Zaman Yolculuğunu Araştırma Merkezi © 2005 Cetin BAL - GSM:+90  05366063183 -Turkey / Denizli 

Yerçekimsiz bir ortamda kütle ölçümü yapılabilir mi? Ayrıca bir kütle diğer bir kütleyi neden çeker? Bunun sebebi atomik düzeydeki zıt yüklü parçacıkların birbirini çekmesi olabilir mi?

Tabii ki yerçekimsiz ortamda kütle ölçümü yapılabilir. Bunun birkaç yolu vardır. Bunlardan birisi Newton’un yasasını kullanarak yapılabilir (F = m.a). Eğer bir cisme etki eden toplam kuvveti ve cismin kazandığı ivmeyi ölçersek buradan kütleyi hesaplayabiliriz. Bunun en yaygın örneği (yerçekimi olmak şartıyla) eşit kollu terazidir. Bütün yaptığımız terazinin sağ ve sol taraflarına etki eden yerçekimi kuvvetlerini eşitlemektir. Ama yerçekimsiz ortamdaki bir ölçüm için bu yöntem geçersizdir. Bu durumda yapılabileceklerden birisi, kütleyi bir yayın ucuna tutturarak oluşacak salınımın frekansını ölçmektir. Eğer yay sabitini biliyorsak kütleyi kolayca hesaplayabiliriz. Diğer soruya gelince; kütle çekiminin yüklerle bir ilgisi yoktur, aksi halde kütleçekim kuvveti sadece kütleye bağlı olmazdı. Zaten kütleçekim kuvveti de çok zayıf bir kuvvettir (bu kuvvetin göz önünde bulundurulabilmesi için kütlelerin en az 100 kg civarında olması gerekir.) ve elektriksel kuvvetlerden tamamen bağımsızdır. Aslında iyi bir tahminde bulunmuşsun çünkü günlük hayatta karşımıza çıkan etkileşimlerin çoğu elektrikseldir ve kütleçekimi bir istisnadır.

Baştan başlayalım. Kütleler birbirlerini etkiler ve bu etkileşim kütleçekimi kuvveti dediğimiz olaydır. Senin ya da benim ya da herhangi bir cismin üzerinde durduğu gezegenden dolayı hissettiği kütleçekim kuvvetine o cismin ağırlığı diyoruz. Dolayısıyla ağırlık bulunduğumuz gezegene bağlıdır ve hatta gezegene doğru hızlanıp yavaşlamamıza da bağlıdır. Eğer gezegene doğru hızlanıyorsak ağırlığımız azalır ve hatta sıfır bile olabilir. Ama asla kilo kaybetmeyiz. Sadece hissettiğimiz kütleçekimi miktarı azalmıştır. Kütle ise cismi meydana getiren madde miktarıdır (elektron, proton ve nötron). Kütlenin başka bir açıklaması da şöyledir; Bir cisme uygulanan kuvvet aynı oranda ivmeye neden olur (F~a). Bu eşitliği sağlayan orantı sabitine de kütle denir (F=ma). Yani kütle cismin hızlanmasına direnç gösteren büyüklüktür diyebiliriz.

Merkezkaç kuvveti diye bir şey var mı? Eğer yoksa neden çoğu zaman günlük olayları açıklamak için merkezkaç kuvvetini kullanıyoruz? Mesela su dolu bir kovaya düşey eksende bir dairesel hareket yaptırdığımızda suyun dökülmesini engelleyen nedir?

Merkezkaç kuvveti anlamlı fakat gerçek olmayan, yani Newton yasalarına uyan bir kuvvet değildir. Newton’a göre duran bir cisme etki eden kuvvet o cismin ivme kazanmasına neden olur. Ve yine Newton’a göre hareket halindeki bir cisim, üzerine kuvvet etki etmediği sürece hareketine devam edecektir. Dairesel hareket sistemlerinde yani dönen sistemler için başlangıçta duran bir cisim (yatayda dönen bir levha ya da bir atlıkarınca ve üzerinde hareketsiz bir cisim düşünün) hareket başladığında dışa doğru kayma eğilimi gösterecektir. Yani cisim merkezden dışa doğru bir ivme kazanacaktır. Newton’a göre bu cisme ivmenin yönünde (dışa doğru) bir kuvvet etki ediyor olması gerekir. İşte gerçekte olmayan bu kuvvete merkezkaç kuvveti diyoruz. Ama bu durum sisteme içeriden bakıldığı zaman böyledir. Eğer sistemi dışarıdan incelersek durumun farklı olduğunu görürüz. Dönen bir aracın içinde içi su dolu bir kap düşünün, eğer biz de bu aracın içindeysek bize göre bu kabın devrilmesini sağlayan merkezkaç kuvvetidir. Ama araca dışarıdan bakarsak araç dönmekte iken su dulu kabın düz bir yol çizmeye çalıştığını ve kabın altına etki eden kuvvetin kabı devirdiğini görürüz (eylemsizlik). İki durumda da yapılan işlemler doğru sonuç verir fakat birinci durumda olmayan bir kuvveti varmış gibi düşünüyoruz.

Süperiletkenler, ısıları belli bir seviyeye düşürüldügünde elektrik akımına karşı dirençlerini tamamen kaybeden maddelerdir. Bu bize, elektrik akımının sıradan iletkenlerde dirençten doğan ve ısı olarak yayılan enerji kaybını (%3 ile %10 arasındadır) engelleme olanağı verir.
Süperiletkenlerin bir başka özelliği ise kusursuz diamanyetik olmaları.Yani süperiletkenler manyetik alanı tamamen iter. Böylece süperiletken mıknatıslar yardımıyla, örneğin bir treni raylara temas etmeden hareket ettirebilir ve sürtünmeyi azalttığımız için trenin çok daha hızlı gitmesini sağlarız. Bu tip süper hızlı trenler Japonya’da kullanılmakta.

Işık nedir? Bana öyle geliyor ki ışık kaynağından dışa doğru akan fiziksel bir cisimdir. Acaba öyle mi?

Fizikte ışık çok çeşitli şekillerde ele alınır. Klasik fizikte ışığın elektromanyetik dalgalar olduğu kabul edilir. Yani ışık değişen elektrik ve manyetik alanlardır. Maddesel değildirler. Modern kuantum fiziğinde ise ışık foton adı verilen parçacıklar olarak kabul edilir. Bu parçacıklar enerji ve momentum taşıyan dalga paketleridir ve kütleleri yoktur. İki durumda da ışığın enerjisi gerçek ve ölçülebilir bir mekanizma ile taşınır. Fizikciler de fotonu incelerken momentumunu ve enerjisini göz önüne alırlar, diğer özellikleri (eğer varsa) zaten fiziğin konusu dışındadır. Fakat ışığa fiziksel bir cisim demek de doğru değildir.
 

Eğer bir cismi yerden 100 metre yükseklikten bırakırsak; sürtünmeden ısınır ya da yanabilir mi? Veya tam tersine soğuyabilir mi?

Bir cismi belli bir yükseklikten bıraktığımız zaman yerçekiminden dolayı bir süre hızlanır ama bu hızlanma belli bir hıza kadar olur (bu hız değeri havanın yoğunluğuna bağlıdır dolayısıyla cisim yere yaklaştıkça yavaşlar). Cisme bütün bu hareketi boyunca hava sürtünmesi etki eder ve tabii ki cisim bu sürtünmeden dolayı ısınır. Fakat eğer cisim su ya da buharlaşan bir şey içeriyorsa cismin etrafında hareket eden hava (rüzgar) suyun buharlaşmasına ve cismin soğumasına neden olabilir (çünkü buharlaşan su çevresinden ısı kabul eder). Fakat, cismin üzerindeki su tamamen buharlaştığında cisim tekrar ısınmaya başlayacaktır.

Evet birbirlerini yok ederler ve açığa çıkan enerji genelde bir çift fotondur (gama ışını). Fakat antimaddenin üretilmesi çok fazla enerji gerektiren bir olaydır ve bu enerjiyi sağlamak da başlı başına bir problemdir. Ayrıca çıkan enerjinin bir yerde depolanması da çok zor olduğu için madde antimadde tepkimeleri enerji kaynağı olarak kullanışlı değildirler.

Nasıl oluyor da bazı ampuller 1.5 voltluk pille çalışırken bazıları 220 voltla çalışıyor? 5 voltluk bir ampule 220 volt uygularsam filaman erir mi? Verdiğimiz elektriğin alternatif akım ve doğru akım olması ampulleri etkiler mi?

Bir ampul, içindeki filaman sıcak olduğu için ışık verir ve onu ısıtan da uygulanan elektrik akımıdır.Ayrıca, açığa çıkan ısının gücü (P=i^2R=V^2/R) ampulün direncine de bağlıdır. Herhangi bir ampule uygulanan herhangi bir akım yada voltaj değeri için bir miktar güç açığa çıkmaktadır. Eğer uygulanan akım yada voltaj yeteri kadar büyük değilse açığa çıkan güç az olacak ve filaman fazla ısınamayacaktır. Bu durumda açığa çıkan enerji, sıcak cisim ışıması ilkesine göre spektrumun kızılötesi kısmında olacağı için gözle algılanamayacaktır. Yani bir ampulün çalışması, filamanın yeteri kadar ısıtılarak görünür bölgede ışık vermesini sağlayarak mümkün oluyor. Eğer biz ampulün çalışacağı voltaj değerini sabitlemişsek (1.5 V), çıkacak olan ışığı sadece filamanın direncini değiştirerek ayarlayabiliriz, bunu da filamanın boyunu yada kesit alanını değiştirerek yapabiliriz. Bu durumda 1.5 ve 220 voltluk ampullerin birbirlerinden farkı içlerindeki filamanın uzunluğu ve kesit alanıdır.

