Albert Einstein – Leopold İnfeld – Fiziğin Evrimi

Gizlerle dolu kusursuz bir öykü düşününüz. Böyle bir öykü, önemli bütün ipuçlarını verir ve bizi durumla ilgili kendi öz teorimizi geliştirmeye zorlar. Yapılan hileyi dikkatle izlersek, yazarın kitabın bitimindeki açıklamasını okumadan biraz önce, tam çözüme varırız. Bu çözüm, bu türden bayağı öykülerde varılanların tersine, bizi hayal kırıklığına uğratmaz; tam beklediğimiz anda ortaya çıkar. Böyle bir kitabın okurunu, birbirini izleyen kuşaklar boyunca doğa kitabındaki gizlerin çözümlerini araştıragelen bilim adamlarına benzetebilir miyiz? Bu benzetme yanlıştır ve ileride ondan vazgeçmek gerekecektir, ama biraz doğru bir yanı da vardır ve o yanı, benzetmemizi bilimin evrenin gizini çözme çabasına daha uygun duruma getirmek için genişletilebilir ve onda değişiklik yapılabilir. Bu sırlarla dolu kusursuz öykü daha çözülmemiştir. Kesin bir çözümü olduğuna da güvenemeyiz. [Doğa kitabının -ç.n.] okunması, bize şimdiden çok şey kazandırmıştır; bize doğa dilinin başlangıç ilkelerini öğretmiştir; ipuçlarının birçoğunu anlamamızı sağlamıştır ve bilimin o çoğu zaman güçlüklerle dolu ilerlemesi sırasında, bizim için bir sevinç ve coşku kaynağı olmuştur. Ama okunan ve anlanan bütün ciltlere karşın, tam bir çözümden –böyle bir şey gerçekten varsa– hâlâ uzak olduğumuzu anlıyoruz. Her aşamada, önceden elde edilmiş ipuçlarına uygun bir açıklama bulmaya uğraşıyoruz. Geçici olarak kabul edilen teoriler, olguların birçoğunu açıklamıştır, ama bilinen bütün ipuçlarına uygun genel bir çözüm henüz ortaya konmamıştır. Sık sık, görünüşte eksiksiz olan bir teori, daha sonra öğrenilenlerin ışığı altında yetersiz kalmaktadır. Kitabı ne kadar çok okursak, onun yetkin kuruluşunu o kadar eksiksiz değerlendirmekteyiz; bununla birlikte, tam bir çözüm, biz ilerlerken uzaklaşır görünmektedir.

Conan Doyle’un o çok güzel öykülerinden beri, hemen hemen her polis romanında öyle bir an gelir ki, polis hafiyesi, hiç değilse probleminin belirli bir evresi için kendisine gereken bütün olguları toplar. Bu olgular, çoğu zaman gerçekten garip, birbirinden kopuk ve baştan sona ilişkisiz görünür. Bununla birlikte, ünlü polis hafiyesi, o anda, araştırmayı sürdürmenin artık gereksiz olduğunu, toplanan olguların karşılıklı-ilişkisine (correlation) salt düşünmekle varılacağını anlar. Bunun üzerine keman çalar ya da piposunu tüttüre tüttüre koltuğunda oturur, sonra birdenbire, o karşılıklı-ilişkiyi bulur! Yalnız eldeki ipuçlarının bir yorumuna ulaşmakla da kalmaz, belirli başka olayların geçmiş olması gerektiğini de bilir. Canı isterse, teorisi için ek bilgi toplamak üzere dışarı çıkar; çünkü nerede araştırma yapacağını kesinlikle bilir. Doğa kitabını okuyan bilim adamı, şu bilinen benzetmeye bir daha başvurmamıza izin verilirse, çözümü kendi başına bulmak zorundadır; çünkü, öbür öykülerin sabırsız okurlarının sık sık yaptıkları gibi, kitabın sonunu açıp okuyamaz. Bizim örneğimizdeki okur da, olaylar ile onların çeşitli ön ve art tutarlılıkları arasındaki ilişkiyi (relation) hiç değilse kısmen açıklamaya çalışan bir polis hafiyesidir. Bilim adamı, parçasal bir çözüm elde etmek için bile, bulunan düzensiz olguları toplamalı ve yaratıcı düşünce ile, onları tutarlı ve anlaşılabilir duruma getirmelidir. Bizim amacımız, ilerideki sayfalarda, fizikçinin o polis hafiyesinin kusursuz düşünüşüne karşılık olan çalışmasını kaba çizgilerle vermektir. Biz, özellikle, fiziksel alemin bilgisi için yapılan serüven dolu araştırmada, düşünüşlerin ve düşüncelerin rolü ile ilgileneceğiz. İLK İPUCU Gizlerle dolu ünlü öyküyü okuma çabaları, insan düşüncesinin kendisi kadar eskidir. Bununla birlikte, bilim adamları ancak iki yüzyıldan biraz önce öykünün dilini anlamaya başladılar. O zamandan –Galilei ile Newton’un çağından– beri, öykünün okunması hızla ilerledi. Araştırma teknikleri ve ipuçları bulmanın sistemli yöntemleri geliştirildi. Doğanın kimi bilmeceleri çözüldü, ama daha sonraki araştırmanın ışığı altında çözümlerin birçoğunun geçici ve yüzlek olduğu gösterildi.

Karmaşıklıkları yüzünden binlerce yıldır tümüyle karanlık kalan en önemli problem, hareket problemidir. Doğada gözlediğimiz bütün hareketler, havaya atılan bir taşınki, denizde yol alan bir gemininki, yol boyunca itilen bir el arabasınınki, gerçekte çok çapraşıktır. Bu görüngüleri (phenomena) anlamak için, bulunabilen en basit durumdan başlamak ve daha karmaşık durumlara doğru yavaş yavaş ilerlemek uygun olur. Durgun, hiç hareketsiz bir cisim düşününüz. Böyle bir cismin konumunu değiştirmek için ona bir etki yapmak, onu itmek ya da kaldırmak, ya da başka cisimlerin – atlar ya da buhar makineleri gibi– onu etkilemesini sağlamak gerekir. Sezgisel düşüncemiz, hareketin itme kaldırma ya da çekme eylemlerine bağlı olduğudur. Yinelenen deney, cismin daha çabuk hareket etmesini istersek, onu daha kuvvetli itmemiz gerektiğini gösterir. Bundan şu sonucun çıkarılması çok doğal görünmektedir: Bir cisme uygulanan etki ne kadar kuvvetliyse, o cismin çabukluğu (speed) o kadar büyük olur. Dört-atlı bir araba, yalnızca iki atla çekilen bir arabadan daha çabuk gider. Böylece, sezgi, bize, çabukluğun etki ile temelinden bağlantılı olduğunu bildirir. Polis romanı okurları için, yanlış bir ipucunun romanı karıştırması ve çözümü ertelemesi olağandır. Sezgiye dayanan düşünme yöntemi yanlıştı ve hareket konusunda yüzyıllarca süren yanlış düşüncelere yol açtı. Aristoteles’in bütün Avrupa’nın boyun eğdiği büyük otoritesi, bu sezgisel düşünceye uzun süre inanılmasının belki de ana nedeniydi. Mekanik’te, şunun ona yüklendiğini iki bin yıl okuduk: “Hareket eden bir cisim, kendisini iten kuvvet artık onu itemeyecek duruma gelince, durur.” Galilei’nin bilimsel düşünmeyi bulması ve kullanması, insanın düşünce tarihindeki en önemli başarılarından biridir ve fiziğin gerçek başlangıcıdır.

Bu buluş, doğrudan doğruya gözleme dayanan sezgisel sonuçlara her zaman güvenilemeyeceğini, çünkü onların bazen yanlış ipuçlarına vardığını bize öğretti. Peki ama, sezgi nerede yanılır? Dört atın çektiği bir arabanın, yalnız iki atın çektiği bir arabadan daha çabuk gitmesi gerektiğini söylemek, yanlış olabilir mi? İnsanlığın daha uygarlığın başlangıcından beri bilegeldiği, çetin yaşama savaşında kazanılmış, basit günlük yaşantılardan başlayarak, hareketin temel olgularını daha yakından inceleyelim. Düz bir yol boyunca, dört tekerlekli bir el arabasını iterek giden birinin, arabayı itmeyi bıraktığını düşününüz. El arabası, durmadan önce, kısa bir süre daha gidecektir. Şimdi şunu soralım: Bu süre nasıl artırılabilir? Tekerlekleri yağlamak ve yolu çok düzgün yapmak gibi çareler vardır. Tekerlekler ne kadar kolay dönerse, yol ne kadar düzgün olursa, arabanın hareketini sürdürmesi de o kadar uzayacaktır. Yağlama ve düzgünleştirme ile ne yapılmıştır? Yalnızca şu: Dış etkiler zayıflatılmıştır. Hem tekerleklerdeki, hem de tekerlekler ile yol arasındaki sürtünme dediğimiz etki azaltılmıştır. Bu, şimdilik, görünür kanıtın teorik bir yorumudur ve gerçekte, keyfi bir yorumdur. Önemli bir adım daha atarak doğru ipucunu ele geçireceğiz. Tam anlamı ile düzgün bir yol ve hiç sürtünmesi olmayan tekerlekler düşününüz. O zaman, arabayı durduracak hiçbir şey olmazdı ve bundan dolayı, araba hiç durmadan öylece giderdi. Bu sonuca, ancak düşünselleştirilmiş ve asla gerçekten yapılamayacak bir deney düşünülerek varılıyor; çünkü bütün dış etkileri gidermek olanaksızdır. Düşünselleştirilmiş deney, hareket mekaniğinin tabanını gerçekten oluşturan ipucunu göstermektedir. Probleme yaklaşmanın bu iki yöntemini birbiri ile karşılaştırarak şöyle diyebiliriz: Etki ne kadar büyükse, hızın (velocity) da o kadar büyük olması, sezgisel bir düşüncedir.

