Bilim İş Başında

John Lenihan - Bilim İş Başında


II. Bölüm

Tarih

İşe Yaramayan Deney

1945 yılında, radar ve nükleer teknoloji konularında başarılı çalışmalar yapmış bilim adamlarının katılmasıyla, Glasgow Üniversitesi doğa bilimleri bölümünde bazı değişiklikler yaşandı. Bölüm, 1846'dan 1899'a dek profesörlük yapan Lord Kelvin'in etkisinin izlerini taşıyordu.

Bölümdeki odaların tekrar düzenlenmesiyle bu büyük adamın çok sayıda yadigarı gün ışığına çıktı. Bazıları pek değerli şeyler değildi. Örneğin, bulanık bir sıvı ile doldurulmuş uzun bir U-boru bulunmuştu ve bunun uzun zaman önce Kelvin tarafından başlatılan, sıvıların akışkanlığı ile ilgili bir deneyde kullanıldığı söyleniyordu. Profesör P. I. Dee güya şöyle demişti, "Bir hafta daha bekleyeceğiz, o zamana dek deney sonuçlanmazsa vazgeçeceğiz."

Bu hikayenin doğru olup olmadığı bir tarafa, benzer bir deney yaklaşık bir yüzyılı aşıp günümüze kadar ulaştı. Üniversitede hala görülebilen bu deneyde, yaklaşık 50 santimetre yüksekliğinde küçük bir tahta merdiven kullanılmış. Uzun zaman önce üst basamağa yerleştirilen zift kütlesi, dokunulduğunda hala sert, fakat zaman içinde lav gibi aşağıdaki basamakların üzerine akmış.

Kelvin'in deney düşkünlüğü, onun fiziğe yaklaşımının sağlam ve zayıf yanlarını gözler önüne seriyor. 1884 yılında Baltimore'da şöyle demişti:

“Fizikte belli bir konuyu kavrayıp kavrayamadığımızın ölçüsü bana göre, Onun mekanik bir modelini yapıp yapamadığımızdır.”

Baltimore'da verdiği derslerde bir süre sonra aynı konuya döndü:

“Bir şeyin mekanik bir modelini yapana dek kesinlikle tatmin olamam. Mekanik modelini yapabilirsem o şeyi anlayabilirim. Mekanik bir model yapamadığım sürece anlayamam ve elektromanyetizma kuramını kabul edemeyişimin nedeni de budur.”

James Clerk Maxwell tarafindan geliştirilen, ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğuna dair kuram, Kelvin 'in evrene ilişkin görüşüne esaslı bir meydan okumaydı. Galileo ve Newton geleneğinden gelen Kelvin, doğadaki bütün olgular için mekanik bir açıklama bulunabileceğine inanıyordu. Fizik konusundaki bu yaklaşım termodinamik alanında çok başarılı olmuştu ve Kelvin bu yaklaşımı elektrik ve ışık konusundaki çalışmalarında da gayretle sürdürmüştü.

Kelvin'den önce, ışığın dalga kuramı sağlam bir biçimde ortaya koyulmuş ve Newton'un, bir ışık demetinin lambadan veya başka bir kaynaktan yayılan bir parçacık (veya zerre) akışı olduğuna ilişkin görüşünün yerini almıştı. Ancak ışık bir dalga ise içinde yol aldığı ortam nedir; başka bir deyişle, ışık yol alırken dalgaların hareket ettirdiği şey nedir? Deniz dalgaları suyu hareket ettirir; ses dalgaları ile havanın titreşimi arasında bir ilişki vardır ve sismik dalgalar da yerkabuğundaki sarsıntılarla ilgilidir. Bir ışık dalgası, elbette ki havanın veya suyun içinde yol alır, ancak Güneş'ten gelen ışık örneğinde olduğu gibi, boşlukta da kolayca yol alabilir. Evrenin mekanik modelini yapabileceğine inanan biri için, dalgaları taşıyacak bir ortam olmadan bir ışık dalgası var olamazdı.

Işık dalgalarını taşıyan ortam olarak esir kavramı ortaya atıldı. Olağanüstü özellikleri vardı. Işık hızında - saniyede yaklaşık 300.000 km - yol alan titreşimleri taşımak için çok katı olması gerekiyordu. Diğer yandan, Dünya ve gezegenler üzerinde görünür herhangi bir yavaşlatıcı etkisi olmadığı için son derece hafif de olmalıydı.

Genel kanı, rengi ve kokusu olmayan, ancak her yere nüfuz edebilen ve içinden ışık geçtiğinde hareket edebilen, pelte benzeri bir madde olduğu şeklindeydi. Olağanüstü bir biçimde bir araya gelen bu nitelikleri kanıtlaması istendiğinde, Kelvin meselenin "üstesinden gelinemeyecek kadar zor olmadığını" açıkladı. Sonra da, kolay kırılan katı bir madde olduğu halde çok yavaş olsa da bir sıvı gibi akabilen, ziftten ve ayakkabı cilasından söz etti.

