Çelişkilere çare aramanın lezzeti: Bilim

TEK DENKLEMDE HER ŞEYİ ÇÖZDÜĞÜNE İNANILAN ‘NEWTON YANILMASI’ DA BİLİMİN BİR PARÇASI

MUHTEREM okuyucularım, geçen hafta “bilim” dediğimiz insan faaliyetinin ortaya çıkışında en önemli faktörün eleştiri olduğunu vurgulamıştım. Eleştirinin günümüzdeki önemini anlayabilmek için size önce Albert Einstein’ın izafiyet (yeni tabirle görecelik) teorisinin nasıl ortaya çıktığını anlatmak istiyorum. Bunu yapabilmek için 17. yüzyılın başına dönecek, İngiliz hekim, fizikçi ve filozof William Gilbert (1544-1603) tarafından yazılan De Magnete Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure (Mıknatıs ve Mıknatıslı Kütleler ve Büyük Mıknatıs Dünya) adlı eserine bakacağız. 1600 yılında yayımlanan bu eserde Gilbert (o zamanki imlasıyla Gilberd) manyetik çekim gücünü, manyetik nesnelerden çıkan ve koku gibi görünmeyen bir şeye bağlamıştı. Gilbert dünyanın da dev bir mıknatıs olduğunu ve içinde demir bulunduğunu ilk söyleyen kişidir.

ELEKTROMANYETİĞİN DOĞUŞU

Elektrik olayları, Tales’in amberin kumaş parçalarını çektiğini fark etmesinden itibaren biliniyordu. İlk defa İtalyan fizikçi Alessandro Volta (1745-1827) volta pilini 1799’da icat ederek güvenilir bir elektrik akım kaynağı oluşturdu. 19. yüzyılın başına kadar, kütle çekimi, mıknatıs gücü ve elektrik gücü birbirinden tamamen bağımsız güçler olarak ele alınıyordu. Bunlardan kütle çekimi fikri ve bunun matematik ifadesi ilk defa Sir Isaac Newton tarafından İtalyan fizikçi Galileo Galilei’nin (1564-1642) normal hareketin eskilerin sandığı gibi dairesel değil düz bir hat üzerinde olduğunun ispatı ve Alman astronom Johannes Kepler’in gezegen yörüngeleri kullanılarak 1687 yılında geliştirilmişti. Burada Galilei yaptığı deneyler sonucunda Aristo’yu, Kepler de gezegen yörüngelerini dairesel sanan Mikolaj Kopernik’i (1473-1543) Danimarkalı büyük astronom Tycho Brahe’nin (1546-1601) yapmış olduğu çok detaylı astronomik gözlemler temelinde eleştirerek fikirlerini geliştirmişlerdi.

İlk defa Danimarkalı fizikçi Hans Christian Ørsted, 21 Nisan 1820’de bir akşam konferansına hazırlanırken, içinden elektrik akımı geçen bir kablonun pusula iğnesini saptırdığını fark etti. Ørsted, bu sapmanın nedenini elektrik kablosundan her yöne yayılan manyetik akımlara bağladı. Bu modelin Gilbert’in mıknatıs modeline olan benzerliğini burada not edelim. Ørsted’in keşfi duyulur duyulmaz Fransız fizikçi André-Marie Ampère (1775-1836) bu keşfi incelemek için bir seri deney başlattı ve arkadaşı François Arago (1786- 1853) ile birlikte içinden elektrik akımı geçen iki kablonun birbirlerini ya çektikleri ya da ittiklerini buldu. İngiliz fizikçi ve mucit Michael Faraday (1791-1867) 1821’de bir mıknatısı iletken bir kablonun yanında hareket ettirdiği takdirde, kabloda bir elektrik akımı meydana geldiğini fark etti. Bu şekilde elektriğin mıknatıslanmaya, mıknatısın da elektrik akımı üretmeye neden oldukları keşfedildi. Bu elektromanyetik dediğimiz fizik dalının doğuşu olmuştur.

IŞIK DA BİR DALGADIR

Faraday, bu olayları mıknatıs ve elektrik kabloları çevresindeki boşlukta bir “güç akımı” oluşmasına bağlıyordu. Bu akımların oluştuğu hacme de “alan” (İngilizce: field) adını vermişti. Bu da Newton’un kütle çekimi gibi nesnelerin birbirlerine uzaktan yaptıkları bir etkiydi. Büyük İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell bütün bu gözlemleri ve matematik ifadeleri derleyerek elektromanyetik olayların karakterini gösteren bir kuram ortaya attı.

Bu kuramın bir parçası elektrik akımının yarattığı manyetik alanın hesabıydı. Bu hesap için Maxwell’in ürettiği denklem içinde karşımıza iki tane sabite, yani değişmez çıkmaktadır. Bunlardan biri uzayın mıknatıs güçleri için olan geçirgenliği, diğeri de uzayın elektrik depolama kapasitesidir. Maxwell bunların göründüğü dördüncü eşitliğinin bir dalga denklemi şeklinde olduğunu fark edince oturup bu sabiteleri kullanarak elektromanyetik bir dalganın hızını hesap etmiş. Çıkan rakam, ışığın hızı olunca kendisinin uğradığı şaşkınlığı tahmin edersiniz. Maxwell’in kendisinden önce yapılan gözlemleri matematik bir dille ifade etmek için geliştirdiği denklemler, ona ışığın hızının bir sabite, yani değişmez olduğunu göstermiş, aynı zamanda da ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu fark etmiş.

Maxwell’in bu çıkarımı 1887 yılında Alman fizikçi Heinrich Hertz (1857-1894) tarafından deneysel olarak ispat edilmiş ve bu deneyde ilk defa radyo dalgaları üretilmiştir. Bugünkü elektromanyetik teknolojimizi Maxwell’in kuramsal çalışmasına ve Hertz’in deneylerine borçluyuz. Frekans birimi olarak kullandığımız “hertz”, Heinrich Hertz’in adından alınmıştır.

TANRI, NEWTON’U KANDIRDI MI?

Şimdi muhterem okuyucularım, 19. yüzyılın ortasında yaşayan fizikçilerin karşılaştıkları muazzam sorunu herhalde anladınız: Maxwell’in dördüncü denklemine göre ışığın hızı boşlukla bir değişmezdir, yani kaynağının hızından bağımsızdır. Bir gözlem sonucu olan bu ifade ise Newton’un mekaniğiyle tam bir tezat teşkil etmektedir. Newton mekaniğinde hızlar toplanır. Siz “a” hızı ile giden bir vasıtadan “b” hızlı bir kurşun sıkarsanız, kurşunun yere nazaran hızı a+b’dir. Halbuki ışığı nereden sıkarsanız sıkın hızı hep saniyede 299.792.458 metredir.

19. yüzyılın ikinci yarısında fizikçiler bu büyük çelişkiye bir çare bulmak için uğraştılar: Hendrik Lorenz (1853- 1928), Henri Poincaré (1854-1912), Pieter Zeeman (1865-1943) gibi isimler bu çabalarla ilişkilidir. Newton fiziği 200 küsur yıldır sarsılamamış bir abide olarak karşılarında duruyordu. O fizik kullanılarak Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) tarafından 1781 yılında Uranüs gezegeni keşfedilmişti.

1846’da gene Newton’un mekaniği kullanılarak Neptün gezegeni keşfedildi.

Büyük Alman filozofu Immanuel Kant (1724-1804), Newton’un gerçeği bulduğuna inanarak “Saf Aklın Eleştirisi” (=Kritik der Reinen Vernunft) adlı kitabını yazmıştı. Newton’un bir elmanın düşüşüyle bir gezegenin yörüngesini aynı denklem içinde ifade edebilen o müthiş kuramı defaatle sınanmış, tüm sınavlardan da başarıyla çıkmıştı. Büyük İngiliz şairi Alexander Pope (1688-1744) ne demişti?

Doğa ve onun sırları gecede saklıydı. / Tanrı, Newton’a “ol!” dedi ve bütün sırlar aydınlandı.

Yüzyıllardır gerçek kabul edilen Newton teorisi nihayet yanlışlanmıştı. Peki yerine ne konulacaktı? Önce fizikçiler Newton’un teorisinin yanlışlandığını kabul etmek istemediler. Maxwell’in denklemlerini gene Newton kuramı içinde açıklayabilmek için pek çok deneme yapıldı. Ama nafile: Bu denemelerin hiçbiri başarılı olamadı. Hepsi gözlemlerle çelişiyordu. Fizik ciddi bir krizin içine düşmüştü.

***********

3 ATIFSIZ BİR MAKALE: İZAFİYET

Nihayet 1905 yılında 26 yaşındaki bir Alman fizikçi, Albert Einstein, “Hareket halindeki cisimlerin elektromanyetiği hakkında” (=Zur elektrodynimak bewegter Körper) başlığını taşıyan 30 sahifelik, içinde tek bir atıf bulunmayan devrimsel makalesini yayımlayarak hepimizin izafiyet (görecelik) kuramı diye bildiği kuramı ortaya attı. Einstein’ın bu makalesiyle dediği şundan ibaretti:

1. Işığın hızı sabittir, kaynağından bağımsızdır ve bu bir doğa yasasıdır.

2. Fiziksel olaylar hangi başvuru noktasından bakarsanız bakın aynıdır.

Bu ifadelerle Newton kuramı nihayet çöpe gitmişti; çünkü o kurama göre ışığın hızının sabit olması mümkün olmadığı gibi, fizik olaylarının değişmezliği sadece tek bir başvuru noktasından, o da evrenin oluşturduğu zaman ve mekân ikilisinden bakılınca mümkündü. Einstein bu her iki varsayımın da yanlış olduğunu, zamanın ve mekânın sabit olmayıp hıza bağlı değişkenler olduklarını gösterdi. Mesela hızınız arttıkça zaman size göre yavaşlar. Bugün kullandığımız küresel yer bulduru sistemi (Global Positioning System yani GPS) çok yüksek hızlı (yaklaşık saatte 14.000 km) uydulara bağlı olduğundan bu uydulardan gelen sinyallerin zamanları hesaplanırken Einstein kuramına göre düzeltmeler yapmak gerekmektedir. Hesaplarınızı Newton kuramına göre yaparsanız kendinizi gerçekte bulunduğunuz yerden 10 km uzakta sanırsınız.

***********

BULURKEN YANILDIĞINI BİLMEK VE SCHRÖDINGER’İN KEDİSİ

Bu devrimsel teoriyi ve on bir sene sonra bunun kütle çekimini de içine alan genelleştirilmiş halini yayımlayan Einstein, büyük bir tevazu içinde, kendi kuramının da eksik ve büyük bir ihtimalle yanlış olduğunu, zira atom altı olayları açıklayamadığını söylemiştir. Atom altı olayların açıklanması Avusturyalı büyük fizikçi Erwin Schrödinger’in (1887-1961) 1926 yılında yayımladığı meşhur makalesini bekleyecekti. Bu makale yayımlandıktan sonra Einstein’ın kuramı ile Schrödinger kuramının tek bir kuramda birleştirilmesi çalışmaları başladı. Bugüne kadar bu konuda bir ilerleme sağlanamamıştır. Einstein’ın kendisi, Schrödinger denklemlerinin gerçeğin bir tasviri olmadıkları kanaatindeydi ve bu kanaatini ölene kadar muhafaza etti. Bugün fizik, 19. yüzyılın ikinci yarısındaki krize benzer bir sıkıntı içine girmiştir gene. Yeni bir veya birkaç Einstein çıkana kadar bu durum sürecektir, zira eldeki fizik kuramlarının hiçbiri, eski kuramlara nazaran çok daha fazla gözlemi açıklayabildikleri halde, tatminkâr değildir.

Önümüzdeki hafta, yirminci yüzyılın altmışlı yıllarında geliştirilen levha tektoniğinin hikâyesini anlatacağım. Orada da mevcut kuramların gözlemle eleştirilerek nasıl kapsamlı bir yer davranışı kuramına varıldığını göreceğiz. Bugün anlattığım tarihçe gibi orada da mevcut kuramların gözlemle eleştirilmesini, gözlemin yanlışladığı kuramların terk edilerek yerlerine daha kapsamlı, daha tatminkâr kuramların geçtiğini göreceğiz. Bu şekilde çeşitli bilim dallarındaki temel kuramların nasıl ortaya çıktıkları ve nasıl geliştiklerini öğrenerek bilimin genel karakteri hakkında bir fikir sahibi olacağız.

***********

DÜNYA SEYAHATLERİMİZDE BİLİMİ ANLAMAK İÇİN NERELERE GİDELİM?

GEÇEN hafta sizlere Deutsches Museum’u tanıtarak gezmenizi önermiştim. Bu hafta da aynı şehirde, yani Münih’te bulunan Bayerische Staatssammlung für Paläontologie und Geologie’yi (=Bavyera Paleontoloji ve Jeoloji Devlet Koleksiyonu) önermek istiyorum. Bu önemli bir doğa tarihi müzesidir. İçinde yakın zamana kadar bilinen en eski kuş olan, aslında bir sürüngen- kuş geçişini temsil eden Arkeopteriks fosillerini görebilirsiniz. Aynı koleksiyonun mineralleri ise Münih Teknik Üniversitesi’nde sergilenmektedir.

Adres: Bayerische Staatssammlung für Paläontologie und Geologie

Richard-Wagner-Str. 10, 80333 München

Telefon: +49 (0) 89 2180 6630

20 Temmuz 2017-31 Mart 2019 tarihleri arasında müzenin kuruluşunun 175. yılı kutlamaları çerçevesinde Paläontologie und Geologie im Wandel der Zeit (=Zaman İçinde Paleontoloji ve Jeoloji) adlı bir de sergi vardır. Bunu da gezmenizi öneririm.