Fizik tarihinde bir devrim daha vardır ki ardından gelen birleştirme çabaları için diğer her fikirden daha çok esin kaynağı olmuştur. Bu devrim, elektrik ve manyetizma olgularının James Clerk Maxwell tarafından 1860’da birleştirilmesidir.

Maxwell, Michael Faraday’ın 1840’larda iki cisim arasındaki kuvvetin, boş uzayda nasıl iletilebileceği sorusuna yanıt olarak bulduğu alan kavramını kullandı. Bahsi geçen ‘alan’ kavramı, çoğumuzun fizik derslerinden aşina olduğu elektrik ve manyetik alan terimlerinden farklı değildir. Fiziksel olarak, uzayın her noktasında değişik değerler alabilen bir büyüklüğü tanımlar. Bu ‘uzay’ ise, içinde gerçekleşen olayları gözlemleyerek kuramlar üretmeye çalışılan hayali bir koordinat sistemidir. Uzayda dolaştığımızda ve sistemin diğer kolu olan zamanda ilerledikçe alanın değeri sürekli olarak değişir. Ve uzay içinde bulmaya çalışılan kuram, bu değişken değerlerin uzayda ve zamanda nasıl değiştiğini öngörmemizi sağlar. Sonuç ve asıl olarak bir alan, bir cisimden diğerine kuvvet aktarımını sağlar.

Faraday’ın araştırmış olduğu alanlardan biri elektrik alandır ve vektörle tanımlanan bir büyüklüktür. Bir vektörü uzayda belli bir boyda belli bir yöne bakan bir ok olarak düşünebiliriz. Uzayın her noktasında böyle oklar hayal edelim ve komşu oklar birbirine lastiklerle bağlı olsun. Eğer biri çekilirse, komşuları da bundan etkilenecektir. Elektrik yükleri de okların dizilimini değiştirecektir: Oklar uçlarını eksi yüklere sırtlarını da artı yüklere dönerler. Faraday, manyetizma üzerine de çalışmıştı. Bunun için manyetik alan adını verdiği başka tür oklar kullandı. Bu oklar da elektrik alanın elektrik yüklerine göre dizilmesine benzer olarak bir mıknatısın kutuplarına göre yönelirler.

Faraday, elektrik ve manyetik alanların yakınlardaki yüklerden, mıknatıslardan ve diğer alan oklarından nasıl etkilendiğini açıklayan basit yasalar önerdi. Ve bu yasaların deneylerle uyum içinde öngörüleri olduğu bulundu.

O zamanın önemli keşiflerinden biri, manyetik ve elektrik alanların birbirine karıştığı olaylardı. Örneğin bir çember üzerinde hareket eden bir elektrik yükü manyetik alanlara yol açıyordu. Maxwell, bu gözlemlerin manyetizma ve elektrik olgularının birleştirilmesine işaret ettiğini fark etti. Tam bir birleştirme için, kendi ismindeki meşhur denklemlerini değiştirmesi gerekti. Yeni denklemleri, elektrik ve manyetik alanların birbirlerine dönüşmesine izin veriyordu. Bu dönüşümler bir noktadaki alanın elektrik ve manyetik alanlar arasında salınmasına yol açıyor (lastiklerin komşularından etkilenmesini düşünün) ve uzayda dalgalar halinde hareket edebiliyorlardı.

Bu tür dalgalar bir elektrik yükünün ileri geri salınmasıyla oluşturulabiliyor ve bir noktadan diğerine enerji iletilebiliyordu. En şaşırtıcı şey ise, Maxwell’in bu dalgaların hızını hesaplayıp ışık hızıyla aynı olduğunu bulmasıydı. O anda fark etmiş olmalıydı ki elektrik ve manyetik alanların bir araya gelerek oluşturduğu dalgalar ışıktı.

 

Hatırı sayılır bir zafer kazanmış olmasına rağmen, Maxwell’in birleşik kuramı çok önemli bir engelle karşı karşıyaydı. 19. yüzyılın ortasında birçok fizikçi fiziğin birleşmiş olduğuna inanıyordu, çünkü her şey maddeden oluşmuştu (bu Newton yasalarının geçerliliği için gerekliydi). Bu fikre inanan ‘mekanikçiler’ için uzayda dalgalanan bir alan, kabul etmesi zor bir kavramdı. Onlar için Maxwell kuramı anlamsızdı çünkü elektrik ve manyetik alanların arkasındaki esas gerçekliğin, eğilip bükülen bir nesne olması gerektiğini düşünüyorlardı: Işık, bir çiçekten gözümüze ulaşırken bir şey titriyor olmalıydı. Bu, mekanikçilerin her olayı maddi bir sürece indirgeme güdüsünden kaynaklanan bir yanılgıydı.

Problem aslen şöyle tezahür ediyordu: Işık bize Güneş’ten ve yıldızlardan ulaşır ancak dış uzayda madde yoktur. Eğer maddesel bir ortam, ışığın iletimini sağlıyorsa gezegenlerin hareketini de etkilemelidir, ki bu gerçek olsaydı bu etki yüzden hepsi çoktan Güneş’e düşmüş olmalıydı. Bu durumda elektrik ve manyetik alanlar boşlukta nasıl var olabilirdi?

Böylelikle mekanikçiler bir tür madde icat ettiler. Uzayı bununla doldurdular ve adına ‘esir’ dediler. Esir paradoksal özelliklere sahipti; çok yoğun ve sıkı olmalıydı ki ışık onun içinde gezinebilsin ve bir tür ses dalgası gibi davranabilsin. Işık hızının ses hızından çok fazla olması, bu inanılmaz yoğunluğa yol açıyordu. Aynı zamanda, esir maddenin hareketine hiçbir engel oluşturmamalıydı. Bunları bağdaştırmak göründüğünden çok daha zordur. Basitçe esir ve maddenin etkileşmediği kabul edilebilirdi ancak ışık esir içinde dolanan bir dalgaysa, madde tarafından nasıl algılanıyordu? Bütün bunlara gerçek olmasa da zekice açıklamalar getirenlere profesörlük unvanı verilmiş olmasına şaşırmamak gerekir.

Esir kuramı geliştirilirken, fizikçilerin madde kavramı hakkındaki görüşleri de değişmeye başlamıştı. 19. yüzyılın başlarında birçok fizikçi, maddenin sürekli olduğunu düşünüyordu. Ama yüzyılın sonuna doğru elektronun keşfiyle, maddenin atomsal kuramı -en azından bazı fizikçiler tarafından- ciddiye alınmaya başlamıştı. Fakat esir kuramını ve atom fiziğini bir arada düşünmek bir soruya yol açıyordu: Esir dünyasında elektronları ve atomları nasıl betimleyecektik?

Elimizdeki kuramın atom fiziği gerçekleri ile bağdaştırılamaması dışında bir problem daha vardı: Maxwell kuramı, Newton fiziğinin görelilik kavramıyla çelişki içindeydi. Anlaşılıyordu ki, elektromanyetik alanları inceleyen bir gözlemci, hareket edip etmediğini anlayabilecekti. Bu durum, her biri Newton fiziği için merkezi önemde olan, iki birleştirme arasında ciddi bir çelişkiye yol açıyordu: Her şeyin Newton yasaları çerçevesinde madde olarak birleştirilmesi ve hareket ile hareketsizliğin birleştirilmesi. Birçok fizikçi için bu ikilemden kurtulmanın yolu apaçıktı: Maddi bir evren fikri her şeyden -hatta kaza eseri birleştirilmiş gözüken durma ve hareket etme kavramlarından da- önemliydi.

Yine de bazıları görelilik kavramının daha merkezi olduğunu düşünmeye devam ettiler. Bunlardan biri Zürih’te okumakta olan Albert Einstein’dı. Bu bilmece üzerine on altı yaşından başlayarak on yıl kadar düşündü ve nihayetinde, 1905 yılında, çözümün uzay ve zaman hakkındaki anlayışımızın tamamen gözden geçirilmesinden geçtiğini anladı.

