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

Sicim Teorisini İnşa Etmek

Popüler bilimde sıkça karşımıza çıkan, bilim kurgu türü filmlerde gizemli olayları çözmek için kullanılan ve Stephan Hawking’in bir ömürlük rüyasını oluşturan Sicim Teorisi, en yalın haliyle Einstein’ın ünlü genel görelilik kuramını ve parçacık fiziğindeki kuantum mekaniğini birleştirmeyi amaçlar. Peki neden böyle bir teoriye ihtiyaç duyuyoruz?

Annelerimizin ya da büyüklerimizin yaptığı örgü ve dantelleri hatırlıyorsunuzdur. Ne hikmetse aynı iplikler farklı şekillerde örüldüğünde ortaya farklı desen ve örnekler ortaya çıkardı. İşte sicim teorisi de biraz buna benzetilebilir: Evrenimizi oluşturan örülmüş iplikler (Bu müthiş benzetme için Kozmik Anafor’a müteşekkiriz).

Sicim teorisinin, genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmeyi amaçladığını söylemiştik. Peki, bu iki teoriyi birleştirme ihtiyacı nereden doğdu? Bunu anlamak için sanırız önce genel görelilik ve kuantum mekaniğini anlamamız gerekiyor.

1915 yılında Albert Einstein tarafından yayınlanmış olan genel görelilik teorisi, Isaac Newton tarafından inşa edilen klasik fizik teorisini geçersiz kılmış ve evrendeki makro olayları tamamen farklı bir perspektiften açıklamaya çalışmıştır. Örneğin Newton’un yaptığı açıklamalar kütle çekimini vektörel bir kuvvet olarak ele alırken Einstein’a göre kütle çekimi uzay-zaman dokusunun bükülmesiydi. Yani Newton, kütleli cisimler birbirleri üzerinde çekme kuvvetine sahiptir derken; Einstein kütleli cisimler uzay-zaman dokusunu büktüğü için etrafındaki cisimlere ivmeli bir hareket kazandırır diyordu.

Konuyu daha iyi tariflemek için şu örneği verebiliriz: Dünya üzerindeki tüm uydular aslında ‘serbest düşme’ hareketi yapmaktadırlar. Ancak kütle çekimi Newton’un söylediği gibi çizgisel bir kuvvet olmadığı ve uzay-zamanın bükülmesi nedeniyle yörüngesel bir düzlemde gerçekleştiği için serbest düşme hareketi de gezegenin yörüngesinde çok uzun süreler boyunca gerçekleşir. Eğer kütle çekimi vektörel bir kuvvet olarak alınacak olsaydı, dünyanın çevresindeki uyduların yörüngede dolanması imkânsız olurdu; bunun yerine itme gücünü kestiğiniz anda dünyaya geri düşmeleri beklenirdi.

Aslında bakarsanız genel görelilik kuramı da klasik fiziğin yetersiz gelmeye başlaması sayesinde doğdu. Newton’un formülleri yani klasik fiziğin matematiği uçaklar yapıp uçmamızı sağladı belki; ancak daha ötesi için genel göreliliğe ihtiyacımız vardı. Bugün küresel konumlandırma sistemlerinden (GPS), uzay yolculuklarına kadar her alanda genel görelilik kuramının gücünden faydalanıyoruz.

‘Kütle çekim kuvveti üzerine kurulmuş’ olarak sayabileceğimiz genel görelilik teorisi makro ölçekteki olayları açıklamamızı sağlayabiliyorken atom altı ölçekte gerçekleşen olayları açıklamakta başarısızdır. Bunun sebebi genel görelilik teorisinin başarısız olması değil; atom altı dünyada etkili olan kuvvetlerin tamamen farklı oluşudur. Kütle çekimi, dört boyutlu uzay-zamandaki gezegenlerin, yıldızların, nebulaların ve diğer tüm cisimlerin üzerinde etki eden en önemli kuvvetlerden birisiyken atom altı dünyada tüm önemini kaybetmektedir. İşte tam da burada devreye kuantum mekaniği girmektedir.

İlk defa Thomas Young isimli bir fizikçinin, 1801 yılında yaptığı –ve herkesçe bilinen– ünlü çift yarık deneyi, ışığın dalga özelliğini göstermek için hazırlanmıştı. Bu tarih kuantum mekaniğinin ve ışığın dalga-parçacık ikiliğinin keşfinin çok öncesine tekabül eder. Bu deney 19. yüzyılın başında elektron, foton gibi özel parçacıklarla tekrarlanınca, bir de olaya gözlemci dahil olunca çıkan sonuç sadece fizik dünyasında değil, felsefe dünyasında da tam bir deprem etkisi yarattı.