Bundan dolayı, hız (velocity), dış kuvvetlerin bir cismi etkileyip etkilemediğini gösterir. Galilei’nin bulduğu yeni ipucu şudur: Bir cisim itilmezse, çekilmezse, sözün kısası, bir cismi hiçbir dış kuvvet etkilemezse, o cisim aynı biçimde, yani doğru bir çizgi boyunca hep aynı hızla hareket eder. Bundan ötürü, hız, bir cismi dış kuvvetlerin etkileyip etkilemediğini göstermez. Newton, Galilei’nin vardığı sonucu, doğru sonucu, bir kuşak sonra, süredurum (eylemsizlik)[2] yasası olarak formülleştirdi. Bu, genellikle, okulda fizik konusunda ezbere öğrendiğimiz ilk şeydir ve kimimiz bunu anımsayabilir: “Her cisim, kendisini etkileyen kuvvetler onu durumunu değiştirmeye zorlamadıkça, ya durgun kalır, ya da hareketini doğru bir çizgi boyunca ve bir-biçimli (uniform) sürdürür.” Gördük ki, bu süredurum yasası doğrudan doğruya deneyden çıkarılamaz, ama ancak gözleme uygun olan kurgusal (speculative) düşünme yolu ile çıkarılabilir. Düşünselleştirilmiş deney, asla gerçekten yapılamaz, ama yine de gerçek deneylerin derinliğine anlaşılmasını sağlar. Bizi kuşatan evrendeki karmaşık hareket çeşitlerinden bir-biçimli hareketi ilk örnek olarak seçtik. En basit hareket odur; çünkü etki yapan hiçbir dış kuvvet yoktur. Bununla birlikte, bir-biçimli hareket asla gerçekleştirilemez; bir kuleden aşağı bırakılan bir taş, bir yol boyunca itilen bir el arabası, asla, kesinlikle bir-biçimli hareket edemez; çünkü dış kuvvetlerin etkisini gideremeyiz. İyi bir polis romanında göze en çok çarpan ipuçları, çoğu zaman yanlış sanılara yol açar. Bunun gibi, doğa yasalarını anlama çabalarımızda da, en açık sezgisel açıklama çoğu zaman yanlış bir açıklamadır. İnsan düşüncesi, evrenin durmadan değişen bir tablosunu yaratır. Galilei’nin yaptığı, sezgisel görüşü yıkmak ve yerine yeni bir görüş koymaktı. Onun buluşunun önemi buradadır.

