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

HABER MERKEZİ – Güncel bilimsel gelişmelere ve bilim tarihine mercek tuttuğumuz “Karınca’nın Gözünden Bilim”de bu hafta, 26 yaşındayken dört adet çığır açan makale birden yayımlayan Albert Einstein’ın hikayesine ışık tutan Mehmet Ali Döke’nin yazı dizisinin ilk kısmını sunuyoruz.

Mehmet Ali Döke*

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kaynaklar

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

Einstein’ın ilk dört makalesinin özgün örnekleri:

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

* Puerto Rico Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı, entomolog

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