Klasik Fizik’te Dünyamız
Fizik bilimi, eski Yunancada doğa bilimi olarak kabul edilirmiş. Terimsel tanımına baktığımızda ise enerjiyi, maddeyi ve maddenin temel özelliklerini inceleyen-irdeleyen en temel bilimdir. Fizik biliminin derinlerine indiğimiz zaman enerji ve maddeyi ayrı ayrı incelemediğini görmekteyiz. Fizik bilimi enerji ile madde ilişkilerini de incelemektedir. Aslında Fizik bilimi en temel bilim olmaktan ziyade doğa bilimlerinin anası sayılır. Çünkü Fizik bilimi, atomu yani maddenin en küçük birimini ve diğer doğa bilimleri ise bu atomlardan oluşan molekülleri, maddeleri veya yapıları incelemektedir. Bu incelenen yapılar kendisini oluşturan en küçük temel birimden farklı olamayacağına göre Fizik bilimi aslında diğer bilimlerinin de temelini oluşturduğunu görebilmekteyiz. Doğa bilimlerinin anası saydığımız bu bilim dalı Klasik Fizik ve Modern Fizik diye iki alt birime ayrılmıştır. Fizik biliminin temelde niye ikiye ayrıldığını en iyi şekilde görebilmek için “Fiziğin Tarihçesine” bakmak gerekmektedir.
Fizik bilimi doğa bilimlerinin anası olduğu gibi en temelde incelenebilinen ve üzerinde çalışılan en eski bilim dallarından biridir. Öyle ki milattan önce diye tabir ettiğimiz antik çağda bile Fizik bilimi adına gerek Yunanlı filozofların gerek de Doğulu âlimlerin katkıları olmuştur. 1900’lü yıllardan önceki fizik bilimi çalışmaları “Klasik Fizik” ile ifade edilmektedir. Bunun en temel sebebi ise 1900’lü yılların başında yapılan bilimsel çalışmaların geçmiş yıllardaki kuralları da kapsadığı dahası yeni bir çığır açtığı görülmektedir. Bunun en açık örneğini ise Klasik Fiziğin en ünlü bilim insanı olan Newton’un evrensel bilime armağan ettiği hareket kanunlarının ışık hızında hareket eden cisimlerde geçerli olmayışıdır. Belki de Einstein’ın rölative teorisi Klasik Fizik ile Modern Fiziği ayıran en ince çizgi olmuştur.
Rölative teorisi Newton’un hareket kanunlarını kapsamakla kalmayıp Fizik biliminde yeni dünyaların, yeni ufukların doğmasına vesile olup günümüzde geldiğimiz noktanın temelini oluşturmuştur. Işte rölativite teorisi ile başlayan bu macera kitabımızın da konusunu teşkil etmektedir.
Klasik Fiziğe gelince en şaşalı dönemlerini Newton ile beraber başlatmış ve 1900’lü yılların başına kadar sürdürmüştür. Ancak Newton’dan önce de bir takım gelişmeler yaşanmıştır. Antik Çağ Dönemlerinde Antik Yunanlı Filozoflar ile Doğu âlimleri tarafından bazı gelişmeler yaşanmıştır. Bu dönem ve bu dönemden Orta Çağ dönemine kadar yapılan çalışmalar aslında Fizik Bilimi adına yapılmamıştır. Çünkü o dönemlerde sistematik bir bilim yoktu. Bu yapılan çalışmalar “doğa felsefesi” adı altında ve günümüz Fizik bilimine yönelik çalışmalar olmuşlardır. Klasik fiziğin kapsadığı temel başlıkları ise şunlar olmuştur:
*Madde: Antik Çağ ve Ilk Çağ’daki düşünürler hep maddeyi tanımlamaya, temel birimlerini bulmaya ve maddenin özelliklerini anlamaya çalışmışlardır. Atom modelleri gibi çoğu düşünürün de madde modeli vardı. Her zaman olduğu gibi o zamanda bilim sorularla ilerliyordu. Bir madde bölünse ne olur? Iki kere bölünse, üç kere bölünse ve daha fazla bu maddenin parçalarındaki kimyasal özellikleri hep aynı mı kalırdı? Bu tarz sorular o zaman ki düşünürlerin, âlimlerin hep ilgisini çekmiştir ve onları çözüm bulmaya, uğraş vermeye itmiştir. Madde üzerine düşünen önemli filozoflar arasında Leucippus ve öğrencisi Demokritos (Democritus) maddenin parçalanmasının sınırlı olduğunu ve mutlaka bir noktaya gelindiğinde bölünmenin duracağını düşünmüşlerdir. Gelinen bu son noktaya da Eski Yunancada bölünemez olarak anlam taşıyan atom sözcüğünü kullanmışlardır. Ancak atomdan daha önce “yaşamın tohumları” diye bahseden Anaksagoras atom fikrini ilk ortaya atan filozoftur. Oysaki bizler şimdi gelinen bu son noktanın Einstein ile daha da ötelere taşındığını ve artık atom altı parçacıkların varlığını biliyoruz. Klasik fizik ile modern fiziğin arasındaki ayrılıklardan biri atomun (veya maddenin) bölünmezliği konusudur. Bu noktada ufak da bir anekdot belirtmek istiyorum. Albert Einstein’dan yaklaşık 1200 sene önce yaşayan Cabir Bin Hayyan atomun parçalanabileceği fikrini çalışmalarında öne sürmüştür. Hatta atom hakkındaki şu sözlerine yer vermek bu anekdotu daha da süsleyeceği düşüncesindeyim:
“Maddenin en küçük parçası olan ‘el-cüz’ü la yetecezza’ da yoğun bir enerji vardır. Yunan bilginlerinin söylediği gibi bunun parçalanamayacağı söylenemez. Atom parçalanabilir. Parçalanınca da öyle büyük bir güç oluşur ki bir anda Bağdat’ın altını üstüne getirebilir.”
Cabir Bin Hayyan bu dönemde maddeyi de üçe ayırmıştır:
- Sıcaklıkla buharlaşabilen maddeler
- Çekiçle dövüldüğünde parlaklık kazanan ve ses çıkartabilen maddeler
- Çekiçle dövülemeyen ve toz haline getirilemeyen maddeler
Platon’un öğrencisi Aristo ise atom düşüncesi yerine nitel bir madde modelini savundu. Bu modeli açtığımızda maddeyi sıcak-soğuk, ıslak-kuru gibi niteliklere bağlayarak değerlendirdiği görülmekte. Empedokles ise tüm bu ön görüler dışında evrenin ateş, su, toprak ve havadan oluştuğunu savunmuştur. Daha sonra Orta Çağ’dan çıkan Avrupa’da bilimsel gelişmeler hızla büyüdü. Madde üzerine artık deneysel verilerle fikirler yürütülebiliyordu. Bu fikirler neticesinde atom modelleri oluşturulmuştu. Her bir atom modeli atomun biraz daha aydınlanmasına olanak tanıyordu. Bu atom modellerini kitabımızın ilerleyen bölümlerinde ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.
*Hareket: Antik Çağ ve Ilk Çağ’da ise ünlü düşünürlerden Aristo hareket üzerine şu düşüncelere varıyordu en basit anlatımıyla, duran cisimler durmaya devam eder ve hareketli olan cisimler ise durmaya çalışırlardır. Herakleitos ise evrendeki tüm cisimlerin sürekli hareketli olduklarını savunuyordu. Ancak özellikle Aristo’nun mekaniği üzerine çalışmalar daha sonra sürdürülmüştür. Newton 17.yüzyılda Aristo’nun düşüncelerini daha da genişleterek kendi adını taşıyan hareket kanunlarını ortaya koymuştur. Newton yaptığı çalışmalarla doğa felsefesinin sonuna klasik fiziğin ise artık başlı başına bir bilim dalı olmasına olanak tanımıştı. O dönem içerisindeki hareketleri en genel çevrede tanımlayabilen bu kanunları oluşturmuştu. Nitekim hâlâ ışık hızının çok çok altı hızlarda hareket eden cisimlerde bu kanunlar geçerli olmuştur. Newton’un üç hareket kanunu vardı:
- Eylemsizlik prensibi: Bir cisim üzerine bir kuvvet etki etmiyorsa ya da etkiyen kuvvetlerin bileşkesi sıfırsa o cisim duruyorsa durur eğer başlangıçta bir hareketi varsa o hareketine devam eder.
