Antik Bir Efsanenin Geri Dönüşü: Esir

    Esir maddesi (ether, aether), eski çağlardan beri maddenin özü olduğuna, evreni doldurduğuna inanılan ve ilk madde (materia prima) olarak varlığına inanılan bir kavramdır. Evrenin oluşumundan önce ilk cevher halini ifade etmek için kullanılırdı. Maddenin katı-sıvı-gaz hallerinden farklı olarak duyu organlarımızca algılanamadığı düşünülen, bildiğimiz anlamdaki maddeden çok daha seyrek olduğu varsayılan ve boşluğu, maddeyi, havayı, yeri doldurduğu farzedilen bir ortam olarak tanımlanıyordu. Tıpkı denizdeki balıkların suyun varlığını idrak etmelerinin imkansız olduğu gibi, bizim de esir'i algılamamız imkansızdı.

    Kadim filozofların epey bir kafa yorduğu bu tarihi kavram, ateş, toprak, hava ve sudan sonra 5. element olarak kabul ediliyor, diğer 4 elementten farklı bir kıymette değerlendiriliyordu. Gök cisimlerinin kusursuz dairesel hareketleri, uzayı dolduran esirin mükemmelliğine ve istisnai mahiyetine bağlanıyordu. Bu antik düşünceler 16. yüzyılın İngiltere'sine kadar uzanmış ve modern bilimin temellerini atan insanların da evren hakkındaki görüşlerini etkilemiştir. Modern çağın hemen öncesi devirde esir'i "ışıktan daha ince", eskilerin tabiriyle daha latif bir varlık olarak düşündüler.

    18. yüzyıla kadar, bu son derece muğlak kavram filozofların, matematikçilerin ve hatta teologların literatüründe hep müstesna yerini korumayı başardı. Işığın yapısı çözülmeye başlandığında ise, esir kavramı artık zihinlerde en azından daha kesin bir tanımlanma ile modern fizik literatüründe de kendinden bahsettirdi.   

    Şöyle ki: Işık, uzayda dalgalar halinde yayılıyordu. Bilinen bütün dalgalar, (metal bir yay üzerinde, bir ip üzerinde ilerleyen dalgalar, su dalgaları vs.) ilerleyebilmek için bir ortama ihtiaç duyarlar. Su dalgaları suda, ses dalgaları hava, sıvı ve katı cisimlerin içinde ilerleyebilirler. Peki ışık dalgaları uzayda ilerlemek için nasıl bir ortama muhtaçtır? Bu soruya bilim adamları eskilerden tanıdık bir kelime ile cevap bulduklarını düşündüler. Işık, ya da diğer bir ifade ile elektromanyetik dalgalar, esir içinde ilerliyordu. Işığın uzayda ilerleyebilmesi için esir kavramı vazgeçilmez bir fiziksel vücuda bürünüvermişti.

    Esiri kullananlar sadece ışık üzerine düşünenler değildi. Newton, insanlığa tüm bilim tarihindeki en etkileyici dönemi armağan ederken, esir kavramından istifade etmekten geri durmamıştı. O kadar ki, Newton'un esiri tanımladığı cümleleri okuyunca bilim adamlarının bazen ne derece fantastik fikirlere kapılabileceğini hayretle izliyorsunuz.

    Sonuçta, uzaydaki cisimlerin birbirlerine uyguladıkları kütle çekim kuvvetinin, uzayda aktarılabilmesi için bir ortama ihtiyacı vardı ve esir kavramı yine Newton'un kütle çekimi kuvvetine beşiklik edecek en ideal ortamı teorikte sağlıyordu. Aksi halde uzay boşluğunu dolduran bir "üst madde"nin varlığını kabul etmezsek, örneğin Ay ile Dünya arasında mevcut hiçbir iletişim hattı olmayacak ve bu ikisi arasında kuvvet de oluşmayacaktı. Gerçi Newton, esir fikrini ışığın uzayda yayılması için kullanmıyordu. Çünkü O'na göre ışık, çok küçük parçacıklar halinde ilerliyordu ve bu yüzden esir gibi bir ortama ihtiyacı yoktu. Ama Newton'un parçacıklı ışık teorisi, ışığın saçılması veya kırılması gibi fenomenleri izah etmekte yetersizdi.

    19. yüzyıl esir kavramı için sıkıntılı bir dönemin başlangıcı oldu. Önceleri Faraday 1846'da manyetizma ile ışık arasında bir ilgi olduğunu fark etti ve esirin hem manyetik kuvvetlerin, hem de bir ışığın ilerlemesini sağlayan ortam olabileceğini öne sürdü. Faraday, esirin kuvvetleri bağlayabileceği görüşünden etkilenmişti ve eğer bir esir varsa, bunun ışınların iletilmesinden başka yararlarının da olabileceğini iddia ediyordu. 

    

    Maxwell de elektromanyetik dalgaların esir içinde ilerlediğini öne sürüyordu ve bu kuvvetlerin, uzayda elektrik ve manyetik yüklü kütlelerin çevresinde oluşan esir bükülmeleri olabileceği görüşündeydi.

    Ancak esir fikrinin üzerinde çok geçmeden kara bulutlar dolaşmaya başladı. Maxwell denklemleriyle zirve yapan elektromanyetik dalgaların davranışlarına yönelik algımız, ışığın sabit hızlı olmasını gerektiriyordu. En meşhurları Michelson-Morley ikilisinin dahice hazırladıkları deney düzeneğiyle yaptığı ölçüm olmak üzere, ışık üzerine yapılan tüm deneylerde ışığın hızının sabit olduğu görüldü.

    Eğer ışık esir gibi bir ortamın içinde ilerliyorsa, ve Dünya da bu esir ortamında uzayda yol alıyorsa, Dünyanın dönüşüyle ışığın hızının değiştiğini algılamalıydık. Tıpkı nehirde akıntı yönünde giden bir gemiyle, akıntının zıt yönünde giden bir geminin aynı motor kuvvetiyle hareket etmelerine rağmen kenardan bakan gözlemciye farklı hızlarda gidiyor görünmesi gibi, ışığın esir içinde ilerlerken Dünya'nın hareketi sebebiyle hızının da değişiyor olması gerekirdi. Michelson-Morley deneyi esirin varlığını ispatlamak için tasarlanmış bir deney olarak, bilim tarihine "başarısızlıkla" sonuçlanan en meşhur deney olarak geçti. Sonuçları ve teorik fiziğe dolaylı katkıları dolayısıyla bunu başarısızlık olarak adlandırmanın insafsızlık olacağı da açıktır aslında.

    Esirin varlığını ispatlamak için yapılan ışık hızı ölçümleri esir'in olmadığı yönünde sonuçlar vere dursun, esir kavramına son darbeyi ışığın foton adı verilen enerji paketçikleriyle, diğer bir deyişle parçacıklar halinde ilerlediğinin anlaşılması vurdu.

    Ancak, esir fikri öyle kolay kolay vazgeçilecek bir fikir değildi. Temas etmeyen kuvvetleri açıklaması yönüyle bilim adamlarına çok cazip geliyordu. Ve kimse yüzlerce yıllık bu antik alışkanlığa kolayca sırt çeviremiyordu. Esir kavramı lehine güçlü bir hamle Lorentz'den geldi. Lorentz, Michelson-Morley deneyini açıklayabilmek için müthiş bir senaryo hazırladı. Bu senaryonun çok sağlam bir de matematiksel alt yapısı vardı. Lorentz'e gör esir, mutlak hareketsiz bir ortamdı. Yani hangi orijinden bakarsanız bakın, esiri hareketsiz görecektiniz. 

    Referans sistemimizi değiştirdiğimizde, uzay-zaman parametrelerini de değiştirmemiz gerektiğini fark etti ve bu sayede yerel zaman (eşzamanlılığın izafiliği), boyutta kısalma gibi meşhur kavramlarını ortaya attı. Michelson-Morley deneyini esiri inkar etmeden açıklama uğruna, meşhur Lorentz dönüşümlerini Joseph Larmor'la birlikte fiziğe kazandırdı. Tüm bunlar esirden vazgeçmeme çabasının meyveleriydi. Hatta Larmor, bu yerel zaman formülasyonunun, esir içinde hareket eden elektronların bir tür zaman genişlemesi yaşamalarından kaynaklandığını söyleyecekti.

    Lorentz'in çalışmalarını, bir başka istisnai deha olan Poincare devam ettirdi. Işık hızının değişmezliğini, doğanın kanunlarını olabildiğince basitleştiren faydalı bir postüla olarak gördü ve Lorentz'in bahsettiği izafilikle elektromanyetiği harmonize etmeye çalıştı. Nihayet, Lorentz'in bazı hatalarını da düzelterek elektromanyetik denklemlerin Lorentz kovaryanslığını ispatladı. Ancak bunu yaparken, esir ortamını algılanması mümkün olmayan bir ortam olarak savundu. Çalışmasında esir'i kullanması, belki de özel relativite'nin mucidi olmasına engel oldu.   

    Özel relativite'nin tüm yönleriyle ortaya konması, konunun assolistliğini üstlenen Einstein'a nasip oldu. Özel görelilik teorisinde ileri sürülen postülalar ve teorinin sonuçlarında esir maddesinin hiç bir söz hakkı yoktu. Işık hızı mutlak sabitti ve ışığın hareket tarzına bakarak esirle ilgili her hangi birşey öngörülemezdi. Böylece sonuçsuz kalan Michelson-Morley deneyi, bizatihi büyük bir buluş olarak kabul edilmeyi hak etti.

    Ancak, esirin ışık veya elektromanyetik dalganın ilerlemesi için bir ortam olması fikrine fazlaca odaklanılmıştı. Işığın esire ihtiyacı olmadığı açıktı, ki elektrik alan ve manyetik alanın da temas etmeden etkiyebilmesini bu sayede anladık diyelim, evet; fakat hala kütle çekimi etkileşiminin nasıl aktarıldığı 300 yıllık bir muammaydı ve hala esir ihtiyaç duyulan bir kavram olarak yaşam mücadelesini sürdürüyordu. Sahneye yine Einstein çıktı. Kütle çekimi etkileşmesinin, aslında kütleli cisimlerin uzay-zaman geometrisinde oluşturdukları eğrilikten ibaret olduğu açıklamasıyla, genel rölativite teorisi, esiri resmen minder dışına atmıştı. 

    Bizler algılarımızda Öklidyen geometriye sahip bir uzayda yaşadığımızı varsayıyoruz. Bu geometride, üçgenin iç açıları toplamı 180 derecedir, iki paralel çizgi sonsuza kadar kesişmez vesaire. Oysa Einstein'ın genel rölativite teorisi, ışığın dahi bildiğimiz anlamda "doğrusal" bir yol izlemediği, kütlenin etrafında "çöken" bir uzay-zaman geometrisinde yaşadığımızı gösterdi. Dolayısıyla kütle ne kadar büyükse, etrafındaki uzay-zaman o kadar bükülüyor, çevresinde o denli büyük bir kütle çekimi "etkisi" hissettiriyordu. Kısacası, aslında üçgenin iç açılarının toplamının 180 derece olmadığı, Öklidyen olmayan bir uzayda yaşıyorduk!

    Einstein buradan bakınca devrimci bir ruha sahip doğal bir "esir" katili gibi görünse de, aslında yüzlerce yıllık bu geleneğe bizzat kendisi de sıkı sıkı bağlı olacak kadar muhafazakar bir bilim adamıydı. 1920'de yayımlanan "Esir ve İzafiyet Teorisi" isimli makalesinde esir maddesinin varlığından şüphe bile etmediği görülüyordu. Ona göre esir'e "hareketle ilgili" herhangi bir kavram uygulanamazdı, o kadar.

    20. yüzyılın ilerleyen yıllarında, tüm evreni işgal eden bir madde fikrinin hiçbir işe yaramaması dolayısıyla artık esir kelimesi o kadar da sık telaffuz edilmemeye başlandı. Kimilerine göre antik bir fanteziden ibaret, kimilerine göre ise bilimin ilerlemesine geçmişte katkı saplayan bir basamak olarak geride kalmıştı. Aslında rölativite uzayı dolduran esir gibi bir maddenin olması veya olmaması hakkında hiçbir şey söylememişti. Sadece, eğer böyle bir şey varsa rölativistik simetriye uyması gerektiğini söylüyordu. Bu bilinemezliği esirin bilim çevrelerinde rafa kaldırılmasına ve unutulmasına sebep olacak gibi görünüyordu. 

    Hiç de öyle olmadı... Esir'in ruhu bir türlü öldürülemiyor, bir şekilde kendini hatırlatmayı başarıyordu. Son 50 yıldaki gelişmeler, uzay boşluğunun hiç de öyle boşluk olmadığını, görünmeyen, ancak son derece aktif bir ortamla dolu olduğunu ortaya çıkaracaktı. Esir kavramından belki de sıkılmış olan fizikçiler, bu boşluğu dolduran şeye "boşluk" yani "vakum" demeye devam ettiler. Çünkü rölativite ile esirin çok kötü hatıraları vardı.

    Nobel ödüllü fizikçi Laughlin, vakumu saydam bir cama benzetiyor. Normalde görünmeyen, algılanmayan, ancak çarptığınız vakit kendini hissettiren bir sürü şeyle dolu bir ortam olarak tarif ediyor. Kuantum alan teorisine göre, vakum ortamı inanılmaz küçük zaman dilimlerinde yaratılıp yok edilen parçacık çiftleriyle dolu olan son derece aktif, fokur fokur bir ortamdır. Son yıllarda inşa edilen devasa parçacık hızlandırıcıları sayesinde vakumun yapısı hakkında daha çok şey öğrenmeye başladık. 

    Maddenin en alt seviyelerinde karşımıza temel yapı taşları değil, parçacıklar arasında varolan karmaşık ilişkiler dokusu çıkıyordu. Sonuçta, cisimlerin hareketinden ve varlığından bağımsız olarak uzayın her noktasını işgal eden bir maddi yapı vardır; İngilizlerin dahi çocuğu Dirac bu gerçeğe dayanarak, esir kavramına hala muhtaç olduğumuzu belirtir. Son dönemlerin adından çok söz ettiren başka bir fizikçi John Bell de, EPR paradoksunu izah etmedde bir "esir teorisi"nin sonuç verebileceğini söyler. EPR paradoksu, eş zamanlı yaratılan parçacık çiftleri arasında ışıktan hızlı bir çeşit veri iletimi olayına dayanır.

    Bugünkü anlayışımıza göre, vakum dediğimiz bir ortam vardır. Hatta uzayın bizzat kendisi vakumdur diyebiliriz. Vakum kelimesinin yerine "esir" kelimesini koymanın bir mahzuru görünmüyor. Bu bahsettiğimiz ortam öyle bir şeydir ki, uzay boşluğunu doldurmakla kalmaz, maddenin, atomun içini de doldurur. Hatta atomun en yoğun kısmı olan çekirdeğin içine indiğimizde, proton ve nötronlar arası boşluğun da bu ortamla dolu olduğunu görürüz. 

    Daha öteye de gidebiliriz... Maddenin bilinen en yoğun hali olan proton veya nötronun da içine insek, araları vakum ortamıyla dolu kuarklar, ve bu kuarklar arası gidip gelen, vakumda yok olan tekrar yaratılan gluonlar görürüz. Kısacası maddenin içi dışı bu ortam ile işgal edilmiştir. Bildiğimiz her şey her an bu ortam ile çok sıkı bir irtibat halindedir. 

       Yüzlerce yıllık "esir" fikri, şimdi vakum olarak karşımıza çıkmış olabilir.

    Esir, atomlardan oluşan bildiğimiz maddeden daha ince-latif, ancak kuantum alan teorisinin ışığında anladığımız kadarıyla eski filozofların saplandıkları ilk öz fikrinden daha yoğun bir maddedir. Hızlandırıcılarda yüksek mertebelerde hız kazandırılan parçacıkların çarpıştırılmasıyla yeni yeni parçacıklar, farklı maddeler yaratılabilldiğini görüyoruz ki bu da; madde, hareket ve esir'in-vakum ortamının evrende bir birliktelik-bütünlük oluşturduğunu; birbirlerinden bağımsız olarak ele alınmaması gerektiğini bize gösterir.

Not: Özellikle Wikipedi'nin ingilizce sayfalarında, referans verilmiş pek çok kaynağa ve eski makalelerin linklerine ulaşmak mümkün.