Fiziğin öteki bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
Fiziğin Öteki Bilim Dallarıyla İlişkisi
Fiziğin diğer bilim dalları aralarında bir liderliği yol göstericiliği vardır Çünkü evrendeki süreçler fizik yasalarına tarafından işlemektedirBu sebeple fizikteki her kayda değer gelişme öteki bilim dallarını etkilemiştirSadece bununlada kalmamış modern fizik filozofi bilimsel yöntemide hayretle içinde bırakan yeni paradikmalara sebep olmuştur Fizik tarihi aynı zamanda fiziğin daha aşağı bilim dallarının birbirini peşine düşüp takip eden tarihidirBu sebeple daha iyi anlaşılması için ayrı olarak bahsedeceğiz
1)Mekanik
2) Termodinamik
3) Elektrik ve Elektromanyetizma
4) Kuantum
5) Rölativite
Hemen, tarihsel gelişim çerçevesinde bu teorileri inceleyelim
1) MEKANİK
Mekaniğin doğuşu aynı zamanda fizik biliminin başlangıcı olmuşturXVII yy'ın başında bilimsel yöntemin, yani önermelerin doğruluğunun deneysel olarak sınanması yolunun ortaya çıkması ve buna alt olarak fizik, kimya ve biyoloji gibi temel bilimlerin felsefeden tamamen ayrılmasına sebep olmuştur
Fiziğin ve mekaniğin temllerini atan Galilei ve Newton'un yapmış olduğu araştırmalar ve kurmuş olduğu kuramlar sonucunda bilimde koskocoman bir atılım gerçekleştirilmiş ve bilim, öteki düşünsel etkinlikleri yönlendiren bir düşünsel etkinlik konumuna yükselmiştir böylece bu çağ, bilim tarihçileri kadar Bilimsel Devrimler Çağı olarak adlandırılmıştır
Galilei, araştırmalarına birincil başladığı yıllarda gerçekleştirdiği deneylerin sonuçlarını her yerde değerlendirdi ve mekaniğin temel ilkeleri üstüne daha sonra geliştirdiği görüşlere yer verdi Teleskoptan yararlanarak gerçekleştirdiği son buluşu Ay'ın günlük ve aylık sallantılarını (librasyon) ilk kez gözlemlemesiydi Bu gözlemleri 1637'de görme görme yetisini yitirmeden birkaç ay önce yapan Galilei, sonradan sarkacın saat mekanizmalarının çalışmasını düzenlemekte kullanılabileceğini belirledi Bu buluş 1656'da Felemenkli bilim adamı Christiaan Huygens göre uygulamaya kondu
Kepler, Galilei, Huygens ve Hooke'un çalışmalarından yararlanan Newton, Principia mathematica philosophiae naturalis (1687) adlı yapıtıyla dinamiği kurdu Eylemsizlik İlkesi'nin formüle edilmesi ile birlikte alışılmış mekaniğin doğal yer, ivme ve kütle gibi temel kavramları matematiksel bir biçimde yeniden ifade edilmiş ve hareketsizlik, hareket gibi, hareket de hareketsizlik gibi doğal bir vaka niteliğine kavuşturulmuş ve bu bağlamda hareket bir problem olmaktan çıkarılmıştır Newton, Eylemsizlik İlkesi'nin doğal bir hareket olarak kabul edilmesi sonucunda döngüsel hareketin açıklanmasının gerekliliğini vurgulayarak, kinematiksel yaklaşımın yerine dinamiksel yaklaşımla göksel cisimlerin döngüsel hareketlerini çekim kavramı çerçevesinde çözüme kavuşturmuştur
XVIII yy'da fazla sayıda bilim adamı, özellikle Euler, d'Alembert, Lagrange, Laplace akışkanlar mekaniğini oluşturarak, dinamiğin uygulamalarını geliştirdi Hidrostatiğin yasalarını ise XVII yy'da Stevin ve Pascal kesinleştirmişti
2) TERMODİNAMİK
Termodinamik, ısının tanımını ve madde içindeki hareketi ile iletimini konu bölge bir fizik dalıdır Bu dal tamamen XIX yy bilginlerince oluşturulmuştur Bu yüzyıldan önce ısının yayılımı, sıcaklıkla ilişkisi gibi birtakım konularda çalışmalar yapılmıştı Bir İskoçyalı olan J Black birincil defa, maddeler için belirleyici bir özellik olan ve onun belirli sıcaklıkta enerji tutabilmesi yeteneğini ortaya koyan özısı kavramını tanımlamıştır Bu, ayni zamanda ısı ile sıcaklık arasındaki farkın tanımını gündeme getirmişti 1798 ’ in başlarında ısının, hareketin bir formu olduğu tezi B Thompson kadar gösterilir Devrinin farzedilen siyasi ve bilimsel kişiliği olan Thompson, bir savaş sırasında topun içine yerleştirilen bir mekanizmayla sürtünme enerjisinden yararlanarak su ısıtma işlemini ve buharlaşmayı gerçekleştirdi Bir İngiliz fizikçisi olan J P Joule, ısıyı enerjinin korunumu ilkesinden yararlanarak tanımladı Onun bu çalışmasıyla, gazların hareketinin tanımlandığı kinetik teori ile beraber ısının da bir enerji çeşidi olduğu fikri resmen kabul edildi Bu çalışmalarının çoğunu 1840 ile 1850 yılları arasına sığdıran Joule, mekanik düzeneklerle gerçekleştirdiği sayısız deneyler sonunda termodinamiğin birinci kanununu elde etti: “ Bir sistem ısı kazanır yada kaybederse ayni oranda mekanik meslek ya sistem üstüne ya da sistem kadar yapılır
