Her Şeyin Teorisi - Tanrı ve Fizik .. BÖLÜM 5
Fizik yasaları nasıl ortaya çıkar?..
Bilim, „varsayım. denemektir. Bilim insanları doğayı anlamak için betimlemeler yapar. Richard Feynman.a göre; genellikle bir teoriyi şöyle buluruz37; ilk önce bir tahmin yürütürüz sonra sonuçlarını hesaplarız, sonuçları gözlemlerle kıyaslarız, eğer gözlemlerle uyumlu değilse, yanlıştır. İşte bu basit cümle, bilimin anahtarıdır. Fizik konusunda iyi bir kuramın üç bileşeni vardır;
- Evreni oluşturan malzemenin tanımlanması (bu malzeme temel parçacıklar ya da kuantum alanı olabilir),
- Malzemenin yayıldığı arena (dört boyutlu uzay zaman),
- Malzemenin tabi olduğu kurallar (fizik yasaları) kümesi.
Bir fiziksel sistemin “durumu” verili fizik yasaları altında o sistemin gelecekteki evrimini belirleyebilmek için zamanın bir sabit anında söz konusu sistem üzerinde sahip olmanız gereken tüm bilgilerdir.
Bir fiziksel özelliği ters yüz etmeyi içeren üç tür olası simetri vardır38;
- Zaman tersimesi (T); geçmiş ile geleceğin yerini değiştirir.
- Parite (P); üç boyutlu dünyada önemli olan sağ ve solun yerini değiştirir.
- Yük eşleniği (C); parçacıklar ile karşı-parçacıkları değiştirir.
T, P ve C dönüşümlerinin hepsini iki kez üst üste tekrarladığımızda başladığımız duruma döndüğünüz özellikleri vardır.
Fizikte üç tür gizem olduğu söylenebilir. Bunlardan ilki, teorilerin kendisinde saklıdır; teoriler teoriktir. İkincisi genelde araştırmaların itici gücü gözlem ve deneydir. Ama evreni bir bütün olarak deneyle test etmenin bir yolu yoktur. Üçüncü gizem artık kimse bir şey anlamaz hale geldiğinde ortaya çıkar. Kara delikler ve uzay-zaman öncesinin fiziği bu üç türe de girer 39.
Klasik mekaniğin öncüsü ve deterministik (belirlenimci) Newton, ampirik yöntemler (gözlem ve deneyler) ile elde ettiği sonuçları matematik formüller halinde kağıda dökerdi.
Bunun için de diferansiyel denklemler ve geometri kullanırdı. Kâğıda döktüğü bu sonuçlar doğanın işleyişinin bir kopyasının çıkartılması şeklindeydi ve bu nedenle doğa yasaları olarak adlandırıldı, yani „yasa. oldu. Özetle, Newton ampirik yöntemler (deney ve gözlem) ile matematik formülleri birleştiren ve hala aksi ispatlanamayan yasalar ortaya koydu. Onun yasaları özellikle büyük ve yavaş maddelerin dünyasında hala geçerlidir.
Burada kütle ve hareket ile ilgili iki yaklaşımı açıklamalıyız;
- Deterministik (belirlenimci) yaklaşım (Newton ve Einstein); “Eğer bir herhangi bir anda evrenin tüm hallerinin bilgisine sahip isek, evrenin sonsuz öncesi ve sonrası bilinebilir”.
- İndeterministik (belirlenemezci) yaklaşım (Kuantum mekaniği); bilinemez. Heisenberg Belirsizlik İlkesi (nedeniyle evrenin aynı anda tüm bilgisine sahip olamayız.) bir parçanın aynı anda hem konumunu hem de hızını ölçemezsin.
Einstein, doğaya yönelik gözlemleri sonucu model kurardı ve modelinin test edilebilir öngörüleri vardı. Bu kuramsal tasarımlar, Einstein.in teorileri oldu. Bu teorilerin öngörülerinden bazıları doğrulandı bazıları ise henüz doğrulanmadı (örneğin yer çekimi dalgalarının varlığı. Hepsi doğrulansaydı ve kuramın tüm öngörülerinin sadece eldeki bilinen öngörüler olduğuna emin olsaydık Einsten in Yasaları diyebilirdik.
