Günümüzde rutin hayatlarımızın çoğu alanında teknoloji bir şekilde dahil oluyor. Tarımdan tıpa, teleskoplardan bilgisayarlara kadar birçok konuda teknolojik gelişmelerden faydalanıyoruz. Fakat bu teknolojilerin hepsinin arkasında bir geliştirme süreci ve hikayesi bulunuyor. Bazen bu teknolojileri kötü amaçlar için de kullanıyoruz. Fakat hayatımızı kolaylaştırdıkları noktada arkalarındaki tarihi de anlamamız ve bilincinde olmamız gerekiyor. Yakın zamanda youtube 'da modern fizik üzerine 12 saatlik bir video buldum. Modern fizik dediğimiz yaklaşık son 100 yılı içeriyor. Bu videoda ise bu sıradaki gelişmelerin matematiksel olarak arka planını ve hikayesi anlatılıyor. Evet ben hepsini izledim :) Bu yazıda da videoda bulacağınız ana başlıkları özetledim.
Bugünlerde internetten öğrenebileceğimiz birçok şey var. Bu yazıyı da 12 saatlik bir videoya başlayabilmeniz için yazdım. Birilerinin 12 saatte anlattığı içerik yaklaşık 100 yıllık bir geçmişe dayanıyor ve buna da saygı duymamız gerekiyor. Videoyu aşağıda bulabilirsiniz. Özetimi okuduktan sonra merak ederseniz bu yolculuğa başlayabilirsiniz. İzleyip bitirebilirseniz hayata ve bilime bakış açınızın değiştiğini fark edeceksiniz. Aynı zamanda ortamlarda hava da atabilirsiniz :)
Şimdi kendi kendinize modern fizik öğrenmek için neden 12 saat video izleyeyim ki diye soruyor olabilirsiniz. Konuya direkt olarak atomlar veya kuantum fiziği veya dalga-parçacık ikiliği gibi konuları okuyarak başlayamaz mıyız? Hayır. Çünkü bu buluşların altında onları anlamlı kılan uzun çalışmalar, çıkarımlar, motivasyon ve kararlılık var. Ama videoda beni en çok etkileyen bazen bilim adamlarının yeni perspektifler ile olaylara yaklaşması oldu. Bu şekilde kalıpların dışına çıkarak devrimlere sebep oluyorlar. Bazen yapbozu tamamlayabilmek için bozarak başlamalısınız. Bazen olağan dışı düşünmelisiniz. Bazen de ön kabulleri reddetmelisiniz. Sıra geldi beni etkileyen bu noktalara.
Temel kavramlar
Bu giriş kısmında fizik ve matematiğe dair temel kavramları anlatıyor. Kursun geri kalanı buradaki kavramları kullanıyor. Bu kısım 1900 'lerden önceki tarihler ve kütle çekimi, vektörler, ışık, elektrik, kütle ...vs gibi kavramları açıklıyor. Burada insanların algılarının ve yanlış anlamalara sebep olacağını da gösteriyor. Biz insanlar en fazla 1000 yıl gibi bir süreyi veya milimetre gibi bir uzunluğu hayal edebiliyoruz ama evrendeki ölçekler bizim algılayabileceğimizden çok daha geniş.
Özel göreceliliğin (special realtivity) temelleri
Burası modern fiziğe geçiş noktası. Burada görecelilik diyeceğimiz kavram Einstein tarafından ortaya atılıyor. Bir olayın gözlemleyenlere göre göreceli olarak nasıl tanımlanacağını görüyoruz. Bunun için evrensel olarak kabul edebileceğimiz bir ortam gerekiyor. Buna da referans çerçevesi (frame of reference) diyoruz. Burada yapılan başka bir önemli keşif ise ışık hızının sabit olması. Araba ile giderken farları açtığınızda ışık hızı arabanın hızından etkilenmiyor. Bu da karşımıza eş zamanlılık problemini çıkarıyor. Yaptığımız gözlemler ışık hızı ile yayıldığı için ışınlar gözümüze gelene kadar gecikiyor yani. Bu sorunu halletmek için bir transformasyon gerekiyor. Bu noktada fizikte yeni bir anlayışa geçiyoruz.
