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

Dünya kendi ekseni etrafında saatte 1000 mil hızla dönüyor. Eğer bir otomobil ya da araç bu hızı aşabilirse ne olur?

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

 

Elektronların hızı yaklaşık olarak ne kadardır?

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 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.

 

Boyumuzun uzunluğu yerin bize uyguladığı yerçekimi kuvvetini etkiler mi? Yani boyumuz uzun olursa daha mı az ya da daha mı çok yerçekimine maruz kalırız?

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.

Yolcu uçaklarının uzun mesafeli uçuşlarında, Dünya'nın kendi ekseni çevresindeki dönüş yönü ve hızı uçuş süresini etkiler mi? Bir arkadaşım Türkiye'den ABD'ye gidiş süresinin dönüşten daha kısa olduğunu söyledi. Bu durum merak ettiğim konuyla ilgili mi? İlgilerinize teşekkür ederim.

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.

… Bilindiği gibi -273 °C'de atomlar titreşme yapmazlar. Buna bağlı olarak da bu sıcaklıkta bir direnç göstermezler. Çünkü direnç, maddenin cinsine bağlı olduğu gibi sıcaklığa da bağlıdır. … Kuantum fiziğinde bir molekülün … [en düşük enerji seviyesinde bile bir titreşme hareketi yaptığını gördük.] Ben buradan, cismin sıcaklığı ne olursa olsun, moleküllerinin her durumda bir enerjiye sahip olacağı anlamını çıkarıyorum. -273 °C'de bile bir molekül mutlaka titreşecektir. Titreştiğinden dolayı da bir dirence sahip olacaktır. … Bu çelişkiyi nasıl açıklayabiliriz?

 

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 bir çok 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 gerçekleşebilmesi
için, 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.

 

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 gerçekleşebilmesi
için, 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.

Sadece tek tarafını gösteren camlar nasıl yapılıyor?

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?" sorusunun detaylı 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 için 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 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.

 

 

Resim1: Eğer cam ışığı sadece sağa geçiriyorsa, sağ odacığa ısı aktarımı
olur.

 

Resim2: Cam sağa daha fazla oranda ışık geçiriyorsa, denge durumunda
sağdaki cisim daha sıcak olacaktır.

 

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 da 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 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. Detayları ve aynı deneyin daha değişik diamanyetler için
nasıl yapıldığını görmek istiyorsanız

http://www.sci.kun.nl/hfml/froglev.html
adresini tıklayabilirsiniz.

Bir yıldızın karadeliğe dönüşebilmesi için kütlesinin belli bir limitin üzerinde olması lazım. Ama bir karadeliğin olay ufkuna sahip olması için (teoride) kütlesinin belli bir limit üzerinde olmasına gerek yok. Örneğin bir kalemi bile yeterince sıkıştırabilirsek bir karadelik elde edebiliriz. Burada önemli olan kütlenin değil yoğunluğun belli bir sınırın üzerine çıkması.
Sorum şu: Bir atomun kütlesinin, atomun hacmine oranla çok küçük bir alanda, çekirdekte toplandığını biliyoruz. Acaba atom çekirdeğinin, ondan da öte proton ve nötronların her birinin kendi olay ufkuna sahip olacak yoğunlukları yok mu? Eğer varsa çekirdek içi kuvvetler bununla alakalı olabilir mi?

 

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 iyonlaranın 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.

 

Hız zamana bölünmüş mesafedir. Einstein hızın aynı olması için mesafe ve zamanın FARKLI olması gerektiğini düşündü. Bu da zamanda kuşkulu bir şeyler olduğunu gösterdi. Bana göre zaman ve mesafenin farklı olması gerekmiyor. Başka bir deyişle Einstein'ın ışık hızının mutlak, uzay ve zaman aralıklarının izafi olduğunu düşünmesi bana çok ters düşüyor. Şöyle ki Newton kuralları daha geçerli gibi gözüküyor: zaman ve mesafe aralıkları mutlaktır ve ışık hızı izafidir. Bunun açıklamasını da Einstein'ın kendi verdiği bir örnekle gösterebilirim. Elimizde bir yolcu vagonu olsun ve vagonun ortasında bir adam olsun, bu adamın elinde her iki tarafa aynı anda ışık saçabilen bir alet olsun. Adam aletin düğmesine bastığında vagonun sonundaki kapı ile başındaki kapıya ışık ulaştığında kapılar açılsın. Bu adamı da dışarıdan izleyebilen başka bir adam olsun. Şimdi tren giderken adam bu aletin düğmesine bastığında kapılar trenin içindeki adama göre aynı anda açılır ama dışarıdaki gözlemciye göre arka kapı daha önce açılır. Burada göreceli bir kavram söz konusu. Şimdi Einstein'ın söylediğiyle ne kadar tezat olduğunu göstermek ve sorumu sormak istiyorum. Albert Einstein diyor ki: Işık nasıl yayılırsa yayılsın hareket eden kişi de duran kişi de ışığı aynı hızda gittiğini görür. Burada durmak istiyorum. Tren örneğine dönelim: Trenin dışındaki gözlemci arka kapının daha erken açıldığını görüyor; bu durumda Einstein'ın söylediği gibi ışık hızı herkes için aynıdır yargısı yok oluyor. Eğer aynı olsaydı dışardan trene bakan kişi de kapıların aynı anda açıldığını görmüş olmaz mıydı? Bir şey daha söylemek istiyorum. Diyelim ki ışık hızından 6.279mil/sn hızla daha yavaş giden bir araçta olduğumuzu düşünelim ve arkamızdan ışık ışını yollansın. Bu durumda ben Einstein'ın dediği gibi ışığın hızını 186.279mil/sn mi? yoksa Newton'un dediği gibi 186.279-180=6.279mil/sn olarak mı görürüm?

 

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.