Einstein üzerine – Mehmet Ali Döke

Einstein üzerine (I): Umulmadık bir Deha’nın mucize yılı

Bugün dünyanın herhangi bir köşesinde giriş düzeyinde bile olsa fizik öğrenip Einstein’ın adını duymamış kimse yoktur herhalde. Einstein’ın toplum hafızasına kazınmış ve tarihte kendine yer edinebilmiş olmasının altında kuşkusuz bilime yaptığı katkılar yatmakta. Bu yazı dizisinde bu katkıların neler olduğunu, hangi şartlar altında yapıldığını ve Einstein’ın ününe iki dünya savaşının katkısını inceleyeceğiz.

20. yüzyılın başıydı. Fizik ve matematik öğretmenliği diplomasını yeni almış olan Albert iş aramaya koyuldu. İki yılın sonunda kendi alanında çalışma imkânı bulamadığında fizik ve matematik bilgisi sayesinde –ve araya tanıdık sokarak- İsviçre Patent Ofisi’nde teknik asistan olarak çalışmaya başladı. Kendisine verilen işleri kolay bulduğundan bolca serbest zamanı oluyordu. Bir yandan da Zürih Üniversitesi’nde Alfred Kleiner’ın danışmanlığında Moleküler Boyutları Belirlemede Yeni Bir Yaklaşım (A New Determination of Molecular Dimensions) başlıklı doktora tezini verdi.

Aynı yıl, 26 yaşındaki Albert Einstein, dört adet çığır açan makale basarak bilim dünyasında adından konuşturur oldu. Modern fiziğin temelinin atılmasında önemli rolü olan bu dört makaleyi aynı yıl içinde yayımladığından 1905 senesi, Einstein’ın Mucize Yılı (Lat. Annus Mirabilis) olarak adlandırılır.

Dört makalenin ilki fotoelektrik etki, özellikle metallere belli eşik şiddet ve dalga boyunun üzerindeki ışık düştüğünde ortaya serbest elektron ve diğer parçacıkların çıkması üzerineydi. Uzun zamandır fizikçilerin kafasını yoran bu olguya açıklama getirmeye çalışan Einsten, bu sırada ışığın dalga-parçacık ikili doğasına dair önemli saptamalar yaparak kuantum mekaniğinin de temelinde yer alacak katkılarda bulunmuş oldu. Einstein’ın 1921’de aldığı Nobel Fizik Ödülü’nde de özel olarak bu makaleye doğrudan atıfta bulunulmaktadır.

İkinci makalenin konusu ise Brown Hareketi idi. Brown Hareketi, mikroskobik parçacıkların sıvı içerisinde gelişigüzel ve önceden kestirilemez yönlerde yaptığı hareketlerdir. Bu durumun mikroskop altında gözlenmesinin üzerinden uzun zaman geçtiği halde Einstein’ın döneminde halen açıklanamamıştı. Einstein, her biri o dönemde tartışmalı olan gazların kinetik teorisi, istatistiki mekanik ve atom teorisini harmanlayarak Brown Hareketi’ne mekanistik bir açıklama getirmeyi başardı. Böylece, belki de en önemlisi atomun gerçekliği üzerine olan ve fizik bilimi içinde hararetli tartışmalara yol açan üç farklı konuya da deneysel destek sağlamış oldu.

Her ne kadar çığır açan fikirlerle dolu olsalar da çoğumuz Einstein’ın bu iki makalesinden habersiz olabiliriz. Zira fizik ile yakından ilgilenmeyenlerin pek de merak edeceği konular değil. Sıradaki iki makaleden gelen bilgi ise az çok bilime merakı olan herkesin kulağına bir yerlerden çalınmıştır büyük ihtimalle.

