Doğanın Sırlarını Çözmek

Doğa Bilimi

Fizik, maddenin her ölçekte davranışını ve özeliklerini anlamaya çalışan bilim dalıdır. Bir uçta, maddenin – temel parçacıklar olarak adlandırılan - ana unsurlarını, atomu ve molekülleri keşfetmeye çalışır. Sonraki adımda ise, günlük hayatta karşılaştığımız maddenin yapı taşlarını ve onların cinsinden çok çeşitli katı, sıvı ve gazları tanımlar. Hava ve okyanusların hareketlerini, iklim ve çevreyi inceler. Diğer bir uçta ise, yıldızların yapısını, oluşumunu, yıldızlar arası madde ve boşluğu, dev yıldız topluluklarının hareketlerini ve evrenin devinimini araştırır.

Böyle bir tanım, aslında fiziğin diğer pek çok bilimi kapsadığını ima eder. Fakat tarihsel süreçte birçok araştırma alanı birbirleriyle son derece ilintili olmalarına rağmen, diğer alanlardan bağımsız olarak organize olur. Örneğin, basit veya karmaşık moleküler yapılar arasındaki etkileşimi ve bu yapıların baş aktör olduğu süreçleri inceleyen alana “kimya” denmişken, bütün moleküler karmaşıklığıyla canlıların söz konusu olduğu alan “biyoloji” adı altında organize edilmiş. Farklı bilim alanlarını ayıran keskin sınırlar tabii ki yok. Bunun yerine, ortak alanları içeren ve iki disiplin arasında köprüler niteliğinde “kimyasal fizik”, “biyofizik”, “biyokimya” vb. gibi türemiş isimler altında ara disiplinler mevcuttur. Bunun ötesinde, fiziğin çok büyük ölçeklerle ilgili kısımlarına farklı isimler verilmiş ve ihtisas ihtiyacı burada da kendini göstermiştir. Karasal boyutta “meteoroloji”, yıldızlar arası büyüklükler söz konusu olduğunda “astronomi” ve bütün evren söz konusu ise “kozmoloji” adlı yeni fizik alanları doğmuştur.

Fiziğin başlangıçtaki temel çıkış noktası çok geniş çeşitlilikteki doğa olaylarını anlama konusunda entelektüel doygunluk olsa da, günümüzde, insanlığın faydasına olabilecek malzemeler, araçlar, yapılar ve süreçler üretmek de fiziğin güncel hedefleri haline gelmiştir. Taşımacılık, iletişim, elektronik, medikal teşhis ve tedavi gibi birçok alan, fiziksel kavramların daha iyi anlaşılması sayesinde geliştirilmiştir.

Fizikte İşler Nasıl Yürür?

Tek bir meseleyi, farklı derinliklerde idrak etmek mümkündür. Fizik söz konusu olduğunda temel anlayış, benzer birkaç olgunun temel bir fikir ile izah edilebilmesine dayanır. Meselâ, faklı gezegenlerin güneş etrafındaki yörüngeleri güneşin kütle çekim etkisiyle basit bir şekilde açıklanır. Buradaki “temel fikir” uzayda bir nesnenin hareketinin, dıştan bir kuvvet etkisiyle gerçekleştiği ve bahsedilen dış kuvvetin, iki nesne arasında kütle çekim etkisiyle ortaya çıktığı iddiasıdır. Bu tip bir temel fikir, nazariye (teori) olarak adlandırılır ve fizikte bir teori, matematiksel, değişmez bir biçim (formül) ile ifade edilmelidir. Bu sayede farklı olayların ölçümleri arasında nicel bir ilişki kurulabilir ki bu matematiksel biçim veya formül kullanılarak elde edilen bulgular, ölçülen değerlerle uyum içinde olmalıdır. Böylece, yine yukarıdaki örnekten hareketle, bir gezegenin belirli bir zamanda uzaydaki konumu, hızı ve yöneliminin değerleri kullanılarak farklı bir zamanda konum, hız ve yöneliminin ne olacağı öngörülebilir.

