Bilim, din gibi konularda uzmanı olmasak da hoyratça konuşmayı severiz. Bu anlamda haddimi aşmak istemem. Ancak, anladığımı yazıya dökmek, beni daha çok pekiştiriyor ve geliştiriyor. Bu sebeple kafamda bir çerçeveye oturttuğum meseleleri yazmaya gayret ediyorum. İçinde yaşadığımız dünyanın fizik yapısı ve bu konuda gelinen nokta hakkında bilgi sahibi olmak dünyayı ve yaşamı anlamlandırma açısından bence ufuk açıcı oluyor. Bu açıdan bu yazıda zihnimde şekillenen çerçeveyi yazıya dökeceğim.
Tarihi okurken, kavramları kullanırken Avrupamerkezci bir oryantalizme düşmemeye gayret etsem de Aristo’nun fizik görüşü kendisinden sonraki iki bin yılı etkilediği için çizgiyi oradan başlatabiliriz.
Aristoteles ve Evren Anlayışı
Aristo fizik ve evren görüşünü hareket kavramı üzerinden kurmaktadır. Ona göre bir şeyin kendi potansiyeli doğrultusunda fiiliyata dökülmesi hareket demektir. Bir cismin bir yerden başka bir yere gitmesi, bir şeyin niteliğinin değişmesi, büyüklük ve küçüklük değişimleri, bir şeyin özünde meydana gelen değişiklikler hep hareketle ilgilidir. Bir şeyin hareket etmesi için sürekli kuvvet uygulamak gereklidir. Bir şeyi hareket ettiren bir hareket ettirici olduğu sürece hareket mümkündür. Her hareketin nedeni başka bir hareket eden şeydir. Ancak bu hareket zinciri sonsuza kadar gidemez. Her şey, kendisi hareket etmeyen bir hareket ettiricinin hareketi sayesinde başlamaktadır. Bu hareket ettirici Tanrıdır. Gezegenimiz toprak, su, ateş ve hava olmak üzere dört elementten oluşur. Toprak ve su ağır olduğu için aşağı doğru hareket ederken, ateş ve hava göğe doğru hareket eder. Dolayısıyla bu elementlerden her hangi birine dayanan bir maddenin doğal olarak hareket etmek istediği yer ya yere doğru ya göğe doğrudur. Mesela taş topraktan oluşmaktadır. Onu havaya attığınızda onun doğal hareket etmek istediği yer yine topraya yani yere doğru olduğu için taşı yukarıya iten kuvvet kesilirse taş yere doğru düşecektir.
Aristo evreni de hareket kavramı üzerinden ikiye ayırmaktadır. Ay üstü alem, hareketsizliğin olduğu değişmez, kususrsuz ve dairesel hareket yapan cisimlerin olduğu alemdir: Bu alemde yani ay üstündeki uzay boşluğunda beşinci element olan “eter” bulunmaktadır. Diğer dört elementten oluşan ay altı alem ise değişim içerisinde olduğu için kusurludur. Oluş ve bozuluşun olduğu bu alemde hareket doğrusal olup yukarı-aşağı yönlüdür. Aristo ve antik dünyaya göre hareketsizlik mükemmel olan, ilahiliğe en çok yakışan durumdur. Bu yüzden ayın yukarısında bulunan gezegenler, güneş ve yıldızlar kendilerini çevreleyen kristal kürelerin dairesel dönmesi ile hareket ederler. Bu cisimler varsayılan kristal kürelere çivilenmiş gibidirler. Başlangıcı ve sonu olmayan en kusursuz şekil daire olduğu için bu küreler dairesel bir hareket içindedirler. Tüm bu daireleri ise harekete geçiren hareketsiz ilk hareket ettiricidir.
Aristo, tüm bu tespitlerini mantıksal akıl yürütme ve duyuları ile yapıyordu. Onun bilimsel metodu tümdengelimdi. Nitekim bu metot da yüzyıllarca hakimiyetini koruyacaktı. Aristo’dan sonra yukarıda kabaca özetlediğimiz fizik ve evren görüşüne güçlü bir eleştiri ve alternatif gelmedi. Sonrasında Batlamyus Aristo’nun fikirlerinden hareketle yer merkezli bir evren modeli kurdu. Bu modelin yanlışlanması için bin beş yüz yıl beklenecekti.
Isaac Newton ve Mekanik Evren Görüşü
1543’te Kopernik yer merkezli evren modeli yerine güneş merkezli evren modelini önerdi. Onun teorisinin asıl çarpıcı yönü buydu. 1600’lerde Kepler, gök cisimlerinin dairesel değil elips şeklinde hareket ettiğini buldu. Güneşe yaklaştıkça cisimlerin hızının arttığını, uzaklaştıkça azaldığını fark etti. Böylece bu cisimlerin hareketlerinin belli bir yasaya bağlı olarak gerçekleştiğini düşündü ancak bunu bulamadı. Yine aynı dönemlerde Galileo, serbest düşme yasasını ortaya koydu. Buna göre havanın yarattığı sürtünmenin yok sayıldığı, sadece yer çekimi olan bir ortamda cisimlerin kütlelerinin arasındaki fark ne olursa olsun düşme hızlarının aynı olduğunu buldu. Örneğin uygun ortamda tüy ve taş aynı anda yere bırakıldığında aynı hızda yere düştüklerini saptadı. Aristo ise cisimleren kütlesi ağır olanın daha çabuk yere düşeceğini savunmuştu. Bu onun sadece duyularla vardığı bir çıkarımdı. Galileo ile birlikte yeryüzündeki düşme hareketi ile uzaydaki hareket yasalarının benzer olabileceği fikri güçlendi. Artık Newton’a gelinene kadar fizik alemi açıklayacak bazı ortak yasalar olacağı fikri güçlenmişti.
1687’de Sir Isaac Newton, Evrensel Kütle Çekim yasasını ortaya koydu. Buna göre tüm cisimler birbirlerini çekmektedirler. Kütlesi ağır olan veya büyük olan küçük olanı daha çok çekmektedir. Mesela güneş gezegenleri kendine çekerek etrafında tutmaktadır. Aynı zamanda gezegenlerde güneşi çekmektedir. Yine bir elmayı yukarı doğru attığınızda yer elmadan büyük olduğu için elmayı aşağı çekmektedir. Elmada yeri çekmektedir. Ancak hareket güçlü olana taraf olmaktadır. Böylece güneşe yaklaşınca gezegenlerin neden hızlanmış olduğu da anlaşılmış oluyordu. Aristo fiziğinde ay altı alem ayrı, ay üstü alem ayrı fizik yasalarına bağlıyken, ay altında her element ayrı yasalara tabiydi. Newton fiziği ile hem gezegende hem evrende ortak ve aynı yasaların geçerli olduğu tespit edilmiş oluyordu. Dönemin denizcilik ihtiyaçları doğrultusunda Newton böylece gel git gibi gündelik hayatta hakim olan fiziksel yasaları çok iyi açıklıyordu. Newton’a göre zaman ise herkes için evrenseldi.
Newton yasaları olarak bilinen hareketin üç yasası da Newton’unun en önemli katkıları arasındaydı. Bunlardan birincisi Eylemsizlik yasasıdır. Eylemsizlik yasasına göre bir cisim sürtünme yaratacak yerçekimi veya havadan soyutlanmış bir ortamda ya durur ya da durmadan hareket eder. Örneğin uzay boşluğunda bir top duruyorsa ona kuvvet uygulayan bir müdahale olmadığı sürece top orada sonsuza kadar duracaktır. Eğer top hareket ediyorsa sabit hızda sonsuz bir şekilde doğrusal şekilde bir harekete devam edecektir. Aristo’ya göre her hareketin bir hareket ettiriciye ihtiyacı vardı. Yani dış kuvvet olmadığı sürece cisimler hareket edemezdi. Newton’un eylemsizlik yasası bu anlayışı yıktı. Böylece Galileo’nun serbest düşme yasası ile Aristo’nun ağır cisim daha hızlı düşer görüşü çürütülürken, Newton’un eylemsizlik yasası ile de Aristo’nun kuvvet olmazsa hareket olmaz görüşü çürütüldü.
Newton’un ikinci yasası, ise kuvveti tanımladı. Aristo’ya göre bir cismin hızı ona uygulanan kuvvetle orantılıydı. Yani bir cisme sürekli kuvvet uygularsanız o da sürekli hareket ederdi. Kuvvet durursa cisim de dururdu. Eylemsizlik yasası ile Newton, kuvvet dursa da cisim daha önce hareket ettirilmişse o cismin durmayacağını ispatlamıştı. Yani kuvvet yoksa duran durur hareket eden ise sabit hızla hareketine devam eder. İkinci yasası ile Newton, kuvveti kütle çarpı ivme şeklinde formüle etti. Bu yasaya göre sabit hızda hareket eden bir cisme kuvvet uygulanarak ivme kazandırılırsa cismin hızı artarak ilerler. Uygulanan ivme miktarı kadar her saniye artış yaşanır ve bu böyle devam eder. Dolayısıyla Aristo’nun iddia ettiğinin aksine hızı sürdürmek için kuvvet gerekmez. Kuvvet, hızı kazandıran şeydir. Çünkü cisim kuvvet uygulanmasa da eylemsizlik yasası gereği sabit hızla devam etmektedir. Böylece ağır cisimler daha zor hızlanmaktadır. Örneğin bir futbol topu ile bir bowling topuna aynı kuvveti uyguladığınızda futbol topu kütlesi daha az olduğu için daha hızlı hareket edecektir. Sonuç olarak birinci yasa kuvvet yoksa neden hareket veya ivme olmayacağını açıklarken ikinci yasa kuvveti tanımlamaktadır. Buna göre kuvvet, hızın değişimini sağlayan etkidir. Yani kütle çarpı ivmedir.
Burada unutulmaması gereken şey, Newton yasaları sürtünmesiz, en ideal ortamı düşünerek bu tanımları yapmakta ve yasaları formüle etmektedir. Newton’un üçüncü yasası ise etki tepki yasasıdır. Buna göre her kuvvete eşit büyüklükte ama zıt bir kuvvet vardır. Siz duvara yumruk attığınızda duvarda size aynı eşit hızda kuvvet uygular. Örneğin roketler bu yasayla çalışırlar. Roket aşağı doğru gazı fırlatır, gaz da roketi yukarı doğru iter.
Newton’a göre çekim kuvveti kütlelerden kaynaklanmaktadır. Kütlesi büyük olan küçük olanı daha çok çeker. Yine Newton yasalarına göre prensipte, uzayda hareket eden bir topa ivme kazandırdığında o top ışık hızını bile geçerek katlanan bir hızla sonsuza kadar gider. Daha önemlisi Newton fiziği mekanik bir evren fikrinden hareketle determinizmi ön görür. Buna göre hızını ve konumunu bildiğimiz bir cismin gelecekteki tüm hareketlerini hesaplayabiliriz. Çünkü evrenin her tarafında aynı yasalar bir saat mekaniği netliğinde, mutlak bir neden sonuç ilişkisi içerisinde geçerlidirler. Zaman ve mekana dair tüm fizik kuralları mutlaktır ve her yerde aynı şekilde geçerlidir. Nitekim determinizm fikri 17. ve 18. yüzyıllarda bilime olan inancı güçlendirirken deizm fikrinin yayılmasına da neden olacaktır.
Gelgelelim Einstein ve Max Planck’ın yaptığı devrimlere. Newton fiziği gündelik hayatı ve gezegenleri ortak fizik yasaları çerçevesinde açıklamakta oldukça başarılı olmuştu. Kendisinden önceki Aristo fiziğini yıkmış ve yerine daha gelişmiş bilimsel yöntemlerle yeni bir fizik görüşü inşa etmişti. Ancak Newton fiziği de 300 yıl süren hakimiyetinin ardından yetersiz gelmeye başladı. Özellikle iki noktada. Birincisi, ışık hızına yaklaşılacak kadar yüksek hızlar söz konusu olduğunda. İkincisi ise atom ve atom altı parçacıklar söz konusu olduğunda. Bu iki durumda Newton’un geliştirdiği klasik fizik yasalarının işlemez olduğu anlaşıldı. Oysaki Newton’a göre fizik yasaları evrenin her yerinde aynı kesinlikte işlemeliydi.