Mucize yılın üçüncü makalesi Hareket Halindeki Nesnelerin Elektromekaniği Üzerine (Zur Elektrodynamik bewegter Körper) başlığı ile yayımlandı. Bu makalede Einstein, bilimde önceden eşi benzeri olmayan büyük fikrini, özel görelilik ya da eski adıyla izafiyet kuramını açıklıyordu. Bu fikir o kadar yeni ve önceki bütün fizik biliminin o kadar dışında, bağımsız olarak ortaya çıkmıştı ki sıra dışı bir şekilde hiçbir başka bilimsel yayına atıfta bulunmuyordu! Yine de makalede beş araştırmacının adı geçiyordu: Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Heinrich Hertz, Christian Doppler ve Hendrik Lorentz. Dahası, makalede yer alan düşüncelerin pek çoğu daha önceden ortaya atılmış ve belli ölçüde tartışılmış olsa da Einstein’ın makalesi tarihte ilk defa zaman, mesafe, kütle ve enerjiyi tek bir kuram altında toplamakla kalmıyor, bir de bu kuramı elektromanyetizma ile tutarlı bir halde sunuyordu. İşin aslı, bu makalenin evrendeki her şeyi birbiriyle bağlantılandırmaktan tek eksiği kütle çekim kuvvetini dahil edememiş olmasıydı. Bugün fizik öğrenen herkesin temel bilgi olarak aldığı “kaynağın hareketinden bağımsız olarak ışık hızı bütün gözlemciler için sabittir ve aynıdır” kanunu da ilk defa bu makalede yer aldı. Böylece Einstein, daha önce büyük çaplı fiziksel nesneler için kabul gören görelilik ilkesini elektromanyetizma ve optik alanına da kazandırmış oldu. Newton fiziğine tamamen aykırı olan bu fikir ile tamamen yeni bir fiziğin kapısı açılmış oldu.

Dördüncü makale ise yine fiziği temelden değiştirecekti ve belki de insanlık tarihinin en yaygın olarak bilinen denklemini içinde barındırmaktaydı**. Bu yayında Einstein, nesnelerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin dışında bir de durgun enerjiye sahip olduklarını öne sürüyordu. Durgun halde olan (hareket etmeyen) nesnelerde bile sürekli bulunan bu enerjinin (E), nesnenin kütlesi (m) ile ışık hızının (c) karesinin çarpımına eşit olduğunu söylüyordu ya da basitçe E=mc2. Bu denkleme göre madde enerjiye, enerji de maddeye dönüşebilmekteydi. Bu noktadan hareketle artık bir çekirdek tepkimesinde ortaya ne kadar enerji çıktığını hesaplamak için tek yapmak gereken tepkime başlangıcındaki malzeme ile tepkimenin sonunda kalan malzeme arasındaki kütle farkını bulmak ve bu farkı ışık hızının karesi ile çarpmaktı. Tabii bu sayede kütlenin büyük ölçüde korunduğu kimyasal bombalara kıyasla, çekirdek tepkimesine dayalı nükleer bombalar arasında muazzam bir enerji farkı olduğu da anlaşılıyordu.

Sene 1905 idi. Albert Einstein fizik doktorasını yeni bitirmiş, 26 yaşında, adını daha önce kimsenin duymadığı bir patent memuru olmaktan bir yıl içinde yayımladığı dört makale ile fiziğin çağ atlamasına ön ayak olan ve çağdaş fiziğin temellerinin önemli bir kısmını atan bir deha konumuna fırlamıştı. Makaleler yayımlandıktan kısa bir süre sonra Einstein’ın fizik çevrelerinde adı duyulmuş ve rağbet görür olmuştu. Tabii ki herkes bir anda “bildiğiniz fizik yanlış, bende doğrusu var” diye ortaya çıkan bu genç adama inanacak değildi. Nihayetinde sıra dışı iddialar sıra dışı kanıt gerektirir.

Bir dahaki yazıda Einstein’ın yeni fikirlerini kanıtlarla destekleme çabası ve bu çabanın onu ve ona yardımcı olmaya çalışanları içine çektiği serüvenleri işleyeceğiz.


Kaynaklar

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/einstein/biographical/
https://en.wikipedia.org/wiki/Annus_Mirabilis_papers

Einstein’ın ilk dört makalesinin özgün örnekleri:

Fotoelektrik Etki: https://www.zbp.univie.ac.at/dokumente/einstein1.pdf
Brown Hareketi: https://www.zbp.univie.ac.at/dokumente/einstein2.pdf
Özel Görelilik: https://www.zbp.univie.ac.at/dokumente/einstein3.pdf
Kütle = Enerji: https://www.zbp.univie.ac.at/dokumente/einstein4.pdf


Einstein üzerine (II): Savaşın gölgesinde bilim

Dünya çapında en çok tanınan bilim insanlarından olan Albert Einstein’ın bilime neler kattığını, bu katkıların hangi şartlar altında yapıldığını ve Einstein’ın ününe iki dünya savaşının etkisini işlediğimiz yazı dizimizin ilk bölümünde Einstein’ın genç yaşta yayınladığı dört önemli makaleyi ve bunların yeni bir fiziğin temellerini atışını ele almıştık. Buradaki ikinci yazıda ise Einstein’ın kuramsal olarak geliştirdiği bu yeni fiziğin deneysel olarak sınanmasının dönemin politik gelişmeleri çerçevesinde nasıl gerçekleştiğini inceleyeceğiz.