The Lorentz dönüşümü
Bu kısımda Galiean dönüşümü dediğimiz hareket denklemlerinden bahsediyor fakat bu denklemlerde görecelilik bulunmuyor. Lorentz de tam olarak bunu yapıyor ve görecelilik ile bu denklemleri güncelliyor. Bir başka deyişle "Benim hızım sana göre saatte 5 kilometre" şeklinde ifade etmek gibi. Bu sayede gamma faktörü terimi ortaya çıkıyor. Bu terim ileride çok kullanılacak.
Özel görecelilik ve Muon testi
Bu kısım yaratıcılığın konuştuğu kısım. O zamanlarda parçacı hızlandırıcı devasa cihazlar yoktu. Bu yüzden zamanın göreceli olup olmadığını kanıtlamak için bilim adamları doğal parçacık hızlandırıcıyı yani güneşi kullandılar. Güneşten gelen radyoaktif (zamanla kütlesini kaybeden) Muon parçacıklarını gözlemlediler ve yarılanma ömürlerine göre hesaplar yaptılar. Bu hesaplar ve gözlemler sonucunda ışık hızına yakın hızda ilerleyen bu parçacıkların daha yavaş kütle kaybettiklerini gördüler. Bu da zaman sıkışması kavramının gerçek olduğunu gösterdi. Hızlı gittiğinizde geç yavaşlıyorsunuz yani hareket berekettir.
Doppler efekti
Genel göreceliliğe doğru ilerlerken bu noktada doppler efektinden söz ediyorlar. Ambulanslar yanımızdan geçerken sesin incelmesi ve kalınlaşması efektine doppler efekti deniyor. Bu bilgi dursun. Uzayda yıldızların ışık yaydığını biliyoruz. Aynı türde yıldızlar aynı dalga boylarında ışık yayacaktır. Fakat güneşimiz ile aynı özellikte bir yıldızı inceleyen bilim adamları bu dalga boylarının biraz kaymış olduğunu fark ediyorlar. Bu da evrenin genişlediğini ve içindeki ışığın dalga boyunun değiştiğini kanıtlıyor.
Özel görecelilikte ile momentum ve kütle ilişkisi
Burada özel görecelilik ile gamma faktörünü momentumun korunumu yasasına uyguluyorlar. İki cisim birbiri ile çarpıştığında toplam momentum korunur ve bu momentumu da göreceli olarak ifade edebiliriz. Böylece durgun haldeki kütle ile hareket eden kütlenin birbirinden farklı şeyler olduğu sonucu çıkıyor. Bunu da klasik fizikten bildiğimiz kinetik enerji formülü ile birleştirdiğinizde e = mc^2 denklemini elde ediyorsunuz.
Genel görecelilik teorisi
Burada tarihin en büyük keşiflerinden birisine geliyoruz. Einstein çekim kuvveti üzerine düşünürken yer çekimi ile hızlanma arasında benzerlik olduğunu fark eder. Bu Newton 'dan bu zamana gelen bakış açısını tamamen değiştirir. Uzay-zamanın büküldüğünü öne sürer ve sonra bu hipotezi kanıtlanır. Bir güneş tutulması sırasında biliminsanları güneşin arkasında bulunması gereken bir yıldızın ışığını görürler. Einstein bu durumu 10 yıl süresinde formülize edebilmiştir.
Isı ve madde
Bu bölüm ısı enerjisi üzerinde duruyor. Yavaş yavaş dalgalar, enerji ve kuantum mekanikleri konularına geçiyoruz. Isıl enerji ölçeklenebilir bir enerjidir. Bu enerji aynı zamanda gazlarda basıncı oluşturmaktadır. Bunun formülünü PC = NRT olarak biliyoruz. Bu kavramlar "Blackbody radiation" dediğimiz kavrama bağlayacak konuyu.
The blackbody spektrumu ve fotoelektrik efekt
Isı ve enerji üzerine yapılan deneylerde biliminsanları ısıtılan objelerin ultra yüksek frekanslı ışınlar yayması gerektiğini düşünür. Yani ultraviole ışınlar yüzünde "ultraviolet catastrophe" denilen felaket oluşmalıdır. Fakat evrende böyle bir durum olmamaktadır. Bu noktada Max Planck devreye girer ve enerjinin de ısı gibi ölçeklenebilir olduğunu savunur. Bu sayede planck sabiti dediğimiz "h" sayısı ortaya çıkar. Buradan hareketle enerji ve frekans ilişkisini E = HF olarak formülize eder. Bu yaklaşım fotoelektrik efekti anlamlandırmakta da kullanılır ve Einstein 'e nobel ödülü getirir.
