Rebellious
No-Post !
Favori Oyuncu : Metin Oktay
Mesaj Sayısı : 14623
Puan : 258171
Rep : 2564
Yer : Ali Samiyen
Cinsiyet : 
Kayıt tarihi : 19/08/09
 | | Konu: Isınan hava neden yükselir? Perş. Haz. 10, 2010 1:39 am | |
| 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. | |
|
