Dünyayı Değiştiren Adam: James Clerk Maxwell ve Elektromanyetizma

Tarihte yaşamış en önemli bilim insanları desem?

Özellikle fizik alanında. Tarihte çağ açıp çağ kapatmış isimler kimler?

Aklınıza hangi isimler geliyor? Bunu elbette Bebar Bilim takipçilerine sorarsanız size bir sürü isim sayacaktır. Benim takipçilerim bu konuda herkesi şaşırtacaktır. Max Planck’ten, Niels Bohr’dan, Heisenberg, Schrödinger, Max Born, Volta, Oersted, Bell’den ve daha bir çoğundan hemen bahsedecektir size.

Ama. Dışarıda herhangi birini çevirsek. Az çok okulda fizik dersi almış birine sorsak.

İlk duyacağınız isimler. Isaac Newton ve Albert Einstein olacaktır.

Bir üçüncüsü. I-ıh. Çok zorlamanız lazım.

Fakat kitaplarda satır aralarında kalmış, çok az kişinin bildiği, bilenlerin de hakkını pek teslim etmediği 3üncü bir büyük bilim insanı var. Newton ve Einstein’dan aşağı kalır yanı olmayan ve hatta belki de Einstein’ı Einstein yapan kişi. Nereden mi biliyorum? Bu fotoğrafa dikkatlice bakın. Daha yakından. Einstein’ın ofisinin duvarına. Yaklaşalım biraz daha.

Einstein’ın ofisinin duvarına fotoğrafını asacak kadar hayranlık duyduğu bir isim.

James Clerk Maxwell.

Einstein ne demişti Maxwell ile ilgili biliyor musunuz? Her şeyi değiştiren özel görelilik kuramından bahsederken.

“Özel görelilik kuramının çıkış noktası Maxwell’in elektromanyetik alan denklemleridir.”

Ve şunu da eklemiştir:

“Maxwell’den beri fiziksel gerçeklik birbirini takip eden alanlar ile ifade edilir. Gerçeklik algısındaki bu değişim Newton’dan beri görülmüş en devrimsel çıkarımdır.”

Dahası da var. Maxwell’in biyografisini yazan Ivan Tolstoy Maxwell ile ilgili:

“Maxwell’in bilim tarihindeki etkisi ilham olduğu Einstein kadar ve hatta keşiflerini bir nevi gölgelediği Newton kadar büyüktür.”

Bitmedi.

Profesör R. V. Jones, Maxwell’in Elektromanyetik Alan Teorisi ile ilgili Kraliyet Topluluğuna sunduğu makalesi ile ilgili şöyle söylemişti:

“Bu araştırma ışık ve ısının yanında radyasyonun (ışımanın) varlığını gösteren ilk kanıttır ve insanlık tarihinde atılmış en büyük adımlardan biridir…”

Bunun yanında kuantum fiziğinin fitilini ateşleyen adam Max Planck, Maxwell ile ilgili “Daha önce eşi benzeri görülmemiş işlere imza attı” demiştir.

Ve son olarak sanırım herkesin ayrı bir sevgi beslediği ve benim de kendisi ile iligli özel bir video hazırlamayı düşündüğüm tarihin en iyi öğretmeni olarak anılan Richard Feynman Maxwell hakkında:

“İnsanlığın geleceğini düşündüğümde. Mesela bundan 10 bin yıl sonrasında. Hiç şüphe yok ki insanlar geçmişi araştırdığında. Maxwell’in elektrodinamik yasalarını keşfetmesini 19. Yüzyılın en önemli olayı olarak göreceklerdir.”

Bunlar çok önemli referanslar değil mi?

Ama nedense çok az bahsedilir, çok az hakkı teslim edilir Maxwell’in. Nedeninden çok emin değilim. Ama kendisi hakkında okuma yaparken bir yerde şöyle söylüyordu. Tarihi yazanların Maxwell’den bu kadar az bahsetmesinin nedeni büyük ihtimalle neler başardığını anlamamış olmalarıdır. Anlamadıkları için göz ardı etmeleri.

