Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim – III

 

Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim yazı dizimizin I ve II. bölümlerinde, Galileo ile başlayıp Newton ile devam eden ve doğa yasalarını doğanın kendi mekanizmalarını kullanarak açıklayan öncü bilim insanlarını görmüş, bilimsel bilgiyi deney ve gözlem yoluyla geliştiren Faraday gibi kâşiflere tanık olmuş ve Maxwell ile Boltzman gibi matematik dehaları sayesinde teorik fiziğe giden yolun nasıl döşendiğine şahitlik etmiştik. Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim yazı dizisinin bu bölümünde ise Kuantum Mekaniği ve Genel Görelilik Teorisine giden yoldaki önemli gelişmeleri ele alacak, ışığın doğasının kavranmasına ilişkin araştırmaları derleyecek ve bilim tarihinin iki önemli ismi olan Marie Curie ve Max Planck’in çalışmalarını inceleyeceğiz.

1890’lara gelindiğinde klasik fizik epey bir yol kat etmişti. Newton mekaniği, hem Dünya üzerindeki cisimlerin hareketini hem de gezegenler, uydular ve kuyruklu yıldızlar gibi astronomik cisimlerin yörünge hareketlerini açıklıyordu. Bunun yanı sıra Maxwell’in elektromanyetizması elektriksel ve manyetik olguların (ışık olgusunun niceliksel bir açıklaması da dâhil) kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlıyor, termodinamik yasaları ise, ısı olgusu ve ısının mekanik harekete dönüşme süreci hakkında ayrıntılı bilgiler veriyordu. Ancak yine de bilim insanlarının kafalarında önemli bazı soru işaretleri de vardı. Çünkü ortaya konan bu güçlü teoriler bazı deneysel gerçekliklerle uyuşmuyordu. Bu gerçeklerden birisi, ısıtılmış cisimlerin verdiği ışık frekanslarıyla ilgiliydi.

Her Şey Işıkla Başladı

Işığın doğasıyla ilgili tartışmalar neredeyse iki yüzyıldır devam etmekteydi. Newton ışığın, taneciklerden oluştuğunu öne sürmüştü fakat kütle çekim kuramını kullanarak girişim, kırınım, yansıma gibi ışık olgularını açıklamakta pek başarılı olamamıştı. 19. yüzyılın başlarına gelindiğinde İngiliz bilim insanı Thomas Young’un yaptığı ünlü çift-yarık deneyi, ışığın paketçikler halinde değil dalgalar halinde yayıldığını göstermiş ve bu sebeple Newton’un bu görüşü terk edilmeye başlanmıştı.

Çift yarık deneyini basitçe anlatmak gerekirse; karşınızda ortasında bir yarık bulunan bir engel olduğunu ve engelin arkasında ışık fotonlarını tutan bir duvar olduğunu düşünün. Işığı buradaki engele tuttuğumuzda, ortadaki dikey yarıktan geçen ışık, duvarın üzerinde dikey bir desen (girişim deseni) oluşturacaktır. Peki, tabeladaki yarık sayısını ikiye çıkardığımızda ne olur? Eğer ışığın paketçikler halinde, yani fotonlar ile iletildiğini düşünürseniz iki yarıktan geçen birbirinden farklı fotonların, arkadaki duvarda iki girişim deseni oluşturmasını beklersiniz öyle değil mi? Ancak ışık böyle davranmıyor ve duvarın üzerinde çoklu çizgiler oluşturuyordu. Yani tıpkı bir suyun içine bırakılan taş misali, bırakıldığı noktadan dalga şeklinde yayılarak ilerliyordu. Young’un elde ettiği bu sonuç, ışığın Newton’un öne sürdüğü gibi paketçikler halinde değil dalgalar halinde yayıldığını gösteriyordu.

Elimize bir taş alıp, yüksekten katı bir yüzeye bırakırsak, taş düştüğü yerde bir iz bırakır. Ama aynı taşı alıp suya bırakırsak, düştüğü yerde bir dalgalanma oluşturur. Eğer sudaki aynı noktaya tekrar tekrar taş atmaya devam edersek, karşımıza iç içe geçmiş ve genişleyerek hareket eden halkalardan oluşan bir dalga motifi çıkar. Eğer suyun üzerinde birbirine yakın iki noktaya aynı anda ve sürekli taş atarsak, bu sefer aynı motiften iki tane görürüz ve bu halkalar açılıp büyümeye devam ettikçe birbirinin içinden geçerek bir desen oluşturur. Bu desene “girişim deseni” denir. Thomas Young’un çift yarık deneyinde gördüğü motif de tam olarak buydu.

Elimize bir taş alıp, yüksekten katı bir yüzeye bırakırsak, taş düştüğü yerde bir iz bırakır. Ama aynı taşı alıp suya bırakırsak, düştüğü yerde bir dalgalanma oluşturur. Eğer sudaki aynı noktaya tekrar tekrar taş atmaya devam edersek, karşımıza iç içe geçmiş ve genişleyerek hareket eden halkalardan oluşan bir dalga motifi çıkar. Eğer suyun üzerinde birbirine yakın iki noktaya aynı anda ve sürekli taş atarsak, bu sefer aynı motiften iki tane görürüz ve bu halkalar açılıp büyümeye devam ettikçe birbirinin içinden geçerek bir desen oluşturur. Bu desene “girişim deseni” denir. Thomas Young’un çift yarık deneyinde gördüğü motif de tam olarak buydu.

Işık Parçacık mı Yoksa Dalga mı?

Young’un yaptığı bu deneyin ardından, ışığın dalga kuramı bir anda kabul edilmedi. Fresnel’in tamamlayıcı çalışmalarına rağmen 1800’lü yılların ortalarına kadar ışığın dalga kuramı tam olarak oturmadı ve bu sorun ancak James Clerk Maxwell’in elektromanyetizma üzerine yaptığı çalışmalar sayesinde çözülebildi. Bir önceki yazımızdan da hatırlayacağınız üzere Maxwell, elektromanyetizmanın tam bir kuramını geliştirerek ışığın aslında elektromanyetik dalga olduğunu göstermişti.

Maxwell 1861 ve 1862’de yayımladığı dört bilimsel çalışmayla elektromanyetik dalgaların yayınımının matematiksel bir açıklamasını yaptı. Denklemlerde, elektromanyetik dalgaların hareketinin hızlarını içeren bir sayı vardı. 1850’lerde yapılan deneylerle ölçülen bu sayının, kesin olarak ışık hızına eşit olması Maxwell’i doğruluyordu. Böylelikle uzun yıllardır süre giden tartışma sonuçlanmış görünüyordu: Işık bir dalga gibi yayılıyordu. Oysa 50 yıl kadar sonra ışığın parçacık kuramı tekrar sahne alacaktı…

Geri Sar, Geri Sar, Geri Sar

Kuantum mekaniğini anlayabilmek için ışığın doğasını anlamak son derece önemlidir. Bildiğiniz ve defalarca tekrar ettiğimiz üzere, Isaac Newton ışığın doğası ve optik üzerine onlarca çalışma yapmıştı. Newton, gün ışığını prizmadan geçirerek, beyaz ışığın aslında beyaz olmadığını ve birçok farklı renkteki ışığın birleşimi olduğunu göstermişti. Çok geçmeden ışığın renklerinin, görünen ışığın renkleriyle sınırlı olmadığını, kırmızı ve mor ışığın ötesinde, çıplak gözle göremediğimiz farklı renkte ışınların olduğunu da öğrendik.

Beyaz ışık dediğimiz şey görünen ve görünmeyen ışınların birleşimiydi, bunu anladık. Peki, bu ışık nasıl yayılıyordu: Bir mermi gibi mi yoksa bir su dalgası gibi mi? Newton, ışığın paketçikler halinde yayıldığını düşünüyordu fakat Thomas Young’un yaptığı deney, ışığın dalgalar halinde, ekranda birbirini takip eden aydınlık ve karanlık çizgiler oluşturacak şekilde yayıldığını göstermişti.

