KLASİK FİZİĞİN KURAMI VE FELSEFESİ
Prof. Dr. Süleyman BOZDEMİR
Çukurova Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü
(8 Aralık 2004, Seminer Notları)
M. Serdar ÇAVUŞ
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı
Yüksek Lisans Öğrencisi
İzninizle şimdi sizleri fiziğin gizemli dünyasında kısa bir gezintiye çıkarmak istiyorum.
Richard P. Feynman, John Danz Konferanslarında verdiği Her Şeyin Anlamı (1963) konulu bir konuşmasına şöyle başlar:
Orta Çağlarda insanların basitçe çok sayıda gözlem yaptığı ve bu gözlemlerin de yasaları akla getirdiği düşünülüyordu, fakat gerçek bu değildir. O, gözlemden daha çok hayal gücü gerektirmektedir.
İnsanların bilimde hayal gücünün olduğuna inanmaması şaşırtıcıdır. Bilimdeki hayal gücü, sanattakinden farklı olan, çok ilginç bir yaratıcılık türüdür. Hayal etmedeki büyük zorluk şunlardan kaynaklanır; daha önce hiç görmediğiniz bir şey olacak, daha önce görülmüş, ele alınmış her detayı kapsayacak, o ana kadar düşünülmüş olandan farklı olacak ve daha da önemlisi; kesin olacak ve herhangi bir belirsizlik içermeyecek. Bu, gerçekten zor bir şeydir.
Hayal gücünün bilimde ne kadar önemli olduğunu, kendi nefsinde büyük ölçüde yaşayan A. Einstein da bu konuda şöyle der: Hayal etmek bilgiden daha önemlidir
Ayrıca mutlak bir temel olarak, bilimin çeşitli kuralları, karşılıklı olarak uyumlu olmalıdır. Gözlemler tamamen aynı gözlemler olduğu sürece, bir kuralı, bir öngörüyü, başka bir kuralın da başka bir öngörüyü vermesi mümkün değildir. Bu nedenle bilim, özel bir iş değildir, tamamen evrenseldir.
İlginçtir ki, akıl, hayal ürünlerimizi kurallara sokar.
Doğayı betimleyen kurallar, matematiksel kurallar olarak görünmektedir. Bu özellik, gözlemin bir yargıç kimliğinde olmasından kaynaklanır. Ayrıca, matematiksel olmak, bilimin zorunlu bir niteliği de değildir; fakat, matematik, güçlü öngörüler yapmamıza yarayan bir araç olarak bilimin, özellikle de fiziğin en güçlü dilidir ve insan aklının da en büyük eseridir.
17. yydan itibaren fizikteki gelişmelere paralel olarak gelişen rasyonalist felsefede ve daha sonra pozitivist düşünce sisteminde hayal gücünün büyük bir rol oynadığını biliyoruz. Her şeye rağmen hayal ürünlerinin deneylerle doğrulanamadığı sürece bir geçerliliğinin olmadığını da bilmemiz gerekir. Bu nedenle fiziğin gelişiminde deneyci felsefe, akılcı felsefe kadar önemli bir rol oynamıştır.
Fiziksel bilimlerin temeli olan fizik, evrenin temel ilkeleri ile ilgilenir. Diğer fiziksel bilimlerin (Kimya, Astronomi ve Jeoloji) temelidir. Fiziğin güzelliği, temel fiziksel kuramlarının basitliğinde yatar. Fizik az sayıda temel kavram, denklem ve varsayımla çevremize bakış açımızı değiştirir ve genişletir.
Fizik bize dünya ve evren hakkında neler bildiğimizi, insanların bugün bildiklerini nasıl bulduklarını ve yeni buluşlar için nasıl çalıştıklarını öğretir. Fizik sayesinde bilinmeyenle uğraşmak, onu anlamak ve tahmin etmek kudretini kazanırız. Fizikten öğrendiklerimizle yeni buluşlar yaparız. Her yeni buluş yeni teknolojilerin doğması demektir. İnsana, doğayı bir fizikçi gözüyle incelemenin ve anlamanın zevkini verir ve doğa olaylarının yasalarını öğretir. Bu, insana içinde yaşadığı dünyayı anlamak hususunda büyük bir güç kazandıracaktır. Zira, bugünkü dünyada önemli haberlerin, yeni işler yaratan aletlerin ve bir insanın karşılaştığı günlük problemlerin gerisinde fizik vardır. Bu nedenle günümüzde fizik sadece fizikçilerin bir uğraşı alanı değil, konularıyla uzaktan yakından herkesi ilgilendiren bir bilim dalıdır. Kısaca diyebiliriz ki fizik, evrenin temel özelliklerinin sistematik bir incelemesidir. Bu temel özelliklerin her birisi evrende bulunan maddelerin davranışları ve aralarındaki temel etkileşmelerle yakından ilgilidir.
Fiziğin iki temel amacı mantık ve deneydir. Lazerden entegre çiplere, elektrik üretiminden jet motorlarına, radyo ve televizyondan hayat için önemli tıbbi cihazlara kadar gelişmeler hayatın her safhasında bilimi ön plana çıkarmıştır.
Bilimsel yöntem olarak adlandırılan mantıklı nedenler ve kontrollü deneylerin birleştirilmesiyle doğan süreçleri anlama gayretlerimiz, insanlık tarihinin son bölümünü temsil eder.
Yaklaşık 1600lü yıllara kadar soruların doğruluk ve yanlışlığı çoğunlukla politik ve dini yaklaşımlarla belirlenirdi.
Galileo Galilei, Robert Boyle, Isaac Newton gibi büyük fizikçiler bu bilimsel yöntemi dünyaya tanıtmak için öncülük ettiler ve bunu yaparken, zamanın dini ve politik güçlerinden kaynaklanabilecek riski göze aldılar.
Doğayı anlama yolu olarak kullanılan bilimsel yöntemlere olan inancımız iki temel varsayıma dayanır: Bunlardan biri,
- Deneysel sonuçların yeniden elde edilebileceğidir. Bu, aynı deney seti ile aynı sonuçların gözlemciden bağımsız olarak, tekrar elde edilebileceği anlamına gelir.
- İkinci varsayım, doğanın nedensellik ilkesine uygun olarak işlediği ile ilgilidir. Yani, sebep-sonuç ilişkilerine göre; belirli başlangıç koşulları, bir sonuç olarak neyin ortaya çıkacağını belirler.
Bu iki yöntem olmadan deneysel gözlem kısır kalırdı, çünkü sonuçlar, temel ve tahmin edilebilir davranış örneklerini göstermek için genelleştirilemezlerdi. Bu durumda biz anlaşılmayan (kaotik) bir evrende yaşıyor olurduk.
Fiziksel bilimler arasında, fizik en temel olanıdır ve nicel bir bilimdir. Amacı: Madde ve enerjinin ölçülebilir özellikleri arasındaki temel bağıntılarla, fiziksel dünyadaki bütün olayları açılamaktır. Bu temel bağıntılar, fiziğin kanunları olarak bilinirler.
Bu kanunlar, pek çok olaylara uygulanılarak türetilen genel ifadelerdir. Fizikçilerin bir işi de bu kanunlardaki temel bağıntıları, mümkünse matematik dili ile ifade etmektir. Bunu yapmakla fizikçiler, özel durumlara kanunları uygulayarak nicel sonuçlar elde etmek için mantıki matematik kuralları kullanma şansı elde ederler.
Bilimsel yöntemde kanunlar, deneysel kanıtlara konu olan düşünceler veya kuramlar olarak başlar. Nicel önermeler olarak ortaya atılan bu kuramlar, deneylerle desteklenir; deneylere uymayanlar elenir.
Sonuçta, uygulamalarında genel ve evrensel olan kuramlar fiziksel yasa özelliği kazanır ve kalıcı olur.
Fizik, özgür düşünce ve kavramlarıyla geliştirdiği, akla, gözleme, deneye, bilimsel şüpheciliğe ve kurama dayalı bilimsel yöntemleriyle, insan aklının yarattığı en büyük eserdir.
Şimdi kendimize soralım; fizik nedir? Fizik hakkında bilgimiz ne düzeydedir? Fizikteki gelişmeler yaşantımızı, düşünce sistemimizi ve felsefemizi nasıl etkilemektedir? Klasik fizik kuramı nedir? Nasıl doğmuştur? Felsefesi nedir?
Bu soruların yanıtlarını fiziğin evrimine bir göz atarak vermeye çalışalım.
Çevremize şöyle bir baktığımızda pahalı deney aletlerine gereksinim duymadan inceleyebileceğimiz pek çok fiziksel olayın bulunduğunu görürüz. Güneşin, Ayın, gezegenlerin ve yıldızların hareketleri, gökkuşağının spektrum renkleri, göğün maviliği, bulutların oluşumu, yağmurun yağması, suyun akışı, cam ve diğer yüzeylerdeki su damlacıklarının şekilleri, ışığın aynadan ve su birikintilerinden yansıması ve kırılması, Güneşin doğudan doğması ve batıdan batması bunu yaparken yıldan yıla bir miktar kayma yapması, serbest bırakılan cisimlerin yerin merkezine doğru düşmesi, vb. yüzlerce örnek verebiliriz.
Bir kaya parçasını daha küçük parçalara ayırabileceğimizi biliyoruz. Aynı işlemi kum taneleri elde edene kadar sürdürebiliriz. Peki, kum tanelerini bölmeye kalkışırsak ne olur? Yunanlı filozof Demokritos, bu soruları yirmi beş yüzyıl önce sorup, atom kavramını ve bir parçacığın daha fazla bölünemeyeceğini öne sürmüştü. Demokritosin bu basit sorusunu yanıtlamak için pek çok fizikçi çaba sarf etti. Oysa, sadece son birkaç yıldır incelenmek üzere yalıtılmış bir atoma sahip olabildiler. Bugün artık, atomları yerlerinden cımbızla çekip alabilecek güçlü mikroskoplar geliştirildi.


Doğum ve ölüm tarihleri net olarak belli olmamakla birlikte, Zenon'dan 30 yıl sonra doğduğu sanılmaktadır (M.Ö.455-M.Ö.370 yılları arasında yaşadığı tahmin ediliyor). Çok gezmiş, matematik öğrenmek üzere Babil'e ve Mısır'a gitmiştir.
Demokritos'a göre evren, doluluk ve boşluktan oluşmuştur. Dolu kısım, bölünemez küçük parçacıklar, yani atomlar tarafından doldurulmuştur; bunlar ölümsüz ve yalındırlar. Nitelikleri aynı ama biçimleri ayrıdır. Varlıklar bu atomların bir araya gelmelerinden oluşmuşlardır ve bir arada bulundukları sürece vardırlar; şayet bunları oluşturan atomlar bir nedenle dağılırsa yok olur giderler. Evrende gözlemlenen değişim, atomların birleşmesi ve dağılmasından ibarettir. Atomcu kuram, özünde mekanist ve deterministtir, ama bu dönemde atomların nasıl hareket ettiklerine ilişkin güçlü bir yaklaşımın eksikliği duyulmaktadır.
Demokritos matematikle de ilgilenmiş ve Bir Daire veya Bir Küreye Çizilen Teğet, Geometri Üzerine, Sayılar Üzerine (aynı adı taşıyan bir yapıtı daha vardır) ve İrrasyoneller Üzerine adını taşıyan yapıtlar vermiştir.
Bir Daire veya Bir Küreye Çizilen Teğet'te, kürenin veya dairenin teğetle ortak olan bir tek noktası bulunduğunu ve teğet biraz oynatılacak olursa, bu defa daireyi ve küreyi iki noktada keseceğini ve teğet olma özelliğini kaybedeceğini söyler.
Demokritos, astronomi ve kozmoloji ile de ilgilenmiştir. Astronomi ile ilgili görüşleri gerçek dışı olmasına rağmen kozmoloji ile ilgili öngörüleri oldukça ilgi çekicidir.
Ona göre, evrende çok sayıda ve çeşitli büyüklüklerde dünyalar vardır. Bunlar birbirlerinden farklı uzaklıklarda bulunurlar. Bazıları oluşmaktadır; bazıları oluşmuştur ve bazıları ise çökmektedir. Bunlardan bazıları çarpışarak yok olurlar. Bazılarında su, bitki ve hayvan yoktur. Bizim bölgemizde ilk önce Yer oluşmuştur. Ay, yıldızların en altında bulunur; onu Güneş ve gözle görülebilen beş gezegen izler.