Peki. Hakkında bu kadar fazla methiye düzülmüş bir adam oldukça sıradışı olmalı değil mi? Neler yaptı, neleri değiştirdi de tüm bu referansları hak etti…

Gelin Maxwell’in hakkını Maxwell’e teslim edelim… Çünkü onun hikayesi de Faraday gibi bize çok şey anlatacak.

Bunun öncesinde Faraday ile ilgili video hazırlamamın nedeni de Maxwell’in hikayesinin bir nevi Faraday’in bıraktığı yerden devam etmesi ve üstüne koymasıdır.

Ve hatta ilginç bir bilgi size. Faraday elektrik ve manyetizma ile ilgili bulgularını ilk açıkladığında yıl 1931’di. Maxwell’in doğduğu yıl. Maxwell ise 1879 yılında hayatını kaybetmiştir. Ve aynı yıl… Albert Einstein doğmuştur. Elbette sembolik ve bir şey ifade etmiyor ama bu süreklilik ve devamlılığı bu üç adamın teorilerinde de gördüğümüz için çok hoş bir tesadüf olduğuna inanıyorum.

Neyse.

Maxwell daha 14 yaşındayken geometri ile ilgili bir makalesi yayımlanmıştı bile. Gördüğü her şeyi, kafasındaki soruların hepsini matematikle açıklamaya çalışır ve bunda da oldukça başarılıydı.

19 yaşında Cambridge Üniversitesinde eğitime başladığında 3 tane yayımlanmış çalışması vardı.

Ve 20’li yaşlarının başında ismini herkes duymaya başlayacaktı.

Satürn’ün halkalarını biliyorsunuz. Sistemimizde bulunan en sıradışı, en göz alıcı oluşumlardan biri. Fakat yüzyıllar boyunca hiçkimse bunların ne olduğunu bilmiyordu. Herkesin bir teorisi vardı. Bu halkaların bir sıvı olduğunu söyleyenler, yekpare bir kaya oluşumu olduğunu söyleyenler…

İşte 1857 yılında bununla ilgili bir yarışma düzenleniyor. Bu halkaları açıklayabilene ödül vadediliyor.

Burada yine Maxwell devreye giriyor. Bu oluşumun ancak ve ancak milyonlarca küçük parçanın kütleçekim ile hareket etmesinden kaynaklanabileceğini inanılmaz bir matematik formülü ile ifade ediyor. Bakın matematik derken bundan bahsediyorum. Satürn’ün halkaları parçacıklardan oluşuyor demek başka bunu bir formülle, hareketlerini sayısal değerlerle ifade edebilmek başka. Maxwell’i de ayrı bir yere koyan özelliği buydu.

Ve bu yarışma için bir çalışma yapan ve başvuruda bulunan tek kişi de kendisi olacaktı.

Bu başarısı üzerine bir nevi popüler olmaya başlamıştı Maxwell. Birçok kişi kendisinin İngiltere’nin en iyi teorik fizikçilerinden olduğunu söylüyordu.

Hiç sürpriz olmayacak bir şekilde Aberdeen Marshall Üniversitesinde henüz 25 yaşındayken profesör ünvanını elde edecekti.

Ama öncesinde başka bir takıntını müthiş bir keşfe daha dönüştürmesini izleyecektik. Henüz elektromanyetizmaya gelmedik fark edersiniz. Asıl önemli kısım orası ama bakın Maxwell başka neyi kazandırmıştı bize.

Her anlamda merakına yenik düşen Maxwell’in aklından çıkaramadığı başka bir husus da renklerdi.

Renklerle ilgili videomuzda Newton’ın renklerin nereden geldiğini bulduğunu konuşmuştuk ama Newton renklerin nasıl karıştığını ve farklı renklerin nasıl ortaya çıktığını açıklayamamıştı. Ve 150 yıl boyunca da kimse bu konu üzerine pek düşünmemişti. Bir tek Thomas Young’ın bir teorisi vardı. Biyolojinin önemli olduğunu düşünüyordu. İnsan gözünde sanatçıların kullandığı ana renklere karşılık gelen reseptörler olduğu tezini ortaya atmıştı. Müthiş bir bulguydu bu ama işte gerekli açıklamayı yapmak, bunu formüle dönüştürmek yine bizim matematik dâhisi Maxwell’e düşecekti.