Thomas Young’un ardından, Maxwell’in yaptığı çalışmalar sayesinde dalgaların bir elektrik ve manyetik karakteri olduğunu, hatta elektrik ve manyetizmanın tek bir olgu olarak betimlenebileceğini öğrenmiştik. Bu durumda ışık da elektromanyetik bir dalgaydı.

Işık dalgalar halinde yayıldığına göre ışığın bir dalga boyu ve frekansı (sıklık) vardır. Bildiğiniz üzere iki dalga tepesi ya da çukuru arasındaki mesafeye (bir tam devir) dalga boyu denir. Bir saniyede üretilen dalga sayısı ise frekanstır. Kısa dalga boyuna, dolayısıyla yüksek frekansa sahip ışık (morötesi) son derece enerji yüklüyken; tersine, uzun dalga boyuna ve düşük frekansa sahip ışığın (kızılötesi) enerjisi ise azdır.

Atom Modelleri ve Işığın Madde ile İlişkisi

Atom kelimesi Yunanca “atomos” yani bölünemez kelimesinden türetilmiştir. Antik Çağ’ın ünlü filozoflarından Demokritos’a göre madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilecektir ve işte bu taneciğin adı atomdur. Bilimsel anlamda ilk atom modelini ortaya atan John Dalton, atomu yekpare bir küre şeklinde ve yine bölünemez olarak niteledi ancak William Crookes’un katot tüpü ile yaptığı çalışmalar, atomun daha küçük parçacıklardan oluştuğunu ortaya koydu.

Thompson’un “üzümlü kek” olarak da bilinen,  pozitif ve negatif yüklerin atomda homojen dağıldığı atom modeli.

Katot tüpü içerisinde yüksek voltaj altında oluşan, elektriksel ve manyetik alandan etkilenen bir ışın türü keşfedilmişti: Katot ışınları. Bu ışınlar üzerine detaylı çalışmalar yapan John Joseph Thomson, bu ışınların aslında bildiğimiz “ışık” olmadığı, aksine negatif yüke sahip ve belli bir kütlesi olan parçacıklar olduğunu oraya koydu. George Stoney bu parçacıklara "elektron" adının verilmesini önerdi. Thompson daha sonra içinde elektronların bulunduğu bir atom modeli ortaya koyarak, içerisinde elektron dışında henüz bilinmeyen bir pozitif yüklü parçacığın da bulunduğu (çünkü atom nötr olmalıydı) bir model oluşturdu.

Bu modelin ardından, Ernst Rutherford isimli Yeni Zelanda asıllı bir İngiliz bilim insanı yaptığı altın levha deneyi ile atom içerisindeki pozitif ve negatif yüklerin homojen dağılmadığını, pozitif yüklerin atomun tam merkezinde bulunduğunu keşfetti. Atomun çekirdeği protonlardan oluşmalı ve negatif yüklü elektronlar ise merkeze düşmemek için atom çekirdeği etrafında dönmeliydi. Lise sıralarında bizlere gösterilen atom modeli Ernst Rutherford’un hazırladığı bu modeldir.

Bu sıralarda ışıkla ilgili yapılan araştırmalar, yeni keşiflerle birlikte sürüyordu. Joseph von Frauenhofer, güneşten gelen ışık tayfında karanlık bazı çizgilerin olduğunu keşfetmişti. Bu siyah çizgileri detaylı şekilde incelediğinde, bir şeylerin ışığın izgesindeki bu bölgeleri soğurduğunu anladı. Başka yerlerden de teyit edilen bu keşif, atom ile ışık arasında tuhaf bir bağ olduğunu gösteriyordu.

Güneşten gelen ışığın tayfındaki karanlık, yani soğurulan bölgeler.

O esnada Gustav Kirchoff ve Robert Bunsen ise ısıtılan elementlerin farklı renklerde, kendilerine özgü ışın demetleri yaydıklarını keşfettiler. İşin garip yanı, elementlerden yayılan ışınlar ile ışık tayfındaki karanlık bölgeler birbirlerine tam olarak oturuyordu. İşler tam bu noktada karışmıştı: Nasıl olurdu da herhangi bir element ısıtıldığında, yani atomlarına enerji verildiğinde belirli dalga boyu ve frekanslarında ışıma yapabilirdi? Rutherford’un atom modeli, bir atomun ışığı soğurup bir süre sonra yayınlaması karşısında çaresiz kalmıştı. Artık yeni bir modele ihtiyaç vardı.

Klasik fiziğin, birbirinden farklı modeller ve teorilerle içinden çıkamadığı bu krizi Danimarkalı bir deha çözdü: Niels Bohr. Bohr’a göre yapılması gereken, elektronları tek bir katman (yörünge olarak düşünebilirsiniz) üzerinde tanımlamaktansa enerji seviyeleri birbirinden farklı katmanlara yerleştirmekti. Böylece enerji kazanmış olan bir elektron bir üst katmana sıçrayacak fakat bir süre sonra burada fazla kalamayacağı için (doğası gereği orijinal konumuna dönmek isteyecektir) daha düşük enerjili bir katmana inecektir. Bu esnada, kendisini üst katmana sıçratan enerjiyi ise çoğunlukla aynı miktarda olmak üzere fotonlar şeklinde geri yayınlayacaktır.

Bu model bize, kendisine enerji verilmiş olan atomun içindeki elektronun daha üst bir enerji katmanına çıktığını fakat daha sonra orijinal pozisyona dönebilmek için bu enerjiyi ışın olarak yayınlayıp bulunması gereken alt enerjili katmana sıçradığını söyler. İşte bu sıçrama olayları esnasında atomdan yayılan enerjiye ışınım denir ve bildiğiniz gibi mutlak sıfıra yaklaşmayan her bir cisim ışıma yapar (İnsanlar da ışıma yapar ve bunu ancak termal kameralarla görebiliriz).

Kuantum Fiziği: Başlangıç

19. yüzyılın başlarından itibaren fizikçiler ve kimyacılar anlamlandıramadıkları birçok keşif ve buluşa imza attılar. Newton’un 1687 yılında yayınladığı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri kitabının ardından her şeyin bulunduğu, doğanın sırrının çözüldüğü varsayımının doğru olmadığı son derece açık şekilde görülüyordu. Henüz her şeyin çok başındaydık ve çözülen her problem, cevaplanan her soru yeni sorular sormamıza neden oluyordu.

Bu zamanlarda klasik fiziğin başına bela olmuş olan üç önemli konu vardı: Fotoelektrik etki, radyoaktivite ve kara cisim ışıması. Şimdi bu sorunların nasıl çözüldüğüne bir bakalım:

Alexandre Edmond Becquerel, henüz 19 yaşındayken babasının laboratuvarında ilk fotovoltaik düzeneği kurdu. Fotovoltaik, üzerine ışık düşen metal levhanın (ya da çözeltiye daldırılmış levhanın) üzerinde oluşan elektrik akımını anlatan ifadedir. Bu fenomen keşfedildiğinde açıklanamadı ancak bilim tarihine bir not olarak düşüldü. Ardından 1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz, aynı etkiyi morötesi ışık altında inceledi. Duruma yine bir açıklama getirilemedi ancak yapılan bu gözlem, zamanının en önemli bilimsel yayını olan Annalen der Physik’te yayınlandı.

Bu gelişmelerin ardından, 1895 yılında Wilhelm Conrad Röntgen X ışınlarını keşfettiğini duyurdu. Işınların keşfedilişinin ardından, yalnızca 1 yıl sonra, Antoine Henri Becquerel (Edmond Becquerel’in oğlu) tesadüf eseri uranyum tuzunun, fotoğraf filmleri üzerinde etkide bulunduğunu keşfetti. Bu keşif, bazı maddelerin kendi kendilerine ışık yayabildiğini gösteren ilk gözlem olmuştu. Peki, nasıl oluyordu da maddelerin bazıları kendi kendilerine ışık yayabiliyordu?

Dünyayı Değiştiren Kadın: Marie Curie

Bilim insanları ve doktorlar için hayati önem taşıyan çalışmaların mimarı olan ve bilim tarihinin en önemli figürlerinden birisi olarak kabul edilen Marie Skłodowska Curie, iki farklı kategoride iki farklı Nobel ödülü kazanmış olan ilk ve tek bilim insanıdır. Hayatı boyunca yaptığı onca önemli araştırmanın yanı sıra, radyum elementini bularak atomun gizemlerini çözmemizi sağlamış olmasıyla tanınır.

Marie Skłodowska Curie
(7 Kasım 1867 –  4 Temmuz 1934)

Tarihin en güçlü kadın figürlerinden birisi olan Marie Curie, 1867 yılında Polonya’da, mali sıkıntılarla boğuşan bir ailede dünyaya geldi. İlkokul yıllarından itibaren son derece başarılı bir öğrenci olan Curie, Rus işgali altında olan Polonya’da, ablası ve annesini de kaybetmesine rağmen liseyi birincilikle tamamlamayı başardı. Ancak Varşova Üniversitesi’ne Polonyalı kadınların kabul edilmemesi nedeniyle ablasıyla birlikte yurt dışında okuma kararı aldılar. Buna göre para biriktirmek için çalışacaklardı ve önce ablası sonra da Marie, Paris’te üniversite eğitimlerini tamamlayacaktı.

Polonya’da çalıştığı süreçte, o dönem okula gidemeyen Polonyalı gençler için bağımsız akademisyenler tarafından kurulmuş olan Floating University’de (Gezici Üniversite) gönüllü eğitmen olarak yer alan Curie, aradan geçen birkaç yılın sonunda, ablası ve kendisine yetecek kadar parayı biriktirmeyi başararak nihayet Paris’e gidebildi.

Paris’te yaşadığı yıllar boyunca, maddi imkânsızlıklar dolayısıyla bir taraftan kütüphanede çalışıyor, bir taraftan Fransızca öğreniyor, diğer taraftan da bölüm derslerine katılıyordu. Müthiş dehası ve azmi sayesinde, omzundaki onca yüke rağmen 1893’te bölüm birincisi olarak mezun oldu ve fizik yüksek lisansına kabul edildi. Bunun yanı sıra burs kazanarak matematik bölümünde de okumaya başladı ve aynı yıl farklı çelik türlerinin manyetizma özellikleri üzerinde araştırma yapan bir şirkette çalışmaya başladı.

Bu süreçte, kristaller ve mıknatıslarla ilgili çalışmalarıyla tanınan Pierre Curie ile tanıştı ve birlikte çalışmaya başladılar. Bu iki bilim aşığı insan bir süre sonra birbirlerine âşık olup hayatlarını birleştirme kararı aldılar ve çalışmalarına birlikte devam ettiler.

Marie Curie, fizik doktorasını bitirmesinin ardından, Henri Becquerel’in ışın yayan maddelere ilişkin keşfini öğrenmiş ve son derece heyecanlanmıştı. Curie, diğer elementlerden gelen uranyum tipi ışınları sistematik şekilde araştırmaya başlayarak toryumun da buna benzer ışınlar yaydığını keşfetti. Araştırmalarına devam eden Curie, 1898 yılında yeni bir element bulduğunu açıkladı: Polonyum. Ayrıca uranyum, toryum ve polonyumu ifade eden radyoaktif terimini de literatüre kazandırmayı başardı. Yine aynı yıl içinde hepsinden daha radyoaktif bir element olan radyumu keşfetti.

Curie çifti bir depo kiralayarak bu elementler üzerinde canla başla çalışmaya başladılar ve üzerinde çalıştıkları taşlardan birkaç gram saf radyumu çıkarmayı başararak radyumun atom ağırlığını hesaplayabildiler. Tüm bu çalışmaları neticesinde Curie çiftine, 1903 yılında, Nobel Fizik Ödülü verildi. Çift, bir süre daha birlikte çalışmaya devam etti ancak Pierre Curie’nin elim bir kaza sonucu hayatını kaybetmesiyle, Marie Curie çalışmalarına tek başına devam etmek zorunda kaldı.

Bir taraftan maddi imkânsızlıklar, bir taraftan politik zorluklar, diğer taraftan kadınlara yönelik ayrımcılıkla boğuşan Marie Curie, her şeye rağmen ve eşi Pierre Curie’nin de desteği sayesinde çok önemli çalışmalara imza atmış oldu. 1911 yılına gelindiğinde, radyum ve polonyum keşifleri nedeniyle, bu sefer Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı ve bu sayede iki farklı alanda Nobel ödülü alan ilk ve tek bilim insanı unvanına sahip oldu.

Görüldüğü üzere, Marie ve Pierre Curie çifti sayesinde, bazı elementlerin neden ışın yaydığının sırrı çözülmüştü. Radyoaktivite olarak adlandırılan bu sürecin, zaman içerisinde insanlara verdiği zarar da anlaşılmaya başlandı. Yine de klasik fiziğin içinden çıkamadığı konulardan birisi bu şekilde çözülmüş oldu.

Çalışmalarının Değerini Yalnızca Einstein’ın Anladığı Adam: Max Planck

Alman asıllı ve Nobel ödüllü bir fizikçi olan Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858 yılında Kiel’de doğdu. Geleneksel ve entelektüel bir ailede doğan Planck, gençken şan dersleri almış, piyano, çello ve org çalmıştı. Müziğe de yetenekli olmasına rağmen fizik okumayı seçti ve Münih'te fizik profesörü olan Philipp von Jolly’nin derslerine girmeye başladı. Okulunu bitirdikten sonra, bir süre Münih’te ücretsiz olarak çalıştı ve ardından ısı teorisi alanında yaptığı çalışmalar sayesinde Kiel Üniversitesi’ne doçent olarak atandı.

Max Karl Ernst Ludwig Planck
(23 Nisan 1858 – 4 Ekim 1947)

1894 yılına gelindiğinde Planck, siyah cisim radyasyon sorununa ilgi gösterdi. Kara cisim, üstüne düşen ışık dâhil her türlü elektromanyetik ışınımı soğuran bir cisimdir fakat genel olarak kara cisim ışınımı ısıtılan bir cismin yaydığı ışınım olarak bilinir ve 1850’lerden beri incelenen bu fenomen etrafımızdaki pek çok olayda görülür. Örneğin, yaklaşık 6000^OC yüzey sıcaklığına sahip güneşten veya ısıtılan bir metalden gelen ışınım bir kara cisim ışınımıdır. Deneysel olarak ölçülebilen bu ışınımın dalga boylarına göre yoğunluk tayfı çıkarılmıştı. Ama 19. yüzyılın sonlarında fizikçilerin çözemediği bilmece, bu kara cisim ışımasının düşük dalga boylarında neden sonsuz parlaklığa ulaşmadığıydı. Diğer bir deyişle, o zamanki fizik kuramları kara cisim tayfını açıklayamıyordu.

1879 yılında Thomas Edison’un ampulü icat etmesinin ardından bilim insanları daha verimli ampuller geliştirebilmek ümidiyle farklı materyaller ve gazlarla denemeler yapıyordu. Gazlar ısıtıldığında ortaya çıkan aleve bir prizmadan baktıklarında ise çok ilginç bir şey keşfettiler: Renkler, farklı farklı çizgiler halinde, birbirlerinden ayrı şekilde duruyordu. Normal şartlarda renklerin kesintisiz bir gökkuşağı şeklinde görülmesi gerekirken neden böyle kesintili ve kalemle çizilmiş gibi göründüğünü anlayamadılar.

Max Planck, termal radyasyon konusuna son derece takıntılıydı ve bu fenomeni açıklamak için denemediği formül kalmamıştı. Fakat bir gün elindeki denkleme, daha sonra Planck sabiti (E=hv) olarak anılacak olan bir sabit eklediğinde tüm taşların yerine oturduğunu fark etti. Max Planck, bu sabit ile bir maddeden yayılan ışığın, maddenin enerji durumuna göre hangi dalga boyunda yayılması gerektiğini açıklamıştı.

Işınımla birlikte maddeden yayılacak olan enerjinin bir limiti vardı ve örneğin düşük frekansta enerji yayan maddenin düşük enerji; yüksek frekansta enerji yayan bir maddenin ise yüksek enerji harcaması gerekiyordu. Bu sabit, her dalga boyunda maddeden yayılan enerji miktarını anlamamızı sağladı. Planck, enerjinin sürekli değil; kesikli olması nedeniyle ışığın kuanta adını verdiği paketçiklerle taşındığını savundu (Quanta’nın çoğulu Quantum’dur ve Kuantum Fiziği, adını buradan alır).

Kuantum Kuramının Doğuşu

Işınım konusunun klasik fizikte sorun yaratmasının nedeni klasik elektromanyetik dalga yaklaşımı formüllerinin, “sıcaklık arttıkça yayılan ışınımın enerjisi de doğrusal olarak sürekli artar” demesiydi. Dolayısıyla ışınım enerjisine bir sınırlama getirmiyordu. Bu durumda kabul edilmesi gereken şey, bir cismin ne kadar sıcak olursa o kadar yüksek frekansta ışın salacak olmasıydı. O halde yanan bir şömineye odun atıp ısısını yükselttiğimizde, toplam ısı enerjisinin tamamının en yüksek enerjili ışınlar yayması ve bizi anında kızartması gerekiyordu. Yani şöminenin enerjinin çoğunu morötesi frekanslarda yayıp tüketmesi gerekiyordu. Fakat gerçek bu değildi; şömine anlaşılmaz bir biçimde orta frekanslarda en fazla, düşük (kızılötesi) ve yüksek enerjili (morötesi) frekanslarda ise daha az ışınım yapıyordu. Bu nedenle zamanın klasik fizikçileri bu çıkmaza "morötesi felaket" adını vermişlerdi.

Bu sorunu çözen kişi Max Planck olmuştur. Planck kısaca, doğayı süreklilik algısıyla deneyimliyor olmamızın onu sürekli kılmadığını, etrafta her şey kesintisiz akıyor görünse bile aslında her şeyin kesikli ve öbekli yapıda olduğunu söyledi. Enerjinin bile!

Enerjinin bu şekilde, tıpkı Boltzmann'ın gaz molekülleri gibi ayrı, bağımsız birimler olarak, minik halinde yayıldığını varsaymak o zamanlar için hem anlaşılmayan hem de dâhiyane bir buluştu. Düşünün ki üzerimize Güneş’ten gelen ve saniyede trilyon çarpı trilyon tane parçacık nedeniyle adeta bir kuanta yağmuruyla ıslanmaktayız. Her bir kuantanın enerjisi, sadece frekansı (dolayısıyla dalga boyu) ile orantılıdır. "h" (Planck sabiti) ise frekansı enerjiye çeviren sabit kurdur ve bu keşif kendisine 1918 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır.

Albert Einstein, bu inanılmaz bulguyu, yani ışığın paketçikler halinde ve kesik kesik gelmesi fenomenini geliştirerek, tam 5 yıl sonra fotoelektrik etki adını verdiği bir çalışma yayınladı. Fotoelektrik etki bir ışık demetinin metal bir yüzeyden elektron sökmesi olayıdır. Klasik fiziğe göre ışık bir dalgadır ve tıpkı kumsala vuran su dalgalarının kum tanelerini alıp götürmesi gibi, metal yüzeye çarpan ışık da enerjisi az ya da çok olsun mutlaka metalden elektron koparabilmelidir. Fakat gerçeklik böyle değildi.

Einstein, Max Planck’in bulgularını ele alarak ışığın enerjisinin belli bir değerin altında olması durumunda, şiddeti ne olursa olsun tek bir elektron bile koparamayacağını gösterdi. Eşik değerin üzerine çıkıldığında metal yüzeyden elektron koparılabiliyor (yani elektrik akımı oluşuyor) ve ışık demetinin eşik değerdeki enerjisi sabit tutulurken şiddeti artırılırsa sökülen elektronların sayısı artıyordu. Bu, ışığın elektronlara enerji transferini belli büyüklükte “enerji paketleri” yani “kuanta”lar halinde sunduğu takdirde anlam kazanan bir durumdu. Bugün kullandığımız sensör, güneş paneli ve fiber optik kabloların üretilebilmesi sağlayan bu keşfin, Einstein’a 1921 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdığını da belirtmek gerekir.

Einstein’ın fotoelektrik olaya getirdiği çözüm, ışığın dalga modelini (Young, çift yarık deneyiyle ışığın dalga olduğunu ispatlamıştı) bir kenara atıp “foton” adı verilen taneciklerden oluştuğunu kabul etmemizi gerektirdi. Dalga-parçacık ikilemi denilen bu ‘çelişki’ ise ışığın olaylar bazında farklı karakterler göstermesi şeklindeki modern yorum ile çözüldü.

1900’lü yılların başlarında yaşanan tüm bu gelişmelerden sonra, nihayet Kuantum Fiziği’nin garipliklerle dolu dünyasına adım atabilir ve gerçeklik algımızı sarsacak olan bilimsel teorileri incelemeye başlayabiliriz. Tabii bir sonraki yazıda…

----------------------------------------------------------

Kaynakça

Yrd. Doç. Dr. Kubilay Kaptan (2017) Kuantum Teorisinin Yorumu ve Doğanın Rolü, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Uygulamalı Bilimler Dergisi, 1 (1) sf. 19-28 https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/358092

Prof. Dr. Kerem Cankoçak, Kuantum Fiziğine Giriş, www.bilimvegelecek.com.tr, Erişim: 18 Kasım 2020 https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2015/05/01/kuantum-fizigine-giris/

“Heisenberg Belirsizlik İlkesi Yanlış Mı?”, www.khosann.com, Erişim: 18 Kasım 2020 https://khosann.com/heisenberg-belirsizlik-ilkesi-yanlis-mi/

Alper Tektaş, Kuantum Mekaniğinin Doğuşu, www.bilimoloji.com, Erişim: 18 Kasım 2020 https://www.bilimoloji.com/kuantum-mekaniginin-dogusu/

Kuantum Kuramına Genel Bir Bakış, www.bilimfili.com, Erişim: 19 Kasım 2020 https://bilimfili.com/kuantum-teorisine-genel-bir-bakis

Bu Gerçek Olamaz! : Kuantum Fiziği – Çift Yarık Deneyi (video), youtube.com, Bebar Bilim, Erişim 18 Kasım 2020 https://www.youtube.com/watch?v=jMtqToOsO90

Bilime Adanmış Bir Ömür - Marie Curie Belgeseli (video), youtube.com, Bebar Bilim, Erişim 19 Kasım 2020 https://www.youtube.com/watch?v=6PZ9IE9LIeQ&t=786s

Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim – II

Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim – I isimli yazımızda, bilimsel faaliyetlerini skolastik düşüncenin etkisinde sürdüren Kopernik ve Kepler ile doğa felsefesinden doğa bilimlerine geçişin sembolleri olan Galileo ve Newton’u konu almıştık. Bu yazımızda ise Newton’dan Einstein’a kadar geçen süreci ele alacak, Genel Görelilik Kuramı ve Kuantum fiziğine giden yolda birbirinden değerli bilim insanlarınca atılan adımları inceleyeceğiz.

Bilim tarihini araştırmaya başladığınızda karşınıza çok önemli iki isim çıkar: Isaac Newton ve Albert Einstein. Bu iki ismin bu kadar önemli olmasının ve belki de her zaman herkesten daha fazla konuşulmasının en önemli sebebi, madde ve enerji dünyasına olan bakışımızı yaklaşık iki yüzyıl arayla kökten değiştirmiş olmalarıdır.

