E=mc² Nedir?

Özel görelilik teorisi, uzay ve zamana dair fikirlerimizi bütünüyle değiştirmekten fazlasını yaparak, birçok başka konuyu da gündeme getirdi. Bunun nedeni, fizikteki tüm temel niceliklerinin uzay ve zaman üzerine kurulu olmasıydı. Eğer ki, göreliliğin bize gösterdiği gibi, uzay ve zaman böylesine akışkan bir durumdaysa (bir diğer ifadeyle, ışık hızına yaklaşıldıkça birbirlerine karışıyorlarsa) , o halde diğer şeyler için de aynısı geçerli demektir. Örneğin momentum ve enerji, elektrik alanları ve manyetik alanlar gibi. Uzay-zamanın kusursuz ortamında birbirlerine karışan uzay ve zaman gibi, ışık hızının değişmezliğinin korunması için diğer kavramlar da birbirlerine ayrılmaz bir şekilde bağlıdır.

Örneğin elektrik ve manyetizma. Tıpkı bir kişinin uzayının bir başkasının zamanı olması gibi, bir kişinin manyetik alanı da bir diğer kişinin elektrik alanıdır. Elektrik ve manyetik alanları, elektrik akımlarını sağlayan jeneratörler ve elektrik akımlarını harekete çeviren motorlar açısından kati bir önem ifade eder. Fizikçi Leigh Page 1940’larda şöyle yazmıştır: “İçinde bulunduğumuz elektrik çağında her bir jeneratör ve motorun dönmekte olan bobinleri, duymak isteyen herkes için görelilik teorisinin gerçekliğini bağırıyor.” Yavaş-çekim bir dünyada yaşadığımızdan dolayı, elektrik ve manyetik alanların ayrı mevcudiyetlere sahip olduğunu düşünme yanılgısı içindeyiz. Ancak tıpkı uzay ve zaman gibi, elektrik ve manyetik alanlar da aynı madalyonun farklı yüzleridir. Gerçekte var olan tek bir mevcudiyet söz konusu: elektromanyetik alanlar.

Bir madalyonun iki yüzü durumunda olan diğer unsurlar ise enerji ve momentumdur. Bu şaşırtıcı bağlantının içinde ise göreliliğin belki de en büyük sürprizi yatmaktadır: kütlenin bir enerji türü olduğu. Bu keşif bilim tarihinin en ünlü ve en az anlaşılan denklemiyle özetlenmiştir: E = mc².

Işık hızı ve Elektromanyetik Dalgalar

Işığın, Evrenin Üzerinde Kurulu Olduğu Kaya, Zaman ve Uzayın ise Hareket Halindeki Kum Tanecikleri Olduğunu Nasıl Keşfettik

Herkes için gelmiş geçmiş en tuhaf 100 metre yarışıydı bu. Atletler çıkış takozlarından fırlayıp kulvarlarında koşmaya başladığında, tribündeki seyircilere sanki incelmiş gibi göründüler. Coşkulu kalabalığın önünden geçerlerken, krep kadar düzleşmişlerdi.
Ancak olan en tuhaf şey bu değildi.

Atletlerin kolları ve bacakları, sanki havanın değil de ağdalı bir sıvının içinde koşuyorlarmış gibi, ultra-yavaş hareketler sergiliyordu. Kalabalığın alkış ve tezahüratları gittikçe yavaşladı. Seyircilerden bazıları biletlerini yırtıp öfkeyle havaya fırlatıyordu.

Bu zavallı tempoyla, atletlerin finiş ipini göğüslemesi bir saati bulabilirdi.
Sonunda canından bezen seyirciler yerlerinden kalkarak, teker teker stadyumu terk etti.

Böyle bir sahne size tümüyle saçma gelmiş olabilir. Fakat burada hatalı olan tek unsur atletlerin hızıdır. Eğer ki 10 milyon kat daha hızlı koşabilselerdi, stadyumdaki herkes yukarıdaki gibi bir sahne yaşardı. Nesneler ultra-yüksek hızlara çıktığında, zaman yavaşlarken uzay da büzülür. Bu durum önemli bir gerçeğin kaçınılmaz bir sonucudur: ışığı yakalamanın imkansızlığı.