Çok basit bir düzenekle, Renk Çemberi ile önce bunu arkadaşları üzerinde deneyecek. Hızla dönen bir renk çemberinin insan gözünü yanılttığını ve mevcut renklerin karışımından doğan renkleri gördüğünü bulacaktı.

Daha sonra ise 3 ana rengi hangi oranda karıştırdığınızda hangi rengi bulabileceğimizi söyleyen matematiksel bir formül geliştirecekti. Bugün photoshop gibi programlarda kullandığımız bu skalanın, renk kodlarının matematik formüllerini yazan ilk insandı yani.

Burada da kalmamıştı. Bu teorisinin üstüne koyarak ne yapmıştı biliyor musunuz?

Tarihte ilk renkli fotoğrafı çeken de kendisiydi.

İşte bu fotoğrafı.

Bunu Kraliyet Enstitüsünde 1961 yılında renklerle ilgili bir konuşma yaparken tam da konuşmasının ortasında ışığın ana renklerinin ne olduğunu ve renklerin bunların karışımı olduğunu anlatırken bir projektörden duvara yansıtarak göstermişti. Ve o odada bulunan insanlar için bu sihirden farksızdı…

Bizim için de her şeyin başlangıcıydı aslında. Ortaya koyduğu bu Kırmızı Yeşil Mavi renk sistemi şu anda bu videoyu izlediğiniz herhangi bir cihazın temelinde yatan ilkeydi. RGB’nin çıkış noktası…

Bu sırada henüz 29 yaşındaydı… Ve Kraliyet Enstitüsüne kabul edilen en genç bilim insanlarından biri olacaktı.

Fakat 25 yaşında profesör olduğu Marshall Üniversitesi ile Aberdeen üniversitesi birleşince kendisinden daha kıdemli olan yaşlı bir profesör onun yerine geçecek ve James Clerk Maxwell işsiz kalacaktı… Evet…

Bunun yanında. Çok kolay bir çocukluk geçirmemişti. Ailesinin tek çocuğuydu ve henüz 8 yaşındayken annesini kaybetmişti ve profesör olmadan birkaç ay önce babasını da kaybedecekti. Oldukça duygusal bir kişiliğe sahip olan ve hatta şiirler yazan ve sanatçı bir kişiliği de olan Maxwell çok yalnız hissetmeye başlamıştı. Bu sırada tüm çalışmalarında kendisine destek olacak Katherine ile tanışıp bir şiirle yaptığı evlilik teklifi sonrasında evlenmişlerdi.

Çalışamadığı süre boyunca çiftlikle de ilgilenen Maxwell birkaç üniversiteden ret aldıktan sonra Londra’daki King’s College’da göreve başlıyor. Elektrik ve manyetizma ile ilgili çalışmalarına da hız vereceği dönem başlamış oluyor. Kendisi zaten çocukluğundan beri elektriğe karşı bir ilgi duyuyor, bu konuda çalışmalar yapıyordu kendince.

Kaldı ki insanlık da elektrik ile çok önceleri tanışmıştı. Özellikle şimşekler herkesin çok ilgisini çekiyor, bugün doların üzerinde resmini gördüğümüz, daha sonra Amerika’nın kurucularından olacak Benjamin Franklin gibi isimler uçurtmalarla elektriği yakalamaya çalışıyordu.

Manyetizmayı ise zaten aktif olarak kullanıyorduk. Dünyanın manyetik alanını kullanan pusulalarla gemiler yollarını buluyordu.

Ama işte daha önce de bahsettiğimiz gibi Faraday ortaya çıkana kadar bu iki kuvvet arasındaki ilişkiyi çok az kişi görecekti.

Hatırlayın. Faraday elektrik ve manyetizma konusunda müthiş işlere imza atmış ve çok önemli bir kapı açmıştı.

Elektriğin manyetik alan ve manyetik alanın da elektrik akımı ürettiğini bulmuş… Bu iki kuvveti bir bütün olarak gösteren ilk insan olmuştu. Ama tüm bunların ne ifade ettiğinden çok emin değildi hem de matematiksel olarak ifade edememişti. O yeteneğe sahip değildi.

