Newton ile Fiziğe Giriş – Herkes Anlasın Diye

https://youtu.be/x6coqmUO4mk

Lise matematik ve fizik derslerimi hatırlıyorum. Pek de iyi hatırlamıyorum. Branşımın İngilizce olduğunu biliyorsunuzdur. Dil çalışmalarını sevmemin yanında dil seçmemin nedenlerinden biri de özellikle matematiğin benim için anlaşılması çok zor, inanılmaz soyut ve bir nevi büyülü rakamlardan ibaret bir alan olarak gelmesi olmuştur. Öyle anladım. Daha doğrusu. Öyle anlatıldı. Ve çok gariptir ki sonradan öğrendim ki aslında dil ve matematik çok çok benzer becerilermiş… Neyse…

Bir eğitimci olarak şu an geriye baktığımda suçu önce kendimde ama daha çok öğretmenlerimde buluyorum.

Einstein’ın “Bir şeyi basitçe anlatamıyorsan, sen de anlamamışsındır” sözü aklıma geliyor böyle durumlarda.

İşte o zamanki öğretmenlerime kızgınlığımın nedeni de budur.

Bugün kendi kendime matematik ve özellikle fizik çalışırken, anlamaya çalışırken fark ettiğimde bu oldu.

Matematik, fizik, kimya… Hiç de zor, hiç de anlamsız, hiç de soyut değiller.

Biraz uzaklaşıp baktığınızda aslında anlam arayışımızın rehberi, birer kılavuzu bu alanlar.

Evreni anlamlandırma yolculuğumuzda bize referanslar sağlayan konular.

Özellikle fizik söz konusu olduğunda…

İnsanlığın bu zamana kadar sorduğu en önemli soruya cevaplar arar fizik.

“Neden buradayız? Gerçeklik nedir?”

Matematik dediğimiz ise tüm bilimlerin temelinde yatan, fiziksel kuvvetleri, atomları, boyutları, enerjiyi anlatırken kullandığımız bir dil sadece, bir araç…

Yani fizik dendiğinde aklımıza genelde kozmos gelir, uzak gezegenler, galaksiler, nötron yıldızları filan…

Öyle değil. Fizik aslında söz konusu tüm bilimlerin temelindedir. Kimya mesela. Aslında atomlar arasındaki etkileşimi inceler özünde. Ve temelde bu ilişkiyi anlatmaya çalışan da fiziktir.

Kendinizi düşünün. Bedeniniz, tüm organlarınız, beyniniz ve hatta bilinciniz… Özüne indiğinizde kimya ve fizik ile anlatılabilir olgular her biri…

Yani biyoloji dahi temelde kimyadan ve dolayısıyla fizikten beslenir. Matematik ile ifade edilebilir.

İşte hocalarıma kızgınlığımın gittikçe arttığı yer de burası. Matematik aslında herkesin… Eğitim alan ya da almayan herkesin bir şekilde bilmesi, en azından temelde anlaması gereken bir alan. Çünkü matematik tüm bu anlam arayışımızda, fizik sayesinde evreni anlamlandırırken ve anlatırken kullandığımız dil… Evrenin dilidir matematik…

Fizik ise kimya da dahil olmak üzere evrenin tüm kanunlarını irdeleyen, bizi asıl önemli olan cevaplara götüren, bu süreçte çok daha fazla soru ortaya çıkaran dünyanın en eğlenceli çalışma alanı…

O yüzden “bebarbilim”in de ortaya çıkış amacına uygun olarak bir “fizik” yolculuğuna çıkalım istiyorum.

Uzun süre devam edecek bir seriye başlayalım. Aralarda mutlaka başka konular da olacak… Söz verdiğim videolar gelecek… Ama her zaman bu seriye bir şekilde döneceğiz ve “anlam arayışımız” hep bu çerçevede devam edecek…

Sonunda Einstein gibi bilim insanlarının ömürleri yettiğince kovaladığı, bulmaya çalıştığı “Theory of Everything” yani “Her Şeyin Teorisi” olduğu iddia edilen “süper sicim teorisi” ve benzeri teorilere kadar uzanacağız.

O halde başlayalım mı?

FİZİK söz konusu olduğunda ise bu seri boyunca özellikle Newton ve Einstein isimlerini sık sık duyacaksınız. Bunun yanında birçok fizikçiden de bahsedeceğiz.