Yakalanamayacak olan tek şeyin ancak sonsuz hızla yol alan bir cisim olabileceğini düşünebilirsiniz. Ne de olsa sonsuzluk, tasavvur edilebilen en büyük sayı olarak tanımlanmaktadır. Hangi sayıyı düşünürseniz düşünün, sonsuzluk ondan daha büyüktür. Bu nedenle, sonsuz hızla yol alabilecek bir şey olsaydı bile onu asla yakalayamayacağımız açık bir şekilde ortadadır. Böyle olsaydı, evrendeki nihai kozmik hız sınırını temsil eden, sonsuz hız olurdu.

Işık muazzam bir hızla yol alır -boşlukta saniyede 300.000 kilometre- fakat bu hız da, sonsuz olarak nitelendirdiğimiz hızın yanında anlamsız kaçmaktadır. Yine de ne denli hızlı olursanız olun, bir ışık huzmesini yakalayamazsınız. Evrende, kimsenin tam olarak anlamlandıramadığı nedenlerden ötürü, ışık hızı sonsuz hızın yerini almıştır. Fiili durumdaki kozmik hız sınırımız ışık hızıdır.

Bu tuhaf gerçeği fark eden ilk kişi, 16 yaşındayken kendine şu soruyu soran Albert Einstein oldu: Yakalayabilecek olsaydınız, ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Einstein’ın böyle bir soru sorarak cevaplandırabilmeyi umması ancak İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in bir keşfi sayesinde mümkün olmuştur. 1868 yılında Maxwell, elektrik motorlarının çalışmasından mıknatısların davranışlarına kadar, bilinen tüm elektrik ve manyetik olaylarını, bir dizi harikulade matematiksel denklemle bir araya getirdi. Maxwell’in denklemlerinin sürprizi ise o güne dek bilinmeyen bir dalganın varlığını öngörüyor olmalarıydı: elektrik ve manyetizma dalgasının.

Uzayda, göletteki küçük bir dalga gibi yayılan Maxwell dalgasının çok çarpıcı bir özelliği olduğu anlaşıldı. Bu dalga saniyede 300.000 kilometre hızla yol alıyordu; yani ışıkla aynı hızda. Bunu yalnızca bir tesadüf saymak imkansızdı. Maxwell, elektrik ve manyetizma dalgasının bir ışık dalgasından farksız olduğunu düşündü. Maxwell’ e dek hiç kimse (belki elektriğin öncülerinden Michael Faraday’ı bir kenara koyabiliriz bu noktada) , ışığın elektrik ve manyetizmayla bağlantılı olduğuna dair en ufak fikre sahip değildi. Ancak öyleydi; tam da Maxwell’in denklemlerinde yazdığı gibi: Işık elektromanyetik bir dalgaydı.

Manyetizma, mıknatısın çevresindeki uzayı kaplayan görünmez bir güç alanıdır. Bir mıknatıs çubuğunun manyetik alanı, yakınında bulunan metal objeleri kendine çeker. Bir de elektriksel alan vardır; elektrikle yüklü bir kütlenin etrafındaki uzayı sarmış olan, görünmez bir güç alanıdır bu. Örneğin naylon bir süvetere sürtülen plastik bir tarak, küçük kağıt parçalarını kendisine çekebilir.

Maxwell denklemlerine göre ışık, suda yayılan dalgaları andıracak şekilde, bu görünmez güç alanlarında yayılan bir dalgadır. Su dalgası için konuşacak olursak, dalga geçip giderken değişen unsur suyun düzeyidir – bu düzey artar ve azalır, azalır ve artar. Işıkta ise değişkenlik gösteren unsur manyetik ve elektrik güç alanlarının düzeyidir – güç seviyeleri artar ve azalır (aslında bir alan büyürken diğeri sönümlenir, ancak bunun şu an için bir önemi yok).