İşte bu noktada Maxwell devreye girecekti.

Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi gösterecek matematiksel bir açıklama olması gerektiğine inanmış ve bunu ortaya çıkarmak için tüm zamanını ayıracaktı King’s College’ta çalışırken. Faraday’e inanmıştı en basit haliyle.

Ve çok uzun süre sonra bugün Maxwell Denklemleri olarak anacağımız ve dünyayı değiştirecek dört tane formül yazacaktı.

Şu formülleri.

Daha sonra basitleştirilip şu şekilde yazılmışlardı.

Bakınca bile insanın başı ağrıyor değil mi? Ama bizim formüllerle işimiz olmadı hiç biliyorsunuz. Bu formüller bize ne anlatıyor, onu konuşalım. Ne ifade ettiğini anladıktan sonra formüller bizim için bir şey ifade etmeye başlar.

Bunlardan ilki, yani Maxwell’in Birinci Denklemi ayrıca Gauss Yasası olarak da bilinir. Ve özetle söylediği şudur. Statik bir elektrik yükünün nasıl elektrik akımı ürettiğini söylüyor.

İkinci denklem ise ayrıca Manyetik Alan İçin Gauss Yasası olarak bilinir ve kısaca şunu ifade eder. Manyetik kutuplar her zaman çift olarak var olurlar ve manyetik yük her zaman sıfırdır.

Üçüncü denklemi ise tanırsınız. Faraday yasası diğer adıyla.

Söylediği ise şu. Manyetik alandaki değişim elektrik alanı üretir.

Dördüncü ve son denklemi ise Ampere-Maxwell yasası olarak bilinir. Ve şunu ifade eder. Örneğin bir kablodan iletilen bir elektrik akımı manyetik alan oluşturur.

Ama asıl çarpıcı bulgusu bu denklemleri bir araya getirdiğinde ortaya çıkacaktı. Ayrı ayrı her biri sorunsuz işleyen bu formülleri bir araya getirmeye çalıştığında bir şeyin eksik olduğunu görecekti. Bunun için son denkleme ilk halinden sonra bir ekleme yapacaktı. Ve yaptığı bu ekleme ile 4. Denklem az önce bahsettiğimiz gibi elektrik alanındaki değişimin manyetik alan oluşturduğunu gösterecekti. 3. Denklemi hatırlayın. Orada da faraday’ın da ifadesi ile manyetik alandaki değişim elektrik akımı oluşturuyordu. Yani tüm bahsettiklerimizi birkaç formüle indirgeyebilmiş ve evrenin bu gizli yasalarını birkaç ifade ile, matematiksel bir sihir ile anlatabilmişti.

Birindeki değişimin diğerini, diğerindeki değişimin birbirini etkilediğini… Birer ayna gibi… Bu iki kuvvetin birbirinden ayrılamaz olduğunu… Elektromanyetizmayı… Anlatabilmişti.

Bununla birlikte bilim dünyasının en tepesine oturmuş… Zamanın en tanınan, en önemli ve çığır açan teorik fizikçisi haline gelmişti.

Ama doğuştan gelen merakı yüzünden duramıyordu Maxwell. Bu denklemleri kullanarak Faraday’in düşünsel olarak ortaya attığı başka bir olguyu açıklamaya koyulacaktı hemen.

Faraday’in videosunda kısaca ışık ile ilgili teorisinden ve herkesin bununla dalga geçmesinden bahsetmiştik.

İşte bu teorisinde Faraday ışığın kuvvet çizgilerindeki bir tür titreşim olduğunu söylemiş ve hatta daha da ileri gitmiş ve bu “kuvvet çizgilerinin” parçacıkları ve maddenin kütlesini bir arada tutan kuvvet olduğunu öne sürmüştü.

Deli saçması! Demişti herkes tabi. Görünmeyen bir kuvvet hattı mı? Elektrik kablosu gibi mi yani?