- Newton’un ikinci hareket kanunu: Bu kanun ise bizlere bir cisme bir F kuvveti varsa o cismin mutlaka ivmesi vardır. Bunu da F=ma ünlü formülü ile evrensel fiziğe armağan etmiştir.
- Etki – tepki prensibi: Bu prensip ise bir cisim diğer bir cisme bir kuvvet etki ediyorsa etkilenen cisim de etkiyen cisme eşit ama zıt yönlü bir kuvvet uygular. Bu yasaya da etki – tepki prensibi denir.
Newton’dan önce hareket üzerine çalışmalar da vardı. Örneğin Galilei Galileo serbest düşme hareketini tanımlamıştı. Galilei serbest düşme hareketini tanımlayan yasasında, hareket sırasında alınan yolun kütleye bağlı olmadığını geçen sürenin karesiyle orantılı olduğunu açıklamıştır.
*Gök mekaniği ve kütle çekimi yasası: Bu çalışma alanında yine insanoğlu ilk zamanlarında merakına yenilerek gördüklerini sorguluyordu. Işte bu sorgulamaların birinde dünya, gezegenler ve gökyüzündeki diğer cisimlerin hareketleri insanların hep ilgisini çekmiştir. Ilk zamanlarda ortaya atılan düşünce modeli yaklaşık 1400 yıl boyunca kabul görmüş milattan sonra 2.yüzyıldan başlayarak. Bu dönemde evrenin dünya merkezli olduğunu savunan modelini Yunanlı astronom Claudius Ptolemy geliştirmiştir. 1543 yılında Polonyalı astronom Nicolaus Copernicus Güneş merkezli evren modelini ortaya attı. Dünya’nın ve var olan diğer gezegenlerin Güneş etrafında dairesel bir yörünge ile dolandıkları düşüncesini savundu. Kepler’in hocası Danimarkalı astronom Tycho Brahe, uzun yıllar boyunca gözlemler yaptı, hesaplamalar geliştirdi. Gezegenlerle beraber gözlenebilen 777 yıldızın konumlarını ölçmeye çalışmıştır. Bu çalışmalarını ise pusula ve yükseklikölçer ile yapmıştır. Ancak tüm bu yaptığı hesaplamaları ve gözlemleri yorumlayamadan ölmüştür.
Alman astronom Johannes Kepler, hocasının izinden giderek yarım kalan çalışmaları tamamlamış ve tüm verileri yaklaşık 16 yıl gibi uzun bir sürede yorumlamıştır. Sonuçta Kepler Yasaları diye bilinen aşağıda belirttiğim üç temel yasayı bulmuştur:
- Bütün gezegenler bir odak noktası (güneş) etrafında eliptik yörüngelerde dolanırlar.
- Güneş’ten herhangi bir gezegene çizilen yarıçap vektörü, eşit zaman aralıklarında eşit alanları tarar.
- Herhangi bir gezegenin yörünge periyodunun karesi, eliptik yörüngesinin büyük ekseninin yarısının kübüyle orantılıdır.
Kepler yasaları bulunduktan sonra Newton’un evrensel çekim yasası gökler mekaniğinin artık bir bilinmeyenden çıkarıyordu. Bu önemli yasa, evrendeki her cisim başka bir cismi, kütlelerinin çarpımıyla doğru orantılı ve aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olan ve bir sabit ile çarpılan bir kuvvetle çeker. Newton’un bu yasası evrendeki her şeyi bir arada tutan bir yapışkanı kütle çekim kuvvetini tanımlıyordu. Bu gökler mekaniğinin önemli şaheseri bundan sonraki yapılacak gözlemlerde hesaplamaların ve yorumların da daha kolay olmasını sağlamıştır.