Ayrıca filamanın direnci sıcaklıkla da değişmektedir. Bu yüzden ampuller yarı vakumludurlar ve filamanın parlamasına ve açığa çıkan ısı fazlalığının dışarıya taşınmasına yardım eden iyonize olmuş gazlar içerirler. Ama 5 voltluk bir ampule 220 volt uygularsak ampul gereğinden fazla güç üretir ve filaman açığa çıkan ısıyı dağıtamayacağından aşırı ısınarak erir.

Güç formülü alternatif ve doğru akım için aynıdır (basit dirençlerde) .Bu durumda verdiğimiz elektriğin AC ya da DC olması fark etmez. Ama gözümüzün bir ışığı sürekli görebilmesi için saniyede en az 25 defa yanıp sönmesi gerekir (alternatif akımın frekansı en az 25 Hertz olmalı). Ama şehir elektriğinin frekansı 50 Hz olduğu için (ampul konusunda) doğru akımla arasında bir fark yoktur

Işık dört boyutlu uzayda (uzay-zaman) en kısa yolu seçer ve kütleçekimi uzay-zamanın eğikliği ile ilişkilidir. Çok güçlü bir kütleçekiminin varlığında uzay-zaman çok fazla eğilir ve ışık da bu yolu takip eder. Karadelikler de uzayı çok güçlü bir şekilde eğdiği için, ışık karadeliğin yakınından geçerken çok fazla saparak üstüne düşer.
 

Ölçülmez. Yani uçaklarda kilometre sayacı yoktur. Mesafe klasik hareket formülü (s = V.t) ile ölçülür. Bu durumda rüzgarın hızı da dikkate alınmaktadır. Ayrıca mesafe ölçümlerinde uydulardan da faydalanılmaktadır (GPS genel koordinat sistemi).

Bisiklet yarışçıları neden daha az sürtünme için ince tekerleği tercih eder? Fizik kurallarına göre yüzey alanının sürtünmeyi etkilememesi gerekmiyor mu?

Tam tersine hava sürtünmesi tamamen yüzey alanına bağlıdır ve ince tekerlek daha az hava sürtünmesi demektir. Ayrıca ince tekerlekler daha az kütleli oldukları için sebep oldukları eylemsizlik momenti de daha az olacaktır. Bu da bisikletin daha kolay hızlanmasını sağlar.

Otomatik kapılardaki fotoelektrik alıcılar nasıl çalışır? Yani bir insanın gölgesi nasıl oluyor da bir kapıyı açabiliyor?

Tahmin edeceğiniz gibi fotoelektrik alıcılar ışığa karşı aşırı duyarlı elektronik malzemeler kullanılarak yapılır (diyot gibi). Eğer ışık şiddetinde büyük bir değişme olursa alıcıdaki diyot özelliği değişerek daha iletken hale gelir ve devreden akım geçmesini sağlar (diyot burada anahtar görevi görür). Dolayısıyla bir düğme kullanarak kapıyı açıp kapatabileceğimiz gibi böyle bir fotoelektrik alıcılı bir devre ile de bir kapıyı açıp kapatabiliriz.

Bildiğimiz gibi, dünyada manyetik bir alan vardır. Mıknatıs çubuğu gibi, onun da manyetik kuzeyi ve manyetik güneyi bulunur. Ancak bunlar, dünyanın coğrafi kutuplarıyla tam olarak çakışmazlar. Coğrafi kutuplardan boylu boyunca bir eksen geçtiği ve dünyanın bu eksen etrafında döndüğü varsayılır. Manyetik kutuplar hep aynı yerde durmazlar; yerlerinin sürekli oynadığı, gözlemlere göre, her yıl 0.15 derece batıya doğru kaydıkları saptanmıştır. Manyetik kutup, aslında dünyanın yüzeyinde bir nokta değil, yeryüzüne dik olarak gelen ve içinden geçen manyetik alan çizgilerinin bulunduğu bölgedir. 1970 yılında manyetik kuzey kutup bölgesinin, yaklaşık 76.2 derece Kuzey enlemi ile 101 derece Batı boylamında, Kanada’nın kuzeyindeki arktik adalarda olduğu saptanmıştır. “Manyetik kuzey” denen, ve kuzeyi arayan pusulanın iğnesinin herhangi bir konumda gösterdiği yön genelde doğrudan manyetik kuzey kutbunu göstermez. Dünyanın manyetik alanı, mıknatıs çubuğun manyetik alanından çok daha karmaşıktır. Belli bir konumda, pusulanın ibresi “gerçek kuzey”in birkaç derece doğusu veya batısında bir yönde gösterecektir.

Bir atomun kütlesinin büyük bir bölümü çekirdeğinde olduğuna göre, atomun kütlesini hesap ettiğinizde aslında çekirdeğin kütlesini de hesap ediyorsunuz demektir. Genellikle bir atomun değil de, gözle görebileceğimiz kadar büyük atom gruplarının kütlesini hesap ederiz. Fakat kütle spektrometrelerle küçük bir elektrik yükü verip, elektrik ile manyetik alan birleşiminde yollarının nasıl etkilendiğine bakarak ,tek atomların kütlelerini ölçmek de mümkündür.
Bir elektronun kütlesi, bir protonun (ya da nötronun) kütlesinden 2000 kat küçük olduğuna göre, çekirdeğin bir parçası olmayan elektronu göz ardı etmek, sonucu fazla etkilemez.

Atomik düzeyde yansıma ve kırılma aynı olaydan kaynaklanır. Bir foton bir atoma çarptığında atom tarafından kısa bir süre tutulur ve sonra yeni bir foton olarak rastgele bir yönde tekrar yayınlanır. Çok sayıda foton çok sayıdaki atomdan saçılarak, saçılmadan gelen diğer fotonlarla birlikte cismin arka tarafında (ışığın gittiği yönde) yapıcı girişim oluşturduğunda, kırılma dediğimiz olay gerçekleşir. Yani ışığı karşı tarafa geçmiş olarak görürüz. Buna karşın, tam ters yönde saçılan fotonlar bu yönde girişime uğrarsa, bu defa yansıma dediğimiz olay gerçekleşir. Diğer yönlere saçılan fotonlar genellikle yıkıcı girişime uğrarlar.

Bilindiği gibi Güneş'in yaydığı spektrum süreklidir, yani her frekansta elektromanyetik dalga içerir. Bu dalgalar atmosfere ulaşınca atmosferdeki gazlar tarafından saçılırlar. Burada en fazla saçılan frekans mavi ve civarıdır. Gökyüzüne baktığınızda Güneş’ten geldikten sonra saçılan ışığı gördüğümüz için, ve bu ışık daha çok mavi içerdiği için gökyüzünü mavi görüyoruz.
Atmosferdeki toz, nem ve diğer etkenlerden dolayı ışığın saçılma miktarı değiştiği içinde, bu maviyi değişik tonlarda görüyoruz.

Bazı maddelerin molekülleri manyetiktir. Bir çok maddede, moleküllerin mıknatıslık yönleri aynı yönde olmadığı için, toplamda bir manyetik alan yaratmazlar. Bunların moleküllerinin manyetik olup olmadıklarını anlayamayız. Ama eğer bu moleküller aynı doğrultuda düzenlenirse bu maddeden mıknatıs yapılabilir. Bazı metallerin, mesela demir ve çeliğin, molekülleri bu şekilde düzenlenmiştir. Buzdolaplarındaki plastikler de bu iş için iyidir. Bazı maddelerin molekülleri bu şekilde düzenlenemez; bu yüzden de bu maddelerden iyi mıknatıs yapılamaz.

İş arkadaşlarımla bir merminin yolu hakkında anlaşmazlığa düştük. Eğer namlu yatay şekilde ateş edersem, mermi tamamen durduğunda namluyla aynı doğrultuda mı kalır yoksa hafif sağa veya sola meyilli mi olur? Ortamda rüzgar olmadığını ve merminin namludan saat yönünde dönerek çıktığını varsayıyoruz.

Eğer merminin dönüş ekseni namluyla aynı yönde ise bu hiç bir şeyi etkilemez. Ama üstten bakıldığında, beyzbol topunun kendi ekseni etrafında dönmesi gibi bir dönüş söz konusu ise, bu dönüş merminin yörüngesini değiştirecektir. Eğer mermi üstten bakıldığında saatin tersi yönünde dönüyorsa yörüngesi sağa sapar. Aynı şeyin tersi de söz konusudur. Ama bu durum, mermileri küresel olduğundan ,sadece av tüfeklerinde geçerlidir.
Şimdi konuyu başka bir açıdan ele alalım. Dünyanın dönüşü çok ilginç şeylerin olmasına neden olur. Eğer tabanca kuzeye doğru ateşlenirse, mermi sağa sapacaktır. Bunun altında yatan gerçek; Dünya'nın ekvatordaki çizgisel hızının, kutupsal bölgedeki çizgisel hızından daha fazla olmasıdır. Bu aynı zamanda fırtınaların kuzey yarımkürede neden saat yönünde olduğunu da açıklar.
 