O halde gerçekten atomlar var ve felsefenin bir konusu olmanın ötesinde bilimin de önemli bir konusu olmuştur; ve biz biliyoruz ki atomlar da alt parçacıklarına bölünebilir ya da iyonlaşabilirler. Her atom, uzaydaki bir gezegenler sistemine benzer. Çekirdeği Güneşe, elektronları gezegenlere benzetebiliriz. Büyük hızlandırıcılar sayesinde bilimciler, çekirdeğin içindeki temel parçacıkları da inceleme olanağına sahiptirler. Yani, Demokritosin bu basit sorusundan başlayarak yüzyıllardır binlerce bilim adamı maddenin yapısıyla ilgili geniş ve bir o kadar da ilginç buluşlar yaptılar. Bu buluşlar tüm dünyadaki araştırma laboratuarlarında hala sürmektedir.
Bu kısa özetten yola çıkarak fizik için yaklaşık bir tanım yapılabilir:
Doğanın en temel bilimi olan fizik, gerek doğal olarak insanın doğrudan karşılaştığı, gerek kendisinin yarattığı algılanabilir dünyanın ve evrenin nesnelerini, aralarındaki temel etkileşmeleri ve olayları, gözleme, deneme ve kuram hazırlama yoluyla inceleyen bir bilimdir diyebiliriz.
Kuark ve lepton gibi, maddelerin temel yapı taşlarını oluşturan en küçük parçacıklardan, evrendeki yıldızların, galaksilerin ve gök adaların davranışına varıncaya kadar tüm doğa olaylarını kapsayan geniş bir alan, fiziğin konusuna girmektedir.


Ege Denizi'nin kuzeyinde bulunan Stageria'da doğmuştur. O dönemde, Stageria'da İyon kültürü egemendir ve Makedonyalıların buraları istila etmeleri bile bu durumu değiştirmemiştir. Bu nedenle Aristoteles'e bir İyonya filozofu denilebilir. Babası Nicomaihos, hekimdir ve Makedonya Krallarından Amyntus'un (M.Ö.393-370) hekimliğine getirildiğinde, ailesi ile birlikte Stageria'dan Makedonya'nın başkentine taşınmıştır. Aristoteles burada öğrenim görmüş ve savaş yaşamına ilişkin ayrıntılı bilgiler ve deneyimler edinmiştir; bir taraftan İyon ve diğer taraftan Makedonya etkileriyle biçimlenmiş ve gençliğinde, ilgisini daha çok tıp üzerinde yoğunlaştırmıştır. 17 yaşına geldiğinde öğrenimini tamamlaması için Atina'ya gönderilen Aristoteles, hayatının 20 yılını (M.Ö. 367-347) burada geçirmiştir. Atina'ya gelir gelmez, Platon'un öğrencisi olarak Akademi'ye girmiş ve hocasının ölümüne kadar burada kalmıştır. Platon, sürekli olarak çekiştiği bu değerli öğrencisinin zekâsına ve enerjisine hayran kalmış ve ona Yunanca'da akıl anlamına gelen Nous adını vermiştir.
Aristonun matematik bilgisi
araştırmalarına yeterli olacak düzeydeydi; bilimleri matematik, fizik ve
metafizik olarak üç bölüme ayırırken, Platon gibi, matematiğe - yani
aritmetik, geometri, astronomi ve müzik bilimlerine - bir öncelik tanımıştı;
ancak uygulamalı matematikle ilgilenmiyordu. "Eşit şeylerden eşit şeyler
çıkarılırsa, kalanlar eşittir." veya "Bir şey aynı anda hem var hem
de yok olamaz (üçüncü durumun olanaksızlığı ilkesi)" gibi aksiyomların
bütün bilimler için ortak olduğunu, postülaların ise sadece belirli bir
bilimin kuruluşunda görev yaptığını söyleyerek, aksiyom ile postüla
arasındaki farklılığa işaret etmişti. Aristonun, süreklilik ve sonsuzluk
hakkında yapmış olduğu temkinli tartışmalar, matematik tarihi açısından
oldukça önemlidir. Sonsuzluğun gerçek olarak değil, gizil olarak varolduğunu
Aristo, astronomiye ilişkin görüşlerini
Aristoya göre, Evren, Ayüstü ve Ayaltı Evren olmak üzere ikiye ayrılır; Yer'den Ay'a kadar olan kısım, Ayaltı Evren'i, Ay'dan Yıldızlar Küresi'ne kadar olan kısım ise Ayüstü Evren'i oluşturur. Bu iki evren yapı bakımından çok farklıdır. Ayüstü Evren ve burada yer alan gökcisimleri, eterden oluşmuştur; eterin, mükemmel doğası, Ayüstü Evren'e ezelî ve ebedî bir mükemmellik sağlar. Buna karşılık, Ayaltı Evren, her türlü değişimin, oluş ve bozuluşun yer aldığı bir evrendir. Burası, ağırlıklarına göre, Yer'in merkezinden yukarıya doğru sıralanan dört temel öğeden, yani toprak, su, hava ve ateşten oluşmuştur; toprak, diğer üç öğeye nispetle daha ağır olduğu için, en altta, ateş ise daha hafif olduğu için, en üstte bulunur. Aristoya göre bu öğeler, kuru ve yaş ile sıcak ve soğuk gibi birbirlerine karşıt dört niteliğin bileşiminden oluşmuştur.
Antik çağdan 17. yyın başına dek fizik terimi, olayların hemen hemen yalnız nitel görünümlerini, varlığını ve maddelerini ele alan, günümüzde doğa felsefesi dediğimiz kavramı belirtiyordu. Bu dönemde bilinen olaylar yalnızca katı ve sıvı maddelerin statik (durgun) davranışı (Arşimet ilkesi- suyun kaldırma kuvveti), ışığın yansıması ve kırılması, ısı ve ateş, ses ve müzikti. Bunlara ek olarak Yunanlıların M.Ö 8. yyda manyetizmayı, 6. yyda statik elektriği buluşunu ve Çinlilerin M.Ö 1000 yılında pusulayı buluşlarını da ekleyebiliriz. Bu konulardaki bilgiler de oldukça yüzeyseldi ve fizik, bir kavram olarak bilinmiyordu.


Syrakusaide doğmuştur. Zamanının en büyük bilim adamından biri olarak gösterilir. Matematikçi, fizikçi ve filozof olan Arşimet bu alanlarda birçok başarıya imza atmıştır. Daha gençliğinde bilime çok meraklı olan Arşimet o dönemin en büyük bilim merkezlerinden biri olan İskenderiyeye Eukleidesden ders almaya gider. İskenderiye'de bulunduğu sıralarda keşfettiği Mısırdaki Arşimet Vidasından halen bugün bile su çıkartılıyor. Arşimet o zamanda Roma kırarlığının generali Marcellus'a, Syrakusai almasında birçok sorun çıkarmıştır. İcat ettiği savaş aletlerini Romaya karşı kullanmıştır. Bu Romanın Syrakusaiyi almasını üç yıl geciktirmiştir. Bu icatlarından bazıları toplar ve güneş ışınlarını toplayarak düşman gemilerini tutuşturan aynalardır. Çok iyi bir teknisyen olan Arşimet bu icatlarını bazı bilimsel kurallardan yararlanarak yapmıştır.
Arşimet'in mekanik alanında yapmış olduğu en büyük buluşlar arasında bileşik makaralar, sonsuz vidalar, hidrolik vidalar ve yakan aynalar söylenebilir. Bunlarla ilgi bir eser bırakmamış ama matematiğin geometri alanında, fiziğin statik ve hidrostatik konularında birçok eser bırakmıştır.
Geometriye yapmış olduğu en büyük katkı, bir kürenin yüzölçümünün ve hacminin ise e eşit olduğunu ispatlamış olmasıdır. Bir dairenin alanının, tabanı, bu dairenin çevresine ve yüksekliği ise yarıçapına eşit bir üçgenin alanına eşit olduğunu kanıtlayarak pi nin değerinin ile arasında bulunduğunu bulmuştur.
Arşimet'in matematikteki en büyük çalışmalarından biri de eğri yüzeylerin alanlarını bulmak için bazı yöntemler geliştirmesidir. Daha sonra bir parabol kesmesini dörtgenleştirirken sonsuz küçükler hesabına yaklaşmıştır. Bu hesabın tarihteki önemi çok büyüktür çünkü daha sonra Newton'un bulduğu diferansiyel-integral hesap için bir temel olmuştur. Bu konuyla ilgili yazdığı kitapta (Parabolün Dörtgenleştirilmesi) tüketme metodu ile bir parabol kesmesinin alanının, aynı tabana ve yüksekliğe sahip bir üçgenin alanının 4/3 'üne eşit olduğunu bulmuştur.
Arşimet'in en büyük çalışmalarından bir tanesi de denge prensiplerini ortaya koymasıdır ve bunu ilk kez açıklayan da kendisidir. Bunlardan ilki eşit kollara asılmış eşit ağırlıkların dengede kalmasını bulmasıdır. İkincisi ise eşit olmayan ağırlıklar, eşit olmayan kollarda bu formül kullanıldığında dengede kalmasını bulmasıdır. Bu kadar çalışmasından sonra Arşimet "Bana bir dayanak noktası verin Dünyayı yerinden oynatayım" diyerek ne kadar azimli olduğunu bir kez daha dünyaya kanıtlamıştır ve aynı zamanda bu sözü yüzyıllardan beri dillerdedir.
Arşimet daha sonra Dünyaya kendisini tanıtan buluşunu yapmıştır yani sıvıların dengesi kanununu bulmuştur (suyun kaldırma kuvvetini). Bir rivayete göre, bir gün Kral İkinci Hieron yaptırmış olduğu altın tacın içine kuyumcunun gümüş karıştırdığından kuşkulanmış ve bu sorunun çözümünü bulması için Arşimet'e yollamıştır. Çok düşünmüş olmasına rağmen sorunu bir türlü çözemeyen Arşimet, yıkanmak için bir hamama gittiğinde, hamam havuzunun içindeyken ağırlığının azaldığını hissetmiş ve hamamdan fırlayarak "Buldum, buldum" demiştir. Arşimet'in bu kanunu bulmasıyla doğada tesadüflere yer olmadığı açıkça anlaşılıyordu. Arşimet'in çalışmalarından önce tahtanın yüzdüğü ama demirin battığı biliniyordu ancak sebebi açıklanamıyordu.
Arşimet modern bilimsel yöntem anlayışına çok yakın bir anlayışla, statik ve hidrostatik kanunlarını bulmuş ve bugün hala kullanılan bu kanunla tarihteki en büyük bilim adamları arasında yer almayı başarmıştır.
Yazımızın başında da bahsettiğimiz gibi Arşimet Roma imparatorluğuna Syrakusaiyi almasında birçok zorluk çıkarmıştır, ancak Roma geçte olsa burayı da işgal etmiştir. M.Ö 212'de Roma burayı işgal ederken Arşimet toprak üzerinde bir çalışma yapıyormuş ve bu sırada bir Roma askerinin yanına yaklaştığını görünce kendisini rahat bırakmasını söylemiş ancak asker hiç onu dinlemeden tarihteki en büyük bilim adamlarından birini öldürmüştür.
Birçok eski filozof, nesnelerin neden ve nasıl hareket ettiğini açıklamaya çalışmışlardır. Bu konuda ilk ciddi çalışmalar Yunanlı astronomlar ve filozoflar tarafından yapılmıştır. Bu araştırmacılar, gökte bulunan cisimlerin hareketini tanımlamak için oldukça karmaşık modeller tasarlamalarına karşın, böyle hareketlerle yeryüzündeki cisimlerin hareketleri arasında kurdukları ilişkiler tutarsızlık gösteriyordu. Bu filozofların başında Aristo gelir.