Einstein’ın esin kaynağı, Newton ve Galileo’nun, hareketin göreliliğini göstermek için başvurdukları yöntemin bir benzeriydi: Elektrik ve manyetik olaylar arasındaki farklılığın, gözlemcinin hareketinden kaynaklandığını fark etmişti. Kısacası elektromanyetizma, Maxwell’in düşündüğünden bile daha derin bir birleştirme fikrine dayanıyordu. Bu fikir, sadece elektrik ve manyetik olayların tek bir olgunun değişik yüzleri olduğuyla kalmıyor, değişik gözlemcilerin bu iki yüz arasındaki farklılıkları da farklı şekilde betimleyeceğini öneriyordu. Örneğin bir gözlemci, belirli bir olayı sadece elektrik alanlarla açıklayabilirken, o gözlemciye göre sabit bir hızla hareket eden başka bir gözlemci, aynı olayı açıklarken manyetizmaya da ihtiyaç duyabiliyordu. Böylelikle Einstein’ın özel görelilik kuramı doğmuş bulunuyordu; Newton’ın hareket ve hareketsizliği birleştirmesi ile Maxwell’in elektrik ve manyetik olayları birleştirmesi birleştirilmişti.

Bu çıkarımın sonucunda anlaşıldı ki ışık -yani elektromanyetik dalgalar- gözlemciden bağımsız, evrensel bir hıza sahip olmalı, uzay ve zaman kavramları birleştirilmeliydi. Böylece, göreceliğin anlaşılması için elzem olan ve sabit olarak alınması gereken büyüklük, ışık hızı olarak belirlendi. Daha önce kesin bir ayrım vardı: Zaman evrenseldi ve her gözlemci, iki olayın eş zamanlılığı hakkında aynı fikirde olabiliyordu. Einstein gösterdi ki, birbirlerine göre hareket eden gözlemciler için değişik yerlerde olan olayların eş zamanlılığı, değişmez bir olgu değildi.

Mekanikçilerin fiziği birleştirmek için güzel bir fikri vardı: Her şey maddedir. Einstein bundan daha farklı bir birleştirmeye inanıyordu: Hareket ve hareketsizlik aynı şeydir. Eğer mekanikçilere inanıyorsanız, bir gözlemcinin kendi hızını esire bağlı olarak ölçebileceğine de inanmanız gerekir. Einstein’a inanıyorsanız bunun imkânsız olacağını bilirsiniz, çünkü bütün gözlemciler birbirine göre eşdeğerdir. Einstein fikrini desteklemek için daha da derin bir birleştirmeye ihtiyaç duydu: Uzay ve zamanın birleştirilmesi. Her durumda da daha önce kesinlikle değişik olduğu düşünülen iki kavram arasındaki farkların, sadece gözlemcilerin birbirine göre olan hareketinden kaynaklandığı anlaşıldı.

Einstein’ın 1905’te özel görelilik kuramını önermesinden önce, dünyanın esire bağıl hareketini meydana çıkarmak için birçok deney yapılmıştı; bunların hepsi başarısız oldu. Einstein’ın bu deneylerden haberdar olup olmadığını bilmiyoruz ama bu sonuçlar ona sadece destek olabilirdi. Çünkü kendisi bağıl hareketin fark edilemez olduğuna çoktan kanaat getirmişti. Fizikçilerin çoğu özel görelilik kuramını benimsediğinde, Einstein çok daha ileriye yönelmişti bile.

SON

BAŞLANGIÇ

Bilimin sıfırdan şimdiki haline nasıl geldiği, binlerce yıl önce yaşamış insanların şu anki bilimsel gelişmelerde nasıl bir etkiye sahip olduğu sürekli kafamı kurcalayan bir soru olmuştur. Hem bu konuda okuma, araştırma yapmak hem de öğrendiğim şeylerin başka zihinlerde de aynı soru işaretlerini oluşturması ve gidermesini sağlamak için bir yazı dizisi oluşturmaya karar verdim. Bilime bir hobi, bir uğraş gözüyle bakmayan kişilerin bile şu an hayatımızın birçok alanında kullanımımızda bulunan teknolojinin nasıl bir bilimsel altyapı dâhilinde geliştiğini merak etmesi gerektiğini düşünüyorum. Ben de sizlere bu yazı dizisi ile bu bakış açısını kazandırmayı amaçlıyorum. Başlangıç olarak Antik Çağ’da hüküm sürmüş bir tartışmanın nasıl Newton Hareket Yasalarına önayak olduğunu inceleyeceğim. Umarım ki anlatımımdan ve verdiğim bilgilerden bağımsız olarak sizde de bilim ve bilim tarihi hakkında ufak bir merak kıvılcımı oluşturabilirim.