Faraday’in kafasında bir resim de vardı bununla ilgili. Birbirine bu kuvvet hatları ile bağlı parçacıkların bir hatta gerçekleşen titreşimi birbirlerine bir tür dalga şeklinde aktardığını düşünüyordu. Elinde herhangi bir kanıt olmadan bunları düşünebilmiş olması bile bir kez daha nasıl bir dehadan bahsettiğimizi bize kanıtlıyor. Fakat. Dediğim gibi. Bunu ifade edememişti.

Ve yahu bu çok mantıklı diyenlerden biriydi işte Maxwell.

Bu inanılmaz düşünceyi saf ve benzersiz matematik dehasıyla birleştirecekti.

Az önce bahsettiğimiz denklemlerle birlikte Maxwell elektromanyetik dalgaların boşlukta hareket ettiğini de açıklıyordu. Ve bu boşluktaki hareketinin ne kadar hızlı iletildiğini hesaplamaya koyulmuştu.

Bu noktada işte sihrini konuşturuyor. Tüm formüllere baktığında, hepsini birlikte hesapladığında hiçkimsenin göremediği bir şey. Faraday’ın tahmin ettiği ama onun da göremediği bağlantı…

Elektrik sabitini manyetizma sabitine böldüğünde ortaya bir hızın karesi çıkıyor. Ama nasıl bir hız bu? Hangi hız? Nereden çıktı?

Evet.

Ortaya çıkan sonuç.

Saniyede yaklaşık 300.000 km’ydi.

Yani.

Işık hızıydı…

Işık hızı daha önce de hesaplanmıştı ama bu denklemlerde tam olarak bu hızın ortaya çıkması ne ifade ediyordu peki?

Faraday’ın haklı olduğunu ifade ediyordu.

Işığın. Bir elektromanyetik dalga olduğunu.

Bize ışığın “ne” olduğunu söylüyordu.

Bu çok ama çok önemli bir keşifti. Newton’ın yasalarını kökünden sarsan, değiştiren, geliştiren… Birçok şeyi yeniden hesaplamamız gerektiğini… Evrenin nasıl işlediğini anlamamızı sağlayacak basit ama çok önemli bir keşif…

Ve aynı zamanda elektromanyetik dalga dediğimiz olguyu da bu vesileyle bilim dünyasına ve bize hediye edecekti. Dünyayı değiştirecekti.

Fakat burada Maxwell Faraday’ın yaşadığı sorunun tam tersini yaşayacaktı. Denklemlerinde bu dalgaları tahmin etmiş, matematiksel olarak net bir şekilde ifade etmişti. Ama nasıl faraday deneylerini matematiksel olarak ifade edemediyse, Maxwell de bu denklemlerini deneysel olarak kanıtlayamamıştı.

Ve yine kaderi benzer bir yol çizecekti. Teorileri kanıtlanmamış “görünmez dalgalardan” bahsetmeye başladığında bilim dünyası ona da şüpheyle bakmaya başlayacaktı.

Ve 20 yıl sonra. Heinrich Hertz isimli Alman bir bilim insanı bu “elektromanyetik dalgaların” varolduğunu fiziksel olarak kanıtladığında haklı olduğunu herkes anlayacaktı.

Burada ise herkes şu soruyu sormuştu elbette. “Eee?” Yani süper, buldun. Da… Ne işe yarıyor bu elektromanyetik dalgalar?

Hertz kendisi “Hiiç!” demişti. Maxwell’in haklı olduğunu kanıtlıyorlar sadece.

Ne kadar da yanılmıştı halbuki.

Çünkü Hertz’in keşfettiği “radyo dalgalarıydı”.

Ve bu dalgalar bakın neleri değiştirdi.

Kısa süre sonra Marconi radyoyu icat etmiş ve ardından televizyon hayatımıza girmişti.

Sonrasında daha yüksek frekanslı radyo dalgaları kullanılarak radar icat edilmişti.

Uçaklardan, gemilere… Askeri kullanımlara kadar.

Peşinden mikrodalgalar geldi. Yani isminden anlaşılıyor zaten. Mutfaklarda kullanıyoruz. Ama daha da önemlisi mobil iletişimi mümkün kıldı bu mikrodalgalar…

Sonra kızıl ötesi dalgalar geldi. Termal görüntülemede… Uzaktan kumandalarda kullanılmaya başlandı.

Mor ötesi dalgalar keşfedildi daha sonra… Flöresan lambalarda, medikal araştırmalarda kullanılacaktı…

Sonra X ışınları… Röntgen de diyoruz. Nerelerde ve nasıl kullanıldığı malum.

Sonra gamma ışınları… Kanser tedavisinde kullandığımız ışınlar hani. Ya da gıdaların sterilize edilmesinde.

Her birinden detaylıca bahsetmeye kalksak saatler sürecek keşifler, buluşlar…

Her biri Maxwell’in 150 yıl kadar önce yayımladığı birkaç denklemine dayanan, hayatımızı her anlamda müthiş bir şekilde değiştiren keşifler, buluşlar…

Belki de neden 19. Yüzyılda son zamanlarda “şüpheyle” yaklaşıldığının veya bugün dahi birçok kişinin adını dahi bilmesinin nedeni de buydu.

Maxwell görünmez, dokunamadığımız “şeylerden” bahsediyordu.

Ve nelere yol açtığını kendisi göremeyecekti. Bu devrimsel çalışmalarından sonra tekrar babasının çiftliğine dönen Maxwell emekliliğinin tadını çıkarmış diye düşünebilirsiniz.

Ama hayır. Daha sonra detayları ile konuşacağımız Termodinamik üzerine çalışmalar yapacaktı.

Uzun bir süre çiftlikte kendi kendine çalışmalar yürüttükten sonra Cambridge kendisini davet edecekti ve bir laboratuvar kuracaktı orada kendisine.

Şu ünlü Cavendish Laboratuvarı.

Bu laboratuvarda daha sonra elektron ve nötron keşfedilecekti.

1953’te x ışınları ile ilk kez DNA’nın yapısı görüntülenecekti…

Burada yapılan çalışmalardan 29 tane NOBEL ÖDÜLÜ çıkacaktı…

Ama…

Daha sonra tekrar evine dönen Maxwell, annesinin hayatını kaybettiği yaşta, 48 yaşında, yine annesinin ölümüne neden olan hastalıktan, mide kanserinden, çok genç yaşta hayatını kaybedecekti.

Kısacık hayata sığdırılmış inanılmaz işler…

Daha bahsetmediğimiz birçok çalışması da olan Maxwell’in neden bu kadar önemli olduğunu, hayatımızı ne ölçüde etkilediğini umarım anlatabilmişimdir.

Teknolojik sonuçları evet çok çok önemli ama bence asıl önemli olan bilim dünyasında evrene bakış açısında geri dönülmez bir değişim başlatmasıdır.

Artık dokunabildiğimiz, görebildiğimiz dünyanın arkasındaki, temelindeki evrene bakmaya başlayacaktık…

Benim yapmaya çalıştığımı da anlayabiliyorsunuzdur. Bu seri ile. Klasik fizikten kuantum fiziğine ve sonrasına doğru çıktığımız bu yolculukta formüllerden, denklemlerden önce neyin ne olduğuna odaklanarak herkesin faydalanabileceği kapsamlı bir hikaye anlatmaya çalışıyorum. Bu seri bu şekilde gerekli zamanlarda zamanda ileri veya geri giderek devam edecek ve bittiğinde Türkiye’deki en kapsamlı “fizik rehberi” olacak diye ümit ediyorum. Belki aramızdan birilerini bir nebze de heyecanlandırabilir, harekete geçirebilir, doğru soruları sordurabilir diye… Belki aramızdan birileri dünyayı iyi yönde değiştirir diye…

Ve her zaman olduğu gibi…

Tekrar görüşene dek.

İyi ki varsınız!

Sevgiler…

Kaynaklar:

About Maxwell

Einstein inspired by James Clerk Maxwell | Letters | Science | The Guardian

Maxwell – The history of Electromagnetism – Documentary 2017 – YouTube

Maxwell Denklemleri : Işığın 150 Yıllık Hikayesi | | Fizik Akademisi