1905’te kendine bilim dünyasında bir isim edinmeyi başardıktan sonra bekleneceği üzere Einstein, akademide hızla yükseldi. 1908’de Bern Üniversitesi’nde okutman olarak çalışmaya başladı. Daha sonra Zürih Üniversitesi’ne geçerek 1909’da kuramsal fizik profesörü olarak doçentliğini aldı. 1911’de ise Prag’daki Charles-Ferdinand Üniversitesi’nde tam profesör oldu. Bu sırada 11 adet bilimsel yayına imza atan Einstein, ışınım matematiği ve katıların kuantum kuramı üzerine çalıştı. 1912-1914 arasında yine tam profesör olarak görev yaptığı Zürih İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nde analitik mekanik ve ısıldevinim (termodinamik) alanlarında dersler verirken, bir yandan da sürekli ortamlar mekaniği, moleküler ısı kuramı ve kütle çekim sorunu üzerine çalışmaya devam etti.

Akademik hayatta kayda değer başarıları ile öne çıkarken Einstein’ın kişisel hayatı çalkantılı hale gelmişti. İlk eşi ve kendisi gibi fizikçi ve matematikçi olan Mileva Marić ile halen evli olan Einstein, 1912’de kuzeni Elsa ile de bir ilişkiye başlamıştı. 1914’te Berlin Üniversitesi’nde çalışma fırsatı bulunca, Elsa’ya yakın olabilme fırsatını da kaçırmak istemeyen Einstein, Berlin’e taşınarak Mileva’dan – resmi anlamda olmasa da – ayrıldı. Beş yıl ayrı kaldıktan sonra 1919’da resmen boşandılar. Kendisi kariyerini inşa ederken geride planda bıraktığı (hatta bazı kaynaklara göre emeğini sömürdüğü) ve o dönemki pek çok kadın gibi ataerkil bilim dünyasında yer bulamayan Mileva ve iki oğullarının masrafları için ayrı geçirdikleri sürede belli bir miktar para söz veren Einstein, bu sözüne sadık kaldı. Boşanma sürecinde maddi durum tekrar gündeme gelince Einstein son derece ilginç bir teklifte bulundu. O zamana kadar ürettiği bilimsel birikimin Nobel’e layık görüleceğine kesin gözüyle bakarak, Mileva’ya ödül parasını kendisinin yönetimindeki bir hesaba koyup, faizini eski eşi ve çocuklarının ihtiyaçlarına ayırma fikrini getirdi. Çoğumuza göre kumar gibi görünecek bu teklife Mileva da razı oldu ve 1922’de Einstein gerçekten de Nobel ödülünü kazandı ve anlaşmaya uydu.

Savaştan ve insanların tutumundan yılan Einstein, kendini toplumdan soyutlayarak tamamen bilimsel çalışmalarına yöneldi. İşte bu sırada daha önceki hesaplarının bazılarında hatalar fark etti…

Bir yandan Einstein akademik ve özel hayatında değişimlerden geçerken bir yandan da dünyada önemli ve kaygı verici gelişmeler olmaktaydı. Einstein, Berlin’e taşındıktan birkaç ay sonra Temmuz 1914’te Birinci Dünya Savaşı başladı. Dünyanın pek çok yeri ama özellikle de Avrupa, bir avuç muktedir öyle istiyor diye daha önce tanık olunmamış boyutta yıkım ve ölüm getirecek dört yıllık karanlık bir sürece girmişti. Ne var ki insanlığın anlamsız iktidar mücadeleleri ve bizlerin hayatını kökten değiştiren savaşların, içinde Dünya’nın bir toz zerresi gibi süzüldüğü evren üzerine bir hükmü yoktur. Aşağıda insanlar birbirini öldürürken yukarıda Güneş ve Ay her zamanki hareketlerini sürdürmekteydi. İçinde bilim aşkı taşıyan bazı insanlar da her şeye rağmen akıllarını kurcalayan sorulara yanıt aramaktan vazgeçmemişlerdi.