Bilindiği gibi Aristo, ünlü bir rasyonel, eklektik (seçmeci) felsefecidir. Her şeyin akılla çözülebileceğine, bu nedenle deney yapmaya gerek olmadığına inanmaktadır. Bu yüzden, hareketle ilgili birçok görüşleri, asırlarca fiziğin gelişmesine engel olmuştur. Örneğin, Aristoya göre, dış bir etkenin yokluğunda hareketin devam edebilmesi ancak ortamın sahip olduğu bir hareket gücüne bağlıdır. Bir cisim, başka bir cisme değmeden kuvvet uygulayamaz. Aristonun, cisimlerin serbest düşme hareketi ile ilgili teorisi de hayli ilginçtir. Aristoya göre büyük cisimlerin yerin merkezine doğru gitme eğilimi küçük kütleli cisimlerden daha fazladır ve bu nedenle büyük cisimler küçük cisimlerden daha hızlı düşerler.
Fiziği anlayamayanlara göre Aristodaki bu yanılgılar akla uygun görünebilir.
Ayrıca Aristonun yerin, evrenin merkezi olduğu ile ilgili görüşü de fiziğin gelişmesine büyük bir engel olmuştur. Bu görüş, kilise tarafından da benimsenmiş, kilise, aksini söylemeye kalkan Giordino Brunoyu ateşlerde yakmış, Galileoyu (15641642) zindanlara atmış ve onun sefalet içinde bir ömür geçirmesine neden olmuştur.
Ortaçağ boyunca fiziğin, genelde bilimin gelişmesine en büyük engellerden birisi Avrupada Aristonun, doğanın yapısal durumuyla ilgili yanlış düşüncelerinin Hıristiyanlık dininin öğretileri içine girmesini sağlayan kilise ve İslam dünyasında ise imanı akıldan üstün tutan Gazali öğretisini benimsemiş olan medreselerdir.
Aristo ile Galileo arsında yaklaşık 2000 yıllık bir zaman aralığı vardır. Nesneler uzayı ile düşünceler uzayının tek bir fizik uzayı halinde birleşmesi için bu kadar uzun bir sürenin geçmesi gerekmiştir.


İtalya'nın Pisa kentinde 1564'de dünyaya geldi. Öğrenimini bu kentte tamamladı. Çok erken yaşlardan itibaren matematikte başarılıydı. İtalya'nın önde gelen matematikçilerinden biri oldu. Hayatı boyunca mekanik bilimi, mercekler ve astronomiyle ilgilendi, birçok icatlar yaptı. Dünyanın ve diğer gezegenlerin güneşin etrafında döndüğünü savunduğu için başı Kilise'yle derde girdi. Sonunda Kilise yetkilileri, Galileo'yu yargıladı. Ünlü bilim adamı suçlu bulundu. Görüşlerinin yanlış olduğunu açıklayarak canını zor kurtardı. Ancak tarih Galileo'nuin yanındaydı. Dünyanın Güneş'in etrafında döndüğünü bugün artık herkes biliyor. Bir zamanlar Galileo'yu yargılayan Kilise bile bu gerçeği kabul etmiş durumda. Hayatının kronolojisini kısa olarak şu şekilde verebiliriz:
1564 İtalya'nın Piza kentinde dünyaya geldi.
1594 Kendi icat ettiği bir su pompalama makinesi için patent aldı.
1597 Sıcaklık ölçen termoskopu icat etti.
1610 Hollandada 1608de Hans Lippersheyin yaptığı teleskop ile Ocak ayında Jüpiter gezegeninin 4 uydusunu keşfetti.
1610 Toscana büyük dükünün baş matematikçisi oldu.
1619 Mikroskobu icat etti. Sonraki beş yıl boyunca çok sayıda mikroskop yaptı.
1632 "Önde gelen İki Dünya Sistemi Üzerine Diyaloglar" adlı kitabını yayınladı.
1632 Ekim ayında Vatikan'a çağrıldı ve Güneş sistemiyle ilgili görüşleri nedeniyle Kilise'nin üst düzeyli yetkilileri tarafından yargılandı.
1633 Sürgüne gönderildiği Siena kentinden evine dönmesine izin verildi.
1642 78 yaşında öldü.
Fiziğin gerçek gelişimi 17. yy başında başladı ve doğa felsefesinden ayrılarak, bağımsız bir bilim haline gelmesi 1850de oldu. 16. yy da Kopernik (1472-1543) tarafından, Dünya ile birlikte diğer gezegenlerin de güneş çevresinde döndükleri ortaya atıldı. Galileo, bunun ateşli bir savunucusu oldu.


Polonya, Torun'da
doğmuştur. Krakov, Bolonya,
Copernicus, Güneş merkezli gök sisteminin kurucusudur; Güneş'in evrenin merkezinde bulunduğunu ve Yer'in bir gezegen gibi, Güneş'in çevresinde dolandığını savunan bu sistemi, 1543 yılında basılan, Gök Kürelerinin Hareketi adlı ünlü kitabında bütün yönleriyle açıklamıştır. Bu yapıt iki ana bölümden oluşur. Birinci bölümde sistemin ana hatları tanıtılmış ve ikinci bölümde ise ayrıntılara inilmiştir.
Copernicus'ten önce de Güneş merkezli sistemi ortaya koyanlar olmuştu, ama bunların hiç birisi Copernicus gibi etkili olamamıştır. Copernicus temel prensiplerini ortaya koyduktan sonra yaşamının hemen hemen otuz yılını bunu bir hesaplama sistemi haline getirme çabasıyla geçirmiştir. Sonunda çok eleştirildiği gibi karmaşık da olsa, hatta Batlamyus'tan daha başarılı olmasa da, Yer merkezli sistemin karşısına, aynı ayrıntılı hesaplama olanağına sahip bir ikinci sistemi koyabilmiştir. Almagest'ten hesaplama tekniğini, gözlem sonuçlarını almasına rağmen, Ortaçağ bilimine en büyük darbeyi indirmiş, modern astronomiye, modern fiziğe giden yolu açmış, kuşkusuz Yeniçağ'ın öncüsü adını almaya hak kazanmıştır.
Kopernikten sonra, Danimarkalı bir astronom Tycho Brahe (1546-1601) kendi gözlem evinde ilk defa, gezegenlerin hareketi ile ilgili uzun bir süre gözlemler yaptı ve veriler topladı. Bu, modern bilimin anahtarı ve doğanın gerçekten anlaşılmasının başlangıcı oldu. Bir şeyi gözlemek ve bu bilgilerin şu veya bu yorumu çıkarmayı sağlayacak ipuçlarını içerdiğini ummak. Bu, o zamana kadar hiç yapılmamış bir şeydi.
Tychonun ani ölümü üzerine eldeki verilerin değerlendirilmesi işi asistanı Alman astronom ve matematikçi Johannes Keplere (1571-1630) kaldı.


1571'de Almanya'da Württemberg'de doğdu. Astronominin prensi olarak gösterilen Kepler bu alanda birçok başarı elde etmiştir. Sadece astronomiyle değil matematikle de ilgilenmiştir. Kraliyet matematikçisi olmuştur. Babasının sarhoş, annesinin ise akıl dengesi bozuktu. Dört yaşında geçirdiği çok ağır bir çiçek hastalığından sonra gözleri bozulmuş ellerinde de sakatlıklar oluşmuştur. Sorunlu bir ailede büyümesine rağmen öğrencilik dönemi çok başarılı geçmiştir. Tycho, Kepleri asistan olarak yanına çağırdı. Tycho yanına yerleştikten sonra Kepler yıldız falına bakarak para kazanıyordu. Yıldız falına kendiside inanıyordu ve gökyüzünde müziksel bir uyum olması gerektiğini savunuyordu. Ancak ileriki yıllarda inancı çok zayıflamıştı. Tycho'nun yanındaki görevi gezegenlerin yörüngelerini belirlemekti. Yörüngesini incelemeye başladığı ilk gezegen Marstır. Graz'da, matematik profesörü olarak üniversitede görev yapmıştır. Daha sonra dinsel çekişme Protestanların lehine sonuçlanınca burayı terk etmek zorunda kaldı ve Prag'a yerleşti ve orada 1599'da Brahe'ye yıldız tablolarının hazırlanışında yardım etti. 1601'de Brahe'nin ölümü üzerine saray astronomu olarak göreve başlamıştır.
Brahe ölmeden önce o güne kadar yapmış olduğu tüm gözlem kayıtlarını Kepler'e bıraktı. Bu kayıtları Kepler inceledi ve bu astronomik tablolardan bir anlam çıkarmaya çalıştı. Tüm çalışmalarında Kopernik sisteminden yararlandı. Bu konuda, bilinen her şeyi kapsayan ve bunlar arasında mutlak bir uyum sağlayan bir sistemin varolması gerektiğini düşünmüş ve Brahe'nin gözlemlerinden yararlanarak, tekrar tekrar yaptığı hesaplar sonucunda, gezegenlerin dairesel yörüngeler üzerinde ve hızla dolandıkları temel prensibini terk etmiş ve ünlü üç kanununu ortaya koymuştur. Bu nedenle Kepler, modern gök mekaniğinin kurucusu olarak bilinir.
Keplerin kendi adıyla anılan ünlü kanunları:
1. Gezegenlerin yörüngeleri, odaklarının birinde Güneş bulunan bir elipstir.
2. Gezegenleri Güneşe birleştiren vektör, eşit zaman aralıklarında eşit alanlar süpürür.
3. Her hangi bir gezegenin yörünge periyodunun karesi, eliptik yörüngesinin büyük ekseninin yarısının küpüyle orantılıdır. Yani, .
Aynı sıralarda Galileo da, bir taraftan bir mercekçinin yaptığı dürbünle gökyüzünü inceliyor, diğer taraftan da Dünyadaki sıradan cisimlerin hareket kurallarını bulmaya çalışıyordu. Bu çalışmalarının sonucunda Galileo, eylemsizlik ilkesi denilen önemli bir kural keşfetti. Bu ilkeye göre sabit bir hızla öteleme yapan bir cisme dıştan bir etki olmadığı taktirde, cisim, sonsuza kadar aynı hızla hareketine devam edecektir. Bunun için, cismin bir hareket gücüne sahip olması gerekmemektedir.
Galileonun ortaya çıkardığı bir diğer gerçek de, Aristonun kuvvet ve hareketle ilgili düşüncelerinin yanlışlığı olmuştur. Boşlukta bütün cisimlerin hareketlerinin kütlelerinden ve şekillerinden bağımsız olduğunu deneyerek göstermiştir. Serbest düşme deneyi hava direncinin gerçekten etkisiz kaldığı bir vakumda yapıldığında, bir kuş tüyü ile madeni paranın belli bir yükseklikten bırakıldığında yere aynı anda düştükleri bugün fizik laboratuarında gösterilen sıradan bir deneydir. Nitekim böyle bir deney 2 Ağustos 1971de astronot David Scott tarafından Ay üzerinde de yapıldı ve Galileoyu kesinlikle doğruladı.
Galileo Galilei, çağdaş fiziğin temelini atan, matematiği fizikte kullanarak fiziğin dilinin matematik olduğunu gösteren bir kişi olarak bilinir. Bu son derece ilginç insanın fiziğe katkıları yalnız, kinematiği, Aristodan beri içine düştüğü çıkmazdan kurtarması değil, bu işi yaparken doğa ile ilgili problemleri çözmekte getirdiği yaklaşım, yeni yöntemler, yeni anlayış ve yeni kavramlarla insanlığın eline yepyeni, güçlü ve doğanın yapısına uygun araçlar vermiş olmasıdır.
Galilei ile birlikte bir kuşak bilim adamının deneye yöneldiğini görüyoruz fakat genelde bu yönelişin tümünü tek bir kişinin eseri saymak doğru değildir. Kişinin kafasını skolastik düşünce biçiminin boyunduruğundan kurtaran, bilimsel düşünceye olanak veren toplumsal koşulları görmezlikten gelemeyiz. Deneysel bilimin doğuşu ile birlikte tüm Avrupayı kapsayan yeni bir enerji ve ilgi dalgasına tanık olmaktayız. Hollandalı bir mercekçinin buluşu olan teleskop, Galileonun elinde hemen gökyüzüne çevrilen bir inceleme aracı niteliğini kazanır. Başka bir İtalyan, Galileonun öğrencisi Toricelli, barometreyi bulur; havanın, yükseklere çıktıkça azalan bir basınç oluşturduğunu kanıtlar. Almanya da Guericke hava pompasını bulur. İngilterede kraliçe Elizabethin hekimi William Gilbert manyetizma üzerine deneyler yapar ve yayınlar. Boyle, gazların basınç yasalarını bulur. Böylece gözlem ve deney yolundan hareketle bilim dünyasını oluşturan bir dizi olgu ve yasanın ortaya çıktığını görüyoruz.