X-ray ve Compton efekti
Bu iki buluş maddelerin, yani parçacıkların, hem dalga hem parçacık olabilmeleri ile ilgili ipuçları vermektedir. Bu bölümde X-ray teknolojisinin nasıl keşfedildiğini görüyoruz. Bu basit bilgiler o zamanlarda devasa adımlardı ve biliminsanlarına malum olmadı. Önceki çalışmaların üstüne inşa edildi. Sonrasında Compton elektronların bir maddeden koparıldıklarında belli doğrultularda hareket ettiklerini gözlemler ve açıklar. Bu buluşlar ilk atom modellerinin oluşumuna katkıda bulunur. Burada insanlar dalgaların davranışlarına bakarak parçacıklar hakkında bilgi sahibi oluyorlar ki bu da yeni bir bakış açısı olması itibarı ile bir devrimdir.
Dalga olarak madde
Bu bölümde John Dalton, JJ Thomson, Marie Curie, Ernest Rutherford gibi atom modellerine katkıda bulunmuş biliminsanlar geçiyor. Nikel atomlarından fırlayan elektronlar inceleniyor. Ayrıca bu işlemi farklı dalga boyundaki ışınlarda farklı gerçekleştiği de fark ediliyor. Bunlara binaen ilk atom modelleri doğuyor ve sonrasında bütün bu modellerin aksine Louis de Broglie şu aykırı soruyu soruyor: Madde neden parçacıklardan oluşmak ve parçacık gibi davranmak zorunda ki?
Schrodinger dalga denklemi
Bu adam bilgili bir abiye benziyor. Bu bölümde dalga kavramının doğasından dolayı olasılıksal bir denklem ortaya çıkıyor. Bu garip denklem blackbody radyasyonu, fotoelektrik efekt, atom modelleri ve klasik fiziğin üzerine kuruluyor. Aynı zamanda matematikte "-1 in karekökü" olarak bildiğimiz "i" sayısını da içeriyor. Bu sayede madde ve dalga arasındaki ilişkiyi zamandan bağımsız bir şekilde tanımlıyor. Yani zaman görecelidir ama bu denklem bunu kafaya takmıyor. Madde sadece parçacıklardan oluşmaz olasılıksal bir kavramdır ama bu denklem bunu da kafaya takmıyor. Garip adam diyorum ya :D Bu kişinin oluşturduğu denklem sonradan günümüzde kullanılan standart model parçacıklarını doğuruyor.
Bohr atom modeli
Bu başlık da ayrı bir devrim. Neils Bohr negatif yüklü parçacıkların yani elektronların atom etrafında sadece belirli enerji seviyelerinde bulunabildiklerini kanıtlıyor. Bu noktada ısı ve enerji kavramlarının ölçeklenebilir olduğunu biliyoruz. Bohr ise elektronların konumlarının da ölçeklenebilir olduğunu ileri sürüyor. Bu sayede atomun çekirdeği etrafında 3 boyutlu olarak bulunan elektronlar modeli ortaya çıkıyor. Bu 3 boyutluluk ise sonradan Schrodinger denklemine de dahil ediliyor. Bu sayede bu denklem de uzay-zaman ile uyumlu hale geliyor.
Serbest parçacık modeli
Bu son kısım ise önceki anlatılan denklemlere binaen bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu aynı anda kesin olarak bilemeyeceğimizi anlatıyor. Bunu Heisenberg kanıtlıyor ve adına da "uncertainty principle" veya bilinmezlik prensibi deniyor.
Bu şekilde 12 saatlik videonun özetini yapmış olduk. Fark edeceğini üzere bu gelişmelerin çoğu birbiri ile ilişkili. Çoğunlukla önceki bilgileri ışığında yeni bir bakış açısı ve yeni fikirler getirerek ilerleme kaydediliyor. Bu blog yazısı günlük hayatımızda kullandığımız teknolojinin arkasındaki matematiği ve hikayeyi öğrenmeye başlamak için bence güzel bir giriş noktası oldu. Başta dediğim gibi beni en çok hayrete düşürenler yeni bir çağ açan yaklaşımlar. Bu hikayeye devam etmek isterseniz aynı kanalda Schrodinger denkleminden devam eden 12 saatlik kuantum mekanikleri videosu da var. Muhtemelen onu da bir gün izleyeceğim. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere :)
Bir yorum yazabilirsiniz