Newton Yasalarının aksine Einstein.ın Teorileri doğanın işleyişinin bir kopyasının alınması değil, kuramsal tasarımlar oldukları ve bazı öngörülerinin test edilememesi ve kuramın tüm olası öngörülerinin bilindiğinin de ispatlanamaması nedeniyle teori olarak adlandırıldılar. Mevcut öngörülerinden biri yanlışlandığı takdirde her kuram gözlem ve deneyle uyuşacak şekilde modifikasyona tabi tutulur, modifikasyon işe yaramazsa yerini başka bir kurama terk eder.
Kuantum teorisi çerçevesinde hiçbir parçacığın tam olarak durumunu belirlemek mümkün değildir; ancak bir parçacığın belirli bir durumda olma olasılığı dalga fonksiyonuna göre hesaplanabilir. Heisenberg in belirsizlik ilkesine göre, hiçbir maddenin konum ve momentumu veya zaman ve enerjisi aynı anda bilinemez.
Newton ya da Einstein fiziğinde gözlemcinin gözlenen üzerinde etkisi bulunmaz; kuantum fiziğinde ise gözlemci gözleneni değiştirmeden gözlem yapamaz;) örneğin bir elektronun durumunu anlamak ve gözlem yapmak için üzerine bir foton gönderip geri gelen fotonu gözlemlersiniz; oysa foton bu arada kendi enerjisini elektrona da geçirmiş ve durumunu değiştirmiş olur. Bu yüzden gerçek durumunu anlamanız tam olarak mümkün değildir.
Newton mekaniğinde bir şeyin konumu ile ilgili gerçek kesinlik aranır, kuantum mekaniğinde ise kesinlik yoktur, en iyi betimleme dalga fonksiyonudur. Örneğin klasik mekaniğe göre, oda içinde bulunan bir kedinin “%75 olasılıkla masanın altında olduğunu düşünüyorum” gibi bir ifade kullanırsınız. Burada gerçek bir kesinlik aranır.
Kuantum mekaniğinde ise “baksa idik, kediyi masanın altında bulma şansımız %75, divanın üstünde bulma şansımız %25 olurdu” gibi bir ifade kullanırız. Burada kedinin bulunduğu gerçek bir yer yoktur, gördüğümüz olan değildir, dalga fonksiyonu ile betimlenen farklı olasılıkları belli yerlerde görürüz. Dalga fonksiyonu, uzay ve zamanda dalgalanmayı ifade eder. Aynı anda tek bir konum değerine ve tek bir momentuma odaklanan dalga fonksiyonu yoktur.
Fizik Yasaları (özet)..
Tüm fizik tüm kuramlarının üzerine inşa edildiği en parlak yapı Newton Mekaniği oldu. Bunun yanında James Clerck Maxwell.in 19. yüzyılın ortalarında ortaya çıkan elektrik ile manyetizmi birleştirmesi pek çok deneysel olguyu açıklamıştı. Ancak, iki kuram birbiri ile uyuşmuyordu. Newton mekaniği karşılıklı birbirlerinin yanından geçen iki nesnenin göreli hızlarının iki hızın toplamına geldiğini sonucunu çıkarıyordu.
Newton bilimsel çağın temellerini attı. Hareket Kanunları 40 ve Kütleçekim Teorisi bugünkü fiziğin ve mühendisliğin yapıtaşlarıdır. Genellikle Newton mekaniği olarak bilinen klasik mekanik, genel olarak cisimler üzerine etki eden kuvvetler ile ilgilenen bir fizik dalıdır. Klasik mekanik günlük olaylar çerçevesinde oldukça kesin sonuçlar üretmektedir, ancak ışık hızına yakın hızlarda hareket eden sistemler için göreli mekanik, çok küçük uzaklık ölçeklerinde sistemler için kuantum mekaniği ve her iki özelliğe sahip sistemler için de göreli
kuantum alan teorisi kullanılmaktadır.