Deneyi tekrarlayan bilim insanları, deneyde madde olarak elektron kullandılar. Önce elektronları tek yarıktan atan araştırmacılar bekledikleri gibi bir sonuç aldılar. Yani arka taraftaki panelde tek çizgi halinde bir iz oluştuğunu gördüler. Daha sonra yarık sayısını ikiye çıkarttıklarında ve elektronları tekrar gönderdiklerinde ilginç bir şeyle karşılaştılar: Elektronlar dalga gibi hareket etmişlerdi. Dalga özelliğinde, dalgalar yarıklardan geçtiği zaman arka tarafta birbirlerine tekrar çarparak panelde bir girişim modeli oluşturur. Elektronlar da aynı özelliği göstererek bilim insanlarını şaşkına çevirdi. Bu sefer elektronların birbirine çarptığını düşünerek işlemi değiştirdiler ve elektronları tek tek göndererek deneyi yeniden gerçekleştirdiler. Fakat sonuç değişmedi; yani elektronlar tek tek gönderildiği halde iki yarık olduğunda dalga gibi davranmaya devam etmişlerdi.

Bunun sebebini anlamak için yarıkların dibine bir sensör yerleştirerek elektronları incelemeyi düşündüler ve deneye tekrar başladıkları zaman elektronların bu sefer tanecik özelliği gösterdiğini ve panelde sadece iki iz oluşturduğunu gözlemlediler. Bu deneyin sonucunda evreni klasik fizik yoluyla anlamanın imkânsız olduğu fark edilince kuantum dünyası bilim insanlarının ilgisini daha fazla çekmeye başladı.

Kuantum alan teorisine göre, her parçacığın kendine ait bir alanı vardır. Bu alanlar her ne kadar matematiksel olarak anlatılsa bile matematiğe başvurmadan, zihnimizde canlandırarak da anlamaya çalışabiliriz. Bunun için kuantum alanlarını, üst üste binmiş denizler olarak düşünelim. Bu denizlerin her birinin farklı sıvılardan oluştuğunu ve uçsuz bucaksız olduklarını düşünelim (Burada amaç bu dalgalı yüzeylerin birbiri ile nasıl etkileştiğine değinmektir). Bu sıvılardan biri dalgalanınca –eğer dalga yeterince güçlü ise– diğer denizleri de etkileyecek ve o denizlerde de dalgalanmalara sebep olacaktır.

İşte buna benzer bir durum kuantum alan teorisinde de söz konusudur. Kuantum alan teorisinin bize söylediği, her bir dalganın kendi alanı içinde elektron ya da foton gibi bir parçacığı oluşturduğudur. Bu parçacıklar kendi alanlarında dalgalandıklarında bazen diğer alanları da etkileyip onların da dalgalanmasına sebep olur. Parçacık ve dalga aynı şey olduğu için parçacık da bu diğer alanda farklı bir parçacığın oluşmasına neden olur. Bu da parçacıkların etkileşimi olarak bildiğimiz durumdur. Feynman diyagramları ile ifade edilen bu etkileşimler her şeyin temelini oluşturmaktadır; yani maddenin. Burada, maddenin enerjiden oluştuğunu anlıyoruz. Özel görelilik teorisinde de enerjinin maddeye dönüşebildiği söylenmektedir. Yani bu iki teori temelde maddenin ne olduğu konusunda hemfikir gibidir.

Kuantum alan teorisine göre her parçacık tipi için bir alan vardır. Yani evrendeki bütün fotonlar için aslında tek bir alan (foton alanı) vardır ya da evrendeki bütün elektronlar için bir elektron alanı vardır. Parçacıklar sadece evrenin belirli noktalarında bulunurken, örneğin boşlukta bulunmazlarken, bu alanlar evrenin her bir noktasına yayılmış durumdadırlar.

Buraya kadar anlattıklarımızdan görüldüğü üzere, kuantum teorisi ve görelilik teorisi birbirinden farklı alanları işliyor. Genel görelilik makro ölçekteki evreni anlamamıza yardımcı olurken atom altı dünyada işler tamamen değişiyor. Belki de iki teorinin de en temel ortak noktası enerji ve enerjinin dönüşebilir oluşu.