Peki ama, elektromanyetik dalganın ne olduğu konusuna neden böylesine girdik? Bunun nedeni, Einstein’ın sorusunu tam olarak anlayabilmemiz için hunun gerekli olması: Yakalayabilecek olsaydınız ışık huzmesi nasıl görünürdü?

Otoyolda ilerlerken, saatte 1 00 kilometre hızla yol alan bir otomobili yakaladığınızı düşünelim. Yan yana geldiğiniz esnada diğer otomobil nasıl görünecektir? Elbette ki, durağan bir görüntüsü olacaktır. Camınızı açacak olursanız, motor gürültülerinin üzerinden diğer otomobilin şoförüne bağırabilirsiniz bile. Aynı şekilde, bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, bu huzme durağan bir görüntü kazanırdı; tıpkı gölet üzerinde donup kalmış bir dizi dalga gibi.

Öte yandan (ve 16 yaşındaki Einstein tarafından fark edilen esas nokta da budur), Maxwell denklemlerinin donmuş bir elektromanyetik dalga, bir diğer deyişle, elektrik ve manyetik alanları ne büyüyen ne de sönümlenen, sonsuza dek hareketsiz duran bir dalga üzerine önemli bir çıkarımı bulunuyor: Böyle bir şey yok! Durağan bir elektromanyetik dalga, imkansızdır.

Einstein böylece yaşına göre çok erken sorulmuş bu önemli sorusuyla, parmağını fiziğin kurallarında önemli bir paradoksun -ya da tutarsızlığın- üzerine koymuş oldu. Bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, varlığı imkansız olan durağan bir elektromanyetik dalga görecek olurdunuz. Ve imkansız şeyleri görmek de imkansız olduğundan, bunun anlamı hiçbir zaman bir ışık huzmesini yakalayamayacağınızdır! Diğer bir ifadeyle, evrende sonsuz hızın yerini almış olan, asla yakalanamayacak şey, ışıktır.

Karşıt Kutuplar

Kutupluluk doğanın her yanına nüfuz etmiş bir özelliktir. Sadece dünyanın kuzey ve güney kutupları olarak mevcut değildir. Aynı zamanda, çekirdeklerin bir değil iki manyetik kutbu varmış gibi davrandıkları atomaltı düzeyde de mevcuttur. Diyalektik, doğa tecrübemizin sonucu olarak kanıtlamıştır ki, genelde tüm kutupsal karşıtlar, karşıt kutupların birbirleri üzerine karşılıklı eylemiyle belirlenirler, bu kutupların ayrışması ve karşıtlığı, ancak bunların karşılıklı bağlantı ve birliğiyle varolur, ve tersinden, bunların birliği ancak bunların ayrışmasında varolur ve karşılıklı bağlantıları da ancak karşıtlıklarında varolur. Bu bir kez saptandı mı, itme ve çekmenin sonuçta birbirini götürmesi, ya da hareketin bir biçiminin bir yarıya ve diğer biçiminin diğer yarıya bölünmesi gibi bir sorun olamaz, dolayısıyla iki kutbun karşılıklı olarak iç içe geçmesi ya da mutlak ayrışması gibi bir sorun da olamaz. Bu, ilk durumda mıknatısın kuzey ve güney kutuplarının karşılıklı olarak birbirlerini götürmelerini istemekle, ya da ikinci durumda mıknatısı iki kutup arasında ortadan bölmenin, bir tarafta güney kutbu olmayan kuzey bir yarım ve diğer tarafta da kuzey kutbu olmayan güney bir yarım doğurmasını istemekle eşit olur.

İnsanların mutlak ve değişmez karşıtlar olarak gördüğü bazı şeyler vardır. Örneğin, aşırı bağdaşmazlık kavramını anlatmak istediğimizde “karşıt kutuplar” terimini kullanırız: kuzey ve güney mutlak olarak sabitlenmiş ve karşıt olgular olarak görülürler. Gemiciler bin yıldan fazladır kaderlerini, onlara bilinmeyen denizlerde kılavuzluk eden ve her zaman kuzey kutbu denen esrarlı şeyi gösteren pusulaya teslim etmektedirler. Oysa daha yakından bir analiz, kuzey kutbunun ne sabit ne de kararlı olmadığını göstermektedir. Dünya, kendi merkezinde, yer eksenine paralel olarak uzanan adeta dev bir mıknatıs varmışçasına güçlü bir manyetik alanla (jeosantrik bir eksen dipolü) sarılmıştır. Bu, dünyanın merkezinin esasen demirden oluşan metalik bileşimiyle ilişkilidir. Güneş sisteminin oluşumundan bu yana geçen 4,6 milyar yılda, dünyadaki kayalar defalarca oluştular ve yeniden oluştular. Ve sadece kayalar değil, her şey.
Devamını oku “Karşıt Kutuplar”

Nicola Tesla

1856 yılı 9 Haziran gece yarısı, bugünkü Hırvatistan’ın Smiljan kasabasında doğan Nikola Tesla, teknolojiyi ve yaşamlarımızı etkileyen buluşlarıyla tüm zamanların en önemli mucitlerdendir. Tesla aynı zamanda gelmiş geçmiş en büyük dehalardandır. Bugün pek de tanınmayan bu dehanın yaşamını ve çalışmalarını araştırdığımızda şaşırmamak, felsefenin desteği ile bile oldukça güçtür. Günümüzde kullanılan ve nispeten hâkim olduğumuz yüzlerce önemli icadının yanı sıra, bazı önemli teorileri ve çalışmaları vardır ki, bugün için bile anlaşılamamıştır ve hala büyük gizemini korumaktadır. Bunlardan bazıları; savaşlara son verecek bir süper savunma kalkanı, elektriğin ve enerjinin kablosuz aktarımı -iyonosfer tabakası kullanılarak tüm dünyanın aydınlatılabilmesi, dolayısıyla neredeyse bedava elektrik- atmosferde sokak lambaları ve meteorolojik koşulların kontrolü, insan bedeninin enerjisi ile çalışabilen araçlar -örneğin otomobiller.

Tesla, teknoloji adına Modern Çağ’ın temellerini atmıştır. Hiç evlenmemiştir. Buluşları ile insanlara servet ve şöhret kazandırıp, parayı ve şöhreti reddeden Tesla fakir ve yalnız bir şekilde hayatına veda etmiştir. Fikirleri ve yaşam şekli ile sanki başka bir dönemden gelmiş gibidir. Hiç yorulmamış ve çalışmalarından vazgeçmemiştir. Döneminde anlaşılmadığına, buluşlarının bir devrim niteliğinde olduğuna -ikinci endüstri devrimi- günümüz bilim insanlarına ve süper devletlerine nasıl ilham kaynağı olduğuna baktığımızda, Tesla’nın çağının çok ötesinde bir bilim insanı olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Döneminde neredeyse bilinmez olan elektriğin gizemlerini çözüp geniş alanlara taşıyarak elektrik ve elektronik çağını başlatmıştır. Yüzlerce icadının yanı sıra bugün bile tam olarak hâkim olunamayan yeni bilimsel alanlar açmıştır. Alternatif akım ve motorları, radyo, radar, flüoresan, x-ışını, uzaktan kumanda, kablosuz iletişim Tesla’nın akla ilk gelen icatlarındandır. Tesla olmadan alternatif akımın ve buna uygun çalışan motorların, televizyonun, MR’ın (Manyetik Rezonans Görüntüleme), robotların, faks makinesinin ve daha birçok buluşun mümkün olamayacağını söyleyebiliriz. 800’ü patentli yaklaşık 1000’e yakın icadı olmasına rağmen bu deha günümüzde pek tanınmamaktadır. Yaşamı boyunca birçok engel ile karşılaşan Tesla’nın en büyük ve sürekli çabalarından biri, çalışmalarını sürdürebilmek için finansal kaynak bulabilmek olmuştur. Belki de döneminin çok ötesinde olduğu için anlaşılamayan, çoğu zaman yalnız ve maddi sıkıntılar içinde olan bu deha, son yıllarını geçirdiği New York’taki bir otel odasında 7 Ocak 1943’te yaşama veda etmiştir.

Devamını oku “Nicola Tesla”