Einstein’a giden yolda, süreci biraz daha iyi anlayabilmek adına, Newton’un bilime katkılarını bir kez daha gözden geçirmek gerekir. Matematikten mekaniğe, kütle çekiminden optiğe kadar pek çok alanda teoriler geliştirmiş olan Isaac Newton, fiziksel dünyayı mekanik açıklamalarla ele almış ve her şeyin matematikle açıklanabileceğini göstererek 2 bin yıllık geleneksel düşünceyi yıkmıştır (Bu noktada Galileo’nun ilahi nedensellikten yola çıkmayan doğa yasaları kavrayışının etkisini de unutmamak gerekir).

Newton, çalışmalarını üç önemli alanda yoğunlaştırır: Gravitasyon (kütle çekimi), kalkülüs ve ışığın birleşimi (optik). Yazıyı daha fazla uzatmamak adına bu çalışmalar arasından yalnızca gravitasyona odaklanacağız fakat yine de, Newton’un bilimsel yöntemini anlamak adına kalkülüsün tanımına kısaca bakmamız gerekiyor.

Kalkülüs, Latince saymak veya hesaplamak için kullanılan ‘çakıl taşı’ anlamına gelir. Kelime kökeninden de anlaşılacağı üzere kalkülüs, birçoğu gündelik hayatımızda bulunan fiziksel ve kimyasal olayları matematik ile açıklama tekniğine verilen addır. İçinde fonksiyon, limit, türev ve integral gibi konuları barındıran kalkülüs, Newton’un, mevcut matematiğin fiziksel yasaları açıklamakta yetersiz kalması üzerine geliştirdiği bir metodolojidir (Kalkülüsü, Isaac Newton ile eş zamanlı ve bağımsız olarak ve çok benzer ilkelerle geliştiren bir diğer ismin Wilhelm Leibniz olduğu söylenir).

Görüldüğü gibi Newton, doğa olaylarının matematikle açıklanabileceğini düşünmüş, mevcut matematik formülleri bu ihtiyacı karşılamayınca yeni bir yöntem bilim geliştirmiştir. Bu önemlidir çünkü kökeni Aristoteles’e kadar uzanan Dünya merkezci gelenek, ‘göksel nesnelerin çembersel hareketlerini’ açıklama gerektirmeyen olgular olarak ele almaktaydı ve bu anlayış bilimin gelişmesi önünde büyük bir engeldi. Dünya’nın diğer gezegenlerle birlikte Güneş çevresinde döndüğünü ileri süren Kopernik bile çembersel devinim öğretisine karşı çıkmamış ve bu hareketi açıklama arayışına girmemiştir. Fakat ilk kez Newton, Hareket Yasaları sayesinde mekanik kuramı ortaya atmış, doğadaki hareketlerin matematiksel formüllere indirgenebileceğini ifade etmiş ve mekanik dünya görüşünü ortaya çıkarmıştır.

Işığa, Elektriğe ve Manyetizmaya Bakışımızı Değiştiren Bilim İnsanı: Michael Faraday

İngiliz kimya ve fizik bilgini Michael Faraday, hayata tam anlamıyla sıfırdan başlamış, ilkokul hayatını ekonomik nedenlerle tamamlayamamış; fakat 14 yaşında kitap ciltleme işine girip okuduğu kitaplardan etkilendikten sonra halka açık kimya konferanslarına katılarak kendi kendini yetiştirmiş olan önemli bir bilim insanıdır. Michael Faraday’in bilime yaptığı katkıları; elektrolizin temel ilkelerini belirlemesinden klor gazının sıvılaştırılmasına, Faraday kafesinden elektromanyetik indüklemeye kadar birçok konuyla örneklendirebiliriz. Ancak bizim ilgilendiğimiz asıl şey, bize elektrik ve manyetizmanın aynı şey olduğunu söylemiş olması.

Michael Faraday’in, Thomas Phillips tarafından çizilmiş portresi (1842).

Michael Faraday’in çalışmalarını yoğunlaştırdığı yıllarda, yine kendisi gibi pek çok bilim insanı elektrik ve manyetizma konularıyla ilgileniyordu. Bu kişiler arasında ilk elektrokimyasal pili icat eden Alessandro Volta, volta akımına maruz kalan bir iğnenin manyetikleştiğini keşfeden Hans Christian Ørsted (Ğörstıd ya da Örstıd olarak okunur) ve elektrik ile manyetizmanın ilişkili olduğuna dair oldukça açıklayıcı bir makale sunmuş olan Andre Marie Ampere gibi isimler vardı. Kaldı ki Michael Faraday’in yaptığı çalışmalar, yukarıda saydığımız bilim insanlarının keşif ve araştırmalarına dayanıyordu.

Fen alanında çalışan bilim insanlarının, çalışmalarını daha çok elektriğe ait konularda yoğunlaştırdıkları bu dönem, yani 1800’lerin başı, art arda yaşanan keşif ve icatlarla bilim dünyasını sarsan gelişmelere sahne olmuştu. Michael Faraday, elektrik akımının manyetik alan oluşturduğuna ve bu alanın dairesel olduğuna ilişkin keşifleri okumuş, birbiriyle ilişkili olduğu kesin olan elektrik ile manyetik alana ilişkin yeni sorular sormaya başlamıştı.

Ünlü ‘cıva deneyi’ ile manyetik alan oluşturan elektrik alanın bir mıknatısı hareket ettirip ettiremeyeceği üzerine denemeler yaptı. Kabloya elektrik verdiğinde mıknatısın hareket ettiğini gören Faraday, bu deney sayesinde elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren tarihteki ilk elektrik motorunun taslağını da yapmıştı. Daha da önemlisi bu deney elektrik ile manyetizmanın bir bütün olduğunu, o zamana kadar alakasız olduğu düşünülen bu kuvvetlerin aynı kuvvetler olduğunu göstermişti. Faraday bu buluşunu sonraki süreçte farkı bilim insanlarının da katkılarıyla geliştirecek, elektrik motoru ve dinamo gibi önemli buluşlara imza atacaktı.

Hayata resmen sıfırdan başlayarak tarihteki en önemli insanlardan biri haline gelen Michael Faraday, elektriğe ve manyetizmaya olan bakışımızı tümden değiştirmiş ve elektriğin manyetizma ile aynı kuvvet olduğunu ispat etmiştir. Bunun yanı sıra, o zaman için herkese çılgınca gelen bir fikir ortaya atarak elektriğin ve hatta her şeyin gözle görülmeyen bir ışık yaydığını, ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğunu iddia etmiş ancak bunu kanıtlayamamıştı. Çünkü deneysel yöntemlerle kanıtlayamadığı bu iddiasını formüle edecek, teorileştirecek matematik bilgisine de sahip değildi. Bu nedenle bu müthiş fikir adeta ‘havada’ kalmış oldu. Ta ki James Clerk Maxwell adındaki bir deha, yaklaşık 50 yıl sonra bu işe el atana kadar…

“Teorik Fizik Ne İşe Yarar Ki?” Sorusunun Cevabı: James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell, Einstein ve Newton gibi bilim devlerinin arasında anılması gereken, bilimsel çalışmaları ve keşifleri ile bilim dünyasına çok büyük katkılar sağlamış olan çok değerli bir teorik fizikçidir. Öylesine önemlidir ki; Albert Einstein'a, Newton'un omuzlarında durup durmadığı sorulduğunda, “Newton’un değil, Maxwell'in omuzlarında…” diye cevap vermiştir.

James Clerk Maxwell (1831 - 1879)

James Clerk Maxwell, Faraday’ın aksine varlıklı bir ailede doğmuştu. Son derece meraklı ve kendisine özgü bir çocukluk dönemi geçiren Maxwell, ilk makalesini de 14 yaşında yazmıştı. Çocukluk çağlarından beri renklere çok fazla ilgi duyan Maxwell’in ilk keşfi de renk üçgeni olarak bildiğimiz (RGB) ve tüm renklerin kırmızı, yeşil ve maviden türetebileceğimizi söylediği ünlü renk modeliydi. Maxwell, renk spektrumunun herhangi bir rengini oluşturmak için gereken her bir birincil rengin (kırmızı, yeşil ve mavi) miktarları için matematiksel ifadeler tanımladı. Bugün televizyon, telefon ve monitör gibi ekranları işte bu spektruma borçluyuz.

Maxwell bir teorik fizikçi demiştik; kendisi bu sayede, 1859'da yılında, Satürn halkalarının çok sayıda bağımsız yörüngeli parçacıktan ve bir dizi düzenli dar halkalardan oluştuğunu önerdi ve bunu matematiksel bir denkleme oturttu. Kendisine Adam Prize ödülünü kazandıran ve 4 yılını alan bu çalışma, 1977'de gönderilen Voyager uzay aracının Satürn'ün yanından geçerken çektiği fotoğraflar sayesinde kanıtlanabilecekti.

Hepsinden Önemlisi: Maxwell Denklemleri

James Clerk Maxwell’in yukarıda saydığımız çalışmaları dışında pek çok çalışması daha bulunuyor fakat aralarından en önemlisi, Maxwell Denklemleri olarak bilinen ve Faraday’ın öne sürdüğü elektrik ve manyetizma arasındaki bağlantıyı matematiksel olarak kanıtladığı denklemler oldu.

Bilim tarihinde 19. yüzyılın ilk yarısı özellikle elektrik, manyetizma ve ışık konularındaki çalışmaların ön plana çıktığı bir dönemdir. Işığın dalgalar biçiminde ilerlediği görüşü yaygınlık kazanmış; ayrıca, kristal aracılığıyla istenen yönde kutuplaştırabileceği deneysel olarak gösterilmişti. Ne var ki, elektrik, manyetizma ve ışık arasındaki bağıntı henüz yeterince bilinmediğinden bu olaylar bağımsız araştırma konuları olarak ele alınmaktaydı. Tüm bunları değiştiren ise Faraday’ın elektrik ve manyetizma arasında kurduğu deneysel bağlantı ve Maxwell’in elektrik, manyetizma ve ışığın aynı şeyler olduğunu gösterdiği denklemleri olacaktı.

Maxwell’in 1873’de yayımlanan Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme adlı kitabı.

Newton’ın evrensel kütle çekimi kuramı, evreni mekanik bir modele indirgeyerek açıklıyor ve değişik büyüklükteki kütlesel nesnelerin, elektrik yükleri gibi birbirini etkilediğini varsayıyordu. Faraday bir adım ileri gitti ve elektrik yüklerinin yalnız birbirini değil; çevrelerini de etkilediği görüşüne ulaştı. Deneysel olarak kanıtladığı bu teorisi ile elektrik ve manyetizmayı birleştirerek elektromanyetik güç alanı dediği yeni bir kavram oluşturdu.

Faraday’ın deneysel buluşlarından büyülenmiş olan Maxwell, söz konusu etkinin yalnız iletkende değil uzayda da oluştuğunu; üstelik değişen elektrik alanın da manyetizma ürettiğini buldu. Bu fikri matematiksel olarak geliştirirken ortaya çıkan denklemler, manyetizma ve elektriğin birbirine bağlı olduğunu gösteriyordu.

Maxwell’in temelde yaptığı şey, elektrik alanda meydana gelen değişimin manyetik alanı ve manyetik alanda meydana gelen değişimin elektrik alanı etkilediğini çok basit formüllerle ifade etmekti. Önemli işlere imza atmış her bilim insanı gibi, açıklamaları birleştirmiş ve basitleştirmişti. Yine bu denklemlerden yola çıkarak yaptığı hesaplamalarda, elektrik sabitini manyetizma sabitine böldüğünde ortaya ışık hızının karesinin çıktığını keşfetti (Işık hızı daha önce ölçülmüştü ve yaklaşık olarak saniyede 300 bin km olarak bulunmuştu). İşte bu sayede, Faraday’ın daha önce ortaya attığı ancak deneysel veya teorik olarak kanıtlayamadığı şeyi; ışığın da elektromanyetik bir dalga olduğu gerçeğini bulmuştu.

Maxwell’in elektromanyetizma teorisi ve buna bağlı teknoloji, bildiğimiz üzere büyük bir gelişme gösterdi ve bu gelişmelerin sonuçları dünyayı ekonomik ve sosyal bakımdan daha önceki asırlardakilerle kıyaslanamayacak ölçüde değiştirdi. Hatta modern çağ, gerçek anlamda elektromanyetizma teorisi ve teknolojisi çağıdır dersek yanılmış olmayız. Bunun yanı sıra Maxwell’in alan denklemleri, daha sonra Einstein’ın geliştirdiği özel görelilik kuramına temel oluşturmuş ve kuantum kuramının geliştirilmesinin yolunu açmıştır.

Son olarak Maxwell’in, ışığın yanı sıra başka elektromanyetik radyasyon formlarının varlığının da araştırılması gerektiğine ilişkin savını belirtmekte fayda var. Maxwell’in kuramı, elektromanyetik dalgaların laboratuvar ortamında elde edilebileceğini öngörüyordu ve ölümünden sekiz yıl kadar sonra, 1887’de Heinrich Hertz düşük frekanslı radyo dalgalarını buldu. Ardından 1895 yılında Wilhelm Röntgen, X-ışınlarını keşfetti.

1879’da, henüz 48 yaşındayken hayata gözlerini yuman Maxwell, bu kısacık ömrü boyunca bilim dünyasında çok önemli, kapsamlı ve yeni gelişmelere yol açmış olan birçok buluş ortaya koydu. Bu nedenle belki ancak Newton ve Einstein ile eş düzeyde tutulabilecek olağanüstü bir sima olarak addedilmektedir.

İlerlemenin Yolu: Kaos, Determinizm ve Rastlantısallık

Klasik fizikten öğrendiğimiz kadarıyla, Newton yasaları sayesinde bir cismin herhangi bir andaki konumunu, hızını ve enerjisini biliyorsak, o cismin gelecekteki herhangi bir andaki konumunu, hızını ve enerjisini öngörebiliriz (Newton, evreni kaideleri kesin sınırlarla çizili olan büyük bir makine gibi resmetmişti). Bunu sağlayan şey ise fizik yasalarının deterministik olmasıdır. Determinizm, yani belirlenimcilik, meydana gelen bir olayın, ondan önceki bir olayın sonucu olduğunu söyler. Bu sayede, sistemin zaman içindeki evrimini bulabiliriz.

Bu düşünceyi 17. yüzyılda yaşamış olan matematikçi Pierre Simon Laplace şöyle savunmuştur: “Eğer evrendeki tüm koşulları ve etkileri tam anlamıyla bilebilirsek, evrenin gelecekteki halini de bilebiliriz.” Bu aynı zamanda, evrendeki tüm koşulları anlayabildiğimiz takdirde geçmişi de tam olarak bilebileceğimiz anlamına gelir.

Kaotik sistemlerde de geçerli olan ilke, fizik yasalarının ve olayların deterministik olmasıdır fakat kaotik sistemlerde, gelecekteki herhangi bir davranışı kesin olarak öngöremiyoruz. Bunun nedeni evrenin rastlantısallık da içermesidir. Örnek vermek gerekirse; kapalı bir kabın içindeki gaz moleküllerini ya da atomlarını incelediğimizde bunların sürekli olarak birbirleriyle çarpıştıklarını ve oradan oraya savrulduklarını görürüz. Bu düzensiz yapı nedeniyle, gaz atomlarının birbirleriyle yaptıkları çarpışmaları hesaplamak neredeyse imkânsızdır. Kesin hesaplar yapılamadığı için de gaz atomlarının herhangi bir andaki konumlarını kesin şekilde belirleyemeyiz. Buna karşın istatistiksel fizik sayesinde modellemeler gerçekleştirebiliriz. İşte bu modellemelere termodinamik yasaları ve -düzensizliğin bir ölçüsü olan- entropi denmektedir.