Fizik bilimini, Klasik Fizik ve Kuantum Fiziği olmak üzere iki döneme ayırabiliriz.
17. yy boyunca süren ve yirminci yüzyıl başlarına kadar geçen süre klasik fizik dönemi olarak ele alınır. Bu dönemde, üç önemli fizik sentezi bulunmaktadır.
1) Newtonun klasik mekanik sentezi (1687),
2) Maxwellin elektromanyetik sentezi (1864),
3) Einsteinın göreli mekanik sentezi (özel ve genel görelilik kuramları) (19051916).
Mekaniğin yapısal ve düşünsel gelişimini şöyle bir tabloda özetleyebiliriz:
Klasik
mekanik, hızı ışık hızından çok büyük, boyutu 10-
Einsteinın
özel görelilik kuramı; ışık hızına yakın hızlarda harekete
Kuantum fiziği, atomik ölçekte meydana gelen olayları inceler; madde ve ışığın 10-8 cmden küçük boyutlu kısımlarına bakıldığında ortaya çıkan görünümü betimler.
Kuantum alanlar teorisi; hem çok hızlı hem de çok küçük cisimler için görelilik ve kuantum ilkelerini birlikte sağlayan kurama denir. Kuantum alan kuramı 1930-40lı yıllarda geliştirilmesine rağmen, bugün daha tam yeterli sayılmamaktadır.
Newtonun Klasik Mekanik Sentezi
Fiziğin
gerçek gelişimi ve evrimi 17. yy başında başladı. 1642 yılında Galileo ölür ve
Klasik mekanik kuramı bize, hızı, ışık hızından çok küçük, boyutu atomistik boyut 10-8 cmye göre çok büyük boyutlu makro sistemlerin yeryüzünde ve evrende nasıl davrandıklarını anlama ve çoğu kez tam bir isabetle davranışlarını öngörme yeteneğini kazandırmıştır.
Newtonun sentezi iki farklı konuyu kapsar.
Bunlardan biri, cismin, bir kuvvetin etkisi altında nasıl bir yol izleyeceğini
açıklayan hareket yasalarıdır. Bunlara dinamik yasaları denir. Diğeri,
Gravitasyonel çekim yasasıdır.


1642'de Lincolnshire'de doğmuştur.
İngiliz bir bilim adamı olan
Newton'un fizik dünyasına
kazandırdığı en büyük yeniliklerden biri diferansiyel ve integral hesabı
buluşudur (Niwtondan bağımsız olarak filozof ve matematikçi Leibnizde bu
yüksek matematiği keşfedenlerden birisi olarak bilinir). Bu buluşu yapmasıyla
birlikte matematikte yeni bir çığır açmış olan
Ayrıca,
Newton'un optik dünyasına en büyük
katkısı hiç şüphesiz, prizma tarafından dağıtılan beyaz ışığı inceleyerek
geliştirdiği renkler kuramıdır. Bu konuda 1666'da çalışmalar yapmaya başladı
ve 1672'de Royal Society'ye sundu. Ancak bu çalışmalarının geniş bir
açıklamasını daha sonra yayımlanan Opticks kitabında bahsetti.
Klasik mekaniğin kuramı
Klasik kuram; Newtonun üç dinamik yasası: Eylemsizlik ilkesi, kuvvet yasası, etki-tepki yasası; iki yardımcı ilke: Belirlenimicilik (determinizm) ve nedensellik (sebep-sonuç) ilkeleri ve mutlak zaman, mutlak uzay, mutlak kütle aksiyomları üzerine kurulmuştur. Bu yasalar için Galileo göreliliği geçerlidir.
Newtonun
maddesel cisimlerin davranışını düzenleyen üç yasasından birinci ve ikinci
yasa, daha önce Galileonun özünü verdiği yasalardı: Bir cisme hiçbir kuvvet
etkimezse cisim, bir doğru üzerindeki tekdüze hareketini sürdürür; cisme net
bir kuvvet uygulanırsa bu durumda kütle çarpı ivmesi (yani, momentumundaki
değişim oranı) bu kuvvete eşittir. Newtonun kendine özgü sezgisiyle
gerçekleştirdiği yasa üçüncü yasasıdır: A cisminin B cismine uyguladığı kuvvet,
B cisminin A cismine uyguladığı kuvvete eşittir, ancak ters yönlüdür (Her
etkiye eşdeğer bir tepki vardır). Bu yasa, Newtonun ana yasası olmuştur.
Newtonun evreni, Öklidin geometrisinin ilkelerine bağımlı bir uzayda oraya
buraya hareket
Galileo ve Keplerin attığı sağlam temeller üzerine
Galilei rölativitesine göre zaman, uzaydan tamamen ayrı ve bütün gözlemciler için aynı, yani hareketten bağımsız, mutlaktır. Mutlak zaman kavramı klasik kuramda, etkileşmelerin sonsuz hızla yayılmasını öngörüyordu. Bir alan aracılığı ile etkileşme kavramı henüz bilinmiyordu.


Christian Huygens (1629 - 1695)
Dinamik ve optik alanlarına katkıları nedeniyle iyi tanınan Hollandalı bir fizikçi ve astronomdur. Bir fizikçi olarak; başarıları, ışığın dalga teorisinin açıklanmasını ve sarkaçlı saatin keşfini içerir. Hollandalı bilim adamı, ışığın parçacıklar şeklinde yol alması halinde bu parçacıkların yarı yolda birbirleriyle çarpışacaklarını ve birbirlerini yok edeceklerini ileri sürdü. Huygens, bütün uzayın görünmeyen bir madde ile kaplı bulunduğunu, cisimlerden çıkan ışığın bu maddenin bir dalgasal hareketi şeklinde olduğunu söyledi. Uzaydaki bu maddenin ışığı dalgalar halinde göze taşıdığına inanıyordu. Huygens yayılan ışık dalgalarının her noktasının yeni ışık dalgaları yayınlayan kaynaklar olduğunu ve bütün bu dalgaların uzunlamasına yol aldığını belirtti.
Bir astronom olarak Huygens Satürn' ün uydusu, Titan'ı keşfeden ve Satürn çevresindeki halkaları tanıyan ilk kişidir. Huygens çeşitli eğrilerin alanlarının hesabı konusundaki ilk makalesini 1651 yılında yayınladı. Huygens'in optik ve dinamikteki ünü Avrupa'da yayıldı ve 1663'te Royal Society'in kurucu üyesi seçildi. 1673'te, Paris'te Huygens, Horologium Oscillatoriumu yayınladı. O, bu çalışmasında eşdeğer basit sarkaç uzunluğunu hesapladığı, bileşik sarkaç problemine bir çözüm önerdi. Aynı yayında, basit sarkacın salınımının periyodunu hesaplamak için bir formül türetti ve bir dairedeki düzgün hareket için merkezkaç kuvvetinin yasalarını açıkladı.
Büyük odak uzaklıklı birkaç mercek yaptı ve teleskoplar için renksiz mercekleri keşfetti. Isaac Newton ile karşılaştığı İngiltere ziyaretinden döndükten kısa bir süre sonra, ışığın dalga teorisi konusundaki tezini yayınladı. Huygens'e göre, ışık, göze çarpınca ışık duygusunu oluşturan ve eter içerisinde yayılan titreşimsel bir hareketti. Bu teoriye dayanarak, çift kırılma olayını açıklayabildi ve yansıma ve kırılma yasalarını ortaya çıkardı. Huygens, Newton'dan sonra, 17. yy'ın ikinci yarısındaki en büyük bilim adamları arasında ikinci kişiydi. İlk kez Hollandalı fizikçi olan Huygens tarafından keşfedilen Orion takımyıldızı bu optik deneylerle bulunmuştu. Galileo ve Descartes tarafından ulaşılan noktanın ötesine, dinamik alanında ileri giden ilk kişiydi. Merkezkaç kuvvet, problemini tamamen çözen kişiydi. Yalnız bir adam olan Huygens, öğrencilerini veya taraftarlarını cezbetmedi ve bulduklarını yayınlamakta çok yavaştı. Huygens, uzun süren bir hastalıktan sonra 1695'te öldü.
Belirleyicilik ilkesi
Klasik kuram belirleyicidir, yani gelecek tümüyle geçmiş
tarafından belirlenir. Belirleyicilik ilkesi, olup biten her şeyin
kendilerinden önce gelen olgularca belirlendiği öğretisine dayanır.
Belirleyicilik ilkesi,
Bu
düşüncenin özgür irade kavramı, felsefe ve din üzerindeki etkileri çok büyük
olmuştur.
İlerde göreceğimiz gibi, klasik fiziğe duyulan bu güven ve fiziği niteleyen determinizm en yüksek bir noktasına ulaştığı bir dönemde yıkılmış, yerini belirsizlik ilkesine bırakmıştır.
Nedensellik ilkesi
Her olgunun bir nedeni vardır düşüncesi bizi nedensellik ilkesine götürür. Nedensellik, yani sebep-sonuç ilkesi, bilimde tümevarım yönteminin temeli ve öncüsüdür. Bu yöntemin öncül hipotezi, aynı nedenlerin aynı sonuçları doğuracağı ilkesidir. Nedensellik, doğa olaylarının bir düzen içinde ard arda yinelenmesinin insanda yarattığı bir kavramdır.
Neden ve sonuç, birlikte giden ve duruma bağlı kavramlardır. Bir durumda neden olan bir olgu veya koşul bir başka durumda sonuç olabilir. Tersine, bir durumda sonuç olarak beliren bir olgu başka bir durumda neden olabilir.
Nedensellik ilkesinin bilimde ve felsefede önemli bir yeri vardır. Bu konuda filozofların değişik karşı görüşleri bulunmaktadır. B. Russel gibi nedensellik kavramının modern bilimde yeri olmadığını ileri süren filozof ve bilim adamları da vardır. Gerçekte, bilime aykırı düşen şey, nedensellik ilkesinin işlemsel yorumu değil, metafizik anlamıdır. Metafizikte bu ilkeye bir öğreti niteliği verilerek, her şeyin bir nedeni vardır, hiçbir şey bir nedene dayanmaksızın var olamaz veya yok olamaz, aynı neden daima aynı sonucu meydana getirir vb. doğrulanması veya yanlışlanması olanak dışı bir takım genel yargılara gidilmiştir. Bilim, ne bu tür genel yargılar ileri sürme yoluna gitmiş ne de bunları bir şekilde doğrulama veya haklı çıkarma çabası içerisine girmiştir. Olguları, gerilerindeki nedenlere inerek açıklama isteği 17. yydan beri etkinliğini yitirmiştir ve günümüzde artık bilimsel niteliği olmayan bir istek sayılmaktadır; ancak bunu, nedensel ilişki kavramının bilim dışı olduğu biçiminde yorumlamak elbetteki yanlıştır. Galileo ve Newtondan beri bilginlerin, olguların nedenlerini değil olgular arasındaki değişmez (yasal) ilişkileri bulma ve açıklama yoluna gittiklerini görüyoruz. Başka bir deyişle, Aristo geleneğindeki neden arama çabası modern bilimde yerini nedensel ilişki bulma çabasına bırakmıştır.
Günümüz bilim felsefecileri nedenselliğin olasılık yorumunu yapmaktadırlar. Patrick Suppes, 1970te yayınlanan nedenselliğin olasılık teorisi adlı kitabında, nedensellik kavramını şöyle açıklamaktadır:
Y gibi bir olgunun ortaya çıkışı X gibi başka bir olgunun ortaya çıkışını yüksek bir olasılıkla izliyor ve X ile Y arasındaki olasılık ilişkisinden sorumlu üçüncü bir olgu yoksa Xe Ynin nedeni diyeceğiz.