Ve tabi ki meşhur “elma”dan başlamak gerekiyor aslında. Hep bir mizansen, hep bir espri konusu olmuş bu olay aslında newton’ın kütleçekimi anlatmak için kullandığı örneklerden biriydi sadece. Kayıtlara göre arkadaş çevresinde kütleçekimini anlatırken “elma neden düz bir çizgi halinde dünyanın yüzeyine düşer? Neden bir açıyla, neden sağa ya da sola düşmez? Bir kuvvet uygulandığı ve bu kuvvetin kesinlikle dünyanın merkezinde olduğu için” demiştir. Yani kafasına elma filan düştüğü yok.  Bu mizansene takılıp asıl olayı kaçırıyoruz aslında. Newton zaten ömrünün büyük bir kısmını gezegenlerin hareketini anlamaya, özellikle Ay’ın dünya etrafındaki dönüşüne kafayı takmış durumdaydı. Ve bilimin asıl amacına uygun olarak Aristo’nun, Galileo’nun anlatılarını anlamak ama en önemlisi basitçe anlatmak istiyordu.

Basitleştirmek… Tam da bu…

Ve geliştirdiği “hareket kanunları” 350 yıl sonra dahi bugün uzaya gönderilen roketlerin yörünge hesaplamalarında bile kullanılacaktı…

Ve 1666 yılında “hareket kanunlarını” geliştirdiğinde sadece 23 yaşındaydı…

Tüm bu kanunları 22 yıl sonra 1687’de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica yani daha çok bilinen adıyla Principia isimli kitabında açıklayacaktı. Doğa Felsefesinin Matematik İlkeleri olarak çevirebiliriz.

Newton’ın bu kitabı yazmadan önce 22 yıl beklemesinin sebebi elbette iddia ettiği yasalar ile ilgili tepkiler ve maddi imkansızlıklar olmuştur. Ama Halley Kuyrukluyıldızının kaşifi Edmond Halley’in iknaları ve finansmanı ile 18 ayda soluksuz bir şekilde 3 cilt halinde yazmıştır. Ancak çok az kişi bu kitabı okuma şerefine nail olmuştur. Kaldı ki birçok fizikçi şu günlerde okusa dahi çok bir şey anlamayacaktır.

Çünkü Newton bu kitabı yazarken aslında ihtiyaç duyduğu matematik, yani Kalkülüs henüz bulunmamıştı! Kalkülüs ise diferansiyel, integral, türev gibi alt dalları olan matematiksel analizin en önemli aşamasıdır. Hareket ve değişken içeren her türlü modelde, yani yaşamın istisnasız her alanında kullanılır. Örneğin doğa bilimleri, bilgisayar bilimleri, istatistik, mühendislik, ekonomi, iş yaşamı ve tıp başta olmak üzere matematiksel modellemenin gerektiği ve en uygun çözüm testlerinin istendiği alanlarda kullanılmaktadır.  Ve Newton hareket kanunlarını anlatırken mecburiyetten bir nevi Kalkülüs’ü de bulmuştur. Bugün tüm mühendislik ve fen bilimleri öğrencilerine ilk yıllarında öğretilen bu konuyu bulan da yine Newton’dır yani.

İşte bu ve birazdan anlatacağım nedenlerle bu kitap Aristo’nun Metafizik’i, Plato’nun Devlet’i, Darwin’in Türlerin Kökeni ile birlikte tarihin belki de en önemli eseri olarak görülmektedir.

Peki.

Neden bu kadar önemli bu kitap. Konusu ne? Ne anlatıyor?

Newton bu kitapta şu ünlü hareket kanunlarını anlatmıştır.

Newton’ın 1. 2. Ve 3. Hareket yasası. Duymuşsunuzdur. Ucundan kıyısından fizik dersi almış veya bir yerlerde okumuşsanız mutlaka adı geçmiştir.

Ama sihirli formüllerden başka ne anlamı var bu kanunların? Neyin kanunu bunlar?

Aslında 20. Yüzyılı şekillendiren neredeyse her şeyin. Klasik Mekaniğin temelini oluşturur bu kanunlar.

Basitçe anlatmaya çalışırsak.

Newton’ın 1. Hareket yasası şunu söyler:

“Net bir dış kuvvet etki etmediği sürece, duran bir nesne durmaya veya hareket eden bir nesne sabit hızla hareket etmeye devam eder.”

Şimdi tanım bu. Ama bu ne anlama geliyor?