Determinizmin Çöküşü: İstatistik Mekanik

Fiziğin bir alt dalı olan istatistik mekanik, çok sayıda parçacıktan (atom, molekül, elektron, çekirdek vb.) oluşan sistemlerin makroskobik fiziksel özelliklerini, sistemi oluşturan parçacıkların dinamiğinden yola çıkarak inceler. Sadece basit olasılık varsayımlarından yola çıkarak elde edilen sonuçlar termodinamik biliminin temelini oluşturduğu gibi, maddenin gözlemlenen kuantum davranışlarını da açıklar. Maxwell, Boltzmann, Einstein, Gibbs, Fermi ve Dirac gibi büyük bilim insanlarının katkılarıyla gelişen bu bilim dalı fizikte ve evrende oldukça önemli bir yere sahiptir.

Biraz Geriye Gidelim: Termodinamiğin Kurucusu Nicolas Carnot

Termodinamiğin tarihinden söz ederken, dünyayı değiştiren fakat adı sanı pek bilinmeyen bir isimden, Nicolas Léonard Sadi Carnot’dan (Karno olarak okunur) bahsetmemiz gerekiyor. Aslen bir asker olan Fransız Nicolas Carnot, buhar gücünün çok önemli olduğunu biliyor ve bu gücün araştırılması gerektiğini düşünüyordu. Bu nedenle buhar gücü ve makinelerin çalışma prensiplerine ilişkin bir dizi araştırma yaptı ve bu araştırmaların sonuçlarını 1824 yılında yayınladığı Ateşin Hareket Ettirici Gücü Üstüne Düşünceler adlı 60 sayfalık bir kitapta topladı.

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832)

Kitapta ısı motorlarının nasıl çalıştığını açıklayan Carnot, kısaca tüm ısı motorlarının soğuk bir ortamda bulunan sıcak bir kaynaktan ibaret olduğunu ve ısının sıcaktan soğuğa doğru akan bir sıvı gibi davrandığını söylüyordu. Ona göre bir ısı motorunu daha verimli hale getirmek istiyorsak ısı kaynağı ile soğuk ortam arasındaki ısı farkını artırmamız gerekiyordu. Bu müthiş keşif, bugünkü araba motorlarının veya jet motorlarının geliştirilmesini sağladı (Bu motorların yüksek ısılarda çalıştıkları için -yani soğuk ortamla aralarındaki ısı farkının yüksek olması nedeniyle- verimli oldukları unutulmamalıdır).

Tüm bunların ötesinde Carnot, doğanın çalışma prensibini de keşfetmişti: Evrende her şey sıcak ile soğuk arasındaki enerji alışverişi sayesinde hareket ediyordu. Bu keşfi sayesinde Carnot, termodinamik adı verilen yeni bir bilim dalını ortaya çıkartmış oldu.

Enerji dönüşümü ve ısının hareketini inceleyen termodinamiğin keşfedilmesi sayesinde, çok farklı gördüğümüz enerjilerin aslında birbirleriyle ne kadar bağlantılı olduğunu anlamaya ve bir enerji türünü bir başka enerji türüne nasıl çevirebileceğimizi öğrenmeye başladık. Bu sayede mekanik işler ile ısının aynı şeyler olduğunu, yani enerjinin farklı türleri olduğunu keşfederek termodinamiğin birinci yasasını* bulmuş olduk.

*1. Yasa (Enerjinin Korunumu Yasası): Enerji yoktan var, vardan yok edilemez. Sadece biçim değiştirir.

Termodinamiğin İkinci Yasasını Keşfeden Bilim İnsanı: Rudolf Clausius

Alman fizikçi Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 – 1888), 1850 yılında yayımladığı Mekanik Isı Teorisi Üzerine adlı makalesi ile termodinamiğin ikinci yasasındaki temel fikirlere açıklamalar getiriyordu. Clausius daha sonra termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını özetleyecek ve bizleri entropi kavramıyla tanıştıracaktı.

Birinci yasa bize evrendeki enerji miktarının sabit olduğunu söylüyordu; ancak Clausius’a göre evrende sadece sabit bir miktarda enerji yoktu, bu enerjinin izlediği çok kesin kurallar da vardı (Örneğin ısı enerjisi her zaman tek yönde -sıcaktan soğuğa- ilerlerdi). Clasius açıklamayla sınırlı kalmamış ve enerjinin nasıl aktarıldığını çok önemli bir formülle göstermişti. Bu formülde yeni bir miktardan ya da ölçüden, yani entropiden bahsetmişti. İşte bu, ikinci yasaydı.*

*2. Yasa (Entropi): Isı aktarımı sırasında entropi de artar. Entropi ise sıcak nesneler soğurken ısının nasıl dağıldığını gösteren bir ölçümdür. Entropi tüm sistemlerde sürekli artış gösterir ve bu işlem geri döndürülemez.

Entropi bize zamanın hep ileri doğru akması gerektiğini çünkü tüm sistemlerin bozulma yönünde eğilim gösterdiğini söylüyordu. Yani diğer yasaların aksine termodinamik yasaları, zamanın geriye doğru akması halinde çalışmıyordu. Zamanın okunu sanki bir miktar anlamaya başlamıştık fakat enerjinin ne olduğunu ve neden bozulma yönünde eğilim gösterdiğini bilmeden bunu tam olarak kavrayamayacaktık.

Enerjiyi Atomların Hareketi ile Açıklayan Dahi: Ludwig Boltzmann

Henüz atomların varlığının tartışmalı olduğu bir dönemde, Ludwig Boltzmann isimli bir deha çok ileri gitmiş ve bu parçacıkları hem kabul edip hem de enerjiyi bu parçacıkların arasındaki etkileşim olarak açıklamıştı. Boltzmann’a göre evrendeki her şey temelde atomlardan oluşuyor ve sıcak nesneler, çevresindeki daha soğuk nesnelere atomlar vasıtasıyla ısı yayıyordu. Örneğin masanın üzerine bırakılan sıcak bir nesnenin dış kısmında bulunan atomların enerjisi masanın atomlarına aktarılıyor ve böylece her iki nesne de birbirlerine denk hale gelene dek enerji aktarımı devam ediyordu. Enerji bu sayede, her zaman düzenli durumdan düzensiz duruma (yayılmış, dağılmış, entropik) hareket ediyordu.

Ludwig Boltzmann (1844-1906)

Boltzmann ayrıca, her sistemde mevcut olan bu düzensizliğin nasıl hesaplanabileceğini gösteren bir denklem ortaya koymuş ve bu denklem ile düzensizliğin ve karmaşanın evrenin bir kanunu olduğunu açıkça göstermişti. Boltzmann’ın açıklamaları ve denklemleri sayesinde enerjinin, atomların bir hareketi olduğunu, enerji aktarımının ise atomlar arası etkileşimden kaynaklanan bir süreç olduğunu anlamıştık.

1872 ve 1876 yıllarında yayımladığı iki makale ile sistemdeki düzensizliğin ölçüsü olan “entropi”nin mikroskobik özellikleriyle hesaplanabileceğini gösteren Boltzmann, geliştirdiği istatistiksel metot sayesinde evrendeki her etkinin ancak yaklaşık olarak hesaplanabileceğini, bu kadar çok parçacığın olduğu nesneler dünyasında yapılan ölçümlerin kesin ve hatasız olamayacağını ifade etmişti.

O zamanlar, Laplace’çı görüş olarak da bilinen, her şeyin mekanik bir saat gibi olduğu ve her etkinin kusursuz bir şekilde hesaplanıp bilinebileceği görüşü (klasik determinizm) hakimdi. Bu yüzden Boltzmann’ın olasılıkçı ve istatistiksel yaklaşımı büyük bir tepkiyle karşılandı; fakat ölümünden sonra Maxwell, Plank ve Einstein gibi isimler Boltzmann’ın istatistiksel yaklaşımını başarılı bir şekilde kullandılar.

Boltzmann'ın Viyana'daki mezarı, büstü ve ünlü entropi formülü. Bu formül bize yaşlılığı, ölümü, yok oluşu açıkladı.