Her şeyi önünde sonunda enerjiye bağlayıp duruyoruz fakat tam da burada bu enerjinin ne olduğundan bahsetmezsek olmaz. Bu nedenle bu aşamadan sonra sicim teorisine geçiş yapabiliriz; yalnız bu teorinin büyük oranda matematiğe ve dolaylı bazı çıkarımlara dayandığını söylememiz gerekiyor.

Sicim teorisi, her şeyin temelde ‘sicim’ adı verilen ve iplik parçalarına benzeyen yapılardan oluştuğunu söyler. Yani maddeler atomlardan; atomlar ise proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Proton ve nötronlar kuarklardan; kuarklar ve elektronlar ise sicimlerden (ipliklerden) oluşur.

Önceleri maddenin en küçük atom altı yapıtaşlarının boyutsuz noktasal parçacıklar olduğu düşünülüyordu ancak 1984 yılında Queen Mary Kolejinden Michael Green ile California Teknoloji Enstitüsünden John Schwarz evrenin boyutsuz noktasal parçacıklardan değil, sürekli titreşen tek boyutlu planck uzunluğunda olan ipliksilerden oluştuğunu öne sürdüler. Peki her şey bu sicim denen tek boyutlu ipliklerden oluşuyorsa o halde bu aynı iplikler birbirinden farklı maddeleri nasıl oluşturuyor? Cevap basit: Sicimlerin titreşim frekansının farklı olması farklı maddelerin oluşmasını sağlıyor. Bu ise bize tüm maddeleri oluşturan şeyin titreşim, yani bir çeşit enerji olduğunu ifade ediyor.

Her ne kadar kafa karıştırıcı ve lüzumsuz gibi dursa da sicim teorisinin ortaya çıkması için oldukça geçerli bir sebep var: Bu teori kütle çekimi ile diğer kuvvetleri birbirine bağlamaya çalışıyor çünkü kütle çekimi diğer kuvvetlerin aksine oldukça zayıf ve bunun bir nedeninin olması gerekiyor (Eğer kütle çekiminin çok kuvvetli olduğunu düşünüyorsanız, bir tarağı veya pipeti saçlarımıza sürterek ufak kâğıtları nasıl da kendisine çekebildiğine bakın. Kütle çekimini kolaylıkla yendiniz!)

Sicim teorisinde, kütle çekiminin zayıflığı matematikten faydalanılarak açıklanmaya çalışılıyor. Buna göre, evrende farklı boyutlar var ve bu farklı boyutlar enerjilerin gücünün belirlenmesinde önemli rol oynuyor. Tıpkı yıldızından uzaklaştıkça enerjisi azalan fotonlar gibi her tür enerji, kaynağından uzaklaştıkça gücünü kaybediyor. Kütle çekimi de bir tür enerji olduğuna göre, kaynağından ne kadar uzaklaşırsa enerjisini de o kadar kaybedecektir. Bu yüzden makro dünyanın altında, yani atom altı dünyada işlevini tamamen yitiriyor (Çünkü daha alt seviyede bir alana geçiyor ve kaynağından tamamen uzaklaşmış oluyor).

Bilim insanları da tam olarak bu durumu açıklayabilmek için fazladan boyutlar olduğunu ileri sürdüler. Theodor Kaluza isimli bir matematikçi 5 boyutlu bir evrende kütle çekimini incelerken bu evrendeki kütle çekiminin bizim evrenimizdekine çok benzediğini gördü. Çünkü eğer evren aslında 5 boyutlu ise bizim evrenimizde kütle çekiminin neden daha güçsüz olduğu da anlaşılır. Üç boyutlu evrende yayılan bir enerjinin nasıl ki 2 boyutlu bir evrende sadece bir parçası tespit edilebiliyorsa, 5 boyutlu bir evrende yayılan kütle çekimi de 4 boyutta haliyle daha zayıf görünecektir. Bu fikir sicim kuramının temelini oluşturmaktadır.