Isının tanımı üstüne bu araştırmalar devam ederken, 1824 ’ te Fransız bir mühendis olan S Carnot ideal bir alet düşünerek, iki bambaşka ısı kaynağı arasında çalışan ısı makinesinin veriminin, aynı kaynaklar arasında çalışan Carnot makinesinin veriminden daha büyük olamayacağını söylemiştir Termodinamiğin diğer bir gelişimi ise mutlak sıcaklık ölçeğinin, Lord Kelvin kadar tanımlanmasıdır W Kelvin ’ e kadar; soğuk cisimden sıcak cisme kendiliğinden bir ısı akışı olamaz Bu bakış ayni zamanda termodinamiğin ikinci yasasını oluşturur Yeniden bu yasaya göre, fazla önemli bir kavram olan entropi kavramı ortaya atıldı Özet Olarak anlatmak gerekirse bu kavram; evrendeki yalıtılmış sistemlerin düzensizliğe doğru meyletmesinin bir ölçüsüdür ve evrenin düzensizliği her an artmaktadır O halde, tüm doğa olaylarında evrenin entropisi artmaktadır
1906 ’ da termodinamikte manâlı gelişmeler yaşandı Bu gelişmeler büyüyen teknolojiyle beraber düşük sıcaklık altındaki maddelerin dinamiği hakkında meydana geldi W Nerst, mutlak sıfır sıcaklığına hiçbir zaman inilemeyeceğini belirtirken maddenin en ahenkli halinin mutlak sıcaklıkta ( 273°C ) bulunabileceğini söyler Bu tanımlama da termodinamiğin üçüncü yasasını oluşturur
Fiziğin öteki bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
3) ELEKTRİK ve ELEKTROMANYETİZMA
Elektriğin, Thales ’den daha önce millet tarafından bilindiği bir gerçektir Bunu, şu üç nedene dayandırabiliriz:
Bir bez parçasına sürülen kehribarın saman ya da hafif cisimleri çekmesi
Yıldırım çakması
Elektrikli torpido balığının varlığı
Yukarıdaki olayların arasındaki ilişki ilk kez, W Gilbert kadar XVI yy ’da ortaya konuldu O, metalik olmayan maddelerin, birbirini elektriksel çekme özelliği gösterenlerini listelemiş ve bu maddelere elektrikli ve yüklü nitelemesinde bulunmuştur Gilbert, böylece fazla kere bu cisimlerin birbirlerini ittiğini deneysel olarak görmesine karşın, itme olayını açıklayamadığı için bu etkileşimi görmezlikten gelmiştir Ondan daha sonra gelen deneyciler, bu itme kuvvetini denek olarak incelemiştir Bunların başında Magdeberg Yarımküreleri deneyiyle Otto von Guericke gelir Bu deney, bir eksene geçirilmiş kükürtten topun çevrilmesiyle beraber buna dokunulması halinde elektrik kıvılcımlarının çıktığını gösterir Durağan elektriğin elde edilmesi bu deneyle gösterilmiştir
XVIII yy ’ ın başlarında İngiliz deneyci S Gray ; 650 ft (~200 m) ’ den uzun olan nemli bir ip baştan başa elektrik yükünün iletimini gerçekleştirdi Ayrıca elektriksel çekme kuvvetinin metal bir nesneden öteki bir cisme aktarılabileceğini gösterdi yaklaşık olarak ayni zamanda; Fransız C Dufay, sadece iki cins elektriklenmenin olabileceğini ortaya koydu Buna göre; bambaşka yükler birbirini çekerken ayni yükler birbirini iterdi Bu, ayni zamanda detaylı birincil elektrik teorisiydi Dufay ’ ın teorisini geliştiren B Franklin, farklı iki elektrik türüne artı ve negatif adlarını verir Elektriğin akıcı nitelikte olduğunu öne süren Franklin; teorisinde, yük hareketinin yönünün pozitiften negatife dürüst olduğunu ve bu hareketin, fazla yüklerin yer değiştirmesiyle meydana geldiğini ortaya koyar Bu teoriler oluşturulurken bir yandan da batarya yapımı ve elektriğin depolanması ile ilgili incelemeler ilerler Leyden şişesinin yapılmasıyla ilk kez elektrik ambar edilirken bir İtalyan tıpçı olan L Galvani 1786 ’ da öbür metaller kullanarak kurbağanın iç organlarının incelenmesi sırasında; kurbağanın but kaslarının kasıldığını gözlemler Galvani ’ nin sonuçlarını duyan A Volta, birkaç yıl daha sonra bu olayın iki bambaşka metalden kaynaklandığı sonucuna ulaşır Yaptığı deneylerde iki adet çeşitli cinste metal alarak bunların arasına öbür sıvılar koyar Elde ettiği sonuçlardan hareketle 1800 yılında elektrik pilini icat eder öte yandan A Coulomb, kendi buluşu olan burulma terazisi‘ ni kullanarak yüklü cisimler arasındaki elektrik kuvvetlerini nicel olarak ölçer Sonuçta, elektriksel kuvvetin bir ters kare güç olduğunu bulurBu iki elektirksel siklet arasındaki elektriksel kuvveti Coulomb Kuvvet'i olarak adlandırılır
Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki Danimarkalı bilim adamı H Oersted ’ in, bir misafir etme deneyi esnasında üzerinden elektrik akımı geçen telin, yakınındaki pusulayı saptırdığını bulmasıyla 1819 ’ da açığa çıktı Bundan birkaç sene sonradan Alman fizikçi G S Ohm, bir tele uygulanan gerilim ile o telden geçen akıntı arasında bir bağıntı olduğunu bulur Gerilimin telden geçen akıma oranına o telin direnci adını verir giderken Oersted ’ in gözlemlediği elektromanyetik durum; J B Biot, F Savart ve A M Ampére kadar matematiksel olarak ifade edilir Yine ayni yıllarda M Faraday ve J Henry, elektrik akımı ile manyetizma arasındaki diğer ilişkileri gösterdiler Bir devrenin yakınında bulunan bir mıknatısı hareket ettirerek yada başka bir devredeki akımı değiştirerek o devrede elektrik akımı oluşturdular Bu incelemeler, ilk elektrik motorunun yapımıyla sonuçlandı Tekrar, Faraday manyetik alanın varlığını mıknatıs civarda toplanan demir tozlarının şekillenimi yardımıyla ispatladı Fakat elektrik ile manyetizma arasındaki nihai ilişki en açık dille J C Maxwell kadar 1873 ’ te gösterilir Maxwell ’ in ortaya attığı denklemler, ışığın yapısını ve boşluktaki yayılımını açıklarken, ayni zamanda havada elektromanyetik dalgaların nasıl bir yerden bir yere aktarılabileceğini de ortaya koyuyordu Nitekim; R Hertz 1888 ’ de elektromanyetik dalgaları laboratuarda oluşturarak Maxwell ’ in öngörülerini doğruladı Basit bir verici devresinde oluşturulan elektrik kıvılcımları, arasında hiçbir temas olmadan tip devrede elde edildi Fazla geçmeden, 1890 yılında Markoni, birincil radyoyu yapar ve Hertz ’ in bu buluşunun haberleşmedeki önemi gösterilmiş olur Bugün jurnal yaşantımızdan uzay çalışmalarına kadar o kadar çok alanda buluş kullanılmaktadır
