içinde yer alır. Sonuç olarak Işıma Akısı Kayması birbirine göre hareket eden cisimler arasındaki elektromanyetik etkileşimde, foton sayısındaki değişimin ve fotonların enerjilerindeki değişimin birlikte oluşturduğu bir etkidir ve (c+v)(c-v) matematiği ile direk ilişkili olan bir konudur.

Kaynağın Işıma Akısını değiştirmesi ancak kaynaktaki fiziksel şartların değişmesi sonucunda gerçekleşebilir. Güneş patlaması gibi olaylar veya bir lambaya verilen voltajın değiştirilmesi kaynağın Işıma Akısını tabiatıyla değiştirebilir. Burada Işıma Akısını varma hedefi açısından ele alacağız.

Bir ışık kaynağına göre hareket halinde olan bir referans sisteminin kaynaktan aldığı ışık enerjisi miktarının hareketin yönüne bağlı olarak arttığını veya eksildiğini "Bir Fotonun Enerjisi" kısmında görmüş idik. Işık enerjisindeki bu değişim yalnızca dalgaboyu (dolayısıyla enerjisinin) değişiminden kaynaklanmaz, aynı zamanda alınan foton sayısında artma veya eksilme de söz konusudur.

Işık Akısı Kaymasının nasıl gerçekleştiğini anlamak için, Bayt Kayması örneğimizden yararlanabiliriz. HELLO WORLD mesajındaki her harfin bir foton tarafından temsil edildiğini var saymak bize gerekli bilgiyi hemen verecektir.

Uçaklara ve dağ istasyonuna gelen mesaj uzunluğunun her üç referans sistemi için farklı olduğunu görmüştük. Hedef referans sistemi için GELEN sinyal hızının değişmemesi sebebiyle, her üç referans sistemi aynı süre içinde farklı miktarda foton alacaktır. Bunun sonucunda her üç referans sistemi için Işıma Akısı farklı olacaktır. Sinyal kulesinin her üç varma hedefi için saniyede "n₀" adet foton yayınladığını varsayalım. Buna göre, dağ istasyonu saniyede n₀ adet foton alırken, 
kuleden uzaklaşan uçak saniyede ,
kuleye yaklaşan uçak saniyede kadar foton alacaktır.

Enerjideki değişimi bulmak için frekanstan yararlanalım. Saniyede yayınlanan veya alınan foton sayısını gösteren "n" değerindeki değişim ile frekans değişimi birbirine çok benzemektedir.

Hedefe doğru saniyede "n₀" adet fotonun yola çıktığını ve saniyede "n₁" adedinin hedefe ulaşacağından hareketle; her iki eşitliği taraf tarafa birbiriyle çarparsak f₁ frekansına sahip n₁ adet fotonun varma hedefinde oluşturacağı toplam etkiyi buluruz, yani Işıma Akısının birincil eşitliğine ulaşırız. Bu eşitlik (c+v)(c-v) matematiği açısından genel prensibi göstermektedir, eşitlikte hem frekanstaki değişim (dolayısıyla fotonun dalgaboyu değişimi) hem de foton sayısındaki değişim beraberce yer alır.

Eşitliği Planck Sabiti ile çarparak Işıma Akısındaki enerji değişimini ele ederiz.

Tabi bu eşitliği kullanmak için foton sayısını bilmemiz gerekir. Ama bunun konumuz açısından bir önemi yoktur. Burada esas amaç (c+v)(c-v) matematiğinin olaya nasıl müdahil olduğunu görmekti. Zaten foton sayılarını elemine etmek de mümkündür. Yukarıdaki Işıma Akısı Kayması eşitliğini aşağıdaki gibi daha basite indirgeyebiliriz. olduğuna göre bir önceki denklemde yerine koyarsak genel denklemi elde etmiş oluruz.

Işıma Akısı Kayması miktarını gösteren eşitliği kaynağa göre hareket eden bir referans sisteminin maruz kalacağı ışık akısındaki değişim miktarını gösterir.

Işıma Akısı Kayması oluşumunu şu şekilde özetleyebiliriz:
Işıma Akısı Kayması dalgaboyu değişimi gibi kaynakta oluşur ve etkisi hedefte ortaya çıkar. Bir referans sisteminin bir ışık kaynağına göre hareket halinde olması, kaynaktan kendisine gelen ışığın yoğunluğunu arttırır veya seyreltir. Başka bir deyişle kendisine gelecek olan fotonların yoğunluğunu değiştirir. Foton sayısındaki bu yoğunluk değişimi ışığın yayınlanması esnasında gerçekleşir. Yola çıkan fotonların etkilerini gösterebilmeleri için varma hedefi ile arasındaki mesafeyi kat etmeleri gerekir. Bundan dolayı Işıma Akısı Kayması, hız değişimine bağlı olarak hedef üzerinde hemen o anda oluşan bir etki değildir.

Bir örnek ile anlatmam daha kolay olacak. Dört ışık yılı uzaklıktaki bir başka yıldız sistemine doğru yarım ışık hızı ile yola çıktığımızı düşünelim. Uzaygemisi için yıldızdan gelen ışığın ışıma akısındaki değişim, yola çıktıktan tam dört yıl sonra, yarı yola gelindiğinde başlayacaktır. Ne zaman ki uzay gemisi yıldızdan gelen ışıkların dalgaboylarının değiştiği görmeye başlayacaktır, işte o zaman yıldızdan gemiye ulaşan ışıkların Işıma Akısı da değişmiş olacaktır.

34.1. IŞIK ŞİDDETİ, MESAFE VE (C+V)(C-V) MATEMATİĞİ

Işık şiddetinin mesafeye göre değiştiği bilinen bir konudur. Bir çemberi ışık kaynağından uzaklaştırdıkça, birim zamanda çemberin içinden geçen ışığın miktarı giderek azalacaktır. Aşağıdaki figür bu durumu göstermektedir.

 

Genel kural şu şekildedir: Noktasal bir kaynağın etrafına yaydığı ışığın şiddeti mesafenin karesi ile ters orantılı olarak azalmaktadır. Mesafeyi iki katına çıkardığımızda ışık şiddeti dört kat azalacaktır şeklinde pratikte düşünebiliriz. Bu kurala uygun olarak aşağıdaki eşitlik vardır.

Işık Şiddeti1 = Mesafe12 Işık Şiddeti2 Mesafe22

Işık Şiddeti birincil olarak ışığı oluşturan fotonların sayısına bağlı bir sonuç olduğu için yukarıdaki eşitliği esas nedeni ortaya koyarak aşağıdaki gibi yazabiliriz.

Alınan foton sayısı1 = Mesafe22 Alınan foton sayısı2 Mesafe22

Fakat, yukarıdaki iki eşitlik de ışık kaynağına göre hareketsiz durumda olan hedefler için geçerli olan eşitliklerdir. İşin içinde hareket olduğunda (c+v)(c-v) matematiği duruma müdahale etmektedir.

Aşağıdaki figürde (c+v)(c-v) matematiğinin nasıl müdahalede bulunduğunu görebiliriz. Işık kaynağından d₁ kadar uzaklıkta hareketsiz duran bir cisim düşünelim. Figürde cismin daire şeklinde çizilmiş olmasının bir önemi yoktur. t₀ gibi bir anda kaynaktan yayınlanan fotonların n adedinin varma hedefi olarak bu cismi seçtiğini var sayalım. Sonuçta n adet foton d₀ mesafesini t_Δ =d₀/c kadar bir sürede kat ederek hedefledikleri cisme varacaktır. Şimdi, cismin uzaklaştığını durumu düşünelim. Cisim d₀ mesafesinde iken gene n kadar fotonun varma hedefi olarak cismi seçtiğini ve ona doğru yola çıktığını düşünelim. Ama bu kez fotonların hızı (c+v) olacaktır ve bu fotonlar d₀ mesafesi yerine cisme d₁ mesafesinde varacaktır ve foton sayısı değişmeyecektir. Cisim kaynağına doğru gelmesi durumunda fotonlar (c-v) hızıyla yol alacak hedefe d₂ mesafesinde varacaktır ve foton sayısı gene değişmeyecektir.

Foton sayılarının değişmemesi her üç durumda cismin aynı ışık şiddetini alacağı anlamına gelmemektedir. Çünkü fotonların sayıları aynı kalmakla beraber enerjileri değişecektir. Enerjideki değişim dalgaboyundaki değişim ile orantılı olarak gerçekleşecektir. Dolayısıyla E_X . λ_X = E₀ . λ₀ şeklinde bir eşitlik tanımlayabiliriz. O halde, durağan halde E₀ kadar enerji alan cisim, hareket halinde ise ve hareketi uzaklaşma yönünde ise E₂= E₀.c/(c+v) kadar, hareketi yaklaşma yönünde ise E₁= E₀.c/(c-v) kadar enerji alacaktır. Figürde, d₁ ve d₂ mesafelerini t_Δ süresinin belirlediğine dikkat edelim, foton sayılarının değişmemesi t_Δ süresi ile direk bağlantılıdır. t_Δ süresi aşıldığında foton sayısı değişecektir.

34.2. GÖLGELEME FAKTÖRÜ (SHADING FACTOR)

Yukarıdaki figürde, hareket halinde olan Sarı cisim kırmızı ok yönünde ilerlemektedir. Yolu üzerinde Mavi cismin gölgelediği bir bölge vardır. Sarı cisim bu gölgelenmiş bölgeden geçerek yoluna devam eder...

Basit gibi görünen bu olay (c+v)(c-v) matematiği ile düşünüldüğünde hiç basit değildir ve çok miktarda detay ve bilgi içerir.

