Einstein’ın özel görecelik kuramı, bize evrenin hız sınırını vermişti; yani, boşluktaki bir ışığın hız sınırını… Fakat herhangi bir ortamda sesin en yüksek hızını belirlemek biraz zor olmuştu.
Sesin hızını, var olan her maddede ölçmek imkansız. Fakat bilim insanları şimdi temel sabitlere; yani evrenin fizik kurallarını anladığımız evrensel katsayılara dayanarak bir üst limit belirlemeyi başarmışlar.
Yeni hesaplamalara göre bu hız sınırı, saniyede 36 kilometre. Bu rakam, elmastan geçen sesin yaklaşık iki katı hızda.
Hem ses, hem de ışık dalgalar halinde yolculuk ediyor fakat birbirlerinden biraz farklı davranıyorlar. Görünür ışık, bir çeşit elektromanyetik radyasyondan (ışınım) oluşuyor. Böyle adlandırılmış çünkü elektriksel ve manyetik alanların salınımından oluşuyor. Bu alanlar, bir boşluk içerisinde yolculuk edebilen ve kendi kendini sürdürebilen elektromanyetik bir dalga meydana getiriyor. Bu dalganın ulaştığı en yüksek hız ise saniyede 300.000 kilometre. Su veya atmosfer gibi bir ortamdan geçerken yavaşlıyor.
Ses ise bir ortamdaki titreşimden kaynaklanan mekanik bir dalga. Bu dalga bir ortamdan geçtiğinde, ortamdaki moleküller birbiriyle çarpışıyor ve enerji aktarıyorlar.
Bu sebeple ortam ne kadar katı olursa (sıkıştırmak ne kadar zor olursa), ses dalgaları o kadar hızlı gidiyor. Örneğin sudaki moleküller, havaya göre daha sıkışık duruyor. Balinaların, okyanusta çok büyük uzaklıklardan iletişim kurabilmesinin sebeplerinden biri de bu.
Ses, elmas gibi şekli değişmeyen (rijit) bir maddede ise çok daha hızlı gidebiliyor. Bu özellikten faydalanılarak, depremlerin oluşturduğu ses dalgaları geçtiği esnada Dünya’nın iç kısımları üzerinde araştırma yapılıyor. Hatta bunu kullanarak yıldızların iç kısımlarını bile anlayabiliyoruz.
İngiltere’deki Cambridge Üniversitesi’nde çalışan malzeme bilimci Chris Pickard, “Katı cisimlerdeki ses dalgaları, bilimin pek çok alanında büyük önem taşıyor” diyor.
“Örneğin sismologlar, Dünya’nın iç derinliklerinde meydana gelen depremlerin başlattığı ses dalgalarını kullanarak, sismik olaylarının tabiatını ve Dünya’nın yapısal özelliklerini anlamaya çalışıyorlar. Malzeme bilimciler de bunlara ilgi duyuyor çünkü ses dalgaları, basınca dayanıklılık gibi önemli elastik niteliklerle ilişkili.”
Şu ana kadar, ses hızını belirleme konusundaki sorunu muhtemelen görmüşsünüzdür. Ses hızında mutlak bir üst sınır belirlerken, evrendeki bütün muhtemel malzemeleri nasıl hesaba katacağız?
Temel sabitler, burada işimize yarıyor. İngiltere’deki Londra Queen Mary Üniversitesi, Cambridge Üniversitesi ve Rusya’daki Yüksek Basınç Fiziği Enstitüsü’nde çalışan araştırmacılar, sesin hız sınırını hesaplarken bu sınırın iki temel sabite dayandığını bulmuşlar.
Bu sabitler ise; temel yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimlerin kuvvetini niteleyen ince yapı sabiti ve protonun durağan kütlesinin, elektronun durağan kütlesine bölünmesiyle ortaya çıkan proton-elektron kütle oranıymış.
Araştırmacılar makalede şöyle yazıyor: “İnce yapı sabiti ile proton-elektron kütle oranının ince şekilde ayarlanmış değerleri ve bunların arasındaki denge, protonun bozunması ve yıldızlardaki nükleer sentez gibi nükleer tepkimeleri yönetiyor. Bunun karşılığında, karbonun da içerisinde bulunduğu temel biyokimyasal elementler oluşuyor. Bu denge, uzayda yıldızların ve gezenlerin oluştuğu ve yaşamı destekleyen moleküler yapıların ortaya çıkabildiği dar boyutlu bir ‘yaşanabilir bölge’ sağlıyor”
“Bizler de ince yapı sabiti ile proton-elektron kütle oranı arasındaki basit bir bileşimin, başka bir boyutsuz nicelikle sonuçlandığını gösteriyoruz. Bu nicelik, yoğuşuk fazların önemli bir özelliğinde beklenmedik ve özel bir sonuç doğuruyor; yani, dalgaların katı ve sıvılarda yolculuk etme hızında veya ses hızında…”
Araştırmacılar, buldukları denklemi doğrulamak için ses hızını çok sayıda temel katı ve sıvı maddede ölçmüş ve yaptıkları tahminle tutarlı sonuçlar ortaya çıkarmışlar.
Takımın kuramında yer alan bir tahmin, ses hızının atomun kütlesiyle beraber azalması gerektiğini söylüyor. Bu tahmine göre sesin, katı haldeki atomik hidrojende en hızlı şekilde hareket etmesi gerekiyor. Bu madde, yalnızca olağanüstü derecede yüksek basınçlarda var olabiliyor: Dünya’nın deniz seviyesindeki atmosfer basıncının yaklaşık 1 milyon kat üzerinde (100 gigapaskal)…
Bu tahmini deneysel olarak doğrulamak üzere bir numune edinmek son derece zor olacağından, araştırmacılar da 250 ile 1.000 gigapaskal arasındaki katı atomik hidrojenin özelliklerine göre hesaplama yapmışlar. Tekrardan, bu sonuçların da tahminleriyle tutarlı olduğunu bulmuşlar.
Eğer sonuçlar sabit bir şekilde uygulanabilirse, denklemin değerli bir araç olduğu ortaya çıkabilir; üstelik sadece tekil malzemeleri anlamada değil, Evren’i anlamak bakımından da değerli olduğu görülebilir.
Londra Queen Mary Üniversitesi’nde çalışan fizikçi Kostya Traçenko şöyle söylüyor: “Çalışmanın bulgularının; yüksek sıcaklıklı süperiletkenlik, kuark-glüon plazması ve hatta kara delik fiziğine yönelik akışkanlık ve ısıl iletkenlik gibi farklı niteliklerin sınırlarını bulup anlamaya yardımcı olmasıyla, daha ileri bilimsel uygulamalar sağlayabileceğine inanıyoruz.”
Araştırma Science Advances bülteninde yayımlandı.
Yazar: Michelle Starr/ScienceAlert. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