Fiziğin diğer bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
4) KUANTUM
Kuantum, sözcük olarak kesikli, parçalı anlamlarına gelir Bu teorinin, akkor hale gelmiş ülkü gelinceye değin ısıtılan bir cismin, kazandığı enerji ile yaydığı ışığın frekans dağılımı arasındaki ilişkinin ortaya konulması probleminden doğması; ışığın yapısının, teoride vazgeçilmez öneme sahip olduğunu gösterir Bunun için başta ışık teorilerinin tarihsel gelişimine bakmakta fayda vardır
Işık bilgisi ile ilgili köklü gelişmeler XVII yy ’ da başlar Işık üzerine kurulan birincil teori, I Newton ’ nun parçacık teorisidir Newton, bu parçacıkların çok küçük olduğunu belirtirken, bunların karakteristiklerini tanımlamada başarız olmuştur Onun, parçacığa zıt olan dalga yapısından uzak durmasının sebebi ise; dalga hareketinin esas özelliği olan kırınım olayını ayrım etmemiş olmasıdır
Hollandalı bilimadamı C Huygens ise tamamen Newton ’ dan öbür düşündü Ona göre ışık, dalgaydı 1678 ’ de ortaya koyduğu teorisinde Huygens, ışığın katıda yada sıvıda, havada olduğundan daha yavaş hareket edeceğini öne sürmüştür Newton ’ un teorisine göre ise, ışık tanecikleri yoğun ortamda daha süratli hareket etmeliydi Fransız fizikçi J Foucault; ışığın hızının, eksik yoğun ortamda daha büyük olduğunu gösterdi Böylece dalga modelinin doğruluğu kanıtlanmış oluyordu Dalga modeline öteki kuvvetli kanıt ise; birbirini kesen ışık demetlerinin, çarpışmadan yoluna devam etmesiydi Dalga modeli için bu kanıtların bulunmasına rağmen, Newton ’ un otoritesi ile parçacık teorisi XVIII yy ’ da da kabul fark etti
1805 yılında; İngiliz T Young ve Fransız A Fresnel, ışığın girişim ve kırınım yaptığını deneyde kullanılan olarak gösterdiler Bu nesil bir davranışı parçacıklar yapamazdı Bu tarihten itibaren dalga kuramının daha şeref gördüğü söylenebilir Fakat her dalganın yayılması için bir ortam gerekirdi Böyle bir ortamın varlığının kanıt edilemeyişi, parçacık tezinin ayrıntılarıyla itilmesine mani oldu
1900 yılına gelindiğinde fizik dünyasının tanımlayamadığı üç esas problem vardı:
Işığın karakteri
Atomun kararlılığı ve yapısı
Kara karoser (üstüne gelen tüm ışık dalgalarını yutarak büyük enerjilere sahip olabilen ideal cisim) ışıması
Gerçekte bu üç sorun da birbirine benzer idi Lakin herzamanki fizikten bambaşka birtakım anlayışlarla açıklanabilirlerdi Cevap ise; 1900 yılında Alman alim M Planck ’ tan geldi Yüksek sıcaklıklarda ısıtılan bir metalin yaydığı ışığın spektral dağılımı, o metalin soğurduğu enerji ile bir tek durumda uyuşuyordu: Enerji, parçalı yayılmalıdır Enerji ifadesini Planck; bir h sabitiyle ışımanın f ile gösterilen frekansının çarpımı şeklinde açıklama eder
n, sadece tamsayı değerler aldığından, ara değerlerde enerji olmadığı sonucuna varılır Bu Nedenle karacisim problemine çözüm bulunur
Planck ’ ın bulgusundan 5 yıl sonra; A Einstein, ayni yaklaşımı kullanarak ışığın metalden elektron sökme olayı olarak bilinen fotoelektrik etki problemine açıklık getirir Einstein ’ e tarafından; ışığın, elektrona 10(15) s gibi çok küçük vakit aralığında enerjisini aktarması oysa ışık parçacıklarının elektronlara çarpmasıyla muhtemel olabilirdi Böylece, ışığın hf enerjisi taşıyan fotonlardan oluştuğu anlaşıldı Einstein, bununla da kalmayarak girişim ve kırınım olaylarının açıklanabileceği dalga teorisini de kabul etti; ışığın keza dalga ve ayrıca de tanecik olduğunu açıkladı
O tarihlerde bilimadamları, artık mikroskobik boyutta gerçekleşen olayların, kuantum düşüncesiyle açıklanabileceğine inandılar Nitekim; E Rutherford ’ un, atomun yapısının Güneş sistemine benzer olduğuna ilişkin mekanik yorumunun yanlışlığı 1913 ’ te kuantum teorisiyle doğrulandı Rutherford ’ un teorisine kadar elektronlar, protonların çevresinde dairesel yörüngelerde dönmeliydi Oysa dairesel hareket yapan bir tartı ivmeleneceğinden, elektromanyetik dalgalar yayarak protonlar tarafından yutulacaktı Bu durumda, atomun var olmaması gerekirdi Danimarkalı fizikçi N Bohr; problemi, elektronun açılı momentumunun h ’ nin 2p ’ ye bölümünün tam katları şeklinde olması gerektiğini söyleyerek çözdü Bu Nedenle bir yörüngede dolanan elektron ışıma yapmayacak, ancak dıştan atomun kararlılığını bozacak şekilde etkide bulunulursa belirtilmiş yörüngelere geçerek iki yörünge enerjisi arasındaki fark dek enerjili foton salacak veya soğuracaktı Bu ışımalar görünür bölgede olabileceği gibi morötesi bölgede de oluşabilirdi