Burada işler biraz daha karışıyor çünkü sözde "var olan ama görülemeyen" bu 5. boyut kulağa çok mantıklı gelmediği ve görünürde varlığına dair bir kanıt olmadığı için Oskar Klein isimli fizikçi bu boyutların kompakt olması gerektiği fikrini ortaya atmıştır. Ayrıca, bu fazladan evrenin 3 uzay ve bir zaman boyutu olan evrendeki ileri-geri, sağ-sol kavramlarına benzer yeni bir yöne sahip olduğunu da ileri sürmüştür. Bu yön bir çember misali boyutun kendi üzerine katlanmasından ya da bir bakıma kendi etrafında hareket etmesinden oluşuyordu. Buradan Kaluza-Klein teorisi ortaya çıkmıştır.

Daha sonradan bu tezin güçlü nükleer kuvvet gibi diğer kuvvetleri açıklayamadığı görüldü. Bu gibi açıkları kapatmak için gereken boyutları da ekleyince kompakt halde toplam 11 boyut olması gerektiği hesaplandı.

Görüldüğü üzere sicim teorisi, kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştirmeye ve bu şekilde evreni makro ve mikro ölçekte anlamaya çalışmaktadır. Üstelik birbirinden ayrı gibi görünen ve etkileri birbirinden çok farklı olan nükleer kuvvet, yer çekimi kuvveti ve elektromanyetik kuvvet gibi enerji alanlarını birleştirmeyi amaçlamaktadır. Bilim insanlarının bu çabaları sayesinde, belki de şu an elimizdeki teorilerin tek tek yapamadıklarını yapabilecek ve evrenimizi her yönüyle açıklayabilecek bir teoriye ulaşabiliriz.

Kaynaklar

https://www.matematiksel.org/bakinca-var-olan-elektron-cift-yarikli-girisim-deneyi/

https://evrimagaci.org/sicim-teorisi-nedir-7574

https://www.kozmikanafor.com/sicim-teorisi-nedir/

https://evrimagaci.org/denklemlere-bogulmadan-ozel-gorelilik-teorisini-anlamak-4741

https://www.kozmikanafor.com/kuantum-alan-teorisi/

Albert Einstein vs. Isaac Newton

Yüzyılın dehası Albert Einstein ve üç önceki yüzyılın dehası Isaac Newton... Birisi, Genel Görelilik Kuramı sayesinde evrene bakışımızı değiştiren, büyük keşifler yapmamızı sağlayan ve kendisinden önceki fizik anlayışını yerle bir eden bir bilim insanı; diğeri ise cahilliğin ve büyücülüğün hakim olduğu bir dünyada -ki kendisi de dindar bir insandır- doğduğu halde, klasik fiziğin kurucusu olabilmeyi ve bugün ürettiğimiz tüm mühendislik harikalarının temelini atabilmeyi başarmış bir deha.

Peki, Einstein ve Newton kavga etseler ne olur? Bu programda, Einstein zamanı geriye çevirip Newton'ı daha bebekken kundaklayabilir mi (bebek kundaklamak nedir yahu) ya da Newton kütle çekimi dalgalarını kullanarak, Einstein'ın yutmaya çalıştığı elmayı yemek borusuna dizip onu öldürebilir mi, bunları öğreneceğiz.

Kısaca Sir Isaac Newton'ın Hayatı

Bilim ve matematik tarihinin en önemli isimlerinden birisi olan Isaac Newton, 25 Aralık 1642’de İngiltere’de doğdu. Çocukluk dönemleri boyunca oyun oynamamış, zamanını yel değirmeni ve araba modelleri yaparak ve üvey babasının kütüphanesindeki kitapları okuyarak geçirmiştir.

Üniversite eğitimi için Cambridge Trinity College’a gitti. Maddi olarak zor durumda olduğundan çeşitli işlerde çalışarak okulunu devam ettirebildi. Okulda öğretilen Aristo’ya ilgi duymayıp, Descartes, Galileo ve Kepler gibi düşünürlerin izini takip etti. Üstelik kendi evinde yaptığı bilimsel çalışmalar ile yıllar sonra bilimi ve dünyayı tamamen değiştirdi.

Newton tarihin en iyi matematikçilerinden birisidir. Üstelik matematiğin doğa bilimlerinde başarıyla uygulanabileceğini gösteren ve matematik ile fiziği birleştiren kişi Newton’dur. Newton’un ‘Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri’ kitabı, klasik mekaniğin, fiziğin temel teorisini oluşturur. Newton’un klasik fiziği sayesinde bugün yararlandığımız bütün teknolojiyi inşa ettik.