Berlin Gözlemevi’nden William Wallace Campbell ve Erwin Finlay-Freundlichda böyle insanlar olmalı ki 1914’te cihazlarını toplayıp Almanya ile savaşın eşiğinde olan Rusya’nın yolunu tuttular. Amaçları tam güneş tutulması sırasında arka plandaki yıldızların fotoğraflarını çekmek ve yıldızların görünür sapmasını kayda geçirerek Einstein’ın genel görelilik kuramı dahilinde ışığın büyük bir gök cismi tarafından bükülmüş olan uzayda yol alırken doğrusal hareketinden sapmış gibi görüneceği öngörüsüne deneysel kanıt üretmekti. Tabii ki dünyanın geri kalanı savaş zamanı düşman ülkeler arasında seyahat edilmesine William ve Erwin kadar sıcak bakmıyordu. Rusya’da tutuklandılar ve cihazlarına el kondu. Almanya vatandaşı olan Erwin esir muamelesi görürken, savaşa katılmamış olan ABD’den olduğu için William Campbell’i salıveren yetkililer, cihazlarını geçici olarak geri vererek gözlem yapmasına da izin verdiler. Ne yazık ki bulutların engellemesi sonucu bu ikinci şans da kaçtı ve Einstein’ın kuramının sınanması sonraya kaldı.

Einstein savaşın hem insanlığın geneli hem de bilim dünyası üzerindeki olumsuz etkilerini sineye çekmektense savaş karşıtı bir bildiri yayımlayarak bir hareket başlatmayı denemiş olsa da bu girişim pek fazla ilgi çekemedi. Savaştan ve insanların tutumundan yılan Einstein, kendini toplumdan soyutlayarak tamamen bilimsel çalışmalarına yöneldi. İşte bu sırada daha önceki hesaplarının bazılarında hatalar fark etti. Yeni hesaplara göre yıldızlardan gelen ışıktaki sapma ilk hesabın ancak yarısı kadar olabiliyordu. Zaten son derece yeni ve aykırı bir kuram olan genel görelilik eğer 1914’teki tutulma sırasında sınanmış olsaydı bilim çevrelerinde dalga konusu haline gelebilir ve Einstein’ın akademideki adını onarılmaz biçimde lekeleyebilirdi. Bir bakıma, bilimin savaşla sekteye uğraması Einstein için öngörülemez bir şans olmuştu.

Eddington’a göre Almanya’nın çıkarttığı en önemli bilim insanlarından olan Albert Einstein’ın kuramının bir İngiliz araştırmacı tarafından kanıtlanması barış zamanı kurulabilecek köprülerden biriydi…

Savaş halen Avrupa’nın altını üstüne getirmekteyken Campbell, Haziran 1918’de ABD’nin Washington eyaletinde Güneş tutulmasını gözlemleme şansı yakalasa da yüksek hassasiyetli cihazları halen Rus yetkililerin elinde olduğundan yeterli kalitede fotoğraflar elde etmeyi başaramadı. Sıradaki tutulma 29 Mayıs 1919’da olacaktı ama 4 yıldır süren savaşın yarattığı derin çöküntü ve umutsuzluk artık herkesçe hissediliyordu. İngiliz gökbilimciler Frank Watson Dyson ve Arthur Stanley Eddington, 1919 tutulmasını gözlemlemek için bütün hazıklıkları çok önceden yapmışlardı. Fakat Eddington İngiltere adına savaşmak için askere çağrılmıştı. Uzun süren yasal mücadele ile 1918 yazından itibaren bir yıl erteleme alarak güneş tutulmasının olacağı tarihte halen sivil olmayı garantilemiş olsa da hem Eddington hem de Dyson savaşın o tarihten önce bitmesinden umudu kesmişlerdi ve gözlem için hazırlıklar yapılmış olduğu halde her şeyi iptal etmenin eşiğindelerdi. Tam da bu sırada, 1918 Kasım’ında, Birinci Dünya Savaşı aniden sona erdi.