Ama hemen, hareketle ilgili başka bir soru ortaya çıkar. Hız, bir cismi etkileyen dış kuvvetlerin belirtisi değilse, nedir? Bu köklü sorunun yanıtını Galilei ve daha kısa ve özlü olarak Newton buldu. Bu yanıt, araştırmamızda daha ileri bir ipucu olmaktadır. Doğru yanıtı bulmak için, tam anlamı ile düzgün olan bir yoldaki el arabası üzerinde biraz daha derin düşünmeliyiz. Düşünselleştirilmiş deneyimizde, hareketin bir-biçimliliği, bütün dış kuvvetlerin yokluğuna bağlıydı. Şimdi, bir-biçimli hareket etmekte olan el arabasına bir itme uygulandığını düşünelim. O zaman ne olur? Besbelli, arabanın çabukluğu artar. Hareket yönüne karşıt bir itmenin çabukluğu azaltacağı da besbellidir. Birinci durumda, araba, itme ile ivdirilmiş, ikinci durumda ise çabukluğu azaltılmış, ya da yavaşlatılmıştır. Bundan çıkan sonuç şudur: Bir dış kuvvetin etkisi, hızı değiştirir. Bundan dolayı, hızın kendisi değil, değişmesi itmenin ya da çekmenin bir sonucudur. Böyle bir kuvvet, hareket yönünde ya da karşıt yönde etki yapmasına göre, hızı ya artırır ya da azaltır. Galilei bunu açıkça gördü ve İki Yeni Bilim’inde şunları yazdı: “… hareket eden bir cisme bir kez verilen herhangi bir hız, ivmenin ya da gecikmenin dış nedenleri ortadan kalktığı sürece, kesinlikle hiç değişmeden kalır; bu, yalnız yatay düzlemlerde geçerli bir durumdur; çünkü aşağı doğru eğimli düzlemlerde bir ivme, yukarı doğru eğimli düzlemlerde ise bir gecikme nedeni önceden vardır; bundan, yatay bir düzlem üzerindeki hareketin sürekli olduğu sonucu çıkar; çünkü, hız bir-biçimli ise, azaltılamaz ya da ağırlaştırılamaz, nerde kaldı ki yok edilebilsin.” Doğru ipucunu izleyerek, hareket problemini daha derinlemesine anlayabiliyoruz. Klasik mekaniğin Newton’un formülleştirdiği temeli, kuvvet ile hız değişmesi arasındaki bağlantıdır ve –sezgilerimize göre düşünebildiğimiz gibi– kuvvet ile hızın kendisi arasındaki bağlantı değildir.

Klasik mekanikte başrolleri oynayan iki kavramı kullandık: Kuvvet ve hız değişmesi. Bu iki kavram, bilimin daha sonraki gelişimi sırasında genişletilmiş ve genelleştirilmiştir. Bundan ötürü, daha yakından incelenmeleri gerekir. Kuvvet nedir? Bu terimle ne denmek istendiğini sezgisel olarak anlarız. Terim, itme, atma ya da çekme çabasından; bu eylemlerin her biri ile ortaya çıkan kas duyumundan doğmuştur. Ama onun genelleştirilmiş biçimi, bu basit örneklerin çok dışına taşar. Bir arabayı çeken bir atı göz önüne getirmeden de bir kuvvet düşünebiliriz! Güneş ile Yer, Yer ile Ay arasındaki çekim kuvvetinden, gelgitlere yol açan kuvvetlerden söz ediyoruz. Yer’in bizi ve çevremizdeki her şeyi kendi etki alanında kalmaya zorlayan kuvvetinden, denizi dalgalandıran ya da ağaçların yapraklarını kımıldatan kuvvetlerden söz ediyoruz. Ne zaman ve nerede bir hız değişimi gözlesek, genel anlamda, bir dış kuvvet bundan sorumlu tutulmalıdır. Newton, Principia’sında şöyle yazıyordu: “Etkileyici bir kuvvet, bir cismi, durumunu, ya durgunluk ya da doğru bir çizgi üzerinde bir-biçimli hareketlilik durumunu, değiştirmeye zorlayan bir eylemdir. Bu kuvvet, yalnız etki olarak ortaya çıkar; ve etki bitince, artık o cisimde bulunmaz. Çünkü bir cisim, kazandığı her yeni durumu yalnız kendi vis inertiae (süredurum kuvveti) ile sürdürür. Etkileyici kuvvetler, değişik kökenlidir; örneğin vurmadan, basınçtan merkezcil (centripetal) kuvvetten ileri gelebilirler.” Bir kulenin tepesinden bırakılan bir taşın hareketi, asla bir-biçimli değildir; taş düştükçe, hızı artar. Bundan şu sonucu çıkarırız: Bir dış kuvvet, hareket yönünde etki yapmaktadır.

Ya da, başka bir söyleyişle, Yer, taşı çekmektedir. Başka bir örnek alalım: Bir taş yukarı doğru atılınca ne olur? Hız, taş en yüksek noktasına ulaşıp düşmeye başlayıncaya dek azalır. Hızdaki bu azalma, düşen bir cismi ivmelendiren aynı kuvvetten ileri gelir. Kuvvet, bu iki örnekten birinde hareket yönünde, öbüründe ise karşıt yönde etki yapmaktadır. Kuvvet aynıdır, ama taşın bırakılmış ya da yukarı doğru atılmış olmasına göre, ivmeye ya da yavaşlamaya yol açmaktadır.

.