İki yüz yılı aşan gelişme sürecinde
Cavendish,
gravitasyonel çekim yasasını laboratuarda doğrulamayı başardı. Gravitasyonel
çekim nedeniyle gezegenlerin yörüngelerinde oluşan sapmaları, geliştirilen
gözlem yöntemleriyle hesaplamak ve doğrulamak mümkün oldu. Sonunda,
gravitasyonel çekimiyle bu sapmalara yol açan, ama o zaman henüz bilinmeyen bir
gezegenin (Neptün) varlığı Fransız matematikçisi Leverrier ve bağımsız olarak
İngiliz astronom
Klasik mekanik, tüm bilimler içinde en başarılısı olarak görülmektedir. Bu kuramı kullanarak mühendisler Aya astronotlar göndermiş ve güneş sisteminin en uç noktalarına kadar uzay aracı yollamışlardır. Astronomlar gökteki olayları yıllarca önceden saniyesine kadar belirleyebilmektedirler.
Kaosun Doğuşu
1970lerde, 1980lerde ve şu sıralarda, kaos denilen mekanikçi belirleyicilikle yakından ilgili yeni bir araştırma alanı ortaya çıktı. Kaos, matematikle fizik arasındaki yeni bir bilim dalı haline gelebilir deniliyor. Ortaya çıkışı ve gelişmesi, bilgisayarların bilimde kullanımının artmasıyla bağlantılıdır. Kaos, Newtonun ikinci yasası gibi belirleyici bir denklemin belirleyici olmayan sonuçlar doğuracağını bize göstermektedir. Kaos nedeniyle klasik mekaniğe yeniden ilgi artmıştır.
Maxwellin Elektromanyetizma Kuramı
Klasik fiziğin elektrik ve manyetizma ile ilgili kısmına dair ilk gözlemlerin antik çağlara kadar uzandığını görüyoruz. MÖ. 1000 yıllarında Çinde pusulanın bulunması, MÖ. 8. yyda manyetizmanın, 6.yyda elektriğin eski Yunanlılar tarafından keşfedilmesi bunu göstermektedir. İlk gözlenen elektrik ve manyetik olaylar filozoflara (bir giz anlamında) ilginç görünmüş olmalıydı, fakat onların gözünde bunun pratik bir anlamı yoktu.
Elektrik ve manyetizmanın incelenmesi bilimsel devrimin ilk başlarında yer alır. William Gilbert (1544-1603), 1600de elektrik ve manyetizma üzerine ilk bilimsel çalışmalardan biri olan önemli bir kitabı De Magneteyi yayınladı. Gilbert,
· Dünyanın dev bir mıknatıs gibi davrandığını ve bu nedenle bir pusula iğnesinin kuzey kutbuna yöneldiğini gösterdi.
· Elektrik ile ilgili olarak kehribardan başka cam, sülfür, balmumu ve mücevher taşları gibi birçok maddenin de sürtünmeyle durgun (statik) elektrik özelliği kazandığını gösterdi.
Elektrik bilimi, iki teknik gelişme sayesinde 18. yy boyunca önemli ölçüde bir ilerleme kaydetmiştir. Bunlardan ilki büyük miktarlarda durgun elektrik yükü üreten ve depolayan elektroskobik düzeneklerin geliştirilmesi, ikincisi ise, kontrol edilebilen elektrik akımları üretmek için bu günkü bataryaların öncüleri olan elektrokimyasal hücrelerin geliştirilmesidir.
Charles Francois Dufay (1698-1739) iki cins durgun elektriğin var olduğunu keşfetti. Kehribar gibi malzemeleri sürterek üretilen cinsine reçinemsi ve camı sürterek üretilen cinsine de camsı adını vermişti. Daha sonra Benjamin Franklin (1706-1790) bunları sırasıyla eksi ve artı yük olarak adlandırdı ve biz bugün bu isimlendirmeyi kullanıyoruz.
Durgun elektrikle ilgili birtakım modeller geliştirildi. Bunlar akışkan tipi modellerdi. Franklinin tek-sıvı modeli ve diğer bir model olan iki-sıvı modeli rekabet halindeydi. Tek-sıvı modelinde yüksüz madde belirli miktarda elektrik sıvısına sahipti; atrı yük, sıvının fazlalığı, eksi yük ise eksikliği demekti. İki-sıvı modelinde ise; iki farklı sıvının biri artı ve diğeri eksi varlığını kabul etmekteydi. Yüksüz maddede bu iki sıvı eşit miktarlarda bulunmaktaydı.
Elektrik ile ilgili çağdaş anlayış çok sonra 1897de J.J Thomson (1856-1940) tarafından elektronun keşfiyle ortaya çıktı. Yük, maddenin bir özelliği olup, atomları oluşturan temel parçacıklar elektronlar ve protonlar üzerinde yerleşmiştir.
Yükler arasındaki kuvvet üzerine belirleyici deneyi 1785de Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) yapmıştır. Kendi adıyla bilinen Coulomb Kuvvetini keşfetmiştir. Bu, uzaklığın karesiyle ters orantılı, yüklerin çarpımıyla doğru orantılı olan bir kuvvettir.
Elektrik akımı yani, elektrik yüklerinin akışı durgun elektrik yüklerinin boşalmasıyla oluşur. Bunun doğadaki örneği şimşektir, fakat sürekli bir akım kaynağı olan piller bulununcaya kadar elektrik akımı ile kesin deneyler yapılamamıştır. Bir batarya, iki elektrodu arasında sabit bir elektromotor kuvvet üreten bir kimyasal reaktördür. Alessandro Volta (1745-1827), Luigi Galvani (1737-1798) ilk bataryayı üretmeyi başaran bilim adamlarıdır.
Atomları ve molekülleri bir arada tutan kuvvetlerin elektrik kuvvetleri olduğunu ilk öneren Anthony Carlisle (1768-1840) ve William Nichelson (1753-1815) olmuştur. Elektrik ve manyetizmanın anlaşılmasındaki ilerlemeler için, akan elektrik gerekli bir önkoşuldu ve bu ilerlemeler 19. yyda ardı ardına birbirini izlemiştir.
İki ayrı bilim dalı olarak geliştirilen elektrik ve manyetizma, 1820de Hans Cristian Örsted (1777-1851) tarafından yapılan bir deney sonucunda bu iki bilim dalının birleştirilmesinin mümkün olduğu görüldü. Örsted, bir metal tel içindeki elektrik akımının bir pusulayı saptırdığını göstermiştir. Çağdaş terimlerle söylersek Örsted, elektrik akımının bir manyetik alan yarattığını bulmuştur. Keşfi izleyen bir iki gün içinde Jean-Baptiste Biot (1744-1862) ve Felix Savart 1791-1841) bu etkiyi kendi laboratuarlarında yeniden yaratmışlar ve manyetik alan şiddetinin, telden olan uzaklığın tersiyle orantılı olarak değiştiğini bulmuşlardı. Andre Marie Amper (1775-1836) elektrik akımlarının manyetik etkileri nasıl yarattığını iyice ayrıntılı bir biçimde incelemiş ve bugün kitaplarda geçen manyetik alanla ilgili ve kendi adıyla anılan Amper Yasasını bulmuştur.
Durgun elektrik ve manyetik kuvvetlerin gravitasyonel çekim kuvvetinden tek farkları itici ve çekici özellikte olmalarıdır. Etkileşen kütleler yerine, statik yükler ve manyetik kutup şiddetleri gelir. Ters-kare kuvvet yasasını sağlamaları yönünden her üçü de benzer davranış gösterirler. Bu aşamada, hem elektrik hem de manyetik kuvveti, Newton kuramı kapsamına kolayca almak olasıdır. Işığın davranışı da, ya ışığın taneciklerden (ki bu taneciklere bugün foton adını veriyoruz) ya da ışığın bir ortamda yayılan dalga hareketi olduğunu varsayarak Newton kuramına dahil edilebilir. İkinci seçenekte ise, eter denen ortamın kendisinin de parçacıklardan oluştuğu varsayılmalıdır. O dönemde bu düşünce biçimini savunan fizikçiler çoğunluktaydı.
Hareket halindeki elektrik yüklerinin durgun manyetik kuvvetlere neden olabileceği gerçeği, konunun biraz daha karmaşık hale gelmesine yol açmıştır, ama yukarıdaki görüşü bir bütün olarak etkilememiştir. Sayısız matematikçi ve fizikçi (Gauss dahil) Newton kuramı çerçevesinde hareket halindeki elektrik yüklerini tanımlayan ve genel olarak yeterli gözüken denklem sistemleri önerdiler. Newtoncu görüşe ilk ciddi eleştiri, büyük İngiliz deneyci ve kuramcısı Michael Faraday (1791-1867) tarafından yapılmıştır.
Bu eleştirinin niteliğini anlamak için önce fiziksel alan kavramını anlamalıyız. Bir manyetik alan düşünün. Bunu gözlemlemenin en iyi yolu, bir mıknatıs üzerine konan bir kağıt parçasının üstüne serpiştirilen demir tozlarının aldığı ilginç görüntüye bakmaktır. Demir tozlarının manyetik kuvvet çizgileri denilen çizgiler boyunca, birbirlerini kesmeden dizildikleri görülür. Bu çizgiler manyetik alanın bir resmidir. Uzayda her noktada bu alanın belirli bir yönü, bu notadaki manyetik etkinin yönünü belirler. Gerçekte, her noktada bir vektör bulunduğu için, manyetik alan bize bir vektör alanı örneği sağlar. Aynı şekilde, elektrik yüklü bir cismin çevresi de farklı bir alanla, yani elektrik alanıyla çevrilidir. Benzer olarak, kütle çekim alanı da herhangi bir kütleli cismin çevresinde yer alır. Bunların hepsi uzayda vektör alanlarıdır.
Bu görüşler Faradaydan çok önceleri yaygındı ve Newtonculara göre bu gibi alanlar tek başlarına gerçek fiziksel maddenin yerini tutmamaktaydı. Bu alanlar daha çok çeşitli kuvvetlerin hesabını yapmak için düşünülmüş matematiksel kavramlardı. Ancak, Faradayın son derece zengin deneysel bulguları (hareketli bobinler, mıknatıslar, değişen bir manyetik alanın bir elektrik akımı doğurması-Faraday indüksiyon yasası-, vb.) onu, elektrik ve manyetik alanların gerçek birer fiziksel nicelik olduklarına inandırdı. Ayrıca, değişen elektrik ve manyetik alanların bazen alan dışındaki boş uzay içinde birbirlerini iteleyerek bir tür dalga üretebildiklerini düşünüyordu. Faraday, ışığın bu tür dalgalardan oluşabileceğini varsaydı. Bu varsayım o dönemde yaygın olarak benimsenen Newtoncu görüşe aykırıydı, çünkü bu görüş, alanlara herhangi bir bağlamda gerçek gözüyle bakmıyordu. Alanlar, Newton için noktasal parçacıkların uzaktan eylemiyle ilgilenen, asıl gerçekliğini tanımaya yararlı matematiksel yardımcılardan öte bir şey değillerdi.
Elektrik ve manyetizma ile ilişkilendirilen bu gözlemlerden sonra dikkatler tüm bu etkileri birleştirilmiş bir biçimde hesaba katan bir kuramın geliştirilmesine çevrilmişti. Sonunda başarı ile gerçekleştirilen ve tüm fizikçilerin benimsediği, hala geçerli olan kuram alan kuramı oldu. Faradayın alan kuramı, uzaktan etkileşme kavramının yerini aldı.
Bir yük ya da akım elemanı üzerindeki kuvvet, yük ya da akım elemanının konumundaki alan nedeniyle oluşuyordu. Faradayın alan kuramı, Ampére yasası ve Gauss yasası, James Clark Maxwell (1831-1879) tarafından kesin bir matematiksel yapıya sokuldu. Maxwell, kendi adını alan ve bugün elektromanyetik teorinin temel bağıntıları olarak bilinen denklemlerini 1864de yayınladı. Maxwel, matematiksel olarak tutarlı bir alan denklemleri takımı kurmak için o zamanlar deneysel olarak henüz gözlenmemiş, bilinmeyen yeni bir elektromanyetik etkinin varlığını öngörmek zorunda kalmıştır. Bu yerdeğiştirme akımıdır. Yerdeğiştirme akımının eklenmesiyle bulunan denklemler, dalga çözümlerine sahiptirler ve dalganın boşluktaki hızı ışık hızına eşittir. Böylece bu matematiksel teori, ışığın da elektromanyetik karakterde olduğunu göstermiştir. Maxwell denklemleri elektrik, manyetizma ve optiğin bir birleşik teorisini oluşturmaktadır.