Eddington, tıpkı Einstein gibi savaşın bir insanlık ayıbı olduğunu düşünüyor ve biten savaşın ardından milletler arası ilişkileri düzeltmek için her fırsatın değerlendirilmesi gerektiğine inanıyordu. Ona göre Almanya’nın çıkarttığı en önemli bilim insanlarından olan Albert Einstein’ın kuramının bir İngiliz araştırmacı tarafından kanıtlanması barış zamanı kurulabilecek köprülerden biriydi. Vakit yaklaştığında iki ekip Afrika’nın batısındaki bir ada olan Príncipe ve Brezilya’da Sobral adlı bir kasabaya doğru yola çıktılar. Principe’deki gözlemi yöneten Eddington, defterine şunları yazdı:

“Yağmur öğlen civarı durdu. 1:30 civarında ise ilk defa güneşi görebildik… Başı ve sonunda şöyle bir bakış ve ortalarda bulut durumunu kontrol etmek için bakmam haricinde tutulmayı göremedim çünkü filmleri değiştirmekle meşguldüm. On altı fotoğraf çektik. Güneş net bir şekilde görünse de bulutlar, yıldızların görülmesine engel oldular. Son birkaç fotoğraftan gelen görüntülerin ihtiyaç duyduğumuz veriyi sağlayacağını umuyorum…”

Eddington’ın bulguları 1919 sonunda bilimsel toplantılarda açıklandı ve 1920’de dönemin önde gelen bilimsel yayınlarında kendine yer buldu. Sonuçlar duyulur duyulmaz büyük gazeteler haberi coşkuyla halka yaydılar. New York Times gazetesi “Einstein’ın Kuramı Kazandı” başlığının altına “Yıldızlar göründükleri ya da oldukları hesaplanan yerlerde değiller, ama endişe edecek bir durum yok” şeklinde not düştü.

Einstein’ın kuramı hakkındaki haberler halk arasında şaşırtıcı bir ilgi ve coşku ile karşılanmasına rağmen bilim dünyası olağan şüpheciliği ile işi biraz daha ağırdan almayı seçiyordu. Eddington’ın ölçümlerini kabullenmek, halen yeni ve birçok araştırmacının tam da anlamadığı genel görelilik kuramını da kabullenmek demekti. Dahası fotoğraf kalitesinin idealin altında olması, ölçümlerin gerçekliği ve tutarlılığı ile ilgili kuşku duyulmasına yol açmıştı. Neyse ki sıradaki tutulma 21 Eylül 1922’de Avustralya’da gerçekleşecekti. Bu tutulma sırasında Campbell’in de katılımıyla tekrarlanan ışık sapması gözlemleri de kuramı destekleyince geniş anlamda bilimsel bir kabul de gerçekleşmiş oldu.

Kuramından son derece emin olan Einstein, 1919’da açıklanan sonuçlarla ilgili olarak “Peki ya bulgular sizin hesaplarınızla tutmasa ne olacaktı?” sorusuna karşılık olarak “O zaman Tanrı’ya acırdım. Kuram her hâlükârda doğru” demiş olsa da her şeyden çok nefret ettiği savaş olmasa, 1914’teki gözlemlerin eski hesapladığı bükülme mesafelerini tutmaması ile belki de tarihe akla sığmaz, saçma bir fikrin düşünürü olarak geçecek ve bilim dünyasında kendine iyi kötü bir yer bulabilse bile bütün dünyanın tanıdığı ünlü bir araştırmacı olamayacaktı.Kaynaklar

https://www.nytimes.com/2019/11/06/opinion/einstein-relativity-theor.html
https://www.forbes.com/sites/jamiecartereurope/2019/05/29/the-true-story-behind-how-albert-einstein-was-proved-right-at-a-solar-eclipse-100-years-ago-today/?sh=507d6dd355a2
https://www.quantamagazine.org/how-einstein-lost-his-bearings-and-with-them-general-relativity-20180314/
https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3099578#_i3
https://www.jstor.org/stable/10.1086/376099?seq=1

* Puerto Rico Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı, entomolog

** Okurlar eğer Einstein’ın bu makalesine göz atacak olurlarsa içinde E=mc2 denklemini bulamayacaklardır. Bunun yerine şöyle bir ifade geçer: “Eğer bir nesne dışarıya ışıma yoluyla enerji (L) veriyorsa, kütlesi L/c² oranında azalır.” Diğer bir deyişle, m=L/c² ya da L=mc². O yıllarda enerjiyi ifade etmek için L harfi kullanılsa da daha sonra bugün de kullanımda olan E harfine geçilmesiyle bu denklemin bilinen çağdaş hali olan E=mc2 ortaya çıkmıştır.

Kaynak: KARINCA

İlginizi çekebilir