Öncelikle. 1600’lerde Newton, Descartes ve Galileo bu yasaları ortaya çıkarmadan önce binlerce yıl boyunca tüm bilim insanları bir nesnenin durma eğiliminde olduğunu düşünüyordu. Yani bir topu fırlattığınızda top her şeyden bağımsız mutlaka durma eğilimi gösterecek ve sonunda duracaktır.

İşte Newton 1. Hareket yasasında “dengelenmemiş bir dış kuvvet etki etmedikçe durma veya sabit hızda hareket etme durumunu korur” derken siz o topu fırlattığınızda eğer dengeleyici bir kuvvet yani topun kütlesine ve hareketine eşdeğer bir kuvvet uygulamazsanız sonsuza kadar… Burada vurgulamak lazım kelimenin tam anlamıyla sonsuza kadar sabit hızda ilerlemeye devam eder diyor.

Şimdi bu bize biraz garip gelebilir. Yani günlük hayatta örneğin bir kayanın dokunmazsak binlerce yıl orada duracağını biliyoruz tamam burada sıkıntı yok. Ama sabit hızda sonsuza kadar gider demek ne demek?

Bu zaten dünya şartlarında bizim deneyimleyebileceğimiz bir şey değil. Çünkü bir topu fırlattığınızda öncelikle hava direnci ve yere düştükten sonraki sürtünme bahsettiğimiz yavaşlamayı ve sonunda dengeleyici kuvveti üreterek topun durmasını sağlıyor.

Sonsuza kadar devam etmesi için herhangi bir kuvvet olmaması gerekiyor. Ne sürtünme ne de hava direnci… Bunu nerede görebiliriz peki? Uzay boşluğunda tabi ki…

Dünyayı bizim gibi deneyimleyen bu insanlar bu sonuca nasıl vardılar dersiniz? Elbette gezegenleri gözlemleyerek. Ayın, dünyanın, diğer gezegenlerin hareketlerini nasıl koruduğunu araştırırken.

Yani dünya güneşin etrafında dönerken sabit hızını koruyarak sonsuza doğru hareketini devam ettiriyor. Yörüngesinin elips olmasına neden olan ise güneş’in kütleçekim etkisi. Sadece yönünü değiştirecek kadar bir etki uyguluyor dünyaya.

Aslında birinci hareket yasasının en güzel örneği şudur.

Bir uçakta olduğunuzu düşünün. Uçak havada ve saatte 800 km hızla ilerliyor. Ama yine farz edin uçağın camları yok, dışarıyı göremiyorsunuz. Ayrıca kulaklığınız takılı ve hiç motor sesi de duymuyorsunuz. Türbülans vs. de yok. Bu durumda uçak hareket mi ediyor yoksa duruyor mu anlamanız mümkün mü?

Değil.

Peki. Anladık. Bir cisim üzerine net kuvvet uygulanmadığı sürece sabit kalır ya da sabit hızını korur. Orası tamam.

Peki bu duran ya da sabit hızda hareket eden cisme net kuvvet uygulandığında ne oluyor? Nasıl etkiliyor bu kuvvet bu cismi?

İşte bu soru bize Newton’ın 2. Hareket Yasasının kapılarını açıyor.

1. yasadan bağlantısız da düşünmemek lazım 2. yasayı. İlk yasada eylemsizlikten bahsediyoruz. Yani bir kuvvet olmadığı sürece durumunu korumasından. İşte ikinci yasa bu “eylemsizliği” değiştirmek için gereken kuvvetten bahseder.

Ve şu çok ünlü formülü karşımıza koyar:

F = m.a

Burada F kuvvet, m kütle ve a ise hızlanmadır.

Örnekle anlatmadan önce kütle ile ağırlığın farklı şeyler olduğunu da söyleyelim.

Kütle bir maddenin sahip olduğu “madde miktarıdır”.

Ağırlık ise maddeye uygulanan kütle çekim kuvvetinin ifadesidir sadece.

Hızlanma yasası olarak da bilinen bu yasa kısaca şunu söyler.

Bir cisme net bir kuvvet uyguladığınızda hızlanma (hızda değişim) gerçekleşir.

Ve uygulanan kuvvet ne kadar fazlaysa hızlanma da o kadar fazla olur.

Bu cismin kütlesi ne kadar artarsa hızlanma da o kadar düşecektir.

Yani örneğin 1 tonluk ve 2 tonluk iki arabanız var. İkisi de 150 beygir gücünde olsun. 1 tonluk aracın 0-100 hızlanması ikinci aracın iki katı daha fazla olmasının nedeni kütlelerinