FIZIK BILIMININ TARIHSEL GELIŞIMI VE
ÖLÇMENIN ÖNEMI
Bilgi edinmede bilimsel yöntem dışında izlenecek başka bir yol yoktur; bilimin erişemediği bir şeyi bildiğimiz savı bir safsata olmaktan ileri geçmez.
Bertrand Russell
Doç. Dr. ÜLKÜ BAYHAN
Burdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
Fizik Bölümü
ulku.bayhan@gmail.com
Göller Bölgesi Aylık Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı Cilt 9 Sayı 101 A
Giriş:
Fizik doğadaki işleyişi anlama sanatıdır. Bu sanatın oluşumu temel fizik prensiplerini incelemek ve “Neden, Nasıl” sorula-rına cevap aramak ile gelişen süreçler ile devam eder. Fizik bilimi bu yönüyle, tüm bilim dallarının temelindeki yerini almıştır. Fiziğin güzelliği, temel fizik teoremlerinin sade ve basit anlatımında yatar. Fizik, az sayıda temel kavram varsa-yım ya da formül ile çevremize bakış açımızı değiştirir. Fizik bilimi 4 temel alana ayrılabilir:
I. Işık hızından daha küçük hızlarda hareket eden makro dünyada deneyimlediğimiz olayları inceler. Bu kı-sımda atomlara göre çok daha büyük cisimlerin davranışla-rının incelendiği Klasik Mekanik,
II. Tüm hızlarda, özellikle ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerin hareketini incelediğimizde fayda-landığımız ve bu durumda sorularımıza cevap alabildiğimiz Rölativite Teorisi,
III. Isı, sıcaklık, iş vb. kavramları açıklaya yarayan ve çok sayıdaki parçacıkla çalışılmasını kolaylaştıran Termodina-mik ve İstatistiksel Mekanik,
IV. Hem makro hem de mikro durumdaki parçacıkların davranışını açıklayan fiziksel yasaları içeren Kuantum Me-kaniği şeklinde özetlenebilir.
Bilim dallarının tümü deneysel gözlem ve nicel ölçümlere dayanır. Fizik yöntem olarak deneysel gözlem ve nicel ölçü-mü kullanarak, doğal olayları yöneten sınırlı sayıdaki temel yasaları bulmak ve deneylerin sonuçlarını öngörecek teori-lerin geliştirilmesini ana amacı olarak kabul eder. Bulunan temel yasalar veya oluşturulan modeller ile nicel gözlem-ler sonucu elde edilen deney sonuçları arasındaki ilişkiyi açıklama safhasında matematik biliminden temel bir araç olarak ya da açıklama dili olarak faydalanılır. Bundan dolayı matematik, fizik bilimini anlamada ve uygulamada fizik bili-minin amacını gerçekleştirmesinde güvenilir bir dildir. Bir fiziksel modeli incelemek ve anlamak için kurulan teo-rileri bu model üzerine yapılan deneylerin uyumlu olmadı-ğı durumlarda teori veya deneyi değiştirmekle geliştirmek gerekebilir. Belirli şartlar veya kabuller çerçevesinde iyi sonuç alınabilirken, şartlar olmaksızın bazı fiziksel olayları açıklamada yeterli olabilir. Tarihte bir cismin hareketini ta-nımlamak amacıyla 17. yüzyılda Isaac Newton (1642-1727) tarafından keşfedilen hareket yasaları kullanılmaktayken 1900’lü yılların başlarında yüksek hızlarda (ışık hızına ya-kın) hareket eden cisimlerin incelenmesi Newton hareket yasalarından sapma ve teori ile deneysel gözlem arasında uyumsuzluk olduğu görülmüştür. Albert Einstein (1879-1955) tarafından 1900’lerde geliştirilen özel görelilik (röla-tivite) teorisiyle, hem ışık hızına göre daha düşük hızlarda
hem de ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerin hareket başarılı bir şekilde açıklanabilmiştir. Bu yüzden özel görelilik teorisi daha genel bir teoridir. Fizik alanında, özel görelilik teorisine, yani 1900’lü yıllara kadar geliştirilen teo-rileri ve bu teoriler desteklemek için yapılan deneyler klasik fiziğin tamamını oluşturur. Geliştirilen teoriler içinde ter-modinamik yasaları, elektromanyetizma konuları da dahil olmak üzere incelenmektedir. Isaac Newton o yıllara kadar gözlem ve deney sonuçları ile modellenen fiziksel prob-lemleri sistematik bir şekilde teoriye aktararak geliştirmiş ve insanoğlu evrenin şifresinin çözüldüğünü görmüştü. 18. Yüzyılda Galileo’dan miras kalan ve Isaac Newton’un kla-sik fiziğe kazandırmış olduğu hareket kanunlarının ayrıca matematik formülleri çıkartılmış ve işlerliği günümüzde bilgisayar simülasyonlarında kullanılan ve “klasik yaklaşım” olarak bilinmektedir. Makro düzeyden mikro-nano sistem-lerde kaba bir hesaplama yapılarak incelenen sitem hakkın-da önemli bilgileri içeren sonuçlar elde edilir. Bu gelişmeler ışığında klasik fizikte gelişmeler olmasına rağmen, termo-dinamik ve elektromanyetizma alanlarında teori ve de-ney arasındaki geçiş daha ayrıntılı olarak anlaşılamamıştır. Kurulan teoriyi sınamak için yapılan deneylerde kullanılan cihazların geliştirilmesi ve ölçme duyarlılıklarının artması ile fark edilebilir duruma gelmiştir. Bu yüzden 19. yüzyılın başlarında geliştirilen deneysel aletler ile fiziksel bir mode-lin teorisi ve deney arasındaki ilişki daha duyarlığı yüksek biçimde görülebilmiş ve incelenmesi mümkün olmuştur. Sonuçta klasik fiziğin etrafımızdaki fiziksel olayların anla-tılmasında güçlükler olduğu fark edildi. Açıklanamayan fiziksel olaylar hem yeni teorilerin, hem de yeni deneysel tekniklerin geliştirilmesinin gerekli olduğunu ortaya koy-muştur. Bu süreç içerisinde yaşanan gelişmeler sonucunda 19. yüzyılın sonlarına doğru modern fiziğin doğuşu ger-çekleşmiş ve klasik fiziğin problemleri açıklamada yetersiz kaldığı kısımlar görülerek tespit edilebilmiştir. Modern fizik çağında yaşanan en önemli ilk olay, kuantum mekaniği ve rölativite teorisinin geliştirilmesidir ki, Albert Einstein’ın rö-lativite teorisi geleneksel uzay- zaman-enerji kavramlarını açıklamakta başarılı olmuştur. Kuantum mekaniği ise hem makroskobik hem de mikroskobik dünyaya uygulanabilirlik ve atomik seviyedeki fiziksel olayların tanımlanmasını sağ-lamak için bilim insanları tarafından iyi bir temele oturtul-muştur.
Ölçmenin önemi:
Herhangi bir fiziksel modeli tanımlayan teori ve bu teorinin gerçekliğini araştıran deneysel yöntem temel nicelikler içe-rir. Fiziksel modelin teorisi deney ile desteklenerek kanun-laşması, bu fizik kanununun da temel nicelikleri olacaktır. Mekanikte üç temel nicelik vardır; uzunluk ( ) , zaman ( ) ve kütle ( ). Tüm temel 7 fiziksel nicelik bu büyüklükler cinsinden ifade edilerek tanımlanır. Bir fizik kanunu hangi niceliklere bağlı olduğu, nasıl değiştiği ve hangi şartlarda
geçerli olduğu sınırları tanımlanarak standart ve hepimize göre tanınan büyüklükleri belirlemek gerekir. Farklı tanım-ların ise dönüşümü sağlanmalıdır. Standart belli olmadı-ğında fizik kanunlarının tanımlanmasında güçlükler ortaya çıkartabilir. Standartlar belirlenirse bu konuda anlaşılabilir alış-verişi yapabilirsiniz. Bu durumda yapılan ölçüm öne çı-kar ve kimin, nerede bu ölçümü yaptığı önemsizdir.
1960 yılında Uluslararası Bilim Kurulu tarafından standart hale getirilen ve mekanikte kullanılan uzunluk-kütle-za-man gibi kavramları da içeren 7 temel büyüklük ve yeni bir birim sisteminde anlaşmaya varıldı. Kabul edilen SI (Inter-national System of Units) kütle birimi , uzunluk birimi ve zaman birim ‘olarak kabul edildi. Di-ğer standart SI birimleri sıcaklık için , elektrik akımı için aydınlanma şiddeti için candela (cd) ve madde miktarı için olarak belirlenmiştir. Mekanikte sadece kütle, uzunluk ve zaman birimleri kullanılır.
Birim dönüşümü gerektiren, ABD ve İngiltere’de kullanılan birimler standart birim değildir.
Birimlerin kullanımına dikkat edilmemesi halinde isten-meyen olaylar yaşanabilir. Özellikle ABD ve İngiltere henüz metrik sistem kullanmamakta, buna bağlı olarak da özellik-le endüstriyel ürünözellik-lerin kullanımında bazı karışıklıklar
ya-şanabilmektedir. Örneğin; 1998 yılında Mars gezegeninin atmosferini incelemek için gönderilen bir uzay aracı, bu birimlerin birbirine çeviriminde yapılan bir hata nedeniyle Mars atmosferine girerken yanmıştır.
Göller Bölgesi Aylık Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı Cilt 9 Sayı 101 A
Masallarda anlatılan boyutlarda canlılar gerçek olabilir mi?
Fizik bilimi boyutlar arası uyum ile çalışır. Fiziksel hesapla-malar dışında örneğin bir roman yazmayı düşünseniz hayal kahramanlarınızın gerçekte var olup olamayacağını fizik bi-limi söyleyebilir mi? Aslında okuduğumuz çocuk masalları fizik bilimindeki boyutlar düşünüldüğünde gerçek olabilir mi?
Bazı filmlerde şehri basan dev maymunlar görebiliyoruz. Olaylar 18. Yüzyılda geçer ve Jonathan Swift’in düşsel gez-ginci roman kahramanı Lamuel Gulliver, “Gulliver’in Mace-raları” isimli romanda ağaçları otları insanları ile dünyaya benzeyen, fakat dünyadakinin 10 ‘da biri kadar küçük insan-lar ve devlerin olduğu bir ülkede geçen macerainsan-larını anla-tır. Fizik biliminde ölçme bu derecede önemli ise bir de bu yazılanların doğruluk değerlerine bakalım. Acaba bu deni-lenler madde dünyasında yapılabilir mi? Swift’ten çok önce yaşayan Galileo, insandan çok küçük ve çok büyük canlıla-rın neden yaşayamayacağını anlatmıştı. İnsan vücudunun birçok sütun ve kablolar ile birbirine bağlanarak inşa edilen bir yapı olduğunu düşünerek modelleyelim. Vücudumu-zun ağırlığı et ve kemik miktarı ile orantılıdır. Ağırlığımız ise hacmimiz ile orantılıdır. Gulliver’i kendisinin 10 katı büyük-lükte olası bir dev ile karşılaştırırsak onun her uzunluğu şe-kil ve kesit olarak Gulliver’in boyutlarının 10 katı olmalıdır. Devin sütun ve askılarının dayanıklılığı kesiti ile, kesitler de uzunluğun karesi ile orantılıdır. Devin kemikleri 10x10=100 kez daha dayanıklı olmalıdır. Ağırlığı da hacmi ile orantılı olduğundan ve bu da boy uzunluğunun küpü ile orantılı olduğundan 10x10x10=1000 kez daha büyük olacaktır. Da-yanıklılık/Ağırlık =1/10 olacaktır. Bu durumda dev kendisini taşımakta, bizim kendimiz kadar 9 kişiyi sırtımızda taşırken çektiğimiz sıkıntıyı çekecek demektir. Bilimin bir toplumu olumlu yönde etkilemesi için her şeyden önce bilimsel dü-şünme biçiminin geniş halk kitleleri arasında yayılmasına, ortak-düşüncenin bir parçası haline gelmesine ihtiyaç var-dır. Bu ise geniş ölçüde bir eğitim sorunudur. Kültürümüze bilimsel nitelik kazandırmak her düzeydeki öğrenimin baş-lıca amacı olmalıdır. Bu sağlanmadıkça bilimin ne sanat ve ahlaki değerlerle kaynaşma olanağını sağlayabiliriz; ne de bugün karşılaştığımız birtakım çetin sorunlara etkin çö-zümler bulmayı bekleyebiliriz. Bu kitap bu yolda küçük bir hizmet sağlarsa, yazar emeğini yeterince değerlendirilmiş sayacaktır. Öyleyse gerçekte ne dev ne de Lilliput krallığın-daki küçük insanların ne şimdi ne de gelecekte yaşaması da olanaklı görünmüyor. Ne dersiniz?
Sonuç:
Temel bilimler ve temel bilim olarak fizik bilimi, bir toplu-mu olumlu yönde etkileyebilir. Bunun için her şeyden önce
bilimsel düşünme biçiminin geniş halk kitleleri arasında yayılmasına, ortak düşüncenin bir parçası haline gelmesine ihtiyaç vardır. Kültürümüze bilimsel nitelik kazandırmak her düzeydeki öğrenimin başlıca amacı olmalıdır. Bu sağlandı-ğında bilim, sanat ve ahlaki değerlerle kaynaşma olanağı bulabilir. Böylelikle karşılaşılan sorunlara bilimin ışığında etkin çözümler bulmayı bekleyebiliriz.
Kaynaklar:
Ain A. Sonin, The Physical Basis of Dimensional Analysis, De-partment of Mechanical Engineering MIT, 2. Baskı, 02139, Cambridge, 2001.
Hugh D. Young, Roger A. Freedman, Sears ve Zemansky’nin Üniversite Fiziği 1, Pearson Akademik Kitaplar, 14. Baskı, No: 3, İstanbul, 2016.
Raymond A. Serway, Robert J. Beichner, Fen ve Mühendislik için Fizik 1, Palme Yayıncılık, 5. Baskı, No: 10, Ankara, 2007. Richard P. Feynman, Matthew Sands, Robert B. Leighton, Fey-nman Fizik Dersleri Cilt 1: Mekanik, Işınım, Isı, Alfa Yayıncılık, 1. Baskı, No: 15, İstanbul, 2016.
[URL 1: http://www.megep.meb.gov.tr/mte_program_mo- dul/moduller/Fiziksel%20B%C3%BCy%C3%BCkl%C3%BCk-lerin%20%C3%96l%C3%A7%C3%BClmesi.pdf Erişim tarihi: 30.07.2021]