Önceleri; hidrojen ve helyum gibi kolay atomlara uygulanan kuram çok elektronlu atomlarda bu haliyle iyi sonuç vermedi Bu sorun da; 1923 ’ te L de Broglie ’ ın ve 1926 ’ da E Schrödinger ’ in katkılarıyla ortadan kaldırıldı İlkin, de Broglie, her atomik parçacığın dalga gibi ele alınabileceğini gösterdi Bu durumda, elektronlar madde dalgası biçiminde çekirdeğin çevresinde dolanıyordu Buna dayanarak Schrödinger, atomik hareketin, dalga denklemiyle çözüleceğini gösterdi
Kuantum teorisinin en önemli özelliğinden biri de, 1927 ’ de Alman fizikçi W Heissenberg göre ortaya konuldu Ona tarafından; hiçbir süre bir atomik parçacığın, konumuyla hızının ayni anda, ayni şüphesiz bilinmesi imkansızdır Bu ilkeye, kararsızlık ilkesi denir Bir elektronun çekirdek çevresindeki bir yerde bulunup bulunamayacağı olasılıklarla belirlenir Kuantum fiziğinde, belirli yargılara yer yoktur
Mikro dünyada belirsizliğin olması; h, Planck sabitinin fazla küçük mertebelerde (~ 10(34)) olmasından kaynaklanır Herzamanki mekanikle tanımlı günümüz makro dünyasında bizler zaten bu mertebeye kadar deneylerde büyük hatalar yapıyoruz Oysa kayda değer olan, bu hataların büyük kütlelere sahip cisimlerde ölçülemeyecek kadar minik değişikliklere neden olmasıdır Bu durumda kararsızlık ilkesinin; makro düzeyde, kuantumda ele alındığı gibi etkili olamayacağını söyleriz
Kuantum teorisi XX yy ’ a, günümüzdeki gelişimini de göz önüne alırsak öyle çok vazgeçilmez yenilikler kazandırmıştır Bilgisayar, lazer, elektron mikroskobu ve transistör bu yeniliklerin teknolojiye yansımasıdır Keza; atom ve çekirdeğin yapısı, elektriğin madde içinde iletimi ve katıların ısısal özelikleri gibi konulara doyurucu talimat getirmiştir
Fiziğin diğer bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
5) RÖLATİVİTE ( GÖRELİLİK )
Kuantum kuramıyla atomun yapısı aydınlatılmaya çalışılırken, 1905 ’ te yeni bir kuram ortaya atıldı I Newton tarafından kurulan herzamanki fiziğin mikro boyutlarda yetersizliği anlaşılmıştı Bunun yanına, cisimlerin ışık hızı mertebesindeki hareketinde de Newton fiziği bekleneni veremedi Newton, hareketin evrende mutlak olduğunu; bulunulan yere ve zamana göre değişmediğini kabul ediyordu Ama, A Einstein bunun mümkün olamayacağını; bir cismin uzaydaki durumuna göre vakit ve mekan özelliklerinin değişkenlik göstereceğini öne sürdü Kuram, farklı zamanlarda; Özel görecelik ve Genel görecelik adı aşağıda oluşturulmuştur
* Özel Görecelik:
Özel görecelik teorisi, 1887 yılında A Michelson ve E Morley kadar gerçekleştirilen bir deneyin sonucunun yorumlanmasıyla elde edilmiştir Deney; temelde uzay boşluğunu doldurduğu düşünülen ve J C Maxwell ’ in, elektromanyetik dalgaların içinde hareket ettiğini öne sürdüğü esir maddesinin varolup olmadığını denemek üzere gerçekleştirildi Deneyde; Dünya ’ nın, Güneş çevresinde döndüğü yöne gönderilen bir ışık dalgası ile bu yöne dikey gönderilen ışık dalgası arasındaki faz kaymasının gözlenmesi başlıca alınıyordu Herhangi bir kaymanın bulunması durumunda esirin haretinden nedeniyle ışık dalgalarının hızının azaldığı sonucuna varılacaktı Lakin deney bekleneni vermemişti Yüzlerce test sonunda, ışık hızının daima, tekrar değişmez olduğu sonucuna varıldı
A Einstein, bu sonuçları anlamlandıran ve doğru olarak açıklayan ilk birey oldu Gerçekten asırlar önce Türk İslam filozofu Kindi; zaman, mekan ve hareketin göreli; her cisme ve gözlemciye göre değişen yapıda olduğunu vurgulamıştı Einstein bu düşüncelere denek kanıtları da katarak şu ilkeleri ortaya koydu:
* Tüm fizik yasaları, birbirine tarafından değişmeyen harekete sahip bütün eylemsiz gözlem çerçevelerinde ayni yazılmalıdır
* Işığın boşluktaki hızı, kaynak ile gözlemci arasındaki göreli hareketten egemen olup tekrar tekrar sabittir
Bu ilkeler; ışık dalgalarının hareketi için herhangi bir ortamın gerekmediğini, dolayısıyla esirin varlığına ilişkin bir varsayımın gereksiz olduğunu ortaya koydu Böylece yüksek hızlardaki hareket ele alınırken bir tek referans noktası göz önüne alınacaktır O da evrendeki tek değişmez olan ışık hızıdır Çünkü süre, uzunluk ve kütle bu niceliğe göre değişmektedir sonuç olarak; göreli bir evrende;
1) Işık hızına yakın hareket eden nesnelerin hareket yönündeki boyları kısalır ve kütleleri artar Işık hızına, bir cismin ulaşması durumunda ise, bu cismin kütlesi ebedi, uzunluğu da sıfır olur Bu sonuçtan hareketle şu söylenebilir: Hiçbir karoser ışık ışık hızına ulaştırılamaz
2) Işık hızına yakın bir hızla hareket eden sistemde zaman yavaş işler Tam ışık hızına sahip bir gövde için ise vakit geçmez Hareketli sistemdeki saat, duran saate kadar; *