Aristoteles’in hareket ve evren hakkındaki düşünceleri ile başlamak istiyorum. Aristoteles’e göre evrende her elementin doğal bir yeri vardır. Bu yerden ayrıldığı zaman ait olduğu yere dönüş ihtiyacı duyar. Buhar halinde havaya yükselen su, yağmur olup tekrar toprağa düşer. Toprak altına inmiş olan su kaynak halinde toprak üstüne çıkma yolu arar. Böylece su hem ağır hem hafif özellik gösterir. Çünkü ağır olmak düşme hafif olma yükselme eğilimi göstermek anlamına gelir. Ateş daima hafif, toprak daima ağırdır. Hava da su gibi ağır ve hafif davranabilir. Bir taş parçasının yere düşme eğilimi doğal hareketin bir örneği olarak gösterilebilir. Bu hareket daima iki nokta arasındaki en kısa doğrusal mesafeyi izler.

  Ona göre bir cisim hangi elementi daha çok içeriyorsa o element doğal yerine daha hızlı hareket eder. Bu nedenle Aristoteles ağır cisimlerin hafif cisimlerden daha hızlı düştüğünü iddia etmiştir. Bunu söylerken elbette hava direncinin farkında idi ve daha yoğun bir ortamda, örneğin suda, düşme hızının daha az olacağını da düşünmüştü. Bu düşünceye ek olarak ortam inceldikçe hızın artacağını ve tam boşlukta hızın sonsuza ulaşacağını söylemişti. Doğada sonsuz bir büyüklük saçma olacağından doğanın boşluk içermesi fikrini reddediyordu.

Aristoteles gezegenlere ise tanrısal bir bakış açısı ile yaklaşmış ve onlara “kusursuz” olarak nitelendirdiği çembersel yörüngeleri layık görmüştü. Ona göre evrenin merkezinde Dünya bulunurdu ve gezegenler gökyüzünde yön değiştirerek dolanırlardı. Çünkü sonsuza dek dönmeleri için çembersel yörüngelere yerleştirilmişlerdi. Gökteki ve yerdeki hareketin farklı yasalara göre gerçekleştiğini düşünürdü. Aristoteles, “Dünya dünyevi tözden oluşmuştur, bu tözün doğası çember üzerinde dönmek değil, merkeze yönelmektir.” diyerek Dünya’nın evrenin merkezinde olduğu önerisini açıklamıştı. Bu açıklamasından sonra Kopernik’in Dünya yerine Güneş’in merkezde olması ve Dünya’nın gezegenlerden biri gibi ele alınması fikri rahatsızlık verici bir önerme olarak görülmüştü. Eğer Dünya bir gezegense üzerindeki her şeyle beraber hareket halinde olmalıydı. Bu durum Aristoteles’in evren ve hareket görüşlerine aykırıydı. Ve bizim deneyimlerimizle de çelişkiliydi: eğer böyle bir hareket varsa biz neden hissetmiyorduk?

Bu bulmacanın çözümü bilim içindeki en kapsamlı “crossover” olarak gösterilebilir: hareketin ve hareketsizliğin birleştirilmesi. Bu ilke Galileo tarafından önerilmiş ve Newton’ın ‘eylemsizlik yasası’ olarak da bilinen ilk yasasında tanımlanmıştır: hareketsiz olan ya da durağan (sabit bir hız ile) hareket eden bir cisim bu durumunu kuvvetler tarafından engellenene kadar sürdürür. 

