İskoçya’da Dullatur köyünde bir bataklık bulunur. Bu ıslak araziden gelen sular bir nehre dönüşüp kilometrelerce ötede, Glasgow’da denizle buluşur. Bu nehrin ismi ise Kelvin nehridir. 19. Yüzyılın sonlarında bu nehrin kenarında çok önemli bir dehanın laboratuvarı bulunuyordu. İngiltere’nin ve dünyanın en önemli bilim topluluklarından Royal Society’nin başkanlığını da yapmış Sir William Thompson. Kraliçe 1892’de kendisine Baron unvanını verdiğinde William Thompson da bu nehrin ismini kendisine bir anlamda mahlas olarak seçmişti. Ve biz Thompson’ı ayrıca Lord Kelvin olarak da biliyoruz.
Kelvin’in bilime katkıları inanılmaz çeşitlidir fakat bugün neredeyse herkes onu sıcaklık ölçeği olan Kelvin ölçeği ile tanır. Ve bu dereceye kendisinin isminin verilmesinin sebebi ise Lord Kelvin’in evrende erişilebilecek en düşük sıcaklığı, mutlak sıfırı keşfetmesidir. Fakat bunun ötesinde Lord Kelvin, yani Thompson bu keşfe ulaşırken Termodinamik Yasalarının geliştirilmesinde de büyük rol oynamıştır. Ve termodinamiğin yasalarını kullanarak evrende ulaşılabilecek en düşük sıcaklığı 0 kelvin yani -273.15 santigrat olarak belirlemiştir. Mutlak sıfır…
Ve Thompson bu keşfi yapar yapmaz Viktorya dönemi bilim insanları hemen ellerindeki tüm işi bırakıp bu garip fenomeni araştırmaya koyuldular. Evrendeki en düşük sıcaklığa ulaşan ve bunu kanıtlayan ilk bilim insanı olmaktı amaçları. Altına hücum zamanlarını andıran bir “mutlak sıfıra hücum” yarışı başlamıştı.
Aslında bu döneme kadar bilim dünyasında yaygın olarak “soğukluk” denen özelliğin bir fiziksel madde olduğu düşünülüyordu. Havada bulunan bir tür gazdan gelen atomlarla ortaya çıkan bir şey. Yani suyun soğuduğunda genişlemesini de ancak bu şekilde açıklayabiliyorlardı. Soğuyan şeye dışarıdan bir şeyler nüfuz ediyor olmalıydı. Robert Boyle ise 1665’te bu düşünceyi 1665’te yıkan isim olmuştu. Bir kova suyu tartıp buz gibi havada gece dışarıda bırakıp sabah tekrar ölçtüğünde aslında suyun ağırlığının değişmediğini, sadece hacminin arttığını keşfetmişti. Yani suya nüfuz eden bir şeyler yoktu. Bu sayede bilim insanları arayışlarında doğru bir yöne yönlenecekti.
Tam bu sıralarda da dünyada bir devrim tüm dünyayı kasıp kavurmaya başlamıştı. Kelimenin tam anlamı ile ısıdan doğan bir devrim vardı. Sanayi devrimi buharın gücü ile dünyayı dönüştürüyordu. Buradaki sorun ise bunun nasıl olduğunun tam anlaşılmamasıydı. Yani buharın gücü ile makineler çalışıyor ve iş yapıyordu fakat tam olarak bunun bilimsel açıklaması mevcut değildi. Isının şifreleri kırılırsa çok daha verimli makineler yapılabilirdi. Bu verimlilik ve tabi en nihayetinde milyarlarca dolarlık pazar sonunda yüzyıllardır süregelen “akıl yürütme” yöntemlerinin bırakılıp “bilimsel yöntemin” hüküm sürmesini sağlayacaktı.
Ve teorisyenler ve deneysel fizikçiler bir noktada doğadaki tüm moleküllerin yerinde duramayan, ısındıkça gittikçe “heyecanlanan”, bilardo topları gibi birbirine çarpan “şeyler” olduğu sonucuna varmıştı. Bu moleküler hareketin sonucu da bildiğimiz “ısıydı”… Bundan yola çıkarak Lord Kelvin bir maddenin sıcaklığını yeterince düşürdüğünüzde molekülleri tamamen durma noktasına getirerek mutlak sıfıra ulaşılabileceğini teorileştirmişti. Yani mutlak sıfır aslında sıfır hareket demekti. Peki hareket sıfırlanabilir miydi? Mutlak sıfıra ulaşmak mümkün müydü?
Peki moleküllerin hareketleri sıfırlandığında ne olacaktı? Dağılacaklar mıydı? Yoksa hiç bilmediğimiz yeni bir madde mi ortaya çıkacaktı? Ve bu ne anlama geliyordu? Bunlar müthiş önemli sorulardı. Ve bu denli temel sorular elbette tüm bilim dünyasının iştahını kabartmıştı.
Bu temel sorulara ilk elle tutulur cevapları veren İskoç bilim insanı Royal Institution’dan Sir James Dewar olacaktı. Dewar’ın soğukla mücadelesinin hikayesi de bayağı trajedilerle doluydu bu arada. 10 yaşlarında köyündeki donmuş bir gölde oynarken buz kırılmış ve gölün soğuk sularına gömülmüştü Dewar. Arkadaşları kısa sürede onu sudan çıkarsalar da günlerce bir tür komaya girmiş ve iyileştiğinde de vücudunda kalıcı hasarlar meydana gelmişti. Kas gücünü yeniden kazanmak için çalışmaya başladığı bir keman üreticisinde edindiği becerilerle de asıl merakı, bilim yapmak için gerekli ekipmanları da kendisi üretmeye başlamıştı. Soğuktan hayatını kaybedecek noktaya gelen o çocuk işte artık evrendeki en düşük sıcaklığı avlamaya başlayan bir bilim insanına dönüşmüştü.
Bu süreçte ise idol olarak gördüğü bir isme duyduğu hayranlık onu ayakta tutan nedenlerden biri olacaktı. Michael Faraday’di bu isim. Ki soğuğun şifrelerini ilk kıranlardan biri de Faraday’di zaten. 1800’lerin başında Faraday basınçla soğutma teknikleri kullanarak -130 santigratlara kadar soğutmayı başarmıştı. Sonrasında farklı farklı bilim insanları oksijeni, azotu ve çeşitli gazları -200 santigratlara kadar soğutabilmiş fakat sonrasında Dewar’ın bu aşılması güç bir “dağ” olarak tanımladığı hidrojen problemi ortaya çıkmıştı. Bunun sebebi gazlar bir anlamda belirli ısılarda sıvılaşıyor, hidrojen gibi bazı gazları “sıvılaştırmak” içinse çok düşük sıcaklıklar gerekiyordu. Hidrojen için bu -250 santigrat olarak belirlenmişti. Bu sıcaklığa inebilmek içinse o dönemde ekipmanlar yeterli değildi. Dewar ise bunu başarabilirse Royal Institution koridorlarında Faraday’in ismi ile benzer bir tonda isminin yankılanacağından emindi. O yüzden işe koyulacaktı Dewar.
Bu işe koyulanlardan bir başkası ise Hollanda’dan Heike Kamerlingh Onnes’ti. Dewar ve Onnes’in çalışma yöntemleri bayağı bir zıttı aslında. Dewar oldukça gizli, ser verip sır vermeyen yöntemler uygulayıp bulgularını kimseyle paylaşmazken Onnes kendine zehir gibi bir asistan ekibi kurmuş, çok daha paylaşımcı bir yöntem uyguluyordu. Bu zıt karakterlere rağmen ikisinin sıvı hidrojen yolculuğunda yolları kesişmiş ve bu yolda iletişimde kalmışlardı. Kağıt üzerinde ikisi de teorik olarak hidrojeni sıvılaştırmanın yollarını bulmuş görünseler de pratikte bu yöntemler işe yaramıyordu.
Bu süreçte Dewar ünlü halka açık gösterimlerine de devam ediyordu bu arada. Sıvı azot içerisine çeşitli materyaller koyuyor, halkın şaşkın bakışları arasında bunları tuzla buz ediyordu. Sıvı oksijen buharına yanan bir mum koyuyor harika bir alev gösterisi çıkarıyordu ortaya. Bu maddenin soğukla dansını gösterirken insanlara bilimin mutlak sıfıra ulaşmasına az kaldığını da anlatıyordu. Moleküllerin tamamen durmasına… Bunu da “maddenin ölümü” olarak tanımlayacaktı Dewar.
Dewar bunları yaparken Onnes ekibiyle boş durmuyordu tabi. Adım adım kutsal görevi tamamlamaya devam ediyordu. Dewar biraz rahatsız oldu bundan tabi. Onnes artık bir tehditti onun için. Bunu da şundan anlıyoruz. Onnes bir gün Dewar’ı Londra’daki laboratuvarında ziyaret etmek için izin istiyor, Dewar ise “gel gelmesine ama son teknoloji soğutma ekipmanlarıma bakmana izin veremem” demişti.
Onnes için asıl sorun bundan sonra başlamıştı. Gazları sıvılaştırmak oldukça tehlikeli bir süreçti. Ve Dewar da birçok kaza yaşamıştı bununla alakalı. Fakat Onnes aslında hiçbir kaza yaşamamasına rağmen Leiden belediyesi Onnes’in laboratuvarını kapatmıştı. Dewar bunu duyduğunda “bilim için büyük bir felaket” demiş, belediyeye kendisi de bunun ne kadar yanlış olduğunu bildirmiş fakat sonuç değişmemişti.
Ama tabi bu Dewar için iyi haberdi. Bu yolda artık yalnızdı. Ve çok geçmeden, 10 Mayıs 1898’de laboratuvarında, Faraday’in bile “imkansız” olarak düşündüğü şeyi yapmış ve hidrojeni sıvılaştırmış, o zamana kadar ulaşılmış en düşük sıcaklığa, -252 santigrat yani 21 kelvine, yani mutlak sıfırın sadece 21 derece yakınına kadar yaklaşmıştı. İmkansızı başarmış, tarihe adını altın harflerle yazdırmıştı. Bilinen “sürekli” yani “sıvılaştırılamaz” denilen bir gaz sıvılaştırılmıştı. Bunun ötesi yoktu…
Ta ki Onnes tekrar sahneye çıkana kadar. Onnes laboratuvarının kapatılma kararını en üst mahkemeye taşımış ve mahkeme sonunda laboratuvarın tekrar açılmasına hükmetmişti. Ve o sıralarda ne olmuştu biliyor musunuz? Helyum… Sadece yıldızlarda olduğu düşünülen gaz kayalıklarda, çeşitli maddelerde keşfedilmiş, sıvılaştırırılamaz olduğu düşünülen, ve sıvılaşma derecesi hidrojenden de düşük yeni bir gaz ortaya çıkmıştı. Dewar’ın inanılmaz başarısı istediği sükseyi yaratamadan aşılması gereken yeni bir dağ ortaya çıkmıştı.
Onnes de hemen laboratuvarına bir ekleme yapıp Dewar’ın sistemine uygun olarak hidrojen soğutma ekipmanları üretmeye başlamış, bunu da helyumu soğutmak için kullanmayı planlamıştı. Ve başarılı da olmuştu. Dünyadaki en gelişmiş soğutma sistemini kurmuştu. Ama bir sorun vardı. Helyumu bulmak… Helyum öyle kolay elde edilmiyordu. Ve o sıralarda ABD’deki Bath Kaplıcalarının çevresindeki kumsallarda hapsolmuş helyum kaynağı keşfedilmişti. Dewar ise bu helyumu çıkarmanın bir yolunu bulmuştu. Onnes bunun üzerine hemen Dewar’a yazmış ve “elimdeki tüm ekipmanlar, laboratuvarım, tüm imkanları ve tüm bulgularımı seninle paylaşmaya hazırım” demiş ve tek bir şey istemişti: helyuma erişim. Dewar’ın cevabı ise şu olmuştu:
İkimiz de aynı yerden, aynı miktarda helyum almak istiyoruz. Ama kaynak ikimize yetecek düzeyde değil. Kendime yetecek kadar bile çıkaramadım hala. Daha fazlasını çıkarabilirsem tabi paylaşırım. Neden olmasın. Ama tabi siz anlıyorsunuz buradaki alt metni. Aslında devasa bir kaynak vardı ve bırakın ikisine, dünyadaki tüm araştırmalara yetecek bir kaynaktı bu. Yani. Pek “bilimsel” olmamış bu yaklaşım. Ki artık karma mı dersiniz ne dersiniz bilmiyorum ama Dewar yeterli helyumu toplayıp laboratuvarında çalışmalara başladıktan sonra kazalar peşini bırakmamış, asistanları yaralanmış, birisi gözünü kaybetmiş ve türlü sorunlar baş göstermişti.
Onnes ise kendi imkanları ile başka bir kaynaktan helyum elde etmiş, tüm imkanları ile sürece başlamıştı. Bir akşamüstü bu haberi duyanların toplandığı laboratuvarında deneyini başlatmış ve sonunda, herkesin şaşkın bakışları arasında daha önce hiç görmedikleri bir madde türüne benzer bir görüntü ile “sıvı helyumu” üretmeyi başarmış ve -271 santigrat yani mutlak sıfırın sadece 5 derece üstünde 5 kelvine ulaşarak imkansızı başarmışlardı. Ve ortaya çıkan şeyi gözleri ile görmemişlerdi ilk başta. Bir sorun olduğunu düşündüler fakat bu normaldi. Çünkü sıvı helyum bir tür “süper akışkandı”. Aslında yeni bir madde türüydü bu bir anlamda. Öyle normal ışıkta görünebilen, normal davranan bir sıvı değildi bu.
Sıfır direnç ile akabilen bir şeydi bu. Garip. Ama çok havalı… Ve bu müthiş haberi vakit kaybetmeden Londra’daki hem dostu hem de rakibine iletmiş ve şu cevabı almıştı: BENİM TASARLADIĞIM YÖNTEMLERLE ÖNGÖRDÜĞÜM ŞEYİ BAŞARDIĞIN İÇİN TEBRİKLER. BİRAZ HASTAYIM AMA BEN DE DEVAM EDECEĞİM… Ama devam edememiş ve bu konuda Onnes tarihe geçen isim olacaktı. Fakat gerçekten de Dewar’ın çalışmaları, bulguları, bu konudaki dehası olmasaydı Onnes de başaramazdı. O yüzden Dewar’ın çok büyük bir katkısı olduğunu da es geçmemek gerekiyor.
Fakat Onnes tabi durmamış, bu bulgusunu mutlak sıfıra yaklaştıkça maddenin göstereceği etkileri araştırmak için kullanmıştı. Ve gerçekten de cıva gibi bazı elementlerin 1-2 kelvin civarında sıfır direnç ile elektrik iletebildiğini keşfetmişti. Biz bunu bugün “süperiletkenlik” olarak biliyoruz. MRI makineleri, parçacık hızlandırıcılarda kullanılan ve bazı gelecek teknolojiler için hala araştırılan müthiş bir madde özelliği… Dewar ise kendisi 9 kez aday gösterilse de hiç Nobel ödülü alamamış fakat onun çalışmaları sayesinde başka isimler ki buna Onnes de dahil Nobel Ödülleri kazanmışlardı.
Onnes ödülü aldığında yaptığı konuşmada ise eski dostunu unutmamış, onun soğutma çalışmaları olmasaydı yapamazdım demişti. Mutlak sıfır yolculuğu ise tabi burada bitmemiş daha büyük keşiflerin yolunu açmıştı. Helyumun sıvılaştığında sahip olduğu ancak Onnes’in o zamanki imkanlarla farkında olamadığı yeni özellikleri keşfedilecekti bir kere. Örneğin bir noktadan sonra 2.i17 kelvin civarında helyum atomlarının garip bir şekilde birleştiği ve tek bir süperatoma dönüştüğü bir hal keşfedildi. Biz bunu Bose-Einstein Yoğunlaşması diyoruz. Bu süperatom da aslında Heisenberg Belirsizlik İlkesinin bir tür gösterimiydi…
Bunun detaylarını daha önce bir videoda konuşmuştuk. Şu anda ise bilim insanları “donmuş helyumun” peşinde. Süperakışkandan daha önce hiç görülmemiş bir “süper katı” formuna geçişin bir tanımı bu. Bu süper katı ise bildiğimiz duvarlardan filan geçebilen çok acayip özelliklere sahip bir “şey” ortaya çıkarabilir. Ama bu bambaşka bir konu tabi. Bugün ise dünyada yapay yollarla erişilen en düşük sıcaklığa 2003 yılında MIT’de ulaşıldı. Mutlak sıfırın milyarda 0.45’ine yani 0.45 nanokelvine kadar inebildi bilim insanları. NASA ise uzay istasyonunda Soğuk Atom Laboratuvarında bunu on milyarda bire kadar düşürmeye çalışıyor.
Birçok bilim insanı ise mutlak sıfırın tamamen imkansız, asla ulaşılamaz olduğuna inanıyor. Bunun için sonsuz zaman ve sonsuz enerjiye ihtiyaç olduğunu düşünüyorlar. Ama tabi mutlak sıfıra ulaşılamasa bile bu yolda gördüklerimiz bile tek başına muhteşem manzaralar sunuyor bize. Bilim harika bir şey demiştik değil mi?