Fiziğin Öteki Bilim Dallarıyla İlişkisi
Fiziğin diğer bilim dalları aralarında bir liderliği yol göstericiliği vardır Çünkü evrendeki süreçler fizik yasalarına tarafından işlemektedirBu sebeple fizikteki her kayda değer gelişme öteki bilim dallarını etkilemiştirSadece bununlada kalmamış modern fizik filozofi bilimsel yöntemide hayretle içinde bırakan yeni paradikmalara sebep olmuştur Fizik tarihi aynı zamanda fiziğin daha aşağı bilim dallarının birbirini peşine düşüp takip eden tarihidirBu sebeple daha iyi anlaşılması için ayrı olarak bahsedeceğiz
1)Mekanik
2) Termodinamik
3) Elektrik ve Elektromanyetizma
4) Kuantum
5) Rölativite
Hemen, tarihsel gelişim çerçevesinde bu teorileri inceleyelim
1) MEKANİK
Mekaniğin doğuşu aynı zamanda fizik biliminin başlangıcı olmuşturXVII yy'ın başında bilimsel yöntemin, yani önermelerin doğruluğunun deneysel olarak sınanması yolunun ortaya çıkması ve buna alt olarak fizik, kimya ve biyoloji gibi temel bilimlerin felsefeden tamamen ayrılmasına sebep olmuştur
Fiziğin ve mekaniğin temllerini atan Galilei ve Newton'un yapmış olduğu araştırmalar ve kurmuş olduğu kuramlar sonucunda bilimde koskocoman bir atılım gerçekleştirilmiş ve bilim, öteki düşünsel etkinlikleri yönlendiren bir düşünsel etkinlik konumuna yükselmiştir böylece bu çağ, bilim tarihçileri kadar Bilimsel Devrimler Çağı olarak adlandırılmıştır
Galilei, araştırmalarına birincil başladığı yıllarda gerçekleştirdiği deneylerin sonuçlarını her yerde değerlendirdi ve mekaniğin temel ilkeleri üstüne daha sonra geliştirdiği görüşlere yer verdi Teleskoptan yararlanarak gerçekleştirdiği son buluşu Ay'ın günlük ve aylık sallantılarını (librasyon) ilk kez gözlemlemesiydi Bu gözlemleri 1637'de görme görme yetisini yitirmeden birkaç ay önce yapan Galilei, sonradan sarkacın saat mekanizmalarının çalışmasını düzenlemekte kullanılabileceğini belirledi Bu buluş 1656'da Felemenkli bilim adamı Christiaan Huygens göre uygulamaya kondu
Kepler, Galilei, Huygens ve Hooke'un çalışmalarından yararlanan Newton, Principia mathematica philosophiae naturalis (1687) adlı yapıtıyla dinamiği kurdu Eylemsizlik İlkesi'nin formüle edilmesi ile birlikte alışılmış mekaniğin doğal yer, ivme ve kütle gibi temel kavramları matematiksel bir biçimde yeniden ifade edilmiş ve hareketsizlik, hareket gibi, hareket de hareketsizlik gibi doğal bir vaka niteliğine kavuşturulmuş ve bu bağlamda hareket bir problem olmaktan çıkarılmıştır Newton, Eylemsizlik İlkesi'nin doğal bir hareket olarak kabul edilmesi sonucunda döngüsel hareketin açıklanmasının gerekliliğini vurgulayarak, kinematiksel yaklaşımın yerine dinamiksel yaklaşımla göksel cisimlerin döngüsel hareketlerini çekim kavramı çerçevesinde çözüme kavuşturmuştur
XVIII yy'da fazla sayıda bilim adamı, özellikle Euler, d'Alembert, Lagrange, Laplace akışkanlar mekaniğini oluşturarak, dinamiğin uygulamalarını geliştirdi Hidrostatiğin yasalarını ise XVII yy'da Stevin ve Pascal kesinleştirmişti
2) TERMODİNAMİK
Termodinamik, ısının tanımını ve madde içindeki hareketi ile iletimini konu bölge bir fizik dalıdır Bu dal tamamen XIX yy bilginlerince oluşturulmuştur Bu yüzyıldan önce ısının yayılımı, sıcaklıkla ilişkisi gibi birtakım konularda çalışmalar yapılmıştı Bir İskoçyalı olan J Black birincil defa, maddeler için belirleyici bir özellik olan ve onun belirli sıcaklıkta enerji tutabilmesi yeteneğini ortaya koyan özısı kavramını tanımlamıştır Bu, ayni zamanda ısı ile sıcaklık arasındaki farkın tanımını gündeme getirmişti 1798 ’ in başlarında ısının, hareketin bir formu olduğu tezi B Thompson kadar gösterilir Devrinin farzedilen siyasi ve bilimsel kişiliği olan Thompson, bir savaş sırasında topun içine yerleştirilen bir mekanizmayla sürtünme enerjisinden yararlanarak su ısıtma işlemini ve buharlaşmayı gerçekleştirdi Bir İngiliz fizikçisi olan J P Joule, ısıyı enerjinin korunumu ilkesinden yararlanarak tanımladı Onun bu çalışmasıyla, gazların hareketinin tanımlandığı kinetik teori ile beraber ısının da bir enerji çeşidi olduğu fikri resmen kabul edildi Bu çalışmalarının çoğunu 1840 ile 1850 yılları arasına sığdıran Joule, mekanik düzeneklerle gerçekleştirdiği sayısız deneyler sonunda termodinamiğin birinci kanununu elde etti: “ Bir sistem ısı kazanır yada kaybederse ayni oranda mekanik meslek ya sistem üstüne ya da sistem kadar yapılır
Isının tanımı üstüne bu araştırmalar devam ederken, 1824 ’ te Fransız bir mühendis olan S Carnot ideal bir alet düşünerek, iki bambaşka ısı kaynağı arasında çalışan ısı makinesinin veriminin, aynı kaynaklar arasında çalışan Carnot makinesinin veriminden daha büyük olamayacağını söylemiştir Termodinamiğin diğer bir gelişimi ise mutlak sıcaklık ölçeğinin, Lord Kelvin kadar tanımlanmasıdır W Kelvin ’ e kadar; soğuk cisimden sıcak cisme kendiliğinden bir ısı akışı olamaz Bu bakış ayni zamanda termodinamiğin ikinci yasasını oluşturur Yeniden bu yasaya göre, fazla önemli bir kavram olan entropi kavramı ortaya atıldı Özet Olarak anlatmak gerekirse bu kavram; evrendeki yalıtılmış sistemlerin düzensizliğe doğru meyletmesinin bir ölçüsüdür ve evrenin düzensizliği her an artmaktadır O halde, tüm doğa olaylarında evrenin entropisi artmaktadır