Hareket ve hareketsizliğin birliğini anlamak için bir cismin hareket edip etmediğinin mutlak bir anlamı olmadığını kavramak gerekir. Hareket yalnızca bir gözlemciye göre tanımlanır. Asıl problem ise bahsettiğimiz gözlemcinin kendi hareketinin farkında olup olamayacağıdır. Aristoteles’e göre bunu kesinlikle anlayabilir (‘Dünya dönmüyor’ iddiası ile uyumlu bir çıkarım). Newton ve Galileo ise olumsuz görüşte birleştiler. Eylemsizlik ilkesinin de vurguladığı üzere eğer Dünya hareket halindeyse ve biz bunu hissedemiyorsak o zaman sabit hızla hareket eden gözlemciler hareketlerinin farkında olmamalılar. Galileo ve Newton, hareket ve hareketsizliğin kolayca ayrıştırabileceğini savunan diğer düşünürlere karşı bir zafer kazanmıştı. Eylemsizlik, hareket ve hareketsizliği birleştirmişti.

Çeşitli birleştirme önerileri bilimin gelişmesi için önemli ancak kimi zaman tehlikeli olabilecek fikirler içerebilir. İtalyan filozof Bruno’nun “Yıldızlar birer güneştir, yıldızlar Güneş’e oranla çok daha sönüktür, o zaman çok uzakta olmaları gerekir. Bu durumda ise evrenin düşünüldüğünden çok daha büyük olması gerekir” iddiası başta saçmalık olarak görünse de yalnızca yıldızların uzakta olduğunu önermişti ki bu onun zamanında kontrol edilmesi olanaksız bir tahmindi. Bir yıldızın uzaklığını ölçmek için yüzyıllar gerekecekti fakat Bruno zamanında yapılabilseydi yakılmaktan kurtulabilirdi.

Bu olay ışığında görüyoruz ki kavramları birleştirme uğraşı esnasında bazen sınanması imkânsız varsayımlarda bulunabiliyoruz. Bu durum varsayımın yanlış olmasından ziyade öneriyi yapanın tehlikede olduğu anlamına gelebiliyor.

Bundan daha kötüsü de var: bu varsayımlar var olmak için birbirilerine muhtaç durumdalar. Aslında Kopernik, yıldızların, Bruno’nun da söylediği gibi, uzakta olmasına ihtiyaç duyuyordu. Aristoteles’in inandığı gibi yıldızlar yakında olsaydı, Dünya’nın önceden doğru kabul edilen hareketine inanmak kolay olurdu: Dünya dönmediği için yıldızların Dünya’ya göre konumları değişiklik gösterirdi. Bunun neden yaşanmadığını açıklamak için Kopernik yıldızların çok uzakta olduğuna inanmak zorundaydı. Eğer yıldızlar çok uzakta ise nasıl görülebiliyorlardı? Oldukça parlak, belki de Güneş kadar parlak, olmaları gerekiyordu. Sonuçta Bruno’nun Güneş’in de bir yıldız olduğu ve evrenin sonsuz sayıda yıldız içerdiği önerisi, Kopernik’in Dünya’nın bir gezegen gibi hareket ettiği fikriyle uyumluydu.

Görünüyor ki çeşitli “crossover” önerileri çoğunlukla beraber gelişiyor. Yıldızlar ve Güneş’in birleştirilmesi gezegenler ve Dünya’nın birleştirilmesi birbirlerini tamamlar nitelikteydi. Ve her ikisi de asıl konumuz olan hareket ve hareketsizliğin birleştirilmesini gerektiriyordu. Bu yeni öneriler 16. yüzyılda ortaya atıldıklarında diğer bir fikirler kümesi ile çelişki içerisindeydi. Batlamyus’un gezegenler, Güneş ve Ay’ı birleştiren ve episikler (Yunanca’da üzerinde anlamına gelen ‘epi’ ve çember anlamına gelen ‘kyklos’ kelimelerinden oluşur, Latince’de ‘episkl, Türkçe’de ‘dışçember’ ) devindiklerini söyleyen önerisi Aristoteles’in hareket anlayışı ile uyumluydu.