Maxwell denklemlerinin bir öngörüsü, elektrik ve manyetik alanlarının boş uzayda birbirlerini, Faradayın varsaydığı gibi gerçekten ittiklerini göstermesidir. Salınım yapan bir manyetik alan, salınım yapan bir elektrik alan yaratır ve (Faradayın deneysel bulgularına göre) bu salınım yapan elektrik alan tekrar salınım yapan bir manyetik alan yaratır. Bu manyetik alan (Maxwellin kuramsal yorumuna göre) yine bir elektrik alan yaratır ve bu böyle sürer gider. Bu gibi dalgaların var olduklarını Alman fizikçi H. Hertz 1888de deneysel olarak kanıtladı. Faradayın umudu, bu suretle, Maxwellin harikulade denklemlerinde gerçekten sağlam bir temel bulmuş oluyordu.
Maxwell kuramının fiziksel gerçeklik görüşüne getirdiği temel yenilik, alanların bundan böyle hak ettikleri şekilde ciddiye alınmaları ve Newton kuramındaki gerçek parçacıkların birer matematiksel uzantısı gibi sayılmamaları gerektiğidir. Nitekim, Maxwell, alanların elektromanyetik dalgalar halinde yayılırken belli bir miktar enerjiyi taşıdıklarını göstermiştir. Maxwell, söz konusu enerji için açık bir matematik ifade elde etmeyi başarmıştır. Enerjinin, kütleden bağımsız olarak elektromanyetik dalgalarla bir yerden diğerine taşındığı gerçeği, Hertzin bu dalgaları saptamasıyla deneysel olarak doğrulanmıştır.


Faraday'ın babası İngilterenin kuzeyinden 1791 başında Newington köyüne iş aramak amacıyla gelmiş bir demirci idi. Annesi Faraday'ın zorluklarla dolu çocukluk döneminde ona duygusal yönden büyük destek olmuş, sakin ve akıllı bir köylü kadındı.
Faraday çok yetersiz bir eğitim gördü. Bütün eğitimi kilisenin pazar okulu'nda öğrendiği okuma yazma ve biraz hesaptan ibaretti. Küçük yaşta gazete dağıtıcısı olarak çalışmaya başladı. 14 yaşında ciltçi çırağı oldu. Ciltlenmek üzere getirilen kitapları okuyarak bilgisini genişletmeye başladı. Encyclopedia Brtanica'nın üçüncü baskısındaki elektrik maddesinden özellikle etkilendi. Eski şişeler ve hurda parçalardan yaptığı basit bir elektrostatik üreteçten yararlanarak deneyler yapmaya başladı. Gene kendi yaptığı zayıf bir Volta pilini kullanarak elektrokimya deneyleri gerçekleştirdi.
Londra'daki Kraliyet Enstütüsü'nde Sir Humphrey Davy tarafından verilen kimya konferansları için bir bilet elde etmesi Faraday'ın yaşamında dönüm noktası oldu. Konferanslarda tuttuğu notları ciltleyerek iş isteyen bir mektupla birlikte Davy'ye gönderdi. Bir süre sonra laboratuara yardımcı olarak giren Faraday, kimyayı çağının en büyük deneysel kimyacılarından biri olan Davy'nin yanında öğrenmek fırsatını elde etmiş oldu.
O zamanlar fizik ve kimya henüz aynı çalışma alanları değildi. Bütünüyle kendi kendini yetiştirmiş (otodidakt) olan Faraday çözümü bulunmamış problemlerle karşılaşabileceği uğraş alanları arıyordu kendine. Seçimi her zaman kimyadan yanaydı ve bunda da şaşırtıcı başarılar elde ediyordu. Karbondioksit ve sülfikhidrit gibi gazları sıvılaştırmayı ilk o başarmıştı, Havagazından benzol'ü, kauçuk'tan dipenten'i ayırdı. Deneyleri tasarlamak konusunda yorulmak nedir bilmiyordu ve onları uygulamakta dahice davranıyordu. Varsayımlarını formüle etmekte onun üstüne kimse yoktu. Bu nedenle hocası Davy'nin yerine, Kraliyet Enstitüsü Müdürlüğü'ne yükselmesi de şaşırtıcı olmadı, iki yıl sonra hiç yüksek öğrenim görmemiş Faraday'a, yeni oluşturulan kimya kürsüsü verildi.
Hans Christian Örsted, 1820'de bir telden geçen elektrik akımının tel çevresinde bir manyetik alan oluşturduğunu bulmuştu. Fransız fizikçi Andre Marie Ampere, tel çevresinde oluşan manyetik kuvvetin dairesel olduğunu, gerçekte de tel çevresinde bir manyetik silindir oluştuğunu gösterdi. Bu buluşun önemini ilk kavrayan Faraday oldu. Manyetizma ile elektrik arasındaki ilişki üzerinde çalışmalar yaptı. Elektrik akımının manyetik gücünü, dönen mekanik bir devinime dönüştüren bir düzen geliştirdi. Bu deney her ne kadar bir oyuncağı andırıyor ise de, yine de elektriğin bir iş üretebileceğini kanıtlıyordu, ki bu aslında ilk elektrik motorunun bir modeliydi.
Faraday fildişi kulesinde araştırmalar yapmayı sevmiyordu. Buluşları, mesleklere ve endüstriye yararlı olmalıydı. Bu sebeple akşam konferansları, "Friday Evening Discourses" yapmaya başladı. Burada kalem ucu, fener kulesi lambası ya da gümüşlü ayna üretilmesi gibi güncel sorulan ele alıyordu. Bir keresinde maden ocaklarındaki havalandırma konusunda, bir başka akşam taşbaskı konusunda ya da deniz suyunun etkisiyle oluşan aşınma konusunda ders veriyordu. Faraday dinleyicileri heyecanlandıran mükemmel bir konuşmacıydı ve konferanslarım kalabalık bir dinleyici kitlesi izliyordu. Faraday 40 yaşına geldiğinde yine elektriğe yöneldi. Popüler bilimsel bir konferansta, Londralı dinleyiciler karşısında, makaralarla, mıknatıs çubuklarla ve galvanometrelerle deneyler yaptı ve elektriğin yardımı ile manyetizma oluşturmanın yanı sıra, tersine olarak manyetizmanın da elektriğe dönüştürülebileceğini gösterdi. Faraday, bugünkü elektrik santrali tekniğinin temellerinden birini oluşturan endüksiyonu bulmuştu. Basit bir deneyle manyetik alanı görülebilir kılan da o idi. Bir kağıt üstüne serpiştirdiği demir tozu, mıknatısın etkisi ile "kuvvet çizgileri" adım verdiği düzenli şekiller oluşturuyordu.
Elektrokimya adı verilen yeni alanda da büyük başarılar elde etmişti. Elektriğin kimyasal etkileri üzerinde araştırmalar yaparken "Faraday Kanunları"nı buldu. Bu kanunlar elektrik akımı ile kutuplarda ayrılan malzeme miktarı arasındaki ilişkiyi tanımlıyorlar. Bugün hala kullanılan elektroliz, elektrolit, elektrot, anot ve katot, Faraday'ın ortaya attığı terimlerdir. Faraday, "doğal kuvvet" dediği elektriğin, ışık veya ısı gibi başka eneriilere dönüşebileceğine bütünüyle inanmıştı. 1839 yılında, yani Robert von Mayer'den (1814-1878) 16 yıl önce, bütün enerji toplamlarının sabit olduğu konusunda bir doğa kanununun bulunması gerektiğim söyledi. Bununla enerjinin sakınımı kuramına oldukça yaklaşmış oluyordu. Diğer bazı çalışmaları dielektriğin özellikleri, diyamanyetizma ve elektrikle ışık arasındaki ilişki üzerineydi. Faraday ışığın manyetik alandaki polarizasyon düzleminin dönüşünü, örneğin bugün hala ultra hızlı fotoğraf makinesi obtüratörlerinin yapımında kullanılan "Faraday-etkisi"ni keşfetti. 'Elektriksel etkilere karşı korunmuş alan sağlayan ve "Faraday kafesi" denilen metal ağ da, bugüne kadar ismiyle anılıyordu.
Faraday'ın getirdiği yenilikler, onun hiçbir zaman matematik eğitimi almadığı ve yaşamı boyunca bir fizik formülü yazamadığı göz önüne alındığında, daha da şaşırtıcı görünüyor. Birçok durumda, fiziksel kavramların içeriğini matematiksel olarak yazmayı bile başaramıyordu. Neredeyse her zaman yalnız başına ve kısıtlı teknik malzemelerle çalışıyordu. Yalnızca konferanslarında ona eski topçu üstçavuş Anderson yardımcı oluyor ve bilimsel rolünü: "Ben deneyleri yapıyorum, Faraday da onlara konuşmalarını ekliyor" diye betimliyordu.
Otodidakt Michael Faraday'ın, yoksul aile evinden bilim çevresine yükselişinin, ünlü Sir Davy'nin ardılı durumuna gelişinin ve sonunda zamanının en büyük bilgini oluşunun benzeri bir öykü yoktur. 1838 yılında, bugünkü Nobel Ödülü'ne eşdeğer sayılabilecek Copley Madalyasi'nı aldı. Fransız Bilimler Akademiği onu üyeliğe seçti ve 1855 yılında şeref kıtasının komutanı oldu.
Yaşlılığında zihinsel güçleri zayıfladı. Herhalde, Royal Society'nin kötü havalandırılmış odalarında cıvadan zehirlenmişti. Yine de öğretme yükümlülüklerini yerine getiriyordu. Çocuklar için hazırladığı "Christmas Juvenile Lectures" adlı bilimsel kursları ünlüydü ve bunlar bugün bile okunmaya değer. Sonunda Hampton Court'a, Kraliçe Viktorya tarafından verilen kraliyet parkındaki şeref evine taşındı. Orada akli dengesini iyice yitirdi ve 78 yaşında öldü.
Sonuç olarak diyebiliriz ki 19.yya gelince, fizikteki en önemli buluş Coulomb, Ampere, Gauss, Örsted, Faraday ile başlayan ve James Clerk Maxwell tarafından sentezlenen klasik elektromanyetik teoridir. Bu teori, evrende yalnız maddesel parçacıkların meydana getirdiği gravitasyonel çekim alanının değil, aynı zamanda durgun ve hareketli elektrik yüklerinin oluşturduğu çok daha kuvvetli olan elektromanyetik alanın da bulunduğunu ortaya koymuştur.
Maxwell fizikte bilinen tüm dalga hareketlerinin maddesel bir ortamda yayıldığını düşünerek elektromanyetik dalgaların da benzer şekilde eter diye adlandırılan bir ortamda yayıldığını düşündü. Daha ilerlerde göreceğimiz gibi bugün alanın kendisine bir fiziksel gerçeklik bağlıyoruz ama eterin varlığını yadsıyoruz.
Geçen 400 yıl boyunca elektrik ve manyetizmanın bilimsel olarak araştırılması, bu olaylardaki gizi büyük ölçüde giderdi ve insanlığa, insanların hayal bile edemeyecekleri kadar büyük bir teknolojik güç sağladı.


13 Haziran 1831'de İskoçya'nın
Maxwell'in en büyük çalışmalarından biri de elektromanyetik dalgaların varlığını ilk kez açıklayan bilim adamı olmasıdır. Daha sonra Maxwell 1862'de dünyaya kendini tanıttı ve en büyük icatını yaptı yani bir elektromanyetik alanın yayılma hızının ışık hızı ile yaklaşık olarak eşit olduğunu buldu ve buna göre ışığın bir elektromanyetik olay olduğu kanıtladı. Aynı yıl bu çalışması Philosophical Magazine'de On Physical Lines of Force adıyla yayımladı. Bu çalışması Maxwell'i dünyanın en büyük üçüncü fizikçisi olmasında önemli rol oynamıştır.
Maxwell 1856'da babasının
hastalanması üzerine araştırma bursundan vazgeçti ve İskoçya'ya döndü. Burada
Aberdeen'de Marischal Koleji'nde profesörlüğe başladı. Ama ne yazık ki babası
bunu göremeden vefat etti. 1859'da astronomi tarihine kendisin gösterdi ve
Satürn'ün halkalarının katı veya sıvı değil ama küçük ve ayrı özdek
kütlelerden oluşunu buldu. Bu Maxwell'e Adams ödülünün verilmesini
sağlamıştır. Ancak bunun doğrulanması yüzyıl sonra Voyager uzay aracı
tarafından gerçekleştirildi. Daha sonra
Maxwell 1861'de Royal Society'ye
Newtonun mekanik sentezi ile Maxwellin elektromanyetik sentezi klasik fiziğin temelini oluşturur.
Termodinamik ve İstatistik Fizik
Klasik mekanik yasalarının maddenin ısıl özelliklerine uygulanması, termodinamiğin gelişmesini sağlamıştır. Hiç eksiği olmayan termodinamik bilimi olağanüstü güzel ve geçerliliği sınırsızdır. Bu nedenle, fiziğin kraliçesi olarak bilinir. Termodinamiğin ne olduğunun insanlar tarafından yeterince bilinmemesi fiziksel değil toplumsal bir sorundur. Toplumumuzda fiziğin bu dalı üzerinde fazla bir şey bilindiği söylenemez. Bu gün makine mühendisliği dışında bu alanda araştırma yapanlara pek fazla rastlanmaz.
Termodinamik üç temel yasa üzerine kurulmuştur. Bunlar termodinamiğin birinci, ikinci ve üçüncü yasalarıdır. 1930lardan sonra sadece sıcaklık ve ısıl denge kavramlarını içeren bir de sıfırıncı yasa önerilmiştir. Bu yasa derki: Bir üçüncü sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem, birbiriyle de ısıl dengededir. Sıcaklık kavramı iki farklı sistemin ısıl denge durumuyla yakından ilgilidir. Isıl denge durumunda iki sistemin sıcaklıkları aynıdır.
Yapılan bu tanımlamalara bakıldığında sıfırıncı yasanın daha çok bir aksiyom niteliğinde olduğu görülür. Bu açıdan, termodinamik üç temel yasa, bir de aksiyom üzerine kurulmuştur demek daha doğru olabilirdi.
Birinci yasa; enerjinin korunumu yasasıdır. Bu yasa bize evrenin dışa kapalı olduğunu, kimsenin evrene enerji vermediğini söylüyor. Üçüncü yasaya göre, sıcaklığın mutlak bir sıfır noktası vardır. Bu sıcaklık 00 Kelvin veya 2730 Celsius olup bu noktaya çok yaklaşabilinir ama ulaşılamaz.
Bunun neden böyle olduğu açıklandığında, üçüncü yasa ilginç hale gelecektir.
Mutlak sıfır sıcaklığı civarında bulunan bir madde yavaş yavaş ısınmaya başladığında sıcaklığı da yükselecektir. Atomlar da titreşmeye başlayacaklardır. Ortamın gaz moleküllerinden oluştuğunu varsayarsak, moleküller hızlanacaklar ve birbirlerinin arasına karışacaklardır. Maddeye ne kadar daha fazla ısı enerjisi verilirse, atomlar da o kadar daha hızlı hareket ederler. O halde, bir maddenin ısı enerjisi, atomların hareket enerjisinden başka bir şey değildir. Basit bir hesap T mutlak sıcaklığında bir atomun serbestlik derecesi başına sahip olduğu enerjisinin
olduğunu gösterir. Burada k Boltzmann sabitidir. Üç serbestlik derecesi olan bir atomun toplam enerjisi dir. Normal sıcaklıklarda bu enerji ağır maddeler için fark edilmeyecek kadar azdır ama bir atoma kazandırdığı hız çok yüksektir.


1844te Viyanada doğdu. Avusturyalı bilim adamı termodinamik, kinetik teori ve ışıma alanlarında çalıştı. Bir cismin tüm ışımasını o cismin mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetine bağlayan yasayı bulur. (Aynı ilişkiyi Stefan da bağımsız olarak bulmuş olduğundan, yasa Stefan-Boltzmann Yasası adını taşır).benzer bir nedenle orta sıcaklıkta molekül yığınlarının davranışlarını betimleyen istatistiğe de Maxwell-Boltzmann istatistiği denir. Moleküllerin ortalama enerjisini tanımlayan evrensel k sabitine de Boltzmann sabiti denmişse de, Max Planck bu kavramın Boltzmanna değil, kendisine ait olduğunu ileri sürmüştür.
Ününü sağlayan en önemli ikinci katkısı, istatistiksel mekanik ve termodinamiğin ikinci yasasının istatistiksel açıklaması alanlarında olmuştur. Stefan-Boltzmann yasası ile ilgili olan çalışmasını Lorentz, Teorik fiziğin gerçek bir incisi olarak nitelemiştir. Boltzmannın fikirlerine ilişkin baskılar onun 1906da intiharına neden olmuştur. Mezar taşında rahat uyu yerine bağıntısı yazılıdır.
Mayer, Joule, Helmohltz ve Coldingin enerji korunumu üzerindeki çalışmaları, Clausius (1822-1888) ve Lord Kelvini 1850de klasik termodinamiği bütünleyen ikinci yasaya götürmüştür. İkinci yasa birçok şekilde ifade edilebilir; ancak bizim açımızdan en ilginç olanı, entropiye dayalı olarak yapılan tanımlamadır.
Entropi, bilimin çok geniş kullanım alanı olan temel kavramlarından biridir; ama buna karşın anlaşılması ve kavranması zor olan bir kavram gibi gözükmektedir. Bilimde kavramları ya da olayları daha iyi kavrayabilmenin ve anlamanın yolu aynı kavrama ya da olaya farklı açılardan, farklı yaklaşımlarla bakmaktır. Yirminci yüzyılın büyük matematikçisi John von Neumann Hiç kimse entropinin ne olduğunu bilmiyor demektedir. Bu güçlükten kurtulmak için 20. yyın ressamı Pablo Picassonun önerdiği yol şudur: Picasso, Amerikalı yazar Gertrude Steinın resmini yapar. Resim tamamlandığında yazar Resim bana benzemiyor der. Buna Picassonun yanıtı şu olur: Endişelenmeyin benzeyecektir.


2 Ocak 1822de Polanya, Koszalinde doğdu. Alman fizikçi ve matematikçidir. Termodinamiğin kurucularından biridir. En önemli yapıtı 1850de yayınlanan ısının mekanik teorisi üzerinedir.
1850 Berlindeki Topçuluk ve İstihkâm Okulunda öğretim üyeliğine atanan Clausius, aynı yıl yayımladığı bir makalede termodinamiğin ikinci yasasını günümüzde bilinen biçimi ile ortaya koydu: Isı, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme kendiliğinden geçemez. Buradan elde ettiği sonuçları ve buna bağlı olarak geliştirdiği entropi (olanaklı enerjinin yitirilmesi) kavramını buhar makinesi kuramına uyguladı ve ayrıntılı olarak geliştirdi. 1852de elektrik akımının yarattığı ısıyı kalorinin mekanik karşılığını ölçmek için kullandı.1855te Zürich Politeknik Okulunda fizik profesörü oldu. İki yıl sonra, moleküllerin sürekli olarak birbiriyle yer değiştiren atomlardan oluştuğunu (gazların kinetik kuramı) ve elektrik kuvvetinin bu yer değiştirmenin nedeni olmayıp yalnızca onu yönlendirdiğini vurgulayarak elektroliz kuramına katkıda bulundu. Bu görüş daha sonra elektrolitik ayrışma kuramında (moleküllerin elektrik yüklü atomlara, yani iyonlara ayrışması) temel ilke olarak kullanıldı.
1867de Würzburg üniversitesinde, 1869da Bonn Üniversitesinde fizik profesörlüğüne getirilen Clausius, Fransız fizikçi Sadi Carnotnun ısı makinelerinin verimine ilişkin kuramını geliştirdi ve böylece ısı kuramının çok daha sağlam bir temele oturmasını sağladı. Alman fizikçi. Termodinamiğin ikinci yasasını formüle etmiş ve termodinamiği bir bilim dalı durumuna getirmiştir. Evrenin toplam entropisindeki değişikliğin (Clausius eşitsizliği) ile verildiğini gösterdi.
24 Ağustos 1888de vefat etti.
Doğanın güzelliklerine bir göz atarsak, doğal olaylarda rasgele olanların sayısının çok olduğunu görürüz. Örneğin, bir doğal ormanın ağaçları; ormandaki ağaçlıklar rasgele olur. Aynı biçimde, toprağa düşen yapraklar da rasgeledir ve üst üste düzenli bir şekilde istiflenmiş olması oldukça olanaksızdır. Bu gözlemlerden şu sonuçları çıkarabiliriz. Eğer doğa kendi haline bırakılırsa düzensiz bir yapıda yapılanmayı yeğleyecektir.
İstatistik mekaniğin ana sonuçlarından biri yalıtılmış sistemlerin düzensizliğe meylettiği ve entropinin de bu düzensizliğin bir ölçüsü olduğudur.
Bu yeni görüşün ışığında Boltzmann ilk defa bir sistemin S entropisinin aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabileceğini göstermiştir.
Burada k Boltzmann sabiti, W ise sistemin elemanlarının bulunabildiği durumların sayısıdır.
Entropiye bağlı olarak ikinci yasa şöyle tanımlanabilir: Kapalı bir sistemin entropisi artar ya da aynı kalır.
Herhangi bir süreç, ilgilendiğimiz bir sistem ve onun çevresindeki değişikliklerle betimlenebilir. Sistemimiz, çevresinin ilgili kısımlarıyla birlikte daha büyük ve yalıtılmış olan evren dediğimiz sistemi oluşturur. Herhangi bir süreçte oluşan entropi değişikliklerini bir düşünelim. Sistemdeki entropi değişikliklerini ve çevresindeki değişiklileri de ile gösterelim. Bu değişikliklerin toplamının, evrenin toplam entropisindeki değişikliği verdiğini
ilk kanıtlayan fizikçi J.E. Clausius olmuştur. Buna göre herhangi bir süreçte evrenin entropisi ya artar (tersinmez süreçte) ya da aynı kalır (tersinir bir süreçte) diyebiliriz.
Entropi ya da enerjinin tersinirliğini anlamak için önce
bir sistemden nasıl enerji aldığımıza bakalım. Entropi ile ilgili
termodinamiğin ikinci yasasına göre, kapalı, dışından yalıtılmış bir sistem
zamanla tüm parçacıkların aynı sıcaklıkta olduğu ısısal denge durumuna erişir.
Başka bir deyişle, sistemin parçaları arasında fark yoktur. Sistemin
molekülleri açısından bakıldığında bir yönde hareket
· Çekim potansiyel enerjisi
· Çekirdek enerjisi
· Güneş enerjisi
· Kimyasal enerjiler (sıvı yakıtlar, besinler vs.)
· Çevremizin ısı enerjisi
· Evrenin büyük patlamasından kalan mikrodalga ışınımı enerjisi.
Bu sıralamada yukarıdan aşağıya doğru enerjinin entropisi artmakta ya da tersine kullanılabilirliği azalmaktadır. Entropisi az olan enerjiler çok olanlardan daha kullanışlıdır. Entropisi az olan enerjiler kolayca entropisi çok olanlara çevrilebilir, ama tersi olmaz. Bu kurala göre entropisi en çok olan, tüm evreni kapsayan mikrodalga ışınımı enerjisi hiçbir şekilde kullanılamaz; çünkü bu enerjiyi alacak daha soğuk bir makine yapılamaz. Yapılsa idi o makine de evrenin bir parçası olacaktı. Dolayısıyla ondan daha soğuk olamazdı.
Sistemlerin doğal gidişi düzensizliğe doğrudur. O halde bu kadar çeşitlilik nasıl oluşmaktadır?
Bunun
yanıtı doğadaki tüm enerjinin ısısal enerji olmayışıdır. Isısal enerji büyük
boyutlu sistemlerde parçacıkların gelişigüzel hareketinin enerjisidir ve
Entropi kavramına
farklı bir yaklaşım 19. yyın büyük fizikçisi James Clark Maxwellin getirdiği istatistik
fizik yaklaşımıdır. Maxwelle göre entropi bir sistemin düzensizliğinin
ölçüsüdür. Düzenlilik ya da düzensizlik nedir? sorusunun basit bir yanıtı
şöyledir. Diyelim ki, bir kutuda A türünden bilyeler olsun. Aynı şekilde ikinci
bir kutuda aynı sayıda B türünden bilyeler olsun.
Maxwell, böyle bir durumun olanak dışı olmadığını açıklamak
için çok iyi bilinen cin paradoksunu ortaya atmıştır. Paradoksu anlamak için
birbirinden bir bölme ile ayrılmış iki oda düşünelim. Her iki odada da yavaş ya
da hızlı hareket
1951de Leon Brillouin, paradoksu ve Maxwellin cinini yeniden inceleyerek bunun olmayacağını gösterdi. Brillouin, çözümlemesinde, matematikçi-mühendis Claude Shannonun entropiye getirdiği yeni bakışı kullanır. Bu bakışın temeli şudur: Bedelini ödemeden hiçbir şey elde edilemez, bilgi bile! Oysa cinin yaptığı iş, molekülleri gözleyerek hangi hızda hareket ettikleri konusunda bilgi toplamaktı ve bunun bedelinin ödenmesi gerekmekteydi.
Bu şekilde entropi kavramı, ısı alışverişi kavramından bilgi alışverişi kavramına genellenmiş oldu ve bilgi elde etmek için enerji harcanması gerektiği ortaya çıktı. Ayrıca bir bilgi çevrimiyle bir sistemin entropisinin azalabileceği görüldü.
Entropi fiziksel olarak makroskopik sistemler dediğimiz, çok büyük sayıda bileşenleri olan ve dolayısıyla istatistiksel olarak çözümlenebilen sistemlerde daima karşımıza çıkmaktadır. Bu sistemlerin biyolojik, bilişimsel ya da sosyal olması doğanın temel yasalarını değiştirmemekte, yalnızca değişen kavramlara karşılık gelen nicelikler değişmektedir. Aynı kavramlar ya da doğa yasaları ile, birbiriyle ilgisizmiş gibi görünen farklı olaylar açıklanabilmektedir.
Klasik Fizik Kuramının Teknolojiye Katkısı
Kuşkusuz,
18. yy'ın ikinci yarısındaki sanayi devrimi, o zamanın elverişli ekonomik
koşulları bir yana, bu klasik fizik yasalarından doğmuştur. Dünün ve bugünün
makroskopik teknolojisi 1687deki Newton mekaniği ile 1864teki Maxwellin
elektromanyetik kuramı ve 1850de biçimlenen termodinamik yasaları üzerine
kurulmuştur. Her ikisi de İngiliz olan
Klasik Fizik Kuramının Felsefesi
Felsefenin ve bilimin ayrılmaz parçaları olarak fiziğin kendine özgü yöntemleri ve felsefesi var mıdır? Fiziğin yöntemi temelde uygulamadan ve ayrıca felsefi görüşlerden kaynaklanmıştır. Felsefi görüşlerin bir kısmı çok genel, bir kısmı da doğa ile ilgilidir. Fizik yöntemleri ve felsefe başından beri tek bir çözüm yerine oldukça çeşitli ve çoğu kez çelişkili, ama gittikçe birbirini tamamlayıcı bir şekilde birleştiren biçimler sunar. Uzun süre, önsel ve kuramsal bir tutum, deneysel bilgiye üstünlük kurmuştur. Aristonun görüşlerinin hakim olduğu antikçağda ve ortaçağda fiziğin, metafizik görüşlerden etkilendiği bir sistem içimde, tümleştirilecek doğrudan algılanabilir birkaç veri ile yetinilebileceği sanılmıştır. Bu kuramsal egemenliğe, 17. yy başında Dekart da olduğu gibi, deneysel fiziğin ilk kurucularından sayılan Galileoda da rastlanır; ama bu fizikçiler Aristonun nitel fiziğiyle çelişen, matematiğe dayalı yeni bir fizik anlayışı getirmişlerdir. Öte yandan aynı çağda bir İngiliz fizikçi olan F. Baconın (1561-1626) önayak olduğu deneysel fizik akımı başlamıştır. Bacon, bilgiye pratik bir erek vermiştir. Doğayı yalnızca bilmek değil, üzerinde etkili olmak da gerekir. Akla karşı beslediği güvensizlik, doğrunun ölçütü olarak deneye, olayların gözlemlenmesine, eleme yöntemi olarak da tümevarım yöntemine başvurulmasını önermiştir, çünkü olgular, maskelerinin çıkarılması gereken çeşitli idolalar (yanlış fikirler, putlar) ardında gizleniyorlardı.
Bu eğilim 17. yyın ortasında, özellikle Pascal, Huygens,
Hooke, Mariotte ve Newtonun çabalarıyla bağdaşma yoluna girmiştir. Bu dönede
fiziği açık ilkelerden tümden gelim yoluyla oluşmuş bir bütün şeklinde ele alan
akımın yandaşları, bu ilkeleri deneyin denetimine vermeyi benimsemişlerdir.
Oysa, olguların üstünlüğünü savunanlar, çoğu kez bu olgulardan çok uzaklaşan
ama deneysel testlerden geçirmeye elverişli sonuçlar doğuracak varsayımlara yer
vermeyi benimsemişlerdir. Ben, gereksiz varsayım öne sürmüyorum demesine
rağmen, mekaniği aksiyomlar ve ilkeler üzerine kuran
17. yydan itibaren fiziği gelişim süreci içinde birbiriyle çelişen iki farklı felsefi görüş karşı karşıya gelmektedir. Bunlar, İngilterede felsefeci Francis Bacon, Locke, Hume ve öteki İngiliz felsefecilerinin başlattığı İngiliz deneysel felsefesi ile Descartes, Spinoza, Leibniz ve Kantın geliştirdiği akılcılık (rasyonalist) felsefesidir.
Akılcılık felsefesine göre, varolan hiçbir şeyin insan
aklının
G.W Leibniz (1646-1716), Newtonun çağdaşıydı ve
entelektüel yönden onunla aynı düzeydeydi. Newtondan bağımsız olarak
diferansiyel hesabı bulduğunu ve birçok matematik problemlerine uyguladığını
biliyoruz. Leibniz, tüm olgusal başarılarına karşın Newtonun gravitasyonel
çekim yasasını mutlak hareket kavramına yol açtığı için beğenmez. Buna karşın,
hareketin göreliğini öngören bir uzay teorisi geliştirir; bu, bir bakıma,
Einsteinin görelilik teorisinin mantıksal ilkelerini haber verir.
Bilim tarihi yazarları, 17. yyda Newtonla başlayıp 18. yy sonuna kadar süren çağa, Newton Çağı derler. Bu çağda, deney ve tümevarım yöntemi ilkeleri çok sağlam bir biçimde oluşturuldu. Felsefede soyut düşüncelerin bile kökenlerini bulmak ve bunların benimsenmeye değer olup olmadıklarını anlamak için deneye önemli bir yer veriliyordu. Bu felsefe, 17. yyda yaşamış filozof John Lockeun (1632-1704) 1690da yayınlanan eseriyle başlamış, bir 18. yy felsefesidir.
Locke, deneyci felsefenin temellerini dogmatik akılcılığı sorgulayarak kurar. Aklın her şeyi düşünüp, çözümleyip çözümleyemeyeceğini sorarak bilgi teorisini yeniden ele alır. Fikirlerin incelenmesine ve doğrudan varolan tasarımların çürütülmesine geçer. Sonunda, bilginin incelenmesine ve sınırlarının belirtilmesine girişir.
Locke, kendisinden sonra İngilterede yetişen ve serbest
düşünceliler adıyla anılan filozoflar üzerinde büyük etki yapmıştır. Özellikle
deneysel felsefeden ve Newtonun çalışmalarından çok etkilenen Fransız düşünür
Voltaire (1694-1778) bunları yalın bir dille Fransızlara tanıtmış, bunun
sonucunda Newtonun mekanik sentezine, Fransız matematikçilerinden Maupertuis,
Lagrange, dAlembert ve
Klasik fiziğin dünya görüşünden etkilenen filozoflardan bir kısmı kendini deneysel felsefenin akıntısına kaptırırken kimileri de akılcı felsefenin etkisinde kalmışlardır. Deneyci, bilimin yalnız bir yanını, gözlemci yanını incelemekle yetindi; akılcı ise başka bir yanını, akılcı yanını vurgulamakla yetindi. Deneyci, bilginin öndeyici niteliğini açıklayamadığı için eleştirilir. Ayrıca, Dünyanın dar anlamda deneysel düzenini nasıl bilebildiğimizi de açıklayamamaktaydı. Oysa, bilim adamının gözünde, hiç değilse ana çizgileriyle bildiği böyle bir dünya vardır. Akılcılar, deneycilere yönelttikleri saldırıda kendilerini haklı görüyorlardı. Fiziki dünyaya ilişkin görüşümüzün oluşumunda matematiğin oynadığı rolü açıklayıcı sistemler kuruyorlardı.
Klasik fiziğin akılcı yorumu, deneyci yorumdan kaynaklanan problemleri çözememiştir. Fiziğin matematiksel kesinliğine bakarak, bilimin içerdiği tüm düşünce süreçlerini yalnızca tümdengelim çıkarımlarının oluşturduğu sonucuna gitmemeliyiz. Fizikçi, tümdengelim yanında tümevarıma da dayanmak zorundadır. Çünkü bilimsel araştırma gözlem verileriyle işe koyulur, ulaştığı sonuçları yine gözlem verileriyle doğrulamaya çalışır. Bilim adamının gelecekteki gözlemlere ilişkin öndeyileri hem ulaşmak istediği sonuçlar; hem de kurduğu hipotezlerin doğruluk kanıtlarını oluşturur. Tümevarım ve tümdengelim çıkarım biçimleriyle kurduğu karmaşık düşünce sistemi klasik fiziğe, olguları açıklama ve öndeme işlevinde en üst düzeyde etkinlik kazandırmıştır.
Sonuç
18. yyın sonuyla birlikte fizik felsefesinin tam bir çıkmaza düştüğünü görüyoruz. İnsan aklının yarattığı göz kamaştırıcı bilgi sistemleri anlaşılmaz görünüyordu. Fizikçilere gelince, onlar, felsefede düşülen bu çıkmazın farkında bile değildiler. Onlar, her zamanki gibi gözlemlerini yapma, teorilerini kurma çabalarını sürdürerek başarıdan başarıya koştular. Ne var ki, çok geçmeden 19. yy sonlarına doğru onlar da kendilerini bir çıkmazda buldular. Klasik fiziğin içine düştüğü bunalımdan kaynaklanan yeni fizik, sonunda, felsefedeki bunalımı da çözüme götüren yolu açmıştır.
Kaynaklar:
1) Nicolaas Bloembergen, Günlük Yaşantımızda Fizik ve Fiziğin Entelektüel Serüveni, TFV Dergisi, Sayı 11, Çeviri: Yeşim Ocak, Temmuz 1998.
2) Hans Reichenbach; Bilimsel Felsefenin Doğuşu", 2. basım, Remzi kitabevi, Çeviren: C. Yıldırım, 1993.
3) Süleyman Bozdemir, Fiziğin Evrimine Kısa Bir Bakış, Tübitak Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı: 327.
4) Süleyman Bozdemir, Fiziğin Gizemi, Metodolojisi ve Felsefesi, TFV Fizik Dergisi, Sayı: 17, Ağustos 2003, ve gelecek sayısı: 18.
5) Süleyman Bozdemir, Felsefe, Bilim ve Fizik, TFV Fizik Dergisi, Sayı: 16, Ekim 2001.
6) Richard P. Feynman, Her şeyin Anlamı, Evrim Yayınevi, Çeviren: Osman Çeviktay, Eylül 1999.
7) Erdal İnönü; Matematik Felsefesi Üzerine Anı ve Düşünceler, Feza Gürsey Enstitüsü, Tübitak ve Boğaziçi Üniversitesi
8) Nuri Ünal, Entropi, TFV Fizik Dergisi, Sayı: 14, Temmuz 2000.
9) Roger Penrose, Fiziğin Gizemi-Kralın Yeni Usu II, TÜBİTAK Yayınları 6. Baskı, Çeviren: Tekin Dereli.
10)Hans Grassmann, Fizik ve Ötesi, Evrim yayınları, Çeviren: Çiğdem Buğdaycı ve Yüksel Atakan, 2001.
11)Fizik Öğretiminin Günümüzdeki Durumu ve Bazı Öneriler, Fizik Dergisi, Haziran 1993, Sayı: 3.
16) http://www.biltek.tubitak.gov.tr/biliminsanlari/caglarbouyu/index.htm