YENİ BİLMECELER (19. YÜZYIL SONU - 20. YÜZYIL BAŞI)

Galileo - Newton çizgisi ile başlayan dönemde bilim, hiçbir kuşkuya yer vermeyecek biçimde egemenliğini oluşturdu. 1800’lerin sonuna dek bütün gelişmeler Newton’un öncülük ettiği fizik kavramlarıyla açıklanabiliyordu. Birçok bilim insanı oldukça iyimserdi. Örneğin Lord Kelvin 1900'de verdiği bir konferansta "Fizik alanında bundan sonra bulunacak yeni bir şey yok. Kalan daha hassas ölçümler… Bilimin parlak gökyüzünde yalnızca birkaç küçük bulut var" diyordu. Yüzyılın sonuna doğru bazı deneylerin sonuçlarını değerlendirmekte zorluklar görüldü. Lord Kelvin'in belirttiği bulutların tam olarak ne olduğunu bilmiyorum. Ama en azından Michelson - Morley deneyinin ilginç sonuçları ve kara kutu ısıl ışınım deneylerinin 20. Yüzyıl başında açıklanamadığını biliyoruz. Şimdi bu iki konuya kısaca bakalım.

 

MICHELSON - MORLEY DENEYİ

19. Yüzyıl sonlarında her türlü dalganın yayılması için bir ortam gerektiği düşünülüyordu. Ses dalgaları nasıl bir hava içinde; deniz dalgaları nasıl su içinde yayılıyorsa elektromanyetik dalgaların -ve bir elektromanyetik dalga olan ışığın- yayıldığı ortama da "eter" adı veriliyordu ("aether", Deschanel, 1885). Bu eterin Aristoteles dünyasındaki "eter" arasında bir benzerlik yok. Aristoteles'de eter, gökyüzü dünyasını yeryüzünden farklılaştıran gizemli bir "eleman". 19. Yüzyıl sonundaki eter ise elektromanyetik dalganın yayıldığı bir ortam.

Eter içindeki ışık hızı “c” olarak tanımlanıyordu. Işığın eter içindeki davranışını incelemek, dünyanın dönüş hızından nasıl etkilendiğini görmek için Albert A. Michelson ve Edward W. Morley 1887’de Cleveland, Ohio’da bir deney tasarladı ve hiç beklenmedik bir sonuç gözlendi. 

Bu deneyi tartışmadan önce basit bir örneği ele alıp kavramı açıklamaya çalışalım. (Örneği Richard DeWitt, “Worldviews” Wiley-Blackwell Publishing Ltd., 2010'den biraz değiştirerek alıyorum). Denizdeki K0, K1 ve K2 kayıklarının aynı yönde ve aynı hızda (V₁) ilerlediğini varsayalım. K0-K1 arasındaki uzaklık K0-K2 arasındaki uzaklığa eşit (L) olsun. K0 kayığından çıkan Y₁ yüzücüsünün K1 kayığına ulaşıp K0 kayığına geri döndüğünü, Y₂ yüzücüsünün ise K2 kayığına ulaşıp K0 kayığına geri döndüğünü düşünelim. Ayrıca Y₁ ve Y₂ yüzücülerinin denize göre hızlarının da aynı olduğunu (V₂) varsayalım. 

Denizde yüzen Y₁ ve Y₂’nin yüzdükleri toplam uzaklıklar farklıdır. Y₂'nin yüzdüğü toplam uzaklık 2L’dir. Y1, ise  (dik üçgendeki hipotenüs dik kenardan uzun olduğuna göre) toplam olarak 2L’den daha uzun bir yol kat edecektir. Bu farklılığı göz önüne alırsak Y₁'in K0 kayığına Y₂'den daha geç gelmesi beklenecektir:

Yüzücülerin aynı anda dönmediklerini gözleyen K0 kayığındaki gözlemci, yüzdükleri mesafelerin aynı olduğunu (L) gözleyeceği için -gerçekte yüzücülerin denize göre hızları aynı (V₂) olsa da- Y₁’in daha yavaş, Y₂’nin daha hızlı yüzdüğünü düşünecektir.

Şimdi bu örneğe çok benzer biçimde kurgulanan Michelson - Morley deneyine bakalım:

Bu basitleştirilmiş Michelson - Morley düzeneğinde aynalar, ışık kaynağı ve düzlemler kayıklara; ışık ışınları ise yüzücülere benzetilebilir. Bu düzenekte ölçme yapan gözlemci yukarıdaki örnekte K0 kayığındaki gözlemci konumunda olacaktır. Aynalar ve ışık kaynağı dünyanın hareketine bağlı olarak V hızıyla belirtilen yönde ilerlemektedir. Işığın ise eter içinde (yukarıdaki yüzücülerin denizde yüzmeleri gibi) c hızıyla ilerlemesi bekleniyordu. Bu durumda X aynasından yansıyan ışın daha uzun bir yol izleyerek (tıpkı Y₁ yüzücüsü gibi) gözlem yüzeyine biraz daha geç ulaşacaktı. Oysa deneyde X ve Y aynalarından yansıyan iki ışının gözlem yüzeyine aynı anda ulaştıkları gözlendi. Bu beklenmedik sonuç bütün bilim dünyasını şaşırttı. Birçok fizikçi deneyi farklı düzeneklerle yaptılar. Sonuç değişmiyordu. Işık hızı  -bu örnekte- dünyanın dönüş hızından etkilenmiyordu. Elektromanyetik dalgaların içinde c hızıyla ilerledikleri bir eter varsayımı doğrulanmıyor ve başka bir noktadan da gözlense ışık hızı değişmiyordu!