Bu iki çelişen fikrin kendilerine özgü birleştirme önerileri, deneysel destekleri bulunuyordu. Ancak bazen bir deney iki karşıt düşünceyi de destekleyen sonuçlar verebilir. Bunun nasıl olacağını görmek için bir kulenin tepesinden bırakılmış bir küreyi düşünelim. Düşüyor ve kulenin dibinde yere çarpıyor. Batıya doğru gitmiyor (Dünya batıdan doğuya doğru döndüğü için kürenin aşağı düşerken dönme hareketine devam etmeyeceği ve kuleye göre batıda kalacağı düşünülebilir). Bu deney sonucunda söylenebilir ki Dünya kendi etrafında dönmüyor, eğer dönseydi küre kulenin dibinden uzağa düşerdi. Öte yandan Galileo ve Newton bu deneyin kendi kuramlarını doğruladığını söyleyebilir. Eylemsizlik ilkesine göre küre bırakıldığı an doğuya doğru gidiyor ise düşerken de bu hareketine devam edecektir. Ve kule ile küre doğuya doğru aynı hızla gittiklerinden küre kulenin dibine düşecektir. Aristotelesçi bir filozofun Galileo’yu yalanlamak için kullanabileceği deney Galileo için kendi fikrini doğrulayan bir araç olabiliyor.

  Zaman içinde bir birleştirme önerisi diğerlerimden daha fazla olguyu açıklayan bir hale gelebilir ve bu genellikle en basit olanıdır. Tek bir öneri, yeni fikirler öne sürme açısından diğerlerinden üstün, deneylerle desteklenmiş açıklayıcı bir güce ve basitliğe sahip olduğunda gözümüze eşsiz olarak gözükür. Ve içerisinde bir doğruluk payı olduğunu hissederiz.

Buna örnek olarak Alman gök bilimci Johannes Kepler’in önerdiği üç birleştirme önerisine bakabiliriz: her gezegenin yörüngesi belli bir anda Güneş’e uzaklığı ve hızı ile belirleniyordu. Öte yandan hızlar sabit değildi, gezegenler yörünge boyunca hızlanıp yavaşlıyordu. Bütün bu sayılar bütünü ilk bakışta rastgele görünüyordu. Kepler hayatı boyunca gezegenlerin hareketlerini birleştirecek ve incelediği verileri açıklayacak bir ilke bulmaya çalıştı. İlk denemesinde antik geleneklere sadık kalarak kozmolojideki en basit şekilleri kullanmayı düşündü. Yunanların en basit ve güzel kapalı eğri olarak gördüğü çemberleri kullanarak başladı. Ancak bu güzellik çemberin yörüngeler için doğru eğri olmadığı anlaşıldığında kayboldu. Kepler gezegenlerin yörüngelerinin elipsler olduğunu keşfettiğinde kuramını inşa etmeye başladı. Güneş’in kesin bir yeri vardı: her yörüngeyi betimleyen elipsin odak noktalarından biriydi. İlk yasası bu oldu. Kısa süre sonra gezegenlerin Güneş’e yaklaştığında hızlanıp uzaklaştığında yavaşladığını keşfetti. İkinci yasasında bunu anlattı. Son olarak gezegenlerin hızlarını ilişkilendirip yasalarını tamamladı. Bu yasalar ile bulunmuş ve bulunacak tüm gezegenlerin yörüngelerini, konumlarını yalnız iki kere gözlemleyerek bulabilecektik. Bütün bu keşifler sayesinde Newton’ın işi bir nebze kolaylaşmıştı. İnsanüstü sezgi yeteneği ile Güneş’in gezegenler üzerine uyguladığı etki ile bizi Dünya üzerine tutan kütle çekim kuvvetinin aynı olduğunu öngörerek göklerdeki ve yerdeki fiziği birleştirmişti. Newton döneminde aynı anda doğruluğu anlaşılan birçok fikri vardı: Dünya ile gezegenlerin birleştirilmesi, Güneş ile yıldızların birleştirilmesi, hareket ile hareketsizliğin birleştirilmesi ve Dünya üzerindeki kütle çekim ile Güneş’in gezegenler üzerindeki etkisinin birleştirilmesi. Bu önermeler tek başlarına başarılı olamayacak gibi gözükseler de beraberce doğa ve evren hakkındaki anlayışımızı kökten değiştiren bir devrim yarattılar.

SON