1906 ’ da termodinamikte manâlı gelişmeler yaşandı Bu gelişmeler büyüyen teknolojiyle beraber düşük sıcaklık altındaki maddelerin dinamiği hakkında meydana geldi W Nerst, mutlak sıfır sıcaklığına hiçbir zaman inilemeyeceğini belirtirken maddenin en ahenkli halinin mutlak sıcaklıkta ( 273°C ) bulunabileceğini söyler Bu tanımlama da termodinamiğin üçüncü yasasını oluşturur
Fiziğin öteki bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
3) ELEKTRİK ve ELEKTROMANYETİZMA
Elektriğin, Thales ’den daha önce millet tarafından bilindiği bir gerçektir Bunu, şu üç nedene dayandırabiliriz:
Bir bez parçasına sürülen kehribarın saman ya da hafif cisimleri çekmesi
Yıldırım çakması
Elektrikli torpido balığının varlığı
Yukarıdaki olayların arasındaki ilişki ilk kez, W Gilbert kadar XVI yy ’da ortaya konuldu O, metalik olmayan maddelerin, birbirini elektriksel çekme özelliği gösterenlerini listelemiş ve bu maddelere elektrikli ve yüklü nitelemesinde bulunmuştur Gilbert, böylece fazla kere bu cisimlerin birbirlerini ittiğini deneysel olarak görmesine karşın, itme olayını açıklayamadığı için bu etkileşimi görmezlikten gelmiştir Ondan daha sonra gelen deneyciler, bu itme kuvvetini denek olarak incelemiştir Bunların başında Magdeberg Yarımküreleri deneyiyle Otto von Guericke gelir Bu deney, bir eksene geçirilmiş kükürtten topun çevrilmesiyle beraber buna dokunulması halinde elektrik kıvılcımlarının çıktığını gösterir Durağan elektriğin elde edilmesi bu deneyle gösterilmiştir
XVIII yy ’ ın başlarında İngiliz deneyci S Gray ; 650 ft (~200 m) ’ den uzun olan nemli bir ip baştan başa elektrik yükünün iletimini gerçekleştirdi Ayrıca elektriksel çekme kuvvetinin metal bir nesneden öteki bir cisme aktarılabileceğini gösterdi yaklaşık olarak ayni zamanda; Fransız C Dufay, sadece iki cins elektriklenmenin olabileceğini ortaya koydu Buna göre; bambaşka yükler birbirini çekerken ayni yükler birbirini iterdi Bu, ayni zamanda detaylı birincil elektrik teorisiydi Dufay ’ ın teorisini geliştiren B Franklin, farklı iki elektrik türüne artı ve negatif adlarını verir Elektriğin akıcı nitelikte olduğunu öne süren Franklin; teorisinde, yük hareketinin yönünün pozitiften negatife dürüst olduğunu ve bu hareketin, fazla yüklerin yer değiştirmesiyle meydana geldiğini ortaya koyar Bu teoriler oluşturulurken bir yandan da batarya yapımı ve elektriğin depolanması ile ilgili incelemeler ilerler Leyden şişesinin yapılmasıyla ilk kez elektrik ambar edilirken bir İtalyan tıpçı olan L Galvani 1786 ’ da öbür metaller kullanarak kurbağanın iç organlarının incelenmesi sırasında; kurbağanın but kaslarının kasıldığını gözlemler Galvani ’ nin sonuçlarını duyan A Volta, birkaç yıl daha sonra bu olayın iki bambaşka metalden kaynaklandığı sonucuna ulaşır Yaptığı deneylerde iki adet çeşitli cinste metal alarak bunların arasına öbür sıvılar koyar Elde ettiği sonuçlardan hareketle 1800 yılında elektrik pilini icat eder öte yandan A Coulomb, kendi buluşu olan burulma terazisi‘ ni kullanarak yüklü cisimler arasındaki elektrik kuvvetlerini nicel olarak ölçer Sonuçta, elektriksel kuvvetin bir ters kare güç olduğunu bulurBu iki elektirksel siklet arasındaki elektriksel kuvveti Coulomb Kuvvet'i olarak adlandırılır
Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki Danimarkalı bilim adamı H Oersted ’ in, bir misafir etme deneyi esnasında üzerinden elektrik akımı geçen telin, yakınındaki pusulayı saptırdığını bulmasıyla 1819 ’ da açığa çıktı Bundan birkaç sene sonradan Alman fizikçi G S Ohm, bir tele uygulanan gerilim ile o telden geçen akıntı arasında bir bağıntı olduğunu bulur Gerilimin telden geçen akıma oranına o telin direnci adını verir giderken Oersted ’ in gözlemlediği elektromanyetik durum; J B Biot, F Savart ve A M Ampére kadar matematiksel olarak ifade edilir Yine ayni yıllarda M Faraday ve J Henry, elektrik akımı ile manyetizma arasındaki diğer ilişkileri gösterdiler Bir devrenin yakınında bulunan bir mıknatısı hareket ettirerek yada başka bir devredeki akımı değiştirerek o devrede elektrik akımı oluşturdular Bu incelemeler, ilk elektrik motorunun yapımıyla sonuçlandı Tekrar, Faraday manyetik alanın varlığını mıknatıs civarda toplanan demir tozlarının şekillenimi yardımıyla ispatladı Fakat elektrik ile manyetizma arasındaki nihai ilişki en açık dille J C Maxwell kadar 1873 ’ te gösterilir Maxwell ’ in ortaya attığı denklemler, ışığın yapısını ve boşluktaki yayılımını açıklarken, ayni zamanda havada elektromanyetik dalgaların nasıl bir yerden bir yere aktarılabileceğini de ortaya koyuyordu Nitekim; R Hertz 1888 ’ de elektromanyetik dalgaları laboratuarda oluşturarak Maxwell ’ in öngörülerini doğruladı Basit bir verici devresinde oluşturulan elektrik kıvılcımları, arasında hiçbir temas olmadan tip devrede elde edildi Fazla geçmeden, 1890 yılında Markoni, birincil radyoyu yapar ve Hertz ’ in bu buluşunun haberleşmedeki önemi gösterilmiş olur Bugün jurnal yaşantımızdan uzay çalışmalarına kadar o kadar çok alanda buluş kullanılmaktadır