Kısaca Albert Einstein'ın Hayatı

20. yüzyılın dehası olarak kabul edilen ve başta astronomi bilimi olmak üzere birçok bilim dalının önünü açan Albert Einstein, 14 Mart 1879’da Almanya’nın Ulm kentinde doğdu. Kız kardeşinin anlattığına göre, küçükken yapbozlar ve bulmacalarla zaman geçirmeyi seven Einstein, sanıldığının aksine hiçbir zaman kötü bir öğrenci olmadı. Özellikle doğa ve matematik bilimlerinde oldukça iyi notlar alıyordu.

Mezun olduktan sonra iki yılını öğretmenlik işi bulmak için harcadıysa da bir süre Bern’deki bir patent ofisinde asistan müfettiş olarak iş buldu. O zamanlar bir taraftan patent ofisindeki işlerini yaparken diğer taraftan da çeşitli araştırmalar yapıyor ve makaleler yazıyordu. Halen enstitüde memurluk yaparken, 1905 yılında, ışığın ‘fotonlardan’ oluşan paketçikler olduğunu açıkladığı bir makale kaleme aldı.

Bundan iki sene sonra, ‘İzafiyet Teorisi’ni yayınladı. Bu teoriyi oluştururken küçük bir düşünce deneyi yapmıştı: Bern’deki bir saat kulesinin önünden otobüse binen Einstein, ‘Acaba otobüste arkaya doğru bakarak ışık hızında gitsek ne olur?’ sorusunu sordu. Bu durumda, saat kulesinin üzerindeki akrep ve yelkovan duruyor gözükecekti. Buradan yola çıkarak boşlukta ne kadar hızlı ilerlersek zamanın o kadar yavaş ilerleyeceği sonucuna ulaştı.

Newton'ın Evrene Bakışı

Newton denilince, akla ilk olarak başına elma düşünce kütle çekimini keşfeden bilim insanı gelir ancak bu doğru değildir; Newton elmayı sadece bir metafor olarak kullandı ve cisimlerin yere doğru hareketi, onun dünya üzerindeki hareketlerin nedenini sorgulamasını sağladı. Bizim için ağaçtan düşen bir elma Newton’un gözünde F= G*(m*M)/r üzeri 2 olarak canlandı. Bu, çok basit, çok zarif ve oldukça yüzeysel bir denklemdir: İki cismin kütlelerinin çarpımı ile bir G sabitinin çarpımının, kütleler arası mesafenin karesine bölünmesiyle iki cisim arasındaki çekim kuvvetinin hesaplanmasını sağlar. Bu denklem günlük yaşamda karşılaştığımız sıradan şeyleri açıklamaya yetse bile evrendeki işleyişi açıklamaktan uzaktır. Zaten asırlar sonra Einstein’ın Görelilik İlkesi, bu açıklamayı ortadan kaldırmıştır.

Einstein'ın Evrene Bakışı

Bilimi sorgulamaya ‘zaman’ olgusuyla başlayan Albert Einstein’a göre; zaman, mekân ve hareket gözlemciye göre değişir. İşte bu, Newton’un ‘zaman, evrenin her yerinde aynı işler’ tezini çürütüyordu. Einstein aynı zamanda, ışığın hızının gözlemciler için aynı olduğunu ve evrendeki hiçbir şeyin ışıktan hızlı hareket edemeyeceğini de söyledi.

Einstein’ın bulguları, o güne dek doğru bilinen yanlışları göstermiş ve evrenin dinamiklerini daha iyi anlamamızı sağlamıştı. Elbette Albert Einstein burada durmayacaktı. 1905 yılında yayınladığı ve daha sonra bazı düzeltmeler yaparak değiştirdiği ‘Özel Görelilik Teorisi’ne ivmelenmeyi dahil etmek için 10 yıl uğraştı ve 1915’te ‘Genel Görelilik Kuramı’nı yayımladı.

Newton'ın Kütle Çekimi Açıklamaları

Newton, kütle çekimi ve cisimlerin hareketi ile ilgili yaptığı açıklamalarda uzayı ‘boş’ ‘mutlak’ ve ‘sabit’ gibi kavramlarla tanımlamıştı. Yani Newton’a göre uzay denilen yer sabit ve hareketsizdi. Aynı şekilde Newton, zamanı ve uzayı birbirinden ayrı olgular olarak ele almıştı ve zamanın, uzayın her yanında ‘aynı’ olduğu sonucuna varıyordu. Bugün, bu düşüncenin doğru olmadığını, uzayın 3 değil; 4 boyutlu olduğunu ve 4. boyutu ise zamanın oluşturduğunu biliyoruz. Aynı şekilde, zamanın ‘göreli’ olduğunu; yani uzaydaki birçok farklı noktada zamanın birbirinden farklı şekilde akabileceğini biliyoruz.