Yabancı ülkelerin bile AM frekanstaki radyolarını nasıl dinleyebiliyoruz?

Bazı radyo frekansları hem atmosferin iyonosfer tabakasından hem de yerden yansır. Bu yansımalar sonucu, radyo dalgaları çok uzaklara erişebilir. Ama bu frekanstaki zayıf sinyaller atmosferik olaylara karşı çok hassastırlar ve birbirine yakın frekanstaki radyolar bu yüzden birbirine karışabilir.

Kütle gibi, en basit tanımıyla şarj da maddenin bir halidir. Bir nesnenin diğer nesnelerle ya da diğer alanlarla nasıl ilişkiye gireceğini belirleyen bir niceliktir.

Paleomanyetizma nedir?

Dünya üzerinde, hemen her dönemde meydana gelen yanardağ faaliyetleri sonucunda, demir mineralleri içeren ve mıknatıslanma özelliğine sahip olan kayaçlar oluşur. Yanardağ püskürtüeri ile açığa çıkan lavlar çok yüksek sıcaklıklarda olduğundan, yeryüzüne ulaştıkları anda herhangi bir manyetik alan özelliği taşımazlar. Ancak çok dar bir sıcaklık aralığından geçen demir molekülleri, belirli katmanlar arasında sıkışarak katılaşırlar. Katılaşmaları esnasında da, dünyanın o anki manyetik alan yönelimine göre bir dizilim gösterirler (kuzey-güney yönünde). Bilindiği gibi, dünyanın normal kuzey ve güney kutuplarının dışında, bir de manyetik kuzey ve güney kutupları vardır. İşte bu kayaçların çerisindeki mineral dizilimi de, katılaşma anındaki manyetik kuzey ve güney kutuplarının yönünü gösterir. Bir yanardağdan dikine kesit aldığımızda, lav katmanlarında bulunan demir kristallerinin manyetik kutup dizilimi tesbit edilebilir. Bunun sonucunda da, yanardağın faaliyete başladığı ilk andan itibaren dünyanın manyetik kutuplarında meydana gelen değişmeler saptanabilir.Bu kuramın ortaya çıkmasından sonra dünyanın çeşitli yerlerinde, farklı katmanlar ile çalışmalar yapılmış ve dünyanın farklı dönemlerdeki manyetik kutup yönelimleri çıkarılmıştır. İncelenen katmanlardaki manyetik alan çizgilerinin, bugünkünden oldukça güçlü sapmalar gösteriyor olması (hatta 200 milyon yıl öncesinin manyetik kutuplarının, bugünkülerin tam ters yönünü göstermesi), başta bilim adamlarını oldukça şaşırtmıştır. Ancak çalışmalar devam ettikçe, kayan şeyin manyetik alanlar değil, kıtaların kendileri olduğu anlaşılmıştır. İşte bu nedenle paleomanyetizma, kıtaların kayması kuramının en güçlü desteklerinden birisi haline gelmiştir.
 

Bir gaz topluluğuna etki eden kuvvetler aşağı doğru yerçekimi ve yukarı doğru da gazın basıncıdır. (Yukarı çıkıldıkça hava basıncı düşer, dolayısıyla gaz moleküllerine yüksek basınçtan alçak basınca doğru bir kuvvet etki etmektedir.)Gazın sıcaklığının her yerde aynı olduğu durumda, gaz üzerine etkiyen yerçekimi kuvveti ile basıncın yukarı doğru kuvveti eşitlenir ve havanın durağan olmasına neden olur. Şimdi, böyle bir hava kütlesinin bir bölgesinde sıcaklığın yükseldiğini varsayalım. Isınan havanın basıncı yükseldiği için, bu sıcak bölge genleşir. Kısa zaman içinde, sıcak havanın basıncı çevresiyle eşit hale gelir.Kısaca, durağan bir soğuk hava kütlesi içinde genleşmiş, yani daha az yoğun bir sıcak hava kütlesi oluşur. Bu kütleye basınçtan dolayı yukarı doğru etkiyen kuvvet, aynı hacme sahip soğuk havaya etkiyen kuvvetle aynıdır. Fakat, sıcak hava daha az yoğun olduğu için ve yerçekimi kuvveti gazın kütlesi ile doğru orantılı olduğu için, sıcak havaya etkiyen yerçekimi kuvveti daha azdır. Bu nedenle sıcak havaya etkiyen kuvvetler eşitlenmez ve yukarı doğru net bir kuvvet oluşur.

Günümüzde bu hızı aşan uçaklar var. Ve gözlemlenen tek şey şu ki; pilot, güneşi Batı’dan doğup Doğu’dan batıyor olarak görür.

Elektronlar çok çeşitli hızlara sahip olabilirler.

Düşük Hız: Bir elektrik telinden akım geçerken içinde elektronların hareket ettiğini biliyoruz. Elektronların bir tel içindeki hızları birçok insanı şaşırtacak derecededir. Mesela 2 mm çapında ve 10 A akım taşıyan bir bakır teldeki elektronların hızı saniyede ortalama 0.024 cm civarındadır.

Yüksek Hız: Bohr atom modelinde elektron, çekirdeğin etrafında bir yörünge çizerek döner ve bu elektronun hızı yaklaşık saniyede 2,000,000 metredir. Yani ışık hızının % 1’i civarında.

Çok Yüksek Hız: Bir çekirdek bozunmasında açığa çıkan beta (elektron) parçacığının hızı ışık hızına çok yakındır (300,000,000 m/s). Bunun yanında ,büyük çekirdekli atomların (Uranyum) en iç yörüngesindeki elektronların hızı da ışık hızına yakındır.

Bir insan boyu Dünya’nın yarıçapıyla kıyaslanamayacak kadar küçüktür. Aslında yerin çekiminden etkilenmemizi sağlayan en önemli faktör kütledir. Dolayısıyla uzun boylu insanlar, kütleleri daha fazla olduğu için yerçekiminden daha fazla etkilenirler.

Bu soru sıkça sorulan fizik soruları arasında yer alıyor. Eskiden bir arkadaşım San Fransisco'dan New York'a 9 saatte gittiğini ve 3 saatte döndüğünü şaka yollu söyler dururdu. Aslında bu yolculuk normalde 6 saat sürüyor. Fakat bu iki şehir farklı zaman dilimlerindeler ve iki saat dilimi arasındaki fark 3 saat. Uçaktan indiğinizde de saatlerinizi ayarlamak zorunda kaldığınız için, kol saatiniz yolculuğun normalden daha uzun ya da daha kısa sürdüğü gibi yanlış bir imaj uyandırabiliyor. Arkadaşım New York'a 6 saatte gitmiş ve havaalanında saatini 3 saat ileri almış. Bu yüzden sanki 9 saat geçmiş gibi bir izlenim edinmiş. Eğer yazının devamını okursanız Ayhan'ın arkadaşının büyük bir olasılıkla böyle bir yanılgıya düşmüş olduğunu göreceksiniz.
Ama bu Ayhan'ın sorduğu soruya bir yanıt değil. Gerçekten Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşü uçağın varış süresini gittiği yöne bağlı olarak etkiliyor mu etkilemiyor mu sorusu yanıtlanmaya değer.

Bu ve buna benzer bir çok soruda, vereceğimiz yanıtı daha da netleştirmek için sorudakine benzer değişik durumları incelemek genellikle iyi bir yöntem. Soruyu uçak yerine, araba için de sorabiliriz. Acaba iki şehir arasında biri doğuya diğeri batıya doğru hareket eden iki araba, varacakları yere birbirlerinden farklı sürelerde mi ulaşırlar ya da aynı yakıtı mı harcarlar?
Fizikte sıkça kullanılan "görelilik ilkesi" gereği yanıt her iki araba için aynı olmalı. Bu ilkeye göre sabit hızla hareket eden bir cismin içinde, örneğin bir trende, hareketler o cisme göre betimlenirse fizik kanunları aynı kalır. Yani bu trendeki fizikçiler trenin durduğunu varsayıp aynı sonuçlara ulaşabilirler. Yerde bütün yönlere doğru aynı güçlükle yürüdüğümüz gibi tren içinde de ileriye ya da geriye doğru yürürken bir fark hissetmeyiz. Arabalar da hareketleri için yerden kuvvet alırlar ve gidecekleri mesafe yere göre sabittir. Dünya'nın uzaydaki hareketinin bu tip olaylarda bir önemi yok.

Eğer bu cevap sizi ikna etmediyse, yerin Dünya'nın dönüşünden dolayı olan hareketinin hızını hesaplayın. Biz bunu Ankara için hesapladık ve saatte yaklaşık 1,300 km'lik bir hız bulduk! Bu kadar müthiş bir hızla hareket eden bir yer üzerinde saatte 100 km, en fazla 200 km hızla hareket eden arabalar bu hızdan etkileniyor olsalar, bu etki çok açık bir şekilde görünüyor olurdu. Hatta doğuya doğru değil yürümek, bir taşıtla bile gitmek imkansız olurdu!