Newton mekaniği (sadece Newton tarafından belirlenen kurallar kümesi olmadığını vurgulamak için „klasik mekanik. terimi daha çok kullanılır), dünyanın derin yapısı üzerine düşünmenin bir yoludur.
Dünya, tüm karmaşıklığına rağmen gözlemleyip tanımlayabileceğimiz şeylerden oluşur; bilardo topları, gaz molekülleri, elektromanyetik dalgalar, gezegenler vb. Bunlar kuvvet uygular, birbirine çarpar ve bu etkilere bağlı olarak hareketleri değişir. Newton öngördüğü bu yapı, çeşitli bağlamlarda yinelenir; Newton un kendi kütleçekim kuramı.
Maxwell.in on dokuzuncu yüzyıl elektrik ve manyetik kuramı ve Einstein.in genel göreliliği hep klasik çerçeveye girerler. Klasik mekanik belirli bir kuram değildir, bir paradigmadır. Kuantum mekaniği ortaya çıkana kadar fiziği başka bir şekilde düşünmek neredeyse imkânsız hale gelmişti. Etrafımızdaki her şeyin asıl maddesi olan enerji ve parçacıklar (kuarklar) ile çalışmak ihtiyacı kuantum mekaniğini doğurdu.
Maxwell.in elektromanyetizması ise ışık hızının bu kuralın istisnası olduğunu savunuyordu. Einstein.in özel göreliliği ise, mekanik için ışık hızının özel bir rol oynadığını, ama parçacıkların yavaş hareket ettiğinde Newton modeline indirgenen bir çerçeve sağlayarak, iki kuramı tek bir bütünde bir araya getirmeyi başardı.
Newton fiziği ile 1846.da Neptün gezegenin bulunuşu, evren formülasyonunun geliştirilmesi yanında metalürji, botanik ve jeoloji araştırmaları için önemli katkılar sağlanmıştır.
Albert Einstein Özel Görelilik kuramıyla enerjinin ışık hızının karesiyle kütlenin çarpımına eşit olduğunu E=mc2 formülüyle ileri sürdü ve bu deneylerle ispatlandı. Genel Görelilik kuramı kütlenin uzay zamanı büktüğünü ve (daha sonra gözlemlerle de ispatlandığı gibi tüm kütlelerin ve hatta ışığın bu bükülmüş uzayda hareket ettiğini ileri sürdü.) zaman, mekân, hareketin birbiriyle bağımlı olduğunu ispatlayıp Brown hareketi ile atomun varlığını kanıtladı.
Görelilik, Newton.cu “zamanda ileri gitmelisiniz” (zaman hep ileri gider) kuramının yerine yenisini koymuştur; ışık hızından daha yavaş hareket etmelisiniz (hiçbir madde ışık hızını aşamaz) Einstein.in ünlü denklemi bize, durgun konumdaki bir nesnenin enerjisinin kütlesi ile ışık hızının karesinin çarpımına eşit olduğunu söyler. Bunun pratik sonucu; çok küçük miktarda bir kütle bile muazzam miktarda enerjiye sahiptir. Bu formül sadece atom bombaları üzerine değildir, etrafımızdaki tüm enerjinin dinamiğinin temel özelliğidir.
20. yüzyılın ilk yarısında mikroskobik ölçeklerde maddenin davranışlarını anlamaya çalışan fizikçiler eski kuralları ters yüz edecek görüntülerle karşılaştılar. Bununla beraber, kuantum mekaniğinin ne olduğu konusunda aslında tam da emin değiliz. Kuantum mekaniğine göre, dünyaya dair gözlemleyebildiğimiz, var olanın yalnızca küçük bir altkümesidir.
Makro evrende, galaksiler ve gezegenler özelinde, Einstein'in görelilik ve kütle çekim teorisi geçerli kabul edilir. Şu an bizim algıladığımız evren yani kütle ve enerjinin korunumu. termodinamik yasaları, her şey Einstein ve Newton kurallarına göre oluyor. Ancak Planck ölçeğinde, yani mikro evrende, yani atom altı düzeylerdeki ölçeklerde, Newton ve Einstein kuralları geçerli değil.