*Ses: Ses ile ilgili ilk çalışmalar yine ilk çağlarda yapılmış. Ilk olarak Yunanlı filozof Chrysippus ve Romen mimar ve mühendis Vetruvius ile Romen filozof Boethius sesin dalgalar halinde yayıldığını ve bunun su dalgalarıyla benzer bir durum olduklarını düşünmüşlerdir. Aristo ise sesin havanın içindeki taneciklerin titreşerek yayıldığını savunmuştur. Pisagor’un da bu kuramlar üzerine savunduğu düşüncelerle beraber bir temel oluşmuştu ve bu temel üzerine de Marin Mersenne, Galileo Galilei gibi bilim adamları yaptıkları çalışmalarla sesi ve ses dalgalarını tanımlamaya çalışmışlardır. 1640 yılında Robert Boyle, sesin oluşumu ve aktarımı üzerine deneyler yaptı. Gassendi ise bu çalışmalar üzerine ses hızı ile atomların hızını karşılaştırarak frekans değeri üretmeye çalıştı. Newton ise ses dalgalarının mekaniğini inceledi. Bu çalışmalardan sonra Euler, Lagrange ve d’Alembert gibi bilim adamları ses üzerine uygulanabilir bir teori geliştirdiler. Bu teoride bu çağdaki diğer gelişen fiziksel gelişmeler gibi matematiksel ifadelerle dökülmüş denklemler yer almaktaydı.
*Işık (Optik) : Bu alanda Ilk Çağ’da Ibn-ül Heysem’in yaptığı çalışmaları görüyoruz. Optik Hazinesi adı altında bir eseri de mevcut olan Heysem, bu kitabında Yunanlı düşünürlerin savunduğu gözden nesnelere ışınlar yaydığı ön görüsü yerine ışık ışınlarının göze nesneden geldiğini öne sürdü. Bu öne sürdüğü düşüncenin kanıtlarından biri ilgimi epey çekmiştir ve sizlerin de çekeceğini umuyorum. Heysem’e göre “Ne zaman yıldızlara baksak onları anında görürüz. Eğer ışınlar gözden çıkmış olsaydı, yıldızları görmemiz için belirli bir zamanın geçmesi gerekirdi. Böyle olmadığına göre demek ki ışınlar gözden çıkmaz.” dedi ve böylece ışınların gözden değil, nesneden çıktığını kanıtladı. Aslında burada yıldızlardan gelen ışığın da yıllar öncesinden geldiğini bulmuş oldu veya kanıtladı. Ayrıca Heysem, ışığın kırılması olayına da açıklama getirmiştir. Açıklamasına göre ışığın kırılmasının nedeni; ışığın hava, cam, su gibi farklı ortamlarda farklı hızlarla hareket etmesidir.
İbn-ül Heysem’den sonra optiğin gelişmesi 16. ve 17. yüzyıllara denk gelmektedir. Özellikle Kepler, Huygens ve Newton’un çalışmaları optiğin önemli çalışmaları arasında yerini alır. Kepler, mercekler için bir geometri kuramını geliştirmiştir ve ayrıca teleskopların matematiksel incelemesini yaparak optiğin gelişmesinde katkıda bulunmuştur. Huygens ve Newton’un optiğe katkıları daha çok ışık üzerine olmuştur. Huygens’den önce Newton ışığın parçacıklar halinde yayıldığı savını ortaya atmıştı.
Huygens ise Newton’un bu düşüncelerini açıkladıktan sadece birkaç yıl sonra ışığın dalgalar halinde yayılması gerektiğini ve her iki bilim adamı da esirin varlığını kabul ettiğini görüyoruz. Peki, bu iki bilim adamı yanlış mı düşünüyordu?
Elbette ki hayır daha sonraları Maxwell ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu bulduktan sonra de Broglie aslında ışığın hem parçacık şeklinde hem de dalgalar halinde yayıldığını tüm bilim dünyasına açıklıyor. Esirin olmadığı Michelson- Morley deneyi ile kanıtlanıyor. Bundan sonraki ışık ile ilgili tüm gelişmeler kuantum fiziğinde irdeleniyor ve büyük bir çağ başlıyor fizik bilimi ve dünyamız için.