Esir, diyordu Kelvin, ışık dalgalarının hızlı titreşimleri karşısında bir katı gibi, ancak diğer durumlarda bir sıvı gibi davranan bir çeşit bal mumudur. Işık dalgaları çok yüksek frekanslı olduğundan esirin tepkisini gözlemek güç olabilir, ancak

. . . her şeye rağmen ayakkabı cilasından daha gizemli bir şey değildir.

Esirin mutlak şekilde hareketsiz bir durumda olması gerektiği de açıktı. Güneş sisteminde sürtünmenin olmaması bir tarafa (gezegenler kütleçekimi yasalarına bütünüyle uyar), esirdeki herhangi bir karışıklık, Ay bir yıldızın yakınından geçerken yıldızdan gelen ışıkta meydana gelen değişiklikler yoluyla saptanabilirdi. Aslına bakılırsa, Ay yıldızı tamamen engelleyene dek hiçbir değişiklik de olmaz.

Bu kadar önemli olmasına karşın esir, varlığı hiçbir zaman saptanamayacak bir şey gibi görünüyordu. Ancak, 1887 yılında A. A. Michelson ve E. W. Morley adlı iki Amerikalı fizikçi tarafından yapılan ustaca bir deney bu konuda bazı umutlar verdi.

Dünya, Güneş çevresindeki yörüngesinde saniyede yaklaşık 32 kilometrelik bir hızla yol alır. İçinde ışık dalgalarının yol aldığı esir ise hareketsiz kalır. Bu nedenle, Dünya ile aynı yönde yol alan bir ışık demeti, ters yönde yol alan bir ışık demetinden daha hızlı olmalıdır. Tıpkı bir yüzücünün dalgayı arkasına aldığında, dalgaya karşı yüzdüğünden daha hızlı yüzmesi gibi. Michelson ve Morley'in hassas deneyi, bu etkiyi bir ışık demeti için gösterecek ve böylece de ele geçmez esirin gerçekten var olduğunu kanıtlayacak şekilde tasarlanmıştı. Ancak deneyin sonucu şaşırtıcıydı.

Kullandıkları alet bir girişimölçer, başka bir deyişle, iki ışık demeti için bir yarış pistiydi. İlk ışık demeti, bir aynaya doğru yollanıyor ve yansıyıp başlangıç noktasına geri dönüyordu. Bu sırada yaklaşık 12 metrelik bir mesafe kat ediyordu. Diğer ışık demeti ise aynı yolu ilkine dik açı yapan bir doğrultuda kat ediyordu.

İlk ışık demeti Dünya'nın Güneş yörüngesindeki hareketi ile aynı yönde gönderilirse, başlangıç noktasına dönmesi, bu yöne dik bir doğrultuda gönderilen ikinci ışık demetine oranla biraz daha uzun sürmelidir. Tıpkı, bir yüzücünün bir nehirde, önce akıntı yönünde bir kilometre sonra da akıntıya karşı bir kilometre yüzmesinin, nehrin akışına dik doğrultuda bir kilometre yüzüp geri dönmesinden daha uzun sürmesi gibi.

İki Amerikalı, teleskopla iki ışık demetinin hareketini gösteren parlak ve karanlık çizgilerin oluşturduğu deseni inceledi. Daha sonra düzeneği doksan derece çevirdiler ve desenin ne kadar değiştiğine baktılar.

Hiç değişmemişti. Ne kadar uğraştılarsa da herhangi bir fark bulamadılar. Bilim çevrelerinin kafası karışmıştı, ancak bu uzun sürmedi. Akla ilk gelen yanıt, esirin var olmadığıydı. Ne yazık ki, o zamanın doğa felsefecileri kral çıplak hikayesinden ders almamışlardı ve hiç kimse deneysel bulguların dayattığı devrimci bir kararı almaya hazır değildi.

İrlandalı fizikçi G. F. Fitzgerald, konuya akla yakın gibi görünen bir açıklama getirdi. Fitzgerald, esir ile atomları bir arada tutan elektriksel kuvvetler arasındaki etkileşim nedeniyle, hareket eden bir cismin boyunun, hareketin gerçekleştiği yönde biraz kısaldığını öne sürüyordu.

İki ışık demeti arasındaki yarışta, Dünya'nın esir içindeki hareketiyle aynı doğrultuda olan pist kısalmış oysa diğer pistin uzunluğu değişmemişti. Aradaki fark, paralel yol ile karşılaştırıldığında dikey yolculuğun daha uzun sürmesini ve yarışın berabere bitmesini açıklamaya yeterdi.

