bilimkurgu kulubu

Bilim & Teknoloji esir

Tarih: 2 Temmuz 2016 | Yazar: Sinan İpek

0

5. Element: Esir #2

Bin yıllık “esir” fikri nihayet 1905 yılında Einstein’den son darbeyi alarak, tarih oldu… Ancak insanlık bu noktaya birden bire gelmedi tabii… Zamanın en büyük dâhileri, esir fikrini yaşatmak için çok çabalamışlardı, ama nafile… Fikir bir türlü yerli yerine oturmuyordu. Bir deneyi açıklamak için geliştirilen bir model, başka bir deneyin sonuçlarını açıklamakta yetersiz kalıyordu. Ama bilim insanları inatla esir düşüncesini terk edemiyorlardı. Ta ki bilimsel camiada tanınmayan, akademik kariyeri bile olmayan, kendi halinde bir memur ortaya çıkıp da paradigmayı değiştirene kadar bu böyle sürüp gitti.

Bu yazımızda özellikle 19. Yüzyılda bilimsel toplumun ışığın doğasını ve boşlukta yayılmasını açıklamak için esir düşüncesini neden ve nasıl bir türlü terk edemediğini göreceğiz. Elbette, bu onlara bir suçlama olmayacak. Derya içinde olup da deryayı bilmeyen balık misali zamanın bilimsel temayüllerinin (paradigmanın) dışına çıkmayı başaramamışlardı sadece. Dışarıdan birisi, belki de bir amatör tarafından paradigmanın yıkılışının tuhaf öyküsüdür bu.

esir 2

Kaldığımız yerden devam edelim.

Einstein’den önceki son dahi olan Isaac Newton, ışığın parçacık olduğuna inanıyordu. Parçacıkların hareket etmek için bir ortama (esir) ihtiyaçları yoktur. Öyleyken Isaac Newton esir fikrini terk etmemiştir. Bunun nedeni Newton’un ısı ve yerçekimi gibi bir takım olguları açıklamak için esire ihtiyaç duyulduğuna inanmasıdır.

Newton’dan önce Huygens ışığın eter adlı bir ortamda yayılan bir dalga olduğunu öne sürer. Ancak ışığın bir dalga olduğu görüşü, Newton tarafından reddedilir. Çünkü bazı kristallerde gözlenen çift kırılma olgusu dalga teorisi ile açıklanamamaktadır.

edir

Çift kırılma…

Her iki bilim insanı da sadece boyuna dalgaları biliyorlar, ışığın yanal bir dalga olabileceğini düşünemiyorlardı. Dalga teorisine model olarak aldıkları su ve ses dalgaları boyuna dalgalardı. Hareket yönüne dik olarak titreşim yapan yanal dalgaların hiç bir örneğini bilmiyorlardı. (Şekli inceleyiniz.) Ancak, sonradan ışığın yanal bir dalga olduğu anlaşıldı. Yanal dalgalar kutuplaşırlar (yani polarize olurlar ki bu da bazı kristallerde gözlenen çift kırılma olgusunu açıklayabilirdi.

Newton, kendi ışık kuramında ışığın tam küresel değil, şehriye gibi elipsoid taneciklerden oluştuğunu düşünmüştür. Böylece ışığın bazı yüzeylerde neden iki farklı kırılma açısı yaptığını, yani çift kırılma olgusunu açıklayabileceğini düşünmüştür. Ayrıca Newton, içinde ışığın yayıldığı bir esir ortamı bulunsaydı bunun sonsuza uzaklığa değin yayılmış olması gerektiğini, böylesi bir ortamın da gökcisimlerinin hareketini engelleyeceğini söylemiştir. Demek, Newton’un yerçekimi ve ısı gibi olayları açıklamak için ileri sürdüğü esir ortamı, gökcisimlerinin hareketini engellemiyordu (!)

Ondes_cisaillement_2d_20_petit

Bu arada 1720 yılında çok önemli bir gelişme oldu. James Bradley adlı bir bilim adamı yakın yıldızların paralaksını ölçme girişiminde bulundu. O zamanın imkanlarıyla ölçülemeyecek kadar küçük olan paralaks değerini ölçmeyi başaramasa da daha ilginç bir olguyu tespit etti.  Yıldızların ışığı Dünya’ya yılın farklı zamanlarında farklı açılarla geliyordu. Bu olgu tıpkı koşan bir adamın yağmur damlalarının yere düz bir şekilde değil de eğik olarak düştüğünü görmesine benzer. Daha hızlı koşan bir adam, damlaların daha da eğik olduğunu görür; yıldızlardan gelen ışık da Dünya’ya yıl boyunca farklı açılarda geliyordu. Daha ilginci, bu açı ışığın hızı ile Dünya’nın yörünge hızının vektörel toplamına eşittir. Bu olgu aberasyon açısı olarak biliniyor.

Aberasyon açısı, ışık hızının esire göre sabit olduğuna dair ilk ipucunu vermişti. Yani esir, Dünya’nın hareketinden etkilenmiyordu (çünkü öbür türlü aberasyon açısı ortaya çıkmazdı.) Bradley, ilk defa olarak aberasyon açısından ışığın hızını ölçmeyi de başarmıştır.

Bradley’in gözlemi, ışığın tanecik teorisini desteklemiştir. Çünkü bu olgunun dalga teorisiyle açıklanması güçtü.