Bugün, aynı zamanda, Newton’un kütle çekimine dair yaptığı açıklamaların da benzer hatalar içerdiğini biliyoruz. Newton’a göre kütle çekimi, kütleli iki cismin birbirlerine uyguladıkları doğrusal (vektöre) bir kuvvettir. Ancak asırlar sonra Einstein, bunun böyle olmadığını, kütle çekiminin bükülen uzay-zaman dokusunun bir sonucu olduğuna işaret etmiştir. Bu nedenle uzaydaki cisimler doğrudan birbirleri üzerine ‘düşmek’ yerine; birbirlerini yörüngesel bir düzlemde çekerler. Böylelikle uzunca süreler içinde yörüngede kalabilirler; aksi halde bu oldukça zor olurdu!

Einstein'ın Kütle Çekimi Açıklamaları

Öncesinde, Newton’un yaptığı açıklamalar kütle çekimini vektörel bir kuvvet olarak alıyordu. Yani çekim kuvveti cisimlerin kendi içlerinden kaynaklı olmalıydı ve ayrıca belirli bir uzaklığa kadar etki edebilirdi. Einstein ise kütle çekimini uzay-zaman dokusunun bükülmesi olarak açıkladı. Tıpkı gergin bir kumaşın üzerine bırakılan ağır bir güllenin, kumaşın yüzeyini içe doğru bükmesi gibi kütleli cisimler de uzay-zaman dokusunu büküyorlardı. Peki ya bu gergin kumaşın üzerine küçük bir gülle daha bırakırsanız ne olur? Elbette büyük kütleli cisme doğru ivmelenerek ve daireler çizerek yaklaşır. İşte bu, uzaydaki kütle çekiminin ve yörüngelerin oluşumunun basit bir tarifiydi!

Konuyu daha iyi tariflemek için şu örneği de verebiliriz: Dünya üzerindeki tüm uydular aslında serbest düşme hareketi yapmaktadırlar. Ancak kütle çekimi Newton’un söylediği gibi çizgisel tek bir kuvvet olmadığı; uzay-zamanın büküldüğü yörüngesel bir düzlemde gerçekleştiği için ‘serbest düşme’ gezegenin yörüngesinde çok uzun süreler boyunca gerçekleşir.

Einstein’a göre uzay ve zaman iç içe örülüydü ve Newton’un söylediklerinin aksine zaman, evrenin her yerinde sabit akıyor olamazdı. Yani uzayın dokusu zamanı ve zaman ise uzayı etkiliyordu. Bu durumda, büyük kütleli cisimler ile ışık hızına yakın hareket eden cisimler zamanı etkileyebilirdi. Her iki durumda da zamanın akışı yavaşlamalıydı! Daha sonradan yapılan gözlem ve deneylerle de Einstein’ın ortaya attığı bu teori defalarca kez kanıtlandı ve bizi evreni anlamaya daha fazla yaklaştırdı.

Her ne kadar, Isaac Newton 17. yy'nin büyük bir kaşifi, dehası ve bilim insanı kabul edilse de, evrene ve zamana ilişkin bulgularının geçersiz olduğu ve bizi daha ileriye taşıyamayacağı anlaşılmıştır. Einstein ise gerek evrenin dokusunu açıklama biçimiyle gerekse zaman olgusunu ele alışıyla bizleri kendisine hayran bırakmış, bilimsel gelişmelerin ve uzay çalışmalarının önünü açmıştır.

Sonuç: Bilim yığılarak değil; birikerek ilerler. Yüzyıllar önce Newton tarafından ortaya atılan formüller sayesinde bugünkü teknolojiyi (otomobil, uçak, uzay gemisi vb.) üretebildik; ancak Klasik Fizik ile çok daha ileriye gidemedik. Einstein geldi ve bize evrenin dokusunu, kara delikleri, kütle çekimini ve ışık hızını öğretti. Artık çok daha ileri gidebiliyoruz. Fakat belki bir gün, bir başkası gelecek ve Einstein'ın ön gördüğü pek çok şeyin yerine yenisini koyacak. Ve biz, ilerlemeye devam edeceğiz.

Yaşasın bilimsel düşünce!