*Termodinamik: Her ne kadar üzerine yapılan çalışmalar ilk çağlara uzansa da termodinamik üzerine yapılan önemli çalışmalar atomun yapısının modellemeleri yapıldığı sıralarda akıllara gelen maddenin yapısı ve ısı, sıcaklık ilişkileri ile ilgili sorularla başlamıştır.1827 yılında Ingiliz Botanikçi Robert Brown, bir sıvı içerisinde bulunan küçük taneciklerin düzensizce bir şekilde hareket ettiğini bulmuştur.1905 yılında Albert Einstein bu hareketleri termodinamik prensipleri ile açıklayarak bir teori kurmuştur ve bu hareketlere de Brown Hareketleri denilmiştir. Bu bahsedilen prensiplerin temelinde ise 1824 yılında Carnot ve 1850 yılında Clausius ve Thomson tarafından açıklanan Termodinamiğin birinci ve ikinci yasaları yatmaktadır. 1906 yılında Nernst Termodinamiğin üçüncü yasasını da bulmuştur. Maxwell ve Boltzmann da Nernst’ten önce gazların kinetik kuramını geliştirmişlerdir.
*Elektrik ve Manyetizma: Bu alanda yapılan çalışmaların bir ucu yine antik döneme ilk çağlara değmektedir. Bu dönemlerde düşünürler maddeyi anlamaya çalışırken magnet isimli maddenin de yapısını çözmeye çalışıyorlardı. Manyetizmanın ilk adımları bu madde üzerine fikirler yürütülürken atılmıştı. Milattan önce 700’lü yıllarda bir kehribar parçasını sürterek elektriklendirilip bir saman parçasının çektiğini buldular.1600’lü yıllarda elektriklenmenin genel olduğu ortaya çıktı.1700’lü yıllarda Benjamin Franklin elektrik yüklerini pozitif (artı) ve negatif (eksi) diye ikiye ayrıldığını gördü. Zıt yükler birbirlerini çekiyorlardı aynı işaretli yükler ise birbirlerini itiyorlardı. Daha sonra Coulomb iki yük arasındaki elektrostatik çekim kuvvetini hesapladı. Buna göre yüklerin çarpımı bölü uzaklığın karesi ve bir de sabit çarpanı ile bu elektrostatik kuvvet hesaplanabiliyordu ve bu elektrostatik kuvvet, kütle çekim kuvvetinin hesaplanması ile büyük bir benzerlik sağlıyordu. Daha sonraları yapılan çalışmalarla elektrik üreteçleri üretildi ve böylece elektrik daha da gelişmeye başladı. Oersted ve Ampére manyetizma ve elektrik arasındaki ilişkiyi kurdular yaptıkları çalışmalar ile ve elektrik ile manyetizma arasındaki duvarları yıktılar böylece. 1831 yılında Faraday elektro magnetik indüksiyonu buldu ve arkasından 1855 yılında Maxwell elektromagnetizma kuramını kurarak fizik bilimi büyük bir hızla ilerlemesini sürdürmüştür.
20.yüzyılın başlarında Fizik Bilimi artık çoğu noktalarda tükeniyordu. Atom bölünemez düşüncesi hâkimdi, elektromanyetik teori geliştirilmiş ve Newton’un hareket kanunları ile evren sınırlandırılmıştı. Oysa ki bu çalışmaların üzerine yoğunlaşan ve aslında her şeyin bitmediğini kanıtlayan bir bilim adamı vardı. Evet, o bilim adamı Albert Einstein idi. Atomun parçalanabileceğini gösterdi bunun öncesinde Newton’un hareket kanunlarının üzerine kendi geliştirdiği fikirleri ekleyerek evreni mutlak uzay zaman kavramından kurtardı. Yayınladığı görelilik kuramları ile bizlere yeni dünyanın kapılarını araladı Albert Einstein.
Bu yazı Talha Zafer ile 2008 yılında hazırladığımız “Modern Fiziğin Doğuşu” isimli elektronik ücretsiz kitabımızdan olduğu gibi burada yayınlanmıştır. Şu an kitabımızı güncellediğimiz için yayından kaldırdık ama ilerleyen zamanlarda güncel haline erişebilirsiniz. itabın bundan sonraki bölümlerimizde Kuantum Fiziğin giriş kısımlarını işleyeceğiz. Modern fizik öncesinde atomun doğuşunu ve Einstein’in görelilik ilkelerini inceleyeceğiz. Daha sonra kuantum fiziği ile modern fiziğe resmen başlamış olacağız.
Gökhan Atmaca – http://twitter.com/kuarkatmaca