Bir parçacık hatta iki farklı yerde de olabilir. Buna belirsizlik ilkesi deniyor.
Heisenberg Belirsizlik İlkesine göre, kuantum mekaniğinde bir parçacığın konumunu ve momentumunu %100 bilmek mümkün olsa da hiçbir zaman konum ve momentumu aynı anda bilmemiz mümkün değildir. Bu yüzden klasik mekanikteki gibi hem konumunu hem de momentumunu ölçeceğimiz zaman sonucun ne olacağını hiçbir zaman söyleyemeyiz. Bu belirsizlik ilkesidir. Belirsizlik ilkesi, dalga fonksiyonunun farklı olası konum, momentum ya da (genellikle) her iki değeri için belli bir yayılma olduğunu ifade eder. Yeterince büyük sistemlerde, belirsizlik hiç fark edemeyeceğimiz kadar görece küçük olur.
Anlamadığımız bir şey kuantum kütleçekimdir. Genel görelilikte kuram klasik bir temel üzerine oturtulmuştur; kütleçekim uzay-zamanın eğikliğidir ve ilkesel olarak uzay-zamanın eğikliğini istediğimiz hassasiyetle ölçebiliriz. Ancak, uzay-zamanının farklı eğiklik miktarlarına farklı genlikler atayan bir dalga fonksiyonu tarafından betimlendiği bir kuantum kütleçekim kuramının önünde hem felsefi hem de teknik önemli engeller vardır. Örneğin, eksiksiz evrenlerin tıpkı sanal parçacıklar gibi ortaya çıkıp kaybolduğu bir doğru da olabilir.
Tablo 1: Fizik Yasaları
Eisntein “Tanrı Zar Atmaz” derken kastettiği kuantum fiziğinin önerdiği gibi evrenin evriminin olasılığa tabi olmadığıdır. Kuantum fiziğine göre her şey olasılıkla belirlenir, olasılığa dayalıdır. Örneğin Einstein.a göre; bardaktan yere dökülen çayın ilerleyen zamanda tekrar geriye dökmek bardağa dolması mümkün değildir; ama kuantum fiziğine göre bunun olma olasılığı „ 0. değildir. Ya da Einstein “Siz şu anda dünyada iken Mars.ta değilsiniz” der ama kuantum fiziğine göre Mars.ta olma olasılığınız kuantum dalga fonksiyonuna dayalı
hesap yaparsanız „0. olmayabilir, çünkü taşıdığınız kütle ve enerjinizi temsil eden dalga fonksiyonunun tüm evrene yayıldığını kabul eder.
Buradan çıkarılacak sonuç, Einstein.a göre; Evrende başından sonuna gelişmeler olasılıklara göre değildir, Tanrı tarafından belirlenmiştir yani Tanrı zar atmaz. Fizikteki bu Tanrı kavramının günlük dildeki Tanrı kavramı olmadığını, determinist (belirlenimci) bakış açısını temsil ettiğini unutmamalıyız.
Heisenberg ise „Tanrı yoktur demez. hatta „Madem biz evreni bilmiyoruz, bilen biri olmalı. diyerek Tanrı.yı işaret eder. Heisenberg.in teolojiye olan ilgisi bir yana, Kuantum Belirsizlik İlkesi evrenin belirlenimci olmayan yapısını ortaya koyar; bilinemezciliği (agnostisizm) ve günlük anlayıştaki Tanrı düşüncesini besleyen yanıyla fizik alanının dışına taşan etkiler yapar.
Oysa bir çelişki olarak gelecek dâhil her şeyin olasılığa dayalı olduğu indeterminist bir evrende belirlenimciliğe ve geçmiş gelecek her şeyi belirlemiş bir Tanrı düşüncesine de ihtiyaç bulunmaz.
6. CI BÖLÜM İLE DEVAM EDECEKTİR.,
***