Bir Doppler üçgeni yardımıyla düşünelim. Sarı renkli cisim B noktasında iken ışık kaynağından gönderilen bir ışık sinyalini ele alıyoruz.
Sinyalin varış süresi t_Δ=d₁/c olacaktır.
t_Δ süresi boyunca Sarı cisim u hızıyla d₂= u. t_Δ mesafesini kat ederek gölgelenmiş alana girer.
Kaynağın referans sistemine göre Sarı cisme doğru d₃ doğrusu üzerinden gelen ışık sinyalinin yolu üzerinde Mavi cisim vardır. 
Sarı renkli cismin referans sistemine göre ışık sinyalinin Sarı cisme kırmızı renkli d₁ doğrusu üzerinden geleceğini hatırlayalım. Sarı cismin hareketi sonucunda kırmızı renkli d₁ doğrusu gölge hattının içine girecektir.
Sarı cisim C noktasına doğru yaklaşırken eğer ışık sinyali Mavi cismi geçebilmiş ise Sarı cisme varacaktır, ancak geçememişse ışık sinyali Mavi cisim tarafından tutulacaktır. Mavi cisim ışık sinyalinin Sarı cisme varmasına engel olacaktır.
Buradan çıkan bir sonuç olarak, Sarı cismin gölge hattına girmesiyle beraber, Mavi cisim alması gereken ışık miktarından daha fazla miktarda ışık almak zorunda kalacaktır. 

Mavi cismin aldığı bu fazladan ışığın, Mavi cisim tarafından ne şekilde bir işleme tabi tutulacağı konusunda emin olmadığım için burada bir yorum yapmayacağım. Mavi cisim için Işıma Akısı değişimine veya onun ısıl enerjisinin artmasına sebebiyet verebilir veya başka bir etkiye de sebep olabilir. 

Gerçek şu ki Alice Yasası hakkında öğrenmemiz gereken çok şey vardır. Gölgeleme Faktörü konusu Işık Akısı Kayması konusunu yazarken fark ettiğim benim için oldukça yeni bir konudur. Hatta, bu konuyu yazıp yazmamakta oldukça tereddüt ettim. Yazmamın daha doğru olacağına karar verdiğim için bu konuya da değindim. Gölgeleme faktörü konusunun dikkat edilmesi gereken çok fazla detay içerdiğini görebiliyorum. Ama burada bu detaylara girmek istemedim. 

Gölgeleme faktörü Alice Yasasını deneysel olarak doğrulayabilmek için özel bir fırsat da sunmaktadır. En azından böyle bir ihtimalin olması kuvvetle muhtemeldir.

Uzaygemisi

Başladığımız uzaygemisi konusuna devam edelim, uzay gemisi yarı yolda vardıktan sonra maruz kaldığı yeni Işıma Akısı altında yoluna devam eder. Hedeflerindeki yıldız artık çok daha parlak ışımaktadır. Fakat uzay gemisinin motorları beklenmedik bir arıza yapar, yolları üzerinde ve gidecekleri yıldıza bir ışık yılı mesafede ve yıldıza göre hareketsiz bir konumda olan bir kurtarma ve bakım istasyonu vardır. Uzaygemisi hızını azaltarak tamir görmek için istasyona yanaşır. Uzay gemisi için hızını azaltması ışıma akısını değişime uğratır mı? Evet uğratır ama bu değişim en az bir ışık yılı öteden başlayacaktır. Değişimin kendilerine ulaşması bir yıl sürecektir. Bütün bu süre zarfında yıldız gemisi yıldızdan kedisine gelen yoğunlaşmış enerjiyi almaya devam edecektir. Kaptan pilot gemisini durdursa da, yönünü değiştirse de, yıldızdan uzaklaşmaya çalışsa da bu etki sürecektir, çünkü o ışıklar uzay gemisinin alanı içinde gitmektedir ve alan merkezinde bulunan uzaygemisine hedeflerine kilitlenmiş güdümlü füzeler gibi gelmektedir. 

Uzaygemisi tamir istasyonunun hangarına iniş yapar. Tamir istasyonun güneş kalkanları, uzaygemisini yıldızdan gelen enerjik ışıklarlardan artık korumaktadır. Peki yolcular için durum nedir? Yolcular uzay gemisinin güvenli mekanlarında, uyku halinde bu yolculuğa başlamışlardı. Tamir işinin uzun süreceği anlaşılınca yolcular uyandırılarak, tamir istasyonunun konaklama yerlerine nakledilirler. Tamir İstasyonunun kafeteryası çok güzel yapılmıştır. Üzerindeki cam kubbeden uzayın bütün ihtişamı görülmektedir.Yolculardan birisi bir kahve alır ve gözünü gidecekleri yıldıza doğru çevirir. Yolcu yıldızı nasıl görecektir, Işıma Akısındaki değişim bu yolcu için hala devam ediyor mudur?

Çok ilginç bir senaryo oldu. Alice Yasasının da kendisine özel paradokslarının olması kadar doğal bir şey olamaz. Burada da bir tanesiyle karşılaştık, doğrusunu isterseniz kitabı yazarken aklıma geldi. Hikayenin son kısmının cevabını bilmiyorum ve elbet de merak da ediyorum. Bir tahmin de bulun derseniz, ışıma akısındaki değişimin o yolcu için gelecek bir yıl boyunca devam edeceği şeklinde oyumu kullanırdım.