Ancak, bir yüzyıl sonra ışığın yanlamasına bir dalga olabileceğini fark eden Thomas Young ve Augustin-Jean Fresnel’in çalışmalarıyla ışığın dalga teorisi yeniden canlandı. Bu iki bilim insanının çalışmalarına göre esir Huygens’in ileri sürdüğü gibi bir gaz ya da sıvı değil de bir tür katı olmalıydı.

Ancak gökcisimlerinin hareketini etkilemeyen bir “katı” kulağa pek de mantıklı gelmiyordu. Bunun üzerine Augustin-Louis Cauchy belki de esirin Dünya’nın hareketi ile sürükleniyor olabileceğini öne sürdü.

Sorun şuydu ki sürüklenen katı esir modeli, aberasyon açısını açıklamakta yetersiz kalmıştı. Yani Dünya esir içinde hareket ederken onu da beraberinde sürüklüyorsa aberasyon açısı diye bir olgu gözlemlenemezdi.

Yine aynı sıralarda Cauchy eterin negatif sıkıştırılma katsayısına sahip olması gerektiği de ileri sürmüştü. Öte yandan George Green eter akışkanının stabil olamayacağını gösterdi.

Yukarıda yazdıklarımızı kısaca özetlersek: Esir ne sıvı olabilir ne de katı! Hangisini doğru kabul edersek edelim, ortaya bir çelişki çıkmaktadır.

Bu çelişkiyi açıklamak için George Gabriel Stokes tarafından yeni bir model ortaya atıldı. Buna göre esir düşük hızlarda sıvı gibi, yüksek hızlarda katı gibi davranmalıydı. Bu model esirin neden Dünya’nın hareketinden etkilenmediğini de açıklardı. Dünya yavaştı. Yavaş cisimlerin hareketi esiri etkilemezdi. Böylece aberasyon açısının açıklaması da yapılmış oluyordu. Buna göre esir Dünya’nın hareketini engellemeyecek denli akışkan, ama ışığı taşıyabilecek denli esnek bir katı olarak düşünülebilirdi.

Işık ve Elektromanyetik Alan

esir

1856’da Wilhelm Eduard Weber ve Rudolf Kohlrausch manyetik yük biriminin elektrik yük birimine oranını ölçtüler. Sonucun şaşırtıcı bir şekilde ışık hızı ile karekök ikinin çarpımı olduğunu fark ettiler. Sonraki yıl Gustav Kirchhoff bir elektrik telindeki sinyal hızının ışık hızına eşit olduğuna dair bir makale yayınladı. Yani elektromanyetik olgular ile ışık hızı arasında bir ilişki olduğuna dair kanıtlar ortaya çıkmaya başlamıştı. Bunlar ışığın elektromanyetik doğasına dair ilk verilerdi.

Peşinden James Clerk Maxwell’in elektromanyetik dalgalar üzerine ünlü çalışması geldi. Maxwell, Weber ve Kohlrausch’ın ölçümle buldukları şeyi teorik olarak elde etti. Buna göre elektromanyetik dalgaların hızı, Fizeau tarafından ölçülen ışık hızına çok yakın bir değerde olmalıydı. Bunun anlamı: Elektromanyetik dalgalar ışık hızında hareket etmekte!

Maxwell, Newton’un ses için yazdığı denklemlerden faydalanarak ışığın esir ve normal maddenin karışımı olan bir ortamda, tıpkı ses gibi yayıldığını düşünmüştür. Kurduğu denklemleri çözdüğünde bulduğu ışık hızı değeri, ölçülen değerle aynı çıkmıştır.

Daha da ilginç olanı, ışık hızının boşluğun manyetik geçirgenliği ve boşluğun elektrik geçirgenliği diye adlandırılan iki değişmez sayıya bağlı olmasıydı. Işık hızı, bu iki sayının çarpımının karekökünün çarpmaya göre tersine eşit olmalıydı! Işık hızı, ışık kaynağının hızından ya da eterin kendi hızından bağımsızdı. Maxwell’in bulgusu, ışık hızının evrensel bir sabit olduğuna dair ilk kanıt olarak da algılanabilir. Aşağıdaki denklemde c’nin değerinin iki sabit sayıdan elde edildiğini görüyoruz. O halde c’nin kendisi de sabit olmalıdır! İşte bu keşif, çok önemlidir. Gelecek yazımızda bunun önemini daha iyi anlayacağız.

c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}

Yukarıdaki denklemde:

c: ışık hızı,

ε0: boşluğun elektrik geçirgenliği anlamına gelen sabit bir sayı,

μ0 : Boşluğun manyetik geçirgenliği anlamına gelen sabit bir sayı.

Etiketler: , , , , , , , , , , , , , , , ,


Yazar Hakkında

Yazar, çizer, düşünür, öğrenir ve öğretmeye çalışır. Temel ilgi alanı Bilimkurgu yazarlığıdır. Bunun dışında Matematik, bilim, teknoloji, Astronomi, Fizik, Suluboya Resim, sanat, Edebiyat gibi konulara ilgisi vardır. Ara sıra sentezlediklerini yazı halinde evrene yollar. ODTÜ Matematik Bölümü mezunudur ve aşağıdaki başarılarıyla gurur duyar:TBD Bilimkurgu Öykü yarışmasında iki kez birincilik, 2. Engelliler Öykü yarışmasında birincilik, Ya Sonra Öykü Yarışması'nda finalist, Mimarlık Öyküleri Yarışması'nda finalist, 44. Antalya Altın Portakal Belgesel Film Yarışmasında finalist. Ithaki yayınları Pangea serisinin 5. üyesi "Beyin Kırıcı" adlı bir romanı var. https://www.ilknokta.com/sinan-ipek/beyin-kirici.htm