Üçüncü ve Sıfırıncı Yasalar

Termodinamiğin bu iki önemli yasasından sonra üçüncü ve sıfırıncı yasalarını da kısaca inceleyelim.

Termodinamiğin üçüncü yasası sistem sıcaklığı ve hareket arasındaki ilişkiyi açıklar. Biliyoruz ki sıcaklık dediğimiz nicelik, madde moleküllerinin ve atomların hareketinin bir ortalama ölçüsüdür. Yani bir madde ne kadar sıcaksa atomik boyutta o kadar hareketlidir (Enerjisi yükselen atomlar titreşirler). Peki, maddenin sıcaklığını mutlak sıfıra (0 Kelvin = -273.15 °Celcius) yaklaştırırsak ne olur?

Bu durumda cismin entropisi de 0’a yaklaşır ancak tam olarak 0 olmaz; bu mümkün değildir. Şöyle ki: Entropinin sıfıra yaklaşması, maddelerin içindeki atom ve moleküllerin hareketlerinin de sıfıra yaklaşması anlamına gelmektedir. Bu durumda hareket olmaz; yani entropi sıfır olur ve madde, bildiğimiz formunu kaybeder. Madde olmazsa canlılık da olmaz.

Son olarak termodinamiğin sıfırıncı yasası (Bu yasa diğer üç yasadan sonra keşfedildiği fakat en temel yasa olduğu için sıfırıncı yasa ismi verilmiştir) termal denge ve sıcaklık ilişkisi ile ilgilidir. Az önce de dediğimiz gibi sıcaklık, madde moleküllerinin sahip olduğu kinetik enerjilerinin ortalama bir göstergesidir. Birbirleriyle temas halinde olan iki cisim termal denge durumuna gelene dek ısı alışverişi yaparlar. Termal denge durumunda ise sıcaklıkları eşittir. Bu yasanın en önemli sonucu şudur: Evrenimiz gibi kapalı sistemler (dışarısıyla enerji alışverişi yapmayan) denge durumunda olduğunda, yani kendi içinde ısı alışverişi bittiğinde, makroskopik özellikleri zaman değişse de değişmez. Bu, evrenimizin yeterince soğuduğunda mevcut durumunu sonsuza dek koruyacağı anlamına gelmektedir.

Termodinamik yasaları bize, özetle, neden sıcak şeylerin soğuduğunu, gazın havada yayıldığını, yumurtanın çatladığını ama asla çatlak yumurtanın çatlak olmayan yumurtaya dönmediğini, yani kısaca, enerjinin zamanla dağılmak veya yayılmak eğiliminde olduğunu anlatır. Entropi ise bu eğilimin ölçüsüdür (Açacak olursak bir sistemdeki enerjinin parçacıklara nasıl dağılmış olduğunun ve bu parçacıkların sistemde ne kadar yayılmış olduklarının ölçüsü). Enerjinin yayılma olasılığı, belirli bir noktada yoğunlaşmasından çok daha fazladır. Bu durumda, sistemdeki parçacıklar hareket edip etkileştikçe enerjinin daha çok yayılacağı şekilde yapılanırlar. Sonunda sistem, termodinamik denge denilen, sistemin maksimum entropi durumunda olduğu ve enerjinin her yerde eşit olarak dağıldığı bir duruma ulaşır (Az önce de bahsettiğimiz soğuk, ölü evren durumu).

Yazı dizimizin bu bölümünde, bize birbirinden farklı oldukları düşünülen elektrik, manyetizma ve ışığın aynı şeyler olduklarını gösteren Faraday ve Maxwell’i, Klasik Fiziğin deterministik anlayışına karşı çıkan ve istatistik mekanik biliminin kurucusu olan Boltzmann’ı ve termodinamiğin ilk iki yasasını oluşturan Carnot ve Clausius’u inceledik. Bu sayede, belirsizlik, istatistik ve atom altı dünyaya ilişkin düşüncelerin hangi yollardan geçtiğini biraz daha anlamış olduk. Burada geçen isimler sayesinde, ilerleyen yıllarda Genel Görelilik ve Kuantum Mekaniği gibi, tarihin gördüğü en önemli teorilerden ikisine giden yol açılmış olacak. Belirlenimci (deterministik) fiziğin yerini istatistiksel denklemler ve kuantum dünyasının sebep olduğu ve Einstein’ın da oldukça karşı çıkacağı belirsizlikler almaya başlayacak.

Bir sonraki yazıda görüşmek üzere…

Bu yazı, MMO İstanbul Şubesi tarafından her ay düzenli yayınlanan Makina Bülten dergisinin Ekim 2020 sayısı için hazırlanmıştır. Dergiye gitmek isterseniz lütfen buraya tıklayın.

Kaynakça

Bilimin Öncüleri: Isaac Newton (1642-1727), bilimvegelecek.com.tr, Erişim: 16 Eylül 2020 https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2019/09/01/bilimin-onculeri-isaac-newton-1642-1727/
Kalkülüs Nedir, Kimdir veya Ne Yapmıştır? www.kozmosungenetigi.org, Erişim: 16 Eylül 2020 https://www.kozmosungenetigi.org/kalkulusun-kisa-tarihi/
Elektriğin Babası: Michael Faraday – Diplomasız Deha (video), youtube.com, Bebar Bilim, Erişim 16 Eylül 2020 https://www.youtube.com/watch?v=w9l5TfMZshA
Dünyayı Değiştiren Adam: James Clerk Maxwell ve Elektromanyetizma (video), Bebar Bilim, youtube.com, Erişim 17 Eylül 2020 https://www.youtube.com/watch?v=Ht-W5eucVjA&t=914s
Daha Çok Bilinmesi ve Anılması Gereken Bir Deha: James Clerk Maxwell, www.evrimagaci.org, Erişim: 17 Eylül 2020 https://evrimagaci.org/daha-cok-bilinmesi-ve-anilmasi-gereken-bir-deha-james-clerk-maxwell-8004
Bilimin Öncüleri: James Clerk Maxwell (1831 -1879), bilimvegelecek.com.tr, Erişim: 17 Eylül 2020 https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2019/10/20/bilimin-onculeri-james-clerk-maxwell-1831-1879/
Maxwell’in Bilim Tarihindeki Yeri, www.sarkac.org, Erişim: 17 Eylül 2020 https://sarkac.org/2019/04/maxwellin-bilim-tarihindeki-yeri/
Tarihteki Ünlü Bilim İnsanları; Keşifleri, Buluşları ve İcatları, serkanuygur.com.tr, Erişim 18 Eylül 2020 https://serkanuygur.com.tr/2018/03/24/tarihteki-unlu-bilim-insanlari-kesifleri-buluslari-ve-icatlari/
Dünyayı Değiştiren 17 Denklem, www.matematiksel.org, Erişim 18 Eylül 2020 https://www.matematiksel.org/dunyayi-degistiren-17-denklem/
Kaos Teorisi Nedir? Doğadaki Kaostan Söz Ederken Neyi Kastediyoruz? evrimagaci.org, Erişim 18 Eylül 2020 https://evrimagaci.org/kaos-teorisi-nedir-dogadaki-kaostan-soz-ederken-neyi-kastediyoruz-8198
Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir? evrimagaci.org, Erişim 18 Eylül 2020 https://evrimagaci.org/mikro-evrenden-makro-evrene-istatistiksel-fizik-ve-istatistik-mekanik-nedir-8362
Evrendeki En Temel Yasalar: Termodinamik Yasaları Nedir? Neler Söyler? evrimagaci.org, Erişim 18 Eylül 2020 https://evrimagaci.org/evrendeki-en-temel-yasalar-termodinamik-yasalari-nedir-neler-soyler-8505
ENTROPİ: Evrenin Çalışma Şekli ve Termodinamik (video), Bebar Bilim, youtube.com, Erişim 18 Eylül 2020 h https://www.youtube.com/watch?v=WxXdEh2muc0