Fiziğin diğer bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
4) KUANTUM
Kuantum, sözcük olarak kesikli, parçalı anlamlarına gelir Bu teorinin, akkor hale gelmiş ülkü gelinceye değin ısıtılan bir cismin, kazandığı enerji ile yaydığı ışığın frekans dağılımı arasındaki ilişkinin ortaya konulması probleminden doğması; ışığın yapısının, teoride vazgeçilmez öneme sahip olduğunu gösterir Bunun için başta ışık teorilerinin tarihsel gelişimine bakmakta fayda vardır
Işık bilgisi ile ilgili köklü gelişmeler XVII yy ’ da başlar Işık üzerine kurulan birincil teori, I Newton ’ nun parçacık teorisidir Newton, bu parçacıkların çok küçük olduğunu belirtirken, bunların karakteristiklerini tanımlamada başarız olmuştur Onun, parçacığa zıt olan dalga yapısından uzak durmasının sebebi ise; dalga hareketinin esas özelliği olan kırınım olayını ayrım etmemiş olmasıdır
Hollandalı bilimadamı C Huygens ise tamamen Newton ’ dan öbür düşündü Ona göre ışık, dalgaydı 1678 ’ de ortaya koyduğu teorisinde Huygens, ışığın katıda yada sıvıda, havada olduğundan daha yavaş hareket edeceğini öne sürmüştür Newton ’ un teorisine göre ise, ışık tanecikleri yoğun ortamda daha süratli hareket etmeliydi Fransız fizikçi J Foucault; ışığın hızının, eksik yoğun ortamda daha büyük olduğunu gösterdi Böylece dalga modelinin doğruluğu kanıtlanmış oluyordu Dalga modeline öteki kuvvetli kanıt ise; birbirini kesen ışık demetlerinin, çarpışmadan yoluna devam etmesiydi Dalga modeli için bu kanıtların bulunmasına rağmen, Newton ’ un otoritesi ile parçacık teorisi XVIII yy ’ da da kabul fark etti
1805 yılında; İngiliz T Young ve Fransız A Fresnel, ışığın girişim ve kırınım yaptığını deneyde kullanılan olarak gösterdiler Bu nesil bir davranışı parçacıklar yapamazdı Bu tarihten itibaren dalga kuramının daha şeref gördüğü söylenebilir Fakat her dalganın yayılması için bir ortam gerekirdi Böyle bir ortamın varlığının kanıt edilemeyişi, parçacık tezinin ayrıntılarıyla itilmesine mani oldu
1900 yılına gelindiğinde fizik dünyasının tanımlayamadığı üç esas problem vardı:
Işığın karakteri
Atomun kararlılığı ve yapısı
Kara karoser (üstüne gelen tüm ışık dalgalarını yutarak büyük enerjilere sahip olabilen ideal cisim) ışıması
Gerçekte bu üç sorun da birbirine benzer idi Lakin herzamanki fizikten bambaşka birtakım anlayışlarla açıklanabilirlerdi Cevap ise; 1900 yılında Alman alim M Planck ’ tan geldi Yüksek sıcaklıklarda ısıtılan bir metalin yaydığı ışığın spektral dağılımı, o metalin soğurduğu enerji ile bir tek durumda uyuşuyordu: Enerji, parçalı yayılmalıdır Enerji ifadesini Planck; bir h sabitiyle ışımanın f ile gösterilen frekansının çarpımı şeklinde açıklama eder
n, sadece tamsayı değerler aldığından, ara değerlerde enerji olmadığı sonucuna varılır Bu Nedenle karacisim problemine çözüm bulunur
Planck ’ ın bulgusundan 5 yıl sonra; A Einstein, ayni yaklaşımı kullanarak ışığın metalden elektron sökme olayı olarak bilinen fotoelektrik etki problemine açıklık getirir Einstein ’ e tarafından; ışığın, elektrona 10(15) s gibi çok küçük vakit aralığında enerjisini aktarması oysa ışık parçacıklarının elektronlara çarpmasıyla muhtemel olabilirdi Böylece, ışığın hf enerjisi taşıyan fotonlardan oluştuğu anlaşıldı Einstein, bununla da kalmayarak girişim ve kırınım olaylarının açıklanabileceği dalga teorisini de kabul etti; ışığın keza dalga ve ayrıca de tanecik olduğunu açıkladı
O tarihlerde bilimadamları, artık mikroskobik boyutta gerçekleşen olayların, kuantum düşüncesiyle açıklanabileceğine inandılar Nitekim; E Rutherford ’ un, atomun yapısının Güneş sistemine benzer olduğuna ilişkin mekanik yorumunun yanlışlığı 1913 ’ te kuantum teorisiyle doğrulandı Rutherford ’ un teorisine kadar elektronlar, protonların çevresinde dairesel yörüngelerde dönmeliydi Oysa dairesel hareket yapan bir tartı ivmeleneceğinden, elektromanyetik dalgalar yayarak protonlar tarafından yutulacaktı Bu durumda, atomun var olmaması gerekirdi Danimarkalı fizikçi N Bohr; problemi, elektronun açılı momentumunun h ’ nin 2p ’ ye bölümünün tam katları şeklinde olması gerektiğini söyleyerek çözdü Bu Nedenle bir yörüngede dolanan elektron ışıma yapmayacak, ancak dıştan atomun kararlılığını bozacak şekilde etkide bulunulursa belirtilmiş yörüngelere geçerek iki yörünge enerjisi arasındaki fark dek enerjili foton salacak veya soğuracaktı Bu ışımalar görünür bölgede olabileceği gibi morötesi bölgede de oluşabilirdi