Genel olarak bir teori, eldeki deneysel verileri açıklayacak şekilde bir ön kabulle ortaya atılır. Tabii ki daha sonra yapılacak deneyler ve elde edilecek ölçümlerle de uyum içinde olmalıdır. Zamanla tekrar edilen veya yeni yapılan deneylerle uyumsuzluk ortaya çıkarsa, teori tekrar gözden geçirilir, eksik olan parametreler eklenir veya  teoride radikal değişiklikler yapılır. Yeni deneysel verilerle test edilir. Bu şekilde başarılı  teoriler ortaya çıkar ve idrak seviyemiz gün be gün artar.

Ne var ki,  teorilerin mutlak doğrulukları ispatlanamaz. Günün birinde,  teoriniz ile çelişen verilerin elde edilmeyeceğinden asla emin olamazsınız. Diğer taraftan,  teoriyi destekleyen bulgular ne kadar artarsa,  teorinin doğruluğu hakkındaki yargı o kadar güçlenir. Bazı durumlarda  teori hakkındaki yargı öyle güçlü ve bilgiler öyle tutarlıdır ki  teori artık “kanun” olarak refere edilir. Meselâ, Newton’un hareket kanunları, termodinamiğin temel yasaları ve korunum yasaları olarak bilinenler böyledir.

Uzun çağlar boyunca fizik bilgisi arttıkça madde ve davranışı hakkındaki nazariyeler de sürekli gelişti ve değişime uğradı. Buna en güzel örneklerden biri elektromanyetizmanın doğuşudur. 19. yy başlarında maddenin elektriksel ve manyetik özellikleri hakkında – sürtünmeyle statik elektrik elde etmek ve mıknatıslar arasındaki itme-çekme kuvvetleri gibi –  ilkel bilgilere sahiptik. Basit kimyasallarla bir tel üzerinde elektrik akımı elde edilebiliyordu. Mıknatıslar içinse – pusula dışında – işe  yarar pek bir uygulama yoktu.

İlerleyen onyıllarda Oersted elektrik ve manyetizma hakkında o güne kadar bilinen her şeyi alt-üst edecek çok ilginç bir şey fark etti. Değişken elektrik akımı taşıyan bir tel tıpkı bir mıknatıs gibi davranarak etrafında bir manyetik alan oluşturuyordu. Faraday bu olayı tersinden okudu ve bir telin yakınlarında hareket eden bir mıknatısın telde elektrik akımı oluşturduğunu gözlemledi. Çok açık bir şekilde elektrik ve manyetizma birbirleriyle ilişkiliydiler.

Aynı yıllarda ışığın davranışı üzerine keşifler yapıldı. Söz gelimi merceklerden geçen ışığın neden kırıldığı, madde içinde ve boşlukta ışığın hızı, gökkuşağının nasıl oluştuğu gibi konular kısmen aydınlatıldı. 19. yy sonuna gelindiğinde ise birbirinden tamamen farklı kavramlar olarak ele alınan elektrik, manyetizma ve ışık konuları Maxwell’in formülasyonuyla tek bir  teori altında birleştirildi ve “elektromanyetik teori” doğdu. Bu olay, fiziksel anlayışın nasıl geliştiğine dair çarpıcı bir örnektir. Daha fazla fiziksel olay, zaman ilerledikçe  teorilerin iyileştirilip birleştirilmesiyle, daha az sayıda ve daha temel  teoriler kullanılarak açıklanmaktadır. Kim bilir, belki de bu yolculuğun sonu bütün fiziksel nitelikleri açıklayan bir “her şeyin teorisi” ile bitecektir. Böyle her şeyi açıklayan bir nazariye, fiziğin biricik amacı olarak düşünülebilir. Her şeyi izah edecek temel bir  teorinin olabilirliğinin yanında, birçok fiziksel kavramın hâlâ son derece girift olduğu gerçeğinden de maalesef kaçış görünmüyor. Fizikçiler bu zorluğun üstesinden gelebilmek için gerekli cesareti de zaten her şeyi açıklayan bir  teoriye ulaşma fikrinin cazibesinden almaktadır. Einstein’ın “Tanrı’nın ne düşündüğünü merak ediyorum. Gerisi benim için teferruattır” anlamındaki sözü de bunun bir işareti olsa gerek.