Albert Einstein ve Görecelilik/Relativite Kanunu
İlk problem, Einstein’in meşhhur görecelilik/relativite kuramı ile aşıldı. Newton’un ikinci yasasına göre sürtünmesiz ortamda mesela hareket eden bir topa ivme kazandıracak bir kuvvet uyguladığınız zaman sabit ivme ile hız doğrusal olarak artar. Top gittikçe öyle hızlanır ki ışık hızını bile geçebilir. Newton fiziği böyle bir sonucu öngörüyordu. Işık, saniyede yaklaşık 300.000 km yol kat etmekteydi. 1887’de meşhur Michelson–Morley deneyi gerçekleştirildi. Aristo’da durağan alem eter denen beşinci elementle doluydu. Newton sonrasında eter ışığın kendisi içinde yayıldığı bir zemin olarak kabul edildi. Böylece Aristo’daki eter bu dönemde ışığın taşıyıcısı olarak yeniden yorumlandı. Michelson–Morley deneyi ile de eterin aslında var olmadığı ışığın her koşulda aynı sabit hızla hareket ettiği anlaşıldı.
Newton’un ikinci yasasına göre uzayda ivme kazandırılan bir top durmadan hızlanarak artmalıydı. Einstein, ışık hızının sabit olduğunu bu deney üzerinden bir postulat olarak ele aldı. Yaptığı matematiksel çıkarımlarla şu sonuca vardı: Newton fiziğinin öngördüğü gibi bir top ivme kazandırıldığında sonsuz hıza ulaşmaz, ışık hızını geçemez. Çünkü ışık hızını geçmesi için matematiksel olarak sonsuz enerji uygulanması gerekir. Oysa doğada ise sonsuz enerji diye bir şey yoktur. Böylelikle ışık hızının geçilemediği kabul edildi. Bu durumda sürtünmesiz ortamda, ivme kazanarak hızlanan top ışık hızına yaklaştığında daha fazla ivme kazanamaz. Çünkü hiçbir fiziksel sistemde sonsuz enerji mümkün değildi. Top, ışık hızına yaklaştığında enerjisi artarken ivmesi azalmaya başlar. Hızı yavaşlamaz ama ivme saniyede 100 km ise 10, 0.1,0.01, 0.001…. şeklinde azalır. Hiçbir zaman ışık hızını geçemez. Bu durumda topun yola çıkarken sürekli artan ivmesi; ışık hızına yaklaştığı ekstrem hız koşularında azalma eğilimine girer. Başta ve sonda göreceli bir durum ortaya çıkar. Buna Einstein, Özel Görelilik adını verir. Özel göreliliğe göre ışık hızına yaklaşan bir cisme ne kadar çok enerji verirseniz verin hep biraz ışık hızının altında kalır. Newton’a göre kuvvet uygulandığında ivme sabittir ve hız sonsuza doğru artar. Einstein’e göre ise kuvvet uygulandığında cismin ivmesi ışık hızına yaklaştıkça azalır, asla ışık hızını geçemez. Zaman görelidir, hız arttıkça zaman yavaşlar. Uzunluk görelidir, hız arttıkça uzunluk kısalır.