Önceleri; hidrojen ve helyum gibi kolay atomlara uygulanan kuram çok elektronlu atomlarda bu haliyle iyi sonuç vermedi Bu sorun da; 1923 ’ te L de Broglie ’ ın ve 1926 ’ da E Schrödinger ’ in katkılarıyla ortadan kaldırıldı İlkin, de Broglie, her atomik parçacığın dalga gibi ele alınabileceğini gösterdi Bu durumda, elektronlar madde dalgası biçiminde çekirdeğin çevresinde dolanıyordu Buna dayanarak Schrödinger, atomik hareketin, dalga denklemiyle çözüleceğini gösterdi
Kuantum teorisinin en önemli özelliğinden biri de, 1927 ’ de Alman fizikçi W Heissenberg göre ortaya konuldu Ona tarafından; hiçbir süre bir atomik parçacığın, konumuyla hızının ayni anda, ayni şüphesiz bilinmesi imkansızdır Bu ilkeye, kararsızlık ilkesi denir Bir elektronun çekirdek çevresindeki bir yerde bulunup bulunamayacağı olasılıklarla belirlenir Kuantum fiziğinde, belirli yargılara yer yoktur
Mikro dünyada belirsizliğin olması; h, Planck sabitinin fazla küçük mertebelerde (~ 10(34)) olmasından kaynaklanır Herzamanki mekanikle tanımlı günümüz makro dünyasında bizler zaten bu mertebeye kadar deneylerde büyük hatalar yapıyoruz Oysa kayda değer olan, bu hataların büyük kütlelere sahip cisimlerde ölçülemeyecek kadar minik değişikliklere neden olmasıdır Bu durumda kararsızlık ilkesinin; makro düzeyde, kuantumda ele alındığı gibi etkili olamayacağını söyleriz
Kuantum teorisi XX yy ’ a, günümüzdeki gelişimini de göz önüne alırsak öyle çok vazgeçilmez yenilikler kazandırmıştır Bilgisayar, lazer, elektron mikroskobu ve transistör bu yeniliklerin teknolojiye yansımasıdır Keza; atom ve çekirdeğin yapısı, elektriğin madde içinde iletimi ve katıların ısısal özelikleri gibi konulara doyurucu talimat getirmiştir
Fiziğin diğer bilim dallarındaki uygulamaları nasıldır?
5) RÖLATİVİTE ( GÖRELİLİK )
Kuantum kuramıyla atomun yapısı aydınlatılmaya çalışılırken, 1905 ’ te yeni bir kuram ortaya atıldı I Newton tarafından kurulan herzamanki fiziğin mikro boyutlarda yetersizliği anlaşılmıştı Bunun yanına, cisimlerin ışık hızı mertebesindeki hareketinde de Newton fiziği bekleneni veremedi Newton, hareketin evrende mutlak olduğunu; bulunulan yere ve zamana göre değişmediğini kabul ediyordu Ama, A Einstein bunun mümkün olamayacağını; bir cismin uzaydaki durumuna göre vakit ve mekan özelliklerinin değişkenlik göstereceğini öne sürdü Kuram, farklı zamanlarda; Özel görecelik ve Genel görecelik adı aşağıda oluşturulmuştur
* Özel Görecelik:
Özel görecelik teorisi, 1887 yılında A Michelson ve E Morley kadar gerçekleştirilen bir deneyin sonucunun yorumlanmasıyla elde edilmiştir Deney; temelde uzay boşluğunu doldurduğu düşünülen ve J C Maxwell ’ in, elektromanyetik dalgaların içinde hareket ettiğini öne sürdüğü esir maddesinin varolup olmadığını denemek üzere gerçekleştirildi Deneyde; Dünya ’ nın, Güneş çevresinde döndüğü yöne gönderilen bir ışık dalgası ile bu yöne dikey gönderilen ışık dalgası arasındaki faz kaymasının gözlenmesi başlıca alınıyordu Herhangi bir kaymanın bulunması durumunda esirin haretinden nedeniyle ışık dalgalarının hızının azaldığı sonucuna varılacaktı Lakin deney bekleneni vermemişti Yüzlerce test sonunda, ışık hızının daima, tekrar değişmez olduğu sonucuna varıldı
A Einstein, bu sonuçları anlamlandıran ve doğru olarak açıklayan ilk birey oldu Gerçekten asırlar önce Türk İslam filozofu Kindi; zaman, mekan ve hareketin göreli; her cisme ve gözlemciye göre değişen yapıda olduğunu vurgulamıştı Einstein bu düşüncelere denek kanıtları da katarak şu ilkeleri ortaya koydu:
* Tüm fizik yasaları, birbirine tarafından değişmeyen harekete sahip bütün eylemsiz gözlem çerçevelerinde ayni yazılmalıdır
* Işığın boşluktaki hızı, kaynak ile gözlemci arasındaki göreli hareketten egemen olup tekrar tekrar sabittir
Bu ilkeler; ışık dalgalarının hareketi için herhangi bir ortamın gerekmediğini, dolayısıyla esirin varlığına ilişkin bir varsayımın gereksiz olduğunu ortaya koydu Böylece yüksek hızlardaki hareket ele alınırken bir tek referans noktası göz önüne alınacaktır O da evrendeki tek değişmez olan ışık hızıdır Çünkü süre, uzunluk ve kütle bu niceliğe göre değişmektedir sonuç olarak; göreli bir evrende;
1) Işık hızına yakın hareket eden nesnelerin hareket yönündeki boyları kısalır ve kütleleri artar Işık hızına, bir cismin ulaşması durumunda ise, bu cismin kütlesi ebedi, uzunluğu da sıfır olur Bu sonuçtan hareketle şu söylenebilir: Hiçbir karoser ışık ışık hızına ulaştırılamaz
2) Işık hızına yakın bir hızla hareket eden sistemde zaman yavaş işler Tam ışık hızına sahip bir gövde için ise vakit geçmez Hareketli sistemdeki saat, duran saate kadar; *