Fitzgerald 'ın kısalma kuramı, Michelson-Morley deneyinin neden başarılı olmadığını kesinlikle açıklıyordu, ancak geçerliliği uzun sürmedi. Yirminci yüzyılın başlarında, Einstein konuyu ele alarak, Newton tarafından ortaya atılan ve bir hareketsizlik durumu ile düzgün doğrusal (yani sabit hızlı) bir hareket durumu arasındaki farkı ayırt etmenin olanaksız olduğunu öne süren görelilik kuramının ilk biçiminden söz etti.

Sabit hızla giden bir uçağın içindeyken, uçağın hareketsiz duran bir bulutun yanından mı geçtiğini, yoksa hareketsiz bir uçağın yanından ters yönde bir bulutun mu geçtiğini söylemek için yapabileceğimiz ikna edici bir deney yoktur. Daha genelleştirerek söylersek, mekaniğin bütün yasaları uçakta da yerde de aynıdır; çay demlikten aynı hızla dökülür ve hoparlörden gelen ses aynı ölçüde bozuktur.

Einstein, Michelson-Morley deneyini Fitzgerald'ın akla yakın kısalma kuramını kullanmadan geçersiz kıldı. Hiç kimse Newton'un, laboratuvar ister hareketsiz olsun isterse bir doğru üzerinde sabit hızla hareket etsin, herhangi bir mekanik deneyinin sonucunun değişmeyeceği yargısını tartışmıyordu bile. Bununla birlikte, Michelson ve Marley bir optik deneyinin farklı bir sonuç vereceğini öne sürüyordu. Einstein bunun saçma olduğunu düşündü. Doğanın yasaları, optik laboratuvarında da dinamik laboratuarında da aynı olmalıydı ve bu nedenle esirin varlığından söz edilemezdi.

Özel Görelilik Kuramı'nın temelini oluşturan bu yargılar 1905'de yayımlandı ve bu esir kuramının sonu oldu. Yine de esir, sonraki 30 yıl boyunca ders kitaplarında tek tük görünmeye devam etti. Sonunda, kalorik ve flojiston (eskiden bütün yanıcı maddelerde bulunduğu varsayıl an ağırlıksız ve uçucu öz) kuramları ile birlikte, geçersizliği kanıtlanana dek yararlı olmuş, şimdiyse çoktan unutulmuş kavramların arasındaki yerini aldı.

Einstein'ın görelilik kuramı bugün bize sağduyunun gücünü kanıtlayan bir şey olarak görünse de, ilk ortaya atıldığında şimşekleri üzerine çekmişti. 1922 yılında İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi'nin Einstein 'a Nobel Fizik Ödülünü vermesi de bu durumu değiştirmedi. Hatta ödül gerekçesinde bile görelilik kuramından söz etmekten kaçınmışlardı.

Esir kuramını geçersiz kıldıktan ve bilimin yasalarına o güzelim değişmezlik özelliğini iade ettikten sonra, Einstein yeni fizik yasasının sonuçlarını dikkatle incelemeye başladı. Mekaniğin temel yasalarının yepyeni bir biçimde formüle edilebileceği sonucuna vardı. Newton 'un hareket yasaları yavaş hareket eden cisimler için tamamen doğruydu, ancak birçok durumda bir cismin hızı arttıkça kütlesi de artıyordu.

Bu değişiklik bir tren ya d a bir otomobil için önemsizdir, oysa bir x-ışını lambasının içinde hızlandırılan bir elektronun kütlesi iki katına çıkabilir. Bir cismin enerjisi arttığında kütlesinin de artacağını gösterdikten sonra Einstein, bir cismin enerjisi azalırsa kütlesinin azalacağını kanıtlayarak çalışmalarına devam etti. Uzun sözün kısası, kütle ile enerji eşdeğerliydi.

Kütle ile enerji arasındaki alışverişin miktarı çok büyüktü ve günümüzde hemen herkesçe bilinen E=mc2 eşitliği ile ifade ediliyordu. Bu eşitlikte E enerji, m kütle ve c de ışık hızıdır. Günlük dilde söyleyecek olursak, herhangi bir maddenin bir gramı 25.000.000 kilovat-saat enerjiye eşdeğerdir.

Görelilik kuramına yapılan bu ekleme, Güneş'in kesintisiz ışınımı konusunda bir açıklama getirerek zor bir problemi de çözdü. Güneş ışınımının maddenin enerjiye yavaş ama verimli bir biçimde dönüşmesinin sonucu olduğunu artık biliyoruz. Aynı basit süreç nükleer enerji ve atom bombası için de geçerli. Kelvin'in oyuncak merdiveninin basamaklarında bir tarih akıyor.

John Lenihan - Bilim İş Başında


Bir sonraki bölüm hazırlandığında linki burada olacaktır




Share this article :

Yorum Gönder

Not: Yalnızca bu blogun üyesi yorum gönderebilir.

 
SUPPORT / DESTEK : ATLAS
Copyright © 2014 ATLASİZM