Newton, kütle çekim yasasını bulmuştu. Buna göre yerçekimi uzaktan etkili olan bir kuvvet olarak tanımlanıyordu. Ancak bu kuvvet veya çekimin neden ortaya çıktığını açıklayamıyordu. Yine Merkür’ün yörüngede yaşadığı bazı küçük sapmalar Newton fiziği ile açıklanamıyordu. Bu noktada Einstein’in Genel Görelilik teorisi devreye girdi. Buna göre yer çekimi ya da kütle çekimi dediğimiz şey aslında uzay-zamanın bükülmesidir. Kütleli cisimler uzay-zamanda bir çukur oluşturur. Diğer cisimler de o çukurun oluşturduğu eğrilik etrafında hareket ederler. Örneğin, dört köşesinden gerilen büyük bir çarşaf düşünün. Bu çarşafın üstüne kütleleri farklı cisimler koyduğunuzda cisimlerin ağırlığına göre çarşaf üzerinde irili ufaklı çukurlar oluşacaktır. Cisimler kütleleriyle çarşafı bükmüşlerdir. Bu açıdan uzayı da üzerinde bulunan cisimlerin oluşturduğu dağ, tepe veya vadiler olarak düşünebiliriz. Uzayda oluşan bu eğilme ve bükülmeler uzayda duran cisimlerin kütlesi sebebiyledir. Güneş, kütlesi sebebiyle uzayı büker. Diğer gezegenleri böylece kendi yörüngesinde tutar. Dünya uzayda çukur oluşturur. Ay’da onun etkisiyle Dünyanın uydusu olarak onun yörüngesinde kalır. Böylece gündelik yaşamımızdaki düşük hızları gayet iyi açıklayan Newton fiziği, çok yüksek hızlarda yerini Einstein fiziğine bıraktı. Güneşin dev kütlesiyle uzay-zamanı büktüğü şeklinde Merkür’deki kaymalar da açıklandı. Newton fiziğine göre ışık yer çekiminden etkilenmezdi. Einstein’e göre ise ışık da bükülmüş uzayda kendine en kısa yolu seçer ve bükülür. 1919’da güneş tutulması sırasında yıldız ışıklarının güneşin yanından geçerken sapma gösterdiği gözlemlendi. Böylece Einstein gözlemsel olarak da doğrulanmış oldu. Sonuç olarak genel göreliliğe göre büyük kütleler uzay-zamanı büktüğü için mesafe kavramı gözlemciye bağlıdır. Güçlü kütle çekiminin olduğu yerlerde zaman daha yavaş akarken, kütle çekiminin az olduğu yerlerde zaman daha hızlı akar. Bu durumda Newton fiziğinin öngördüğü gibi her doğa koşulunda aynı kesin fizik yasaları geçerli olmayıp görecelilik hakimdir.
Max Planck ve Kuantum Fiziği
Newton fiziğinin açıklamakta yetersiz kaldığı bir diğer nokta ise parçacık dünyasıyla ilgili yasalardı. Klasik fiziğe göre ışık dalgalar şeklinde hareket ediyordu. Dalgalar belli bir boy ve hızla hareket ediyordu ve kesintisizdi. Yani atomlar dalga şeklinde kesintisiz enerji gönderebilirlerdi. Bir saniyede geçen dalga tepesi miktarına ise frekans deniyordu. Buna göre dalga boyları uzun olunca bir saniyede geçen dalga miktarı düşüyordu. Kırmızı ışık düşük frekansa sahipti. Yeşil ışık orta frekanstaydı. Kısa dalga boylarına sahip mor ışık yüksek frekansa sahipti. Daha da yüksek frekans ise mor ötesi ışıklarda mümkündü. Klasik fiziğe göre frekans artıp ışık mor ötesine kaydıkça matematiksel açıdan sonsuz enerjinin açığa çıkması gerekirdi. Ancak klasik fiziğin bu matematiksel öngörüsü deneysel olarak yanlışlanınca klasik fizik önemli bir teorik krize girdi. Yapılan deneyle bir cisim ateşte ısıtıldı. Cisim her sıcaklıkta belli bir dalga boyunda pik yaparken yüksek frekanslara gidildikçe enerjinin azaldığı gözlemlendi. Böylece gerçek hayatta sonsuz enerji diye bir şey olmadığı bir kez daha anlaşılıyordu.
Bu noktada 1900’de Max Planck devreye girdi. Planck, madde ve enerji arasındaki etkileşimde maddenin kuanta(paket) halinde enerji gönderdiğini öne sürdü. Planck’a göre enerji paketler (kuantumlar) halinde yayılır. Daha sonra bu enerji paketleri foton olarak adlandırılacaktır. Atomun içinde elektronlar vardır. Elektronlar, her istedikleri yerde bulunamazlar, çekirdek çevresinde belli enerji basamaklarında bulunurlar. Eğer bir elektron örneğin beşinci basamaktan bir alt basamağa inerse enerji kaybeder ve kaybettiği enerji farkı kadar enerji açığa çıkar. Bu enerji ışık yani foton olarak ortaya çıkar. Bu durumda atom foton gönderir yani enerji kayberder. Ancak yüksek enerjiye sahip atomlar doğada çok nadirdir. Isınmış cisimlerde atomlar sürekli titreşir. Elektronlar sürekli farklı enerji basamaklarına çıkar veya iner. Her iniş çıkışta foton salınır yani ışık ortaya çıkar. Bu durumda her foton belli bir frekansa sahip ışık paketi demektir. Planck’da maddenin kesik kesik paketler halinde enerji açığa çıkardığını savunur. Denklemini bu şekilde kurar. Böyle olunca atomlar çoğunlukla düşük enerjili foton paketleri gönderirken nadiren yüksek enerjili foton paketleri göndermektedir. Dolayısıyla enerji bazen yüksek düzeyde açığa çıkarken çoğu zaman düşük frekansa sahip paketler halinde yayılır. Böylece klasik fiziğin iddia ettiği gibi sürekli, kesintisiz şekilde sonsuza doğru artarak devam etmez. Sonuç olarak Planck ışığın dalga halinde yayıldığını reddetmez, ancak maddenin enerji alışverişinin paketler halinde yapıldığını ortaya koyup bunu formüle ederek klasik fiziği girdiği krizden kurtarır. Böylelikle kuantum fiziğinin kapısını aralar.
Ardından Einstein devreye girer. Klasik fizikte ışık ne kadar çok parlaksa o kadar çok enerji de yayıyordur. Dolayısıyla bir metale parlak bir ışık vurulunca ışığın parlaklığı arttıkça metalden kopardığı enerji miktarı da artmalıydı. Oysa durum öyle çıkmadı. Asıl önemli olanın parlaklık değil frekans olduğu anlaşıldı. Yapılan fotoelektrik deneyleriyle düşük frekansta, mesela kırmızı ışıkta, ışık ne kadar parlak olursa olsun frekans düşük olduğu için enerji kopmayacaktır. Mor ve ötesi ışıklarda parlaklık düşük olsa bile bir fotonla bile yüksek frekans dolayısıyla elektron kopacaktır.
Planck kuantum-paket fikrini madde ve enerji ilişkisini açıklarken ilk kez kullandı. Ona göre atom ya bir paket enerji yayar ya iki paket, ama yarım paket enerji yaymaz. Yani maddenın ışığı yayması da soğurması da paketler halindedir. Ancak Planck’a göre ışık hala dalgadır. Sadece madde ışıkla paketler halinde etkileşime girmektedir. Einstein ise ışığın da paketlerden oluştuğunu ileri sürdü ve fotoelektrik etkiyi matematiksel olarak açıkladı. Daha önce yapılan fotoelektrik deneyleriyle bu yorum doğrulandı. Bu sayede nobel ödülünü alan Einstein, böylelikle kuantum fikrini gerçek bir fiziksel teoriye dönüştürdü. Ondan sonra gelen Bohr, Heisenberg ve diğer bilim adamları da bu yolda kuantum fiziğini geliştirerek ilerlettiler.
Aristo’dan günümüze kadar fizikte yaşanan bilimsel devrimlerin her biri bir öncekinin eksiklerini tamamladı. Kimisi bir öncekini nerdeyse tamamen yanlışlarken kimisi bu yanlışlamayı belli koşullarda sınırlı olarak gerçekleştirdi. Bilimsel bilgilerimiz ispat ve doğruluk açısından gelişirken buna paralel olarak bilgi yöntemimizde de devasa değişiklikler meydana geldi. Her bilimsel devrim aynı zamanda yöntemsel devrimleri de beraberinde getirdi. Tümdengelimci akıl yürütme ve duyular zamanla yerini tümevarım, deney, gözlem ve matematiğe bıraktı. Ardından kuantum fiziğiyle birlikte olasılık ve istatistik metotları öne çıkmaya başladı. Klasik fiziğin görecelilik ve kuantum ile uğradığı düzeltmeler felsefi açıdan bizleri determinist bakıştan daha indeterminist bir dünya görüşüne doğru yönlendirdi. Modernite yerini post modernizme bırakırken mutlak hakikatler çağımızda sorgulanır hale geldi. Fizik görüşümüzde meydana gelen değişimler, dünya görüşümüzde yahut paradigmamızda da büyük değişimlere neden oldu.