Özel Görelilik
Einstein'ın özel görelilik kuramı iki varsayıma dayanır:
- Fizik yasaları bütün eylemsiz gözlemciler için aynıdır.
- Boşluktaki ışık hızı bütün gözlemciler için aynıdır — kaynağın ya da gözlemcinin hızından bağımsızdır.
İkinci varsayım günlük sezgiye aykırıdır ve şaşırtıcı sonuçlar doğurur:
- Zaman genleşmesi: hareketli sistemdeki saat, duran gözlemciye göre yavaş işler.
- Boy kısalması: yalnız hareket doğrultusunda uzunluk kısalır.
- Göreli kütle: hız arttıkça kütle büyür; ışık hızına ulaşmak sonsuz enerji gerektirir.
Kütle-Enerji Eşdeğerliği
Kuramın en bilinen sonucu kütle ile enerjinin aynı niceliğin iki yüzü olduğudur:
$E = m c^2$
Işık hızının karesi çok büyük olduğu için küçük bir kütle çok büyük enerjiye karşılık gelir: 1 gram madde tümüyle enerjiye dönüşse $9\times 10^{13}$ joule açığa çıkar.
Çekirdek tepkimelerinde açığa çıkan enerjinin kaynağı tam olarak budur: tepkime sonrası toplam kütle biraz azalır, kaybolan kütle enerjiye dönüşür.
Kuantum Fiziğine Giriş
Klasik fizik kara cisim ışımasını açıklayamayınca Planck enerjinin kesikli paketler (kuantum) hâlinde alınıp verildiğini önerdi. Bir fotonun enerjisi $E = h\cdot f$ ile verilir.
Sıcaklık arttıkça kara cismin en şiddetli ışıma yaptığı dalga boyu küçülür; ısınan demirin önce kırmızı sonra beyaz görünmesinin nedeni budur.
Fotoelektrik Olay ve İkili Doğa
Metal yüzeye ışık düştüğünde elektron kopmasına fotoelektrik olay denir. Deney sonuçları klasik dalga kuramıyla açıklanamaz:
- Eşik frekansının altında, şiddet ne kadar artarsa artsın elektron kopmaz.
- Şiddet artınca kopan elektron sayısı artar, enerjileri değişmez.
- Frekans artınca elektronların kinetik enerjisi artar.
- Işık düşer düşmez elektron kopar; gecikme yoktur.
Bunlar ancak ışığın foton denen paketlerden oluşmasıyla açıklanır. Compton saçılması fotonun momentum taşıdığını da gösterdi. Işık girişimde dalga, fotoelektrik olayda tanecik gibi davranır: buna ikili doğa denir. de Broglie aynı ikiliğin madde için de geçerli olduğunu öne sürdü ve elektron kırınımı bunu doğruladı.
Sık sorulanlar
Işık hızı neden aşılamıyor?
Hız arttıkça göreli kütle büyür ve hızlandırmak için gereken enerji sınırsız artar. Kütleli bir cismi ışık hızına çıkarmak sonsuz enerji ister.
Fotoelektrik olayda şiddeti artırmak neden yetmiyor?
Elektronu koparan tek bir fotondur. Şiddet foton sayısını artırır, foton başına enerjiyi değil. Enerji yalnız frekansa bağlıdır.
Işık hem dalga hem tanecik olabilir mi?
Deneye göre hangi yüzünü gösterdiği değişir. Girişim ve kırınımda dalga, fotoelektrik ve Compton olayında tanecik davranışı ölçülür.