KARA KUTU IŞINIMI (Black Body Radiation)

Önce “ısıl ışınımı” kavramını ele alalım. Odamızda masamızın üzerine demir bir çubuk koyalım ve ısı aktarımı açısından çevresi ile bir denge oluşturup kararlı bir duruma gelinceye kadar bekleyelim. Görünür ışık bandında olmasa da bu çubuğun bir ısıl ışınımı  (thermal radiation) vardır. (Gözümüzle değil ama ısıl kamera ile bakınca görebiliriz). Şimdi demir çubuğu ısıtmaya başlayalım. Önce kırmızı, sonra sarı, sonra beyaz ve daha sonra mavi olacaktır. Aşağıda 2000 K, 3000 K, 3000 K ve 4000 K sıcaklıklar için deneysel sonuçlar görülüyor. Burada çubuğun sıcaklığı arttıkça ışıyan enerjinin arttığını ve ışımanın dalga boyunun azaldığını (yukarıda değindiğim gibi ısıl ışınımın görünmez – kırmızı – sarı - mavi… olduğunu) görüyoruz:

Bu deneylerde kullanılan cisimlerin farklı özelliklerinin etkisini ortadan kaldırmak amacıyla siyah kutu (black body) kavramı geliştirildi. Bu kavramı basitçe tanımlamak için bütün renkleri kapsayan beyaz ışıkla bir cismi aydınlattığımızı ve örneği cismin yeşil olarak göründüğünü düşünelim. Bunun anlamı cismin diğer bütün renkleri soğurduğu (absorption) ve yalnızca yeşil rengi yansıttığıdır (yansıtma-reflexion). Demek bir cisim bütün renkleri soğurursa, başka bir anlatımla hiçbir rengi yansıtmazsa, tümüyle siyah görünecektir. Bütün renkleri soğuran bir kara kutuya enerji verildiğinde (örneğin ısıtıldığında) herhangi bir dalgaboyunda ışıma yapmayı “tercih” etmeyecektir.  Bu nedenle ısıl ölçmeler konusunda yürütülen kuramsal ve deneysel çalışmalar kara kutular üzerine yoğunlaştı. (Yukarıda bir demir çubuğu ısıttık. Bir kara kutuyu ısıttığımızı düşünsek deneyimizin sonucu ısıttığımız cismin demir olmasından, biçiminin çubuk olmasından bağımsız olacaktı).

19. Yüzyıl sonlarında birçok fizikçi ısıl ışınım konusunda çalışıyordu. Özellikle Lord Raleigh’nin çalışmaları sonucunda 1900’de günümüzde Rayleigh–Jeans yasası olarak bilinen yasayı tanımlandı. Bu kuramsal yasa kara kutudan ışınan enerjinin sıcaklıkla doğru orantılı ve dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılı olması gerektiğini söylüyordu.  Bu durumda belirli bir sıcaklıkta dalga boyu azaldıkça (morötesine doğru gittikçe) ışıma artacaktı.

Oysa deneyler dalga boyu azaldıkça artan ışımanın, morötesinde yeniden azaldığını gösteriyordu. Mor ötesi felaketi (ultraviolet catastrophe) adı verilen bu olay fizikçilerin açıklayamadıkları bir olay olarak kaldı:

1900’de Max Planck yaptığı deneylerde enerjinin belirli basamaklar halinde değiştiğini (nicelendiği – quantize) gözledi ve bu temele dayanan deneye dayalı (empiric) bir denklem önerdi. Ama bu gözlem kuramsal olarak açıklanamayan bir nokta olarak kaldı. 

19. Yüzyıla kadar yürütülen kuramsal çalışmaların ve fizik konusundaki bilgimizin açıklayamadığı birkaç gözlem daha vardı. 1801’de güneş ışığı incelenmiş ve güneşten gelen beyaz ışıkta bazı frekanslarda karanlık bölgeler olduğu gözlenmişti. 1820’lerde elementlerin ısıtılınca kendilerine özgü renklerde bir tayf ürettikleri gözlenmişti. Örneğin sodyum parlak bir sarı ışık veriyordu. Hatta yaydıkları ışık tayfında belirli frekanslarda karanlık bölgeler vardı. Derken ilginç gözlemler ve deneyler arttı. Radyoaktif ışıma, katot ışınları, X ışınları gözlendi…

Astronomi gibi klasik bilgilerin oldukça güçlü olduğu bir alanda bile açıklanamayan bir gözlem vardı. Merkür’ün yörüngesinde Güneşe en yakın noktanın (perihelion) -çok yavaş da olsa- Güneş çevresindeki yörünge üzerinde hareket ettiği gözlendi. 

Bu gözlemlerin hepsinin Newton fiziğine aykırı olduğunu söyleyemeyiz. Ama Galileo – Newton çizgisinde o güne dek edinilen bilimsel bilgiler ile açıklayamadığımızı söyleyebiliriz. Yukarıda Lord Kelvin örneği ile değindiğimi gibi “hemen hemen her şeyi öğrendik” diyen iyimserler yanında; “evrenin daha önce bütün sırlarını (henüz ?) çözemedik” diyen bilim insanları da vardı. 

Yukarıda değindiğim bilmecelere 20. Yüzyıl başlarında Görecelik ve Kuantum Kuramlarıyla getirilen yanıtları bundan sonraki iki bölümde ele almaya çalışacağım.