Anlamak için Sadeleştir

Bazı fiziksel olaylar, makyajlanarak olduğundan daha sade ve basit bir görünüme indirgenirler. Meselâ, bir gezegenin güneşin etrafındaki hareketini açıklamak için sadece iki cisim (güneş ve gezegen) ile aralarındaki kütle çekim kuvvetinden bahsetmek yeterli görünüyor. İki cismin kütleleri ve çekim formülünün bilinmesi ile gezegenin hareketini çok büyük bir doğruluk oranıyla öngörmek mümkündür. Gezegen sayısını artırdığınızda, her bir gezegen diğerleriyle ayrı ayrı etkileşim halinde olacağından işler karışır. 

Sekiz gezegen ve bir yıldızdan oluşan güneş sistemimizde 36 farklı ana etkileşim söz konusudur. Bir gezegenin hareketini tam olarak hesaplamak için diğer yedi gezegenin ve güneşin çekim kuvvetlerini hesaba katmak gerekir. Neyse ki güneşin devasa kütlesi, ve bu dev kütlenin gezegen hareketleri üzerindeki baskın etkisi, gezegenler arasındaki kütle çekim kuvvetlerini ihmal edebilmemize imkân sağlar. Böylece, gezegenin ‘tam’ hareketini değil, ‘yaklaşık’ yörüngesini hesaplarız. Aslında biraz emek harcayarak bu örnekteki tam çözümü de elde edebiliriz. Güneş sistemi ve bazı küçük atom ve moleküllerdeki gibi basit (az sayıda eleman içeren) sistemlerde tam çözüme çok yakın sonuçlar elde edilebilir. Hatta birkaç yüz tane bileşen içeren daha karmaşık moleküllerin hareket denklemleri için de kayda değer oranda doğru çözümler elde edilebilmektedir.

Oysa birçok fiziksel sistem çok daha karmaşıktır. Meselâ bir iğnenin ucunda yüz milyon kere milyon kere milyon (1020) sayıda demir atomu vardır. Bir litre havada bu sayının bin katı daha fazla molekül vardır. Tabii ki bu sayılar, bir okyanustaki veya atmosferdeki molekül sayısının ya da – çok daha uç bir örnek olarak – güneşteki atom sayısının yanına bile yaklaşamazlar.

Atomlar ve moleküller arasındaki etkileşimler (temel kuvvetler) tam olarak anlaşılmış olsaydı bile bir ‘makroskopik’ sistemdeki her atom ve molekülün hareketinin detaylı bir şekilde anlaşılması, imkânsızlığını korurdu. (Makroskopik kelimesi ile çıplak gözle görülebilecek kadar büyük sistemler, cisimler ve özellikler kastedilmektedir). Böyle durumlarda makroskopik sistem bir ‘bütün’ olarak ele alınır ve içerdiği her bir parçacığın hareketinin ayrıntısıyla ilgilenilmez. Bunun yerine sistemi oluşturan parçacıklarının hareketinin ‘ortalama’ değerleri ile ilgilenilir. Meselâ, bir kaptaki gazın basıncı, kabın duvarlarına gaz molekülerinin veya atomlarının çarpmasıyla oluşur. Her bir molekülün hızını ayrı ayrı hesaplamak yerine, basınç kavramını tanımlarız: moleküllerin ortalama hızları ve ne yoğunlukta boşluğu doldurdukları cinsinden bir ifade elde ederiz. Başka bir örnek: gazı oluşturan parçacıkların ortalama hareket enerjilerini biz sıcaklık olarak algılarız. Kısaca, mikroskobik hareketlerin sonuçlarını biz “makroskopik olarak gözlenen” değerler (sıcaklık, basınç, hacim, iletkenlik, akışkanlık vb.) olarak algılarız.

Metallerde ısı ve elektrik iletimi, akışkanlarda basınç, sıcaklık, sıvıların soğutulduğunda donması veya ısıtıldığında buharlaşması vb. gibi pek çok makroskopik özellik, sistemi oluşturan parçacıkların tek tek hareketlerinin incelenmesi yerine, ortalama davranışları cinsinden ifade edilir. Bu bir istatistiksel yaklaşımdır ve çok fazla sayıda bileşen içeren sistemleri anlamada kullanıldığında oldukça kestirme ve faydalı bir yoldur.

Bazı makroskopik sistemler yapılarındaki sadelik ve tekdüzelik sayesinde, tıpkı küçük sistemler gibi kolayca anlaşılabilirler. Meselâ saf bir kristal yapıdaki atomların dizilişi son derece periyodiktir. Bir küpün köşelerine yerleştirilmiş atomlar düşünün ve bu küplerden milyarlarcasını üç boyutta sırayla dizin. Basit kübik bir kristal yapı elde edersiniz. İçerdiği sayısız atoma rağmen atom dizilişindeki simetrinin sadeliği, kristallerin fiziksel özelliklerinin tamamen anlaşılmasına yarayan teoriler geliştirilmesine kapı açar.

Birçok sistem ise önceki örneklerden daha ötede karmaşıklığa sahiptir. Sadece çok sayıda parçacıktan oluşmazlar, aynı zamanda çok farklı çeşitte element ve bileşik içerirler, genel yapıları da – kristallerin aksine – öngörülemez biçimde karmaşıktır. Hemen hemen bütün biyolojik materyaller, insan beyni, daha geniş ölçeklerde ise atmosferi oluşturan sistemler akla gelen ilk örneklerdendir. Bu sistemleri anlamak için, sistemi oluşturan küçük parçaların genel davranışlarını çözmek daha kolay ve sistemin bütünü hakkında önemli bir fikir verici olsa da, yine de sistemi detaylı bir şekilde kavramaya yetmez. Hava durumu tahminleri buna güzel bir örnektir. Kısa vadeli (en çok birkaç günlük) yerel tahminleri her gün haberlerde dinliyor olsak da, uzun vadede hava durumunu kestirmek imkânsızdır. Bugün 3 Mayıs ve İstanbul’da kapalı ama sıcak sayılabilecek bir hava var. İnternetten bu hafta içi havanın nasıl olacağını büyük bir doğrulukla öğrenmem mümkün. (Kesin bir doğrulukta diyemiyorum!). Ancak 3 Haziran saat 12.00’de havanın kaç derece olacağına dair kesin bir cevabı Dünya üzerinde bana verebilecek hiçbir yetkili merci yoktur. Kesin bir derece vermeseler de olur, sadece yağışlı mı değil mi, serin mi, sıcak mı olacağını dahi söylemek mümkün değildir. Aynı şekilde, hangi gün, nerede, kaç şiddetinde bir deprem olacağını söyleyebilecek bir teknoloji de yoktur. Çünkü bu tür karmaşık sistemlerde korkunç sayıda değişken ve sistemi etkileyebilecek sayısız parametre söz konusudur.

Ayrıca, sistemi incelemeye başladığınız veya sürecin başladığı ilk andaki durum, sistemin kaderinde çok önemli bir etkiye sahiptir. Hava durumu örneğinde, çok sık kullanılan bir efsane vardır. Güney Amerika’da bir kelebeğin kanat çırpışlarının, A.B.D.’de haftalar sonra bir kasırgaya sebep olabileceği anlatılır. Bu muhtemelen* abartılı bir yaklaşım, fakat karmaşık sistemlerin doğasını anlamak için güzel bir örnek. Mikroskobik ölçekte olan biteni iyi anlamış olsak bile, üstelik bütün olaylar son derece deterministik (her olayın tamamen kendinden önceki olaylar tarafından tanımlanabilmesi, sebep-sonuç ilişkisi içinde oluşu) dahi olsa karmaşık sistemlerin makroskopik özelliklerini detaylı bir şekilde elde etmek mümkün değildir. Bu tür karmaşık sistemleri inceleyen ‘kaos’ veya ‘kaoloji’ denilen yeni bir bilim dalı da son yıllarda hayli revaçta.

Yine Einstein’ın bir sözüyle devam edelim: “Eğer yeterince sade bir şekilde açıklayamıyorsan, anlamamışsın demektir.”