Uçaklar da hareketleri için havadan kuvvet alırlar. Bu nedenle aynı yakıtı harcayarak havaya göre aynı hıza erişirler. Dünya dönerken etrafını saran havayı da kendisiyle beraber döndürüyor. Böyle olunca yerden bakan birine göre toprak gibi hava da hareketsizmiş gibi duruyor. Böylece aynı yakıtı harcayan uçakların hareketinde de Dünya'nın dönüşünün bir etkisinin olamayacağını rahatlıkla söyleyebiliriz. Kısaca tekrarlarsak, normal, rüzgârsız bir havada değişik yönlere giden uçaklar, havaya göre olduğu gibi yere göre de aynı hızla hareket ederler.

Rüzgârlı havalarda durum değişir. Eğer havaya göre aynı hızla giden uçakları düşünürseniz, (bu her uçak aynı yakıtı harcıyor demek) rüzgârla aynı yönde giden uçak yere göre daha hızlı gidiyordur; çünkü hem uçak havaya göre belli bir mesafe kat eder, hem de rüzgâr havayı ve içindeki uçağı bir miktar ileriye taşır. Uçak, rüzgâra ters yönde girmişse bu uçak yere göre daha yavaştır. Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz. Eğer İstanbul'dan Ankara'ya doğru kuvvetlice bir rüzgâr esiyorsa, İstanbul-Ankara uçuşu daha kısa, Ankara-İstanbul uçuşu daha uzun sürer.
Rüzgârların belki de en ilginç olanı Jet-Stream diye adlandırılan ve yerden 10-30 km yukarıdan esen güçlü hava akımları. Bunlar sürekli aynı yönde, batıdan doğuya doğru ve saatte 100-400 km hızlarla esiyorlar. Yerden hissedilmeyen Jet-Stream ilk defa 2. Dünya Savaşı sırasında bombardıman uçakları tarafından keşfedildi. O zamandan beri bu rüzgârlar üzerinde yapılan çalışmalar bunların Dünya'nın dönüşünün etkisiyle basitçe açıklanamayacak bir şekilde oluştuğunu gösteriyor.

Normal yolcu uçakları havaya göre 800 km/saat hızla giderler. Eğer doğuya doğru uçan bir uçak 200 km/saat hızla esen bir Jet-Stream içine girerse yere göre hızı 1,000 km/saat olur. Eğer uçak ters yönde giderse bu defa hızı yere göre 600 km/saat olacaktır. Bu, yolculuk süresi ve uçağın harcadığı yakıt olarak %66'lık bir fark demek.

Yolcu uçaklarının bu rüzgâra ters yönde girmemek gibi bir alternatifleri yok. Uluslararası kurallar gereği uçaklar daha önceden belirlenmiş hava yollarını kullanabilirler ve ancak belli yüksekliklerde uçabilirler. Bu nedenle Jet-Stream'e ters yönde giren uçaklar da var. Yolculuk süresi de bu rüzgârın hızına bağlı olarak uzayıp kısalabiliyor.

Ayhan'ın sorduğu soruya geri dönersek, doğuya doğru olan yolculuklar daha kısa, batıya doğru olan yolculuklar daha uzun olmalı. Normalde Türkiye-New York seferi 11 saat sürüyor ve dönüş yolculuğuysa 9 saat. Jet-Stream hızlarında mevsimsel değişimlerle bu süreler değişebilir ama genel olarak bir fark olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bu fark Ayhan'ın arkadaşının söylediğinin tam tersi olduğuna göre, ya arkadaşı farklı zaman dilimlerinden etkilenmiş ya da olay aktarılırken yönler ters aktarılmış olmalı.

İlk önce, her maddenin atomlarının en düşük sıcaklıkta bile bir titreşim hareketi yaptığını belirtmemiz gerekiyor. "Sıfır noktası hareketi" olarak adlandırılan bu olay tamamen bir kuantum etkisi. Bu hareketin varlığını anlamak için kuantum belirsizlik ilkesi kullanılıyor: Bir cismin hareket etmemesi hızının sıfır olması anlamına gelir, yani hızda herhangi bir belirsizlik yoktur. Belirsizlik ilkesine göre konum ve hızdaki belirsizliklerin çarpımı belli bir değerden büyük olmak zorunda. Bu durumda konumun belirsizliğinin sonsuz olması gerekir. Eğer elinizde
tuttuğunuz bir maddenin atomlarının komşu galakside de bulunabilme olasılığının var olduğuna inanmıyorsanız, böyle bir şeyin olanaksız olduğunu çıkarırsınız.Yani, herhangi bir cismin durması, hangi şart altında olursa olsun, mümkün değildir.

Öte yandan, mutlak sıfır sıcaklığı (0 Kelvin ya da -273.15 °C), bir cismin sahip olabileceği en düşük sıcaklık anlamına geliyor. Bir cismin soğuması çevresine ısı vermesiyle mümkün olduğu için, cisim en düşük enerjiye sahip olduğu anda 0 Kelvin sıcaklığına erişmiş demektir. Artık bu noktadaki bir cismi daha da soğutmak mümkün değildir. Dikkat etmemiz gereken nokta, en düşük sıcaklığın sadece en düşük enerji anlamına gelmesidir, en düşük hareket değil. Mutlak sıfırdaki
bir maddenin atomlarının yaptığı sıfır noktası hareketi bir kuantum etkisi olduğu için, hareketin varlığı cismin fiziksel özelliklerini çok küçük oranda değiştiriyor, ama birçok durumda bu küçük oran ölçülebiliyor. Helyumun, (atmosfer basıncında) hiç bir sıcaklıkta donmamasının temel nedeni bu sıfır nokta hareketi.

Aynı hareketin atom içindeki elektronlarda da olduğunu belirtelim. Elektronlar en düşük enerji seviyesinde bulunduklarında bile ,elektronların çekirdek çevresinde dönme hareketleri devam eder.

Şimdi gelelim arkadaşımızın sorusunun en önemli kısmına. Madem her maddenin, 0 Kelvinde bile bir hareketi var, niye bu hareket bir dirence neden olmuyor? Bu soruya vereceğimiz yanıt, sıfır nokta hareketinin bildiğimiz anlamda hareketten oldukça farklı olduğunu gösteriyor.

Şöyle bir düşünce deneyi yaptığımızı tasarlayalım: Bir atomu en düşük enerji seviyesine kadar soğuttunuz ve sıfır nokta hareketini ilk elden gözlemlemek üzere (her nasılsa) kendinizi küçülterek atoma yaklaştınız. Soru şu: atom titreştiğine göre, iyice yaklaştığınızda size çarpabilir mi?

Eğer söz konusu olan makroskobik bir makine olsaydı fazla yaklaşmamanızı tavsiye ederdik. Ama, en düşük enerji seviyesinde olan bu atom için böyle bir tavsiyeye ihtiyacınız yok. Çünkü bu atomun size çarpması, hareketinin, dolayısıyla enerjisinin bir kısmını size aktarması anlamına geliyor. Atomun size aktarabileceği enerjisi olmadığı için size çarpması mümkün değil. Başka bir şekilde söylemek gerekirse, sıfır noktası hareketi öyle bir hareket ki, varlığı ile yokluğu arasındaki farkı
anlamak olanaksız.

Şimdi mutlak sıfır sıcaklığındaki bir metalin neden sıfır dirence sahip olduğunu açıklayabiliriz. Atomların titreşimlerinden kaynaklanan direncin temel nedeni, akım taşıyan elektronların atomlara "çarparak" hareket yönlerini değiştirmesi. Bu çarpışmalar ne kadar fazlaysa ve ne kadar büyük oranda yön değiştiriyorsa direnç o kadar büyük olur. Çünkü, metalin içinden geçmeye çalışan elektronların sadece küçük bir kısmı metali boydan boya geçebilir.

Elektronlarla atomların "çarpışması" iki değişik şekilde mümkün olur.Birinci yolda, elektron ,enerjisinin bir kısmını atoma verebilir. Bu olayın gerçekleşebilmesi için, elektronun yeteri kadar fazla enerjisi olması gerekir. Çünkü, atom bir üst enerji seviyesine çıkabilmek için belli bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar. Eğer elektronda bu kadar enerji yoksa, bu olay gerçekleşemez. Elektronların
sahip oldukları enerji, metale uygulanan voltajla orantılı olduğu için, ve genellikle direnç ölçümlerinde düşük voltajlar kullanıldığı için bu tip olaylar çok düşük bir oranda gerçekleşir. (Direnç, voltajla akımın oranı olduğu için, voltajı ne kadar küçük seçerseniz seçin direnç değişmez.) Dolayısıyla direnç bu tip "çarpışmalardan" kaynaklanmıyor.

İkinci yolda, elektron atomdan bir miktar enerji alabilir. Daha yüksek bir enerjiye sahip olan elektron, bir süre hareket ettikten sonra bu fazla enerjiyi başka bir atoma verir ve ikinci bir saçılma gerçekleşir. Bu olay dizisinin gerçekleşebilmesiiçin, enerji veren atomun en düşük enerji seviyesinde olmaması lazımdır. Dolayısıyla sıfır nokta hareketi yapan atomlar, kesinlikle böyle bir olaya karışmazlar. Oda sıcaklığındaki metallerin direnci temelde bu tip çarpışmalardan kaynaklanır.

Mutlak sıfır sıcaklığına sahip bir metalden geçen düşük enerjili bir elektron, atomlarla her iki şekilde de "çarpışamayacağı" için, saçılmadan yoluna devam eder. Sonuç: sıfır direnç.

Atomların titreşimleri, metallerde dirence neden olan tek etmen değil. Metal içindeki yabancı atomlar, kristal yapıdaki düzensizlikler, hatta maddenin bir dış yüzeyinin varlığı bile düşük sıcaklıklarda bir direncin ortaya çıkmasına neden olurlar. Fakat oda sıcaklığındaki bir metalde dirence neden olan en büyük etmen atomik titreşimlerdir. Mutlak sıfır civarındaki düşük sıcaklıklarda, bu etmen, yukarıda açıkladığımız nedenden dolayı tamamen ortadan kayboluyor.

Bu camların çalışma prensibi, bildiğimiz tül perdelerin çalışma prensibiyle aynı. Yani bu camların iki yüzü arasında bir fark yok. Bu noktanın daha iyi anlaşılması için "üzerine düşen ışığı, düştüğü yüze göre farklı oranlarda geçiren bir cam yapmak mümkün mü?" sorusunu detaylı olarak yanıtlayalım. Fiziğin temel yasalarından birisi olan termodinamiğin ikinci yasası bu soruya "kesinlikle hayır!" yanıtını veriyor.

Bu yasanın değişik ifade edilme tarzlarından bir tanesi şöyle der: "Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı sağlamak mümkün değildir." Buradaki "Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden" ifadesi önemli. Aksi takdirde, yasanın çay demlemek için su ısıtmanın bile imkansız olduğunu söylediği anlamı çıkardı.

Işığı tek yönde geçiren, ya da farklı yönlerde değişik oranlarda geçiren camlardan yapmak mümkün olsaydı, bu camları ikinci yasayı ihlal etmek için kullanabilirdik. Bunu göstermek için bir düşünce deneyi tasarlamamız yeterli. Eğer elimizde ışığı tek yönde geçiren, diğer yönde kesinlikle geçirmeyen bir cam varsa, duvarları ışığı mükemmel yansıtan aynalarla kaplanmış bir odayı bu camla ikiye bölüp, ışığın geçtiği taraftaki odaya sıcak bir çay, diğer odaya da buzlu su koyabiliriz.

Buradaki kilit nokta, her cismin sürekli ışık (daha doğru bir terimle elektro-manyetik dalga) yayınladığı gerçeği. Cismi oluşturan atomlar ve bu atomlardaki elektronlar sürekli hareket halindedir. Bu parçacıklar çoğunlukla en düşük enerji seviyelerinde bulunurlar, ama önemli bir kısmı uyarılmış seviyelerdedir. Bu uyarılmış elektronlar daha düşük enerji seviyelerine döndükçe, aradaki enerji farkını ışık olarak yayınlarlar. Bir başka deyişle cisimler ışıyarak soğurlar. Cisim ne kadar sıcaksa, bu yayınlanan ışık o kadar çok enerji taşır. Köz halindeki bir odunun bu nedenle
parlak olduğunu ve sizi ısıtmaya devam ettiğini burada ekleyelim.

Düşünce deneyimizdeki buzlu su da, bize göre soğuk olmasına karşın bir miktar ışık yayar. Soğuk olduğundan dolayı, bu ışığın enerji yoğunluğu çayınkine göre daha azdır; ama bu o kadar önemli değil. Buzlu sudan yayılan ışığın bir kısmı özel camımızdan geçerek, çay tarafından soğurulur. Böylece ışıma yoluyla çaya ısı aktarılmış olur. Çaydan yayınlanan ışınlarsa, camı geçemez ve aynı bölmede kalır (ve çay tarafından tekrar soğurulur). Böylece, buzlu su enerji kaybederek gittikçe soğur, çaysa gittikçe ısınır. Hatta biraz sabırlı davranıp beklersek(bir iki yıl gibi), buzlu suyun tamamen donup soğumaya devam ettiği, çayınsa buharlaşıp gittikçe daha çok ısındığını da gözlememiz mümkün.

Böylece, ikinci yasanın mümkün olmadığını söylediği şeyi, yani evrende başka bir şeyi değiştirmeden, hatta kendiliğinden, ısının soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akmasını sağlamış oluruz. Termodinamiğin ikinci yasası oldukça sağlam temeller üzerine oturduğundan, bu noktada sadece tek yöne ışık geçiren camların yapılmasının mümkün olmadığını kabul etmekten başka yapacak şeyimiz yok!

Aynı argümanı her iki yönde ama farklı oranlarda geçirgen olan camlar içinde yürütmek mümkün. Örneğin bu özel cam sağdan sola doğru gitmek isteyen ışığın sadece %50'sini geçirsin, soldan sağa yönelen ışığınsa %50.001'ini geçirsin. Aradaki farkın ne kadar küçük olduğu önemli değil. Eğer geçirgenlik oranları arasında bir fark varsa, bu farkı kullanarak ikinci yasayı alt etmek mümkün.

Argümanı daha rahat görmek için iki odaya da aynı sıcaklıkta iki özdeş cisim koyalım. Aynı sıcaklıkta bulunan cisimler aynı miktarda enerjiyi ışık olarak yayarlar. Fakat soldan sağa aktarılan enerji sağdan sola aktarılandan bir miktar fazla olduğundan sağdaki cisim biraz ısınıp, soldaki biraz soğur. Bir süre sonra, ısınan cisim daha fazla, soğuyansa daha az enerji yayacağından, cam üzerinden değişik yönlere giden ışığın taşıdığı enerjiler eşitlenir ve net ısı transferi durur. İki odalı sistemimiz bu noktada dengeye gelir. Bu son durumda sağ odadaki cisim soldakinden biraz daha sıcaktır. Önceki durumda olduğu gibi aşırı soğuma ve ısınma söz konusu değil ama bu bile ikinci yasaya aykırı.

Bu camları kullanarak büyük sıcaklık farkları elde etmek de mümkün. Tek yapmanız gereken şey, odacıkların sayısını mümkün olduğu kadar artırmak. Böylece, iki ardışık odadaki sıcaklık farkı düşük olmasına rağmen, en uçtaki odaların sıcaklıkları büyük oranda farklı olacaktır.

Sonuç olarak, bir camın, ya da herhangi bir cismin farklı yönlere farklı oranlarda geçirgen olması ikinci yasaya aykırı. Eğer camınız soldan sağa %50.001 oranında ışık geçiriyorsa, sağdan sola da %50.001 oranında geçirmesi lazım. Ne biraz az ne de biraz fazla! İkinci yasanın saydamlık hakkında bu derece güçlü şeyler söyleyebilmesi gerçekten çok ilginç.

Peki madem bu tip camlar fiziğe aykırı, o halde bu camlar nasıl işliyor? Buna basitçe "göz aldanması" diyebiliriz. Gözümüzün müthiş yeteneklerinden birisi de değişik ışık seviyelerine kendisini ayarlayabilmesi. Gündüz çok parlakken de, gece karanlığında da görme işlevini yerine getirebiliyor. Parlak bir ışık kaynağının yanında zayıf bir ışık kaynağı varsa, göz kendini parlak olan ışığa göre ayarlar ve zayıf ışığı fark etmemiz olanaksızlaşır. Bu nedenle gündüz vakti yıldızları göremiyoruz. Halbuki yıldızlardan gelen ışık gündüz de gece de aynı parlaklığa sahip.

Yabancı filmlerde gördüğümüz sorgu odalarında camın ayırdığı odalardan biri karanlık diğeri de aydınlık tutuluyor. Camın özelliği, üzerine gelen ışığın çoğunu yansıtması ve çok az bir kısmını geçirmesi. Aydınlık odada bulunan kişi, aynadaki kendi parlak görüntüsünden düğer odadan gelen ışığı seçemiyor. Bu kadar basit. Aynı işi bir tül perde de rahatlıkla yapıyor.
 

Herkes en düşük sıcaklık noktasını bilir: -273 derecedir. Benim merak ettiğim en yüksek sıcaklık noktası. -273 derecedeki bir maddenin molekülleri hareketsizdir. Bu maddeye ısı verelim, moleküller titreme hareketi yapacak, hareketlenmeye başlayacak. Isıyı arttıralım. Her hal değişiminde moleküllerin hızları sürekli artacak, öyle değil mi? Bu madde en son gaz halindeydi. Sürekli ısı vermeye devam edelim. Herhalde bu artış sonsuza doğru sürecek değil. Ben şöyle düşünüyorum: Einstein'ın teorisine göre hiç bir madde ışıktan daha hızlı gidemez. O halde bu moleküllerin hızları 300,000 km/sn'yi geçemeyecek. Yani en üst sıcaklık noktası belirmektedir. Ya sizce?
 

Bir maddenin sıcaklığı moleküllerinin hızından çok sahip oldukları ortalama enerjiyle ilgili olduğu için bu sorunun yanıtı hayır. Maddeyi ısıtmaya devam ettiğiniz sürece sıcaklığı artacaktır.

Bu anlamda bir cismin hızının ışık hızı ile sınırlı olması oldukça aldatıcı. Konuyu görelilik kuramının bize kazandırdığı kütle ile enerjinin eşdeğerliliği kavramıyla daha iyi anlamak mümkün. Ünlü E=mc2 formülü kütle ve enerji ölçümlerinin arasındaki ilişkiyi veriyor. Böylece, örneğin bir gram suyu bir derece ısıttığınızda enerjisinin 1 kalori arttığını söyleyebileceğiniz gibi, kütlesinin de 4.7x10-17 kg arttığını söyleyebilirsiniz.

Bir cismi hızlandırmak için cisme vermek zorunda kaldığımız enerji için de aynı şey geçerli. Kinetik enerji olarak adlandırılan bu enerji türünün de bir kütlesi olduğundan, cisim hızlandıkça kütlesi de artar. Bu nokta çok önemli. Çünkü kütle, eylemsizliğin, yani hareketteki değişimlere karşı cisimlerin direncinin bir ölçüsü. Öyleyse, görelilik kuramına göre hareketli bir cismi hızlandırmak için daha fazla enerji harcamalıyız: Hem cismin orijinal kütlesi için hem de yeniden hızlandırmadan önce var olan kinetik enerjinin kütle eşdeğeri için.

Olayı biraz daha netleştirmek için bir oyuna benzetme yapabiliriz (en azından deneyebiliriz). Elinizde bir çuvalla, bol çakıllı geniş bir alanda bulunuyorsunuz.Oyunun tek kuralı, her adım attığınızda yerden bir çakıl alıp çuvala atmak. Doğal olarak taşıdığınız yük arttıkça adım atmanız zorlaşıyor ve adım boyunuz küçülüyor. Soru şu: istediğiniz kadar uzağa gidebilir misiniz? Eğer çok uzakta bir noktayı hedef olarak seçmişseniz oraya kadar gitmeniz mümkün olmayabilir. Bir süre sonra yükünüz o kadar ağırlaşır ki ,adım atmanız ya da çuvalı sürüklemeniz imkansızlaşabilir. Kısacası bu oyunda gidebileceğiniz maksimum uzaklık kendiliğinden ortaya çıkıyor. Buna rağmen çuvalı istediğiniz kadar doldurabilir misiniz? Eğer çuvalınız yeteri kadar büyükse ,bu soruya yanıt evet olacaktır. Yani mesafe için bir sınır olmasına karşın ,yük için bir sınır yok.

Parçacık hızlandırma oyunu, yukarıdaki oyuna (tamamen olmasa bile) oldukça benziyor.Sonuçta ulaşamayacağınız bir en yüksek hız, ışık hızı, ortaya çıkıyor. Bu hıza istediğiniz kadar yaklaşabilirsiniz ama ulaşmanız ve geçmeniz mümkün değil.Üstelik taşınan çakıllara benzetebileceğimiz enerjiyi istediğiniz kadar artırabilirsiniz. Işık hızına erişmeniz sonsuz enerji gerektirdiği için, evrende de büyük olasılıkla sonlu miktarda enerji (kütle) olduğu için ,pratikte ve kuramda mümkün değil.

Modern parçacık hızlandırıcılar yukarıdaki oyuna oldukça benzer bir şekilde çalışıyorlar. Örneğin protonları hızlandırmak için, parçacıklar bir elektrik geriliminin yaratıldığı bir bölgeden geçiriliyor. Protonlar 1 voltluk bir gerilim farkını atlamak zorunda bırakılırsa enerjileri 1 eV (elektron volt) artar. Bu sonuç protonun hızına bağlı değil. Eğer protonları döndürüp dolaştırıp aynı
bölgeden defalarca geçirebilirseniz, enerjilerini istediğiniz kadar artırabilirsiniz.

Örneğin, Fermilab'daki Tevatron'dan çıkan protonlar 800 GeV'luk inanılmaz bir enerjiye sahipler (GeV=giga eV=109 eV). Bu 0.983 GeV olan protonun durağan kütlesinin (enerjisinin) 850 katı kadar! Bu durumda protonların hızı ışık hızının %99.99993'üne eşit. Bu kadar hızlı protonları daha da hızlandırmak mümkün. CERN'de 2005 yılında tamamlanması planlanan 'Büyük Hadron Çarpıştırıcısı' (Large Hadron Collider, LHC) 14 TeV'luk protonlar üretecek (TeV=tera eV=1012 eV). Bu Fermilab'dakilerden yaklaşık 17 kat fazla bir enerji demek. Çıkan protonların hızıysa ışık hızının %99.9999997'sine eşit olacak.

Bu kadar büyük enerji farkı olduğu durumda hızların birbirlerine çok yakın görünmesinin ne kadar aldatıcı olduğunu bir örnekle daha iyi anlayabiliriz. Bu hızlandırıcılardan çıkan protonları uygun bir kapta topladığınızı varsayalım. Elinizde bir Fermilab kabı bir de CERN kabı olsun. Hangi kaptaki proton gazının daha sıcak olduğunu anlamak için klasik bir yöntemi denemeye karar verdiniz: Bir elinizi bir kaba, diğer elinizi diğer kaba soktunuz. Hangi eliniz daha çok yanar?

Yanma, bir başka ifadeyle vücudunuzun kimyasal maddesindeki hasar, protonların size enerjilerinin ne kadarını aktardıklarıyla doğru orantılıdır. Yani daha fazla enerjisi olan protonlar elinizi daha çok yakacaktır. Hatta, elinizin protonları tamamen soğurduğunu düşünürsek, CERN'den gelen kaptaki protonların Fermilab'dan gelenlere oranla 17 kat daha fazla yaktığını da söylemek mümkün. Uzun lafın kısası, hızın önemi yok, CERN kabı çok daha sıcak.

Bu kadar yüksek enerjiye sahip protonlar normalde 1015 derece sıcaklığında ortaya çıkabilirler. Bu sıcaklık derecesi ve hatta daha yüksek sıcaklıklar evrenimizi meydana getiren büyük patlamanın ilk anlarında oluşmuştu. Zaten, hızlandırıcılarla bu kadar yüksek enerjilere ulaşılmasının bir amacı da büyük patlamanın bu evresinde neler olup bittiğinin ve günümüz evrenini nasıl etkilediğinin anlaşılması.

Mıknatıs, demir, kobalt vb. metalleri neden çekmektedir? Ayrıca, mıknatısın çekim etkisinin, çok yüksek sıcaklıklarda erimiş haldeki bu tür metallere karşı zayıfladığı (hatta yok olduğu) söylenmektedir. Neden? Erimiş haldeki bu tür metallerin mıknatıs tarafından çekilebilmesi için ne yapmak lazım? (Mesela , mıknatısın gücünü arttırmak veya erimiş haldeki bu metallere elektron bombardımanı uygulamak çözüm olabilir mi?)

Maddelerin manyetik özellikleri o kadar karışık bir konu ki, birinci sorudaki "neden" çok uzun bir yanıt gerektiriyor. Burada soruyu "bir mıknatıs neleri çeker?" olarak değiştirip aşağıdaki açıklamalarda mümkün olduğu kadar, mıknatıslığa neden olan mikroskobik mekanizmalardan bahsetmemeyi uygun bulduk.

Demirle mıknatıslık arasındaki bağlantı iyi bilinir. Bu nedenle mıknatıslık özelliği gösteren maddelere "demire benzer manyetik özellikleri olan" anlamında "ferromanyet" deniyor. Bilinen ferromanyetler arasında tek bir elementten oluşan demir, nikel, kobalt ve gadolinyum metalleri ve iki ya da daha fazla elementten oluşan yüzlerce bileşik madde var. Bunlar arasında manyetit, Fe3O4, en iyi bilineni. Ferromanyetlerde manyetik alan, atomların içindeki elektronların çekirdek etrafında ve kendi etraflarında dönmeleri sonucu oluşur. Bu maddelerin paralel doğrultuda yönelmiş atomik mıknatısların birleşmesinden oluştuğunu düşünebiliriz.

Demirden yapılmış bir mıknatısla, yine demirden yapılmış ama mıknatıslık özelliği olmayan bir çivi arasında atomik ölçekte herhangi bir fark yok. Çivinin manyetik özelliğini gizleyen şey, bu maddenin binlerce küçük manyetik bölgeye bölünmüş olması. Her bir bölge mıknatıslık doğrultusu aynı yönde olan atomlardan oluşuyor ve bölgenin bildiğimiz anlamda bir mıknatıstan farkı yok. Fakat her bölgenin yarattığı manyetik alan, diğer bölgelerin yarattığı alanlar tarafından zayıflatıldığı
için, çivinin dışarısında gözlemlenebilir bir manyetik alan oluşamıyor. Bir mıknatısın bu çividen farkı, ya tek bir bölgeden oluşması ya da bir doğrultudaki bölgelerin hacminin diğerlerinden fazla olması. Bu sayede dışarıda net bir manyetik alan oluşabiliyor.

Mıknatıslanmamış bir çivi bir manyetik alan içine konduğunda, manyetik bölgeler bu alandan etkilenir. Doğrultusu manyetik alanla aynı yönde olan bölgeler genişleyerek büyür, zıt yönde olan bölgeler de daralırlar. Bazı bölgelerin doğrultularında hafif dönmeler de olur. Bunun sonucunda çivi manyetik alanla aynı yönde olan geçici bir mıknatıslık kazanır. Geçici, çünkü dışarıdan uygulanan manyetik alan çekildiğinde bölgeler genellikle eski hallerine dönerler. Bazen bölge sınırları rahatça hareket edemediği için değişim kalıcı da olabilir. Uzun süre bir mıknatısla
temasta bulunan bir çivinin, mıknatıs çekildiğinde hafifçe mıknatıslık özelliği kazandığını bilirsiniz. Bölge sınırlarının serbestçe hareket edememesinden kaynaklanan bu olaya "histerezis" deniyor. Bu geçici mıknatıslığın doğrultusu manyetik alana paraleldir. Örneğin, eğer mıknatısın kuzey kutbu çiviye daha yakınsa, çivinin mıknatısa yakın kısmı güney, uzak kısmı da kuzey kutbuna sahip olur. Zıt kutuplar birbirlerini çektikleri için, bu durumda çivi mıknatısa doğru çekilir.

Şimdi arkadaşımızın birinci sorusunu yanıtlayabiliriz: Mıknatıslar sadece mıknatısları çekerler. Yani sadece ferromanyet olup, bölgelere bölündüğü için net bir mıknatıslığı olmayan (bir başka deyişle "gizli" mıknatıslığı olan) maddeler, yukarıda açıkladığımız mekanizmayla manyetik alanlar tarafından çekilirler.

Bir ferromanyet ısıtıldığında, Curie noktası olarak adlandırılan bir sıcaklıkta ve üzerinde manyetik özelliğini kaybeder ve tamamen normal bir maddeye dönüşür. Saf demirin Curie noktası 770 °C'dir. Bu sıcaklığın üzerinde bir demir parçası ne bir mıknatıs olabilir, ne de bir mıknatıs tarafından çekilebilir. Curie noktasındaki değişim atomik mıknatısların paralel doğrultuda yönelebilme yeteneklerini kaybetmelerinden kaynaklanıyor. Bu değişimin erimeyle herhangi bir ilgisi yok. Örneğin demir 1538 °C'de erir. Bir uç örnek vermek gerekirse, Disprosyum metali -185 °C'de,
oda sıcaklığının çok altında, mıknatıslığını kaybeder ve 1411 °C'de erir.

Son olarak, ısıtıldığı için mıknatıslığını kaybeden ve artık manyetik alanlar tarafından çekilmeyen maddeleri çekmek için ne yapabiliriz? Burada en garanti çözüm ,çok güçlü bir manyetik alan uygulamak olacak. Çünkü bütün maddeler, ferromanyet olsun ya da olmasın, manyetik alanlardan etkilenirler. Normal maddelerde bu etki çok zayıf olduğu için, evinizde kullandığınız mıknatıslarla etkiyi hissedebilmeniz olanaksız. Ancak büyük laboratuarlarda bulunan güçlü elektromıknatıslarla bu kuvveti gözlemlemek mümkün. Maddeler kabaca üçe ayrılabilir: ferromanyetler, paramanyetler ve diamanyetler. Paramanyetler, tıpkı ferromanyetler gibi üzerlerine uygulanan manyetik alanla aynı doğrultuda, fakat çok zayıf bir biçimde, mıknatıslanırlar. Diamanyetler de tam ters yönde. Bu nedenle, mıknatıslar paramanyetleri çeker ve diamanyetleri iter. Normalde ferromanyet olan maddeler, Curie noktasının üzerinde paramanyetiktir. Yani, çok sıcak bir demir parçasını, hatta erimiş demiri bile güçlü bir mıknatısla çekmek mümkün.

Diamanyetik maddelere en iyi örnek bildiğimiz su ve canlı maddeler. Diamanyetik maddenin en ilginç özelliği, mıknatıslar tarafından boşlukta sabit tutulabilmeleri. Fotoğrafta Hollanda'daki Nijmegen üniversitesinde gerçekleştirilen, zıt yönde etkiyen yerçekimi ve manyetik kuvvetlerle havada dengede durabilen küçük bir kurbağa gösteriliyor.

Yukarıdakilere bir de temel parçacıkların noktasal olduklarının varsayıldığını eklersek, herhalde sorun biraz daha belirginleşir. Eğer temel parçacıklar, kütlenin tek bir noktada toplandığı sonsuz yoğunluklu maddeler iseler hepsi birer karadelik olmalı.

Noktasal parçacıklar varsayımı üzerinde durmak için yeterli yerimiz yok. Sadece, parçacıkların gerçekten noktasal olup olmadıklarını deneysel olarak sınamanın mümkün olmadığını, buna karşın parçacıkların bir büyüklüğü olduğu konusunda da yeterli deneysel veri olmadığını ekleyelim. Normalde atom çekirdeğinin kapladığı hacim olarak bildiğimiz bölge, aslında çekirdek içindeki, proton ve nötronların yapı taşlarını oluşturan kuark ve diğer temel parçacıkların uyguladığı güçlü
kuvvetin etki mesafesinden doğuyor.

Gerçi, sicim kuramları temel parçacıkların noktasal olmayıp, ip gibi bir boyutlu eğriler şeklinde olduğunu iddia etse de yukarıdaki soru bu kuramlar için de geçerli. Eğer bütün temel parçacıklar noktasalsa, her biri gerçekten bir karadelik oluşturur mu? Böyle bir şey oluyorsa bu olayın varlığını nasıl anlayabiliriz? Ne yazık ki bu soruların yanıtları bilinmiyor. Çünkü yanıt ancak kütleçekim
kuvvetinin kuantum kuramıyla verilebilir. Fiziğin bu iki kuramını tek bir kuramda birleştirme çabaları şimdiye kadar başarısız kaldı ve hâlâ parçacık fizikçilerini meşgul eden önemli bir problem olma özelliğini koruyor.

ABD'de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda ağır altın iyonlarının ışığınkine yakın hızlarda çarpıştırılması sonucu oluşan parçacık yağmurunun kesit görüntüsü. Çarpışma sonucu oluşacak bir karadeliğin Dünya'yı yutacağı biçiminde medyada yer alan sansasyonel haberler, laboratuvar yetkililerince gülümsemeyle karşılanmıştı. Nedeni, karadelik oluşması için çok daha yoğun enerjiler gerekmesi ve oluşsa bile, böylesine küçük bir karadeliğin anında yokolması.

Fakat neler olabileceği konusunda bir fikir edinmemiz mümkün. Bunu da, kuantum fiziğini büyük karadeliklere uygulamayı başararak, karadeliklerin aslında tam kara olmadığını, dışarıya bir tür ışıma yayarak buharlaştığını keşfeden Stephen Hawking'e borçluyuz. Buharlaşmanın neden kaynaklandığını kısaca hatırlamakta yarar var. Kuantum fiziğine göre uzay boşluğu, özelliksiz bir boşluk değildir. Aksine, boşlukta parçacık karşıt parçacık çiftleri kendiliğinden ortaya çıkarak,
kısa bir süre yaşadıktan sonra birbirlerini tekrar yok ederler. Hawking, bu olaylar bir karadeliğin olay ufkunun çok yakınında olduğunda, çiftlerden birinin soğurulduğunu, fakat diğerinin sonsuza kaçarak karadeliğin hafiflemesine neden olduğunu gösterdi. Buharlaşma diye adlandırabileceğimiz bu olayın hızı sadece karadeliğin kütlesine bağlı. Kolayca tahmin edilebileceği gibi, karadelik ne
kadar büyükse, buharlaşma da o kadar yavaş oluyor. Öyleyse, her karadelik yeteri
kadar bir süre sonra (eğer bu arada başka kütleler yutarak daha da büyümemişse)
buharlaşarak yok olacaktır.

Büyük yıldızların doğal evrimleri sonucu oluşmuş karadeliklerin yaşam süreleri çok uzun: Evrenin bugünkü yaşından kat kat daha uzun. Fakat aynı şeyi daha küçük kütleli karadelikler için söylemek mümkün değil, çünkü bir karadeliğin yaşam süresi kütlesinin küpüyle ters orantılı. Eğer 10 gramlık bir kurşun kalemi sıkıştırıp bir karadelik elde etmek mümkün olsaydı, (kalemi çekirdeğin çapından 10 katrilyon kat daha küçük bir bölgeye sıkıştırabilseydik) bu karadelik 10-22 saniye içinde
buharlaşarak yok olurdu. Aslında bu kadar kısa sürede olan buharlaşmayı "patlama" olarak adlandırmak daha doğru. Yani küçük karadelikler, daha çevresindeki maddeyi yutarak büyümeye zaman bulamadan patlayacaklardır.

Proton kütlesindeki bir parçacık için bu buharlaşma süresi çok çok daha küçük. Fakat daha temel parçacıklar ölçeğine inmeden Hawking'in sonuçları geçerliliğini kaybeder. Bunun da nedeni kısaca şu: Karadelik küçüldükçe, buharlaşma daha hızlı oluyor, yani kütle ve enerjisini daha hızlı kaybediyordu. Bu, bir saniye içinde karadelikten ayrılan ışınımdaki parçacıkların ortalama sayısının ve ortalama enerjisinin daha fazla olması anlamına geliyor. Karadeliğin kütlesi 10 mikrogram seviyesine indiğinde, kaçan parçacıkların ortalama kütlesi de 10 mikrogram büyüklüğüne erişiyor. Bu tip kütlelerde geride kalanın mı yoksa kaçan her bir parçacığın mı asıl karadelik olduğunu söylemek zor. Bu nedenle daha küçük kütleler için olayın fiziğinde önemli bir değişiklik var ve parçacık fizikçilerinin aydınlatmaya çalıştığı asıl alan burası. Daha küçük karadelikler için belki hâlâ niteliksel olarak bir buharlaşmadan söz edilebilir, ama Hawking'in sonuçlarının buraya
uygulanması zor.

Tekrar temel parçacıklara dönersek: olayın fiziğinde büyük bir değişim olduğundan dolayı parçacıklar bildiğimiz anlamda karadelik özellikleri taşıyamazlar. Problemin nereden kaynaklandığı belli: Parçacık kütleleri ölçeğinde bir karadelik olsa bile bu karadeliğin diğer kütleleri yutarak büyümesi imkansız.

Bunun dışında, kütle küçüldükçe olay ufkunun da küçüldüğünü, ve parçacıklar için olay ufkunun bildiğimiz tüm uzunluk ölçeklerinden küçük olduğunu ekleyelim (10-54 metre). Hiç bir hızlandırıcıda parçacıkların bu kadar yakın olması sağlanamadığı için bu mesafelerde kütleçekim yasasının hangi formda olduğunu henüz bilmiyoruz.

Yukarıda bu soruya yanıtımızın neden "bilmiyoruz" şeklinde olduğunu açıklamaya çalıştık. Şu anda elimizden ne yazık ki bu geliyor. Bu soruya verilecek ilk yanıt büyük bir olasılıkla kuramsal alandan gelecek ve bir olasılıkla kütleçekim kuvvetinin doğanın diğer üç kuvvetiyle ilgisi de bu arada ortaya çıkacaktır.

Newton'un kuralları (daha doğrusu Galileo'nun kuralları) bize normal gelse de, doğanın bizim düşündüğümüz gibi çalışması zorunluluğu yok. Şüphesiz Einstein da eski zaman kavramının anlaşılmasını daha kolay bulmuştur. Ne var ki, 19. yüzyılın sonlarında yapılan bir çok deney işlerin bu kadar basit olmadığını söylüyordu.

Önce "hızların eklenmesi yasasından" başlayalım. Bu Galileo'nun ünlü görelilik yasası. "Dünya dönüyor" dedikçe, "o zaman niye bıraktığımız bir taş düşerken yana savrulmuyor?" gibi itirazlar sürekli geldiği için, Galileo görelilik yasasını geliştirmek zorunda kalmıştı. Bugün bu yasayı anlamakta zorlanmıyoruz. Eğer 1 m/sn hızla gidiyorsanız ve ileriye doğru 2 m/sn hızla bir taş atarsanız, taş 3 m/sn hızla gider. 19. yüzyılın sonunda, birçok bilim adamı bu yasayı kullanarak Dünya'nın uzaydaki hızının bulunabileceğini düşündüler.

Dünya Güneş çevresinde dönerken, saniyede 30 km.lik bir hız yapıyor (bu ışığın boşluktaki hızının 10,000'de biri). Güneş'in de bir hızı olduğunu düşünürsek, Dünyanın "gerçek" hızı, hangi yöne doğru gittiğine bağlı olarak bundan fazla ya da az olabilir. Galileo'nun görelilik yasasına göre Dünya'dan yayılan ışık, Dünya'yla aynı yönde gidiyorsa biraz hızlanmalı, ters yönde gidiyorsa
da biraz yavaşlamalı. Hızda 10,000'de birlik bir değişme pek fazla olmasa gerek. Işık 1 metre kadar bir mesafe kat etmişse, normalden 0.1 mm civarında bir ilerleme ya da gecikme söz konusu demektir. Bu pek ölçülebilir bir uzaklık gibi görünmüyor. Ama ışığın dalga yapısı düşünüldüğünde, 0.1 mm ışığın yarım mikron civarında olan dalga boyundan çok fazla olduğu için, bu kadar bir fark bile 19. yüzyılın basit aletleriyle ölçülebilir.

Bu deneylerden en ünlüsü olan Michelson ve Morley deneyi yapıldığında Dünya'nın
hareket etmediği gibi bir sonuç ortaya çıktı! Dünya Güneş çevresinde dönerken hız yönünü sürekli değiştirdiği için, Güneş'in hızını da hesaba katarak, uzayda hareket ederken en azından bir anlık dursa bile diğer zamanlarda saniyede 30 km mertebesinde bir hıza sahip olması gerektiğini rahatlıkla söyleyebiliriz. Dünya'nın hızı sürekli değiştiğine göre sorun Dünya'nın hareketinde değil, Galileo'nun görelilik ilkesinde olmalı. Dünya hangi hızla hareket ederse etsin, sanki Dünya
yerinde duruyormuş gibi ışık her yöne eşit hızla yayılıyor.

Sorunun ışığın kendisinde değil, boşluktaki hızında olduğu da anlaşıldı. Örneğin, ışık suda yayılırken 1.5 kat daha yavaş hareket ettiğini biliyoruz. Akan bir su içinde ışığın hızı ölçüldüğü zaman beklenen oluyor. Işık suyla aynı yönde gidiyorsa biraz daha hızlı, ters yönde gidiyorsa biraz daha yavaş gidiyor. (Tabi burada Galileo'nun hızların eklenmesi yasasının yanlış olduğu görülmeye başlıyor.) Bu deney, garip olan şeyin ışığın "fiziksel yapısı" olmayıp, boşlukta yayılırken gitmeyi tercih ettiği hızda olduğunu gösteriyor. Örneğin nötrino dediğimiz parçacıklar, bir olasılıkla ışık hızıyla hareket ediyorlar. Eğer aynı deney nötrinolarla yapılsaydı aynı sonuçlar bulunurdu.

Buna benzer bir çok deney, ışığın boşlukta yayıldığı hızın, nerede ölçülürse ölçülsün aynı olduğunu söylüyordu. Eğer deney sizin kuramlarınıza aykırı bir şey söylüyorsa, kuramlarınızın, belki de bu kuramların kullandığı kavramların yanlış olduğu kesin. Zamanın bir çok ünlü beyni bu problem üzerinde uğraşmış, ama ancak Einstein yeni kavramlarla geldiğinde problem tam ve çelişkisiz olarak çözülebilmiş.

Einstein, bu problemi çözmek için iki varsayımdan hareket ediyor. İlk olarak, Galileo'nun görelilik yasasını özde kabul ederek, detayda yanlış olabileceğini düşünüyor. Yani, hareket eden bir cismin (örneğin trenin) içinde yapılan bir deney, cisim dururken yapılsa da aynı sonuçları verir. Böylece, Galileo'nun istediği oluyor: Piza kulesinden bırakılan taşlar, bu yeni görelilik ilkesine göre de yana savrulmuyor. Fakat "hızların eklenmesi yasası" büyük bir olasılıkla geçerli değil. Varsayımın en önemli sonucu, Dünya'nın hızını Dünya'dayken ölçmemizin artık mümkün olmaması.

Einstein'ın kabul ettiği ikinci varsayım, bütün deneylerin söylediklerini kabul etmek oluyor. Yani, kim tarafından ölçülürse ölçülsün, ışığın boşluktaki hızı aynıdır.

Bu iki basit varsayım, biri görelilik ilkesi, diğeriyse önemli bir deney sonucu, yüksek hızlardaki bu gizemi çözmek için yeterli. Fakat artık o iyi bildiğimizi sandığımız uzay-zaman kavramlarından vazgeçmemiz gerekiyor.

Tren örneğindeki kapıların açılması, zaman kavramında nelerden vazgeçmemiz için iyi bir örnek. Trendekine göre kapılar aynı anda açıldığı halde, dışardakine göre kapılar farklı zamanlarda açılıyor. Böylece, günlük deneyimlerimizle sorgulamadan kabul ettiğimiz bir eşzamanlılık kavramının artık geçerli olmadığını görüyoruz. İki farklı olayın, aynı zamanda olup olmaması gözlemciden gözlemciye değişen, göreli bir olgudur. Bu zaman kavramının mutlak olmadığını, yani her olayın ne zaman olduğunu söyleyecek kesin bir zamanının olmadığını söylüyor. Kabul etmesi
biraz zor, ama ne yazık ki doğa bu şekilde işliyor. Onun ne dediğini kabul etmekten
başka bir çaremiz yok.

Alıntı:  http://www.daghanoves.netfirms.com/bilim/bilim6.htm

Hiçbir yazı/ resim  izinsiz olarak kullanılamaz!!  Telif hakları uyarınca bu bir suçtur..! Tüm hakları Çetin BAL' a aittir. Kaynak gösterilmek şartıyla  siteden alıntı yapılabilir.

The Time Machine Project © 2005 Cetin BAL - GSM:+90  05366063183 -Turkiye/Denizli 

Ana Sayfa /index /Roket bilimi / E-Mail /CetinBAL/Quantum Teleportation-2   

Time Travel Technology /Ziyaretçi Defteri /UFO Technology/Duyuru

Kuantum Teleportation /Kuantum Fizigi /Uçaklar(Aeroplane)

New World Order(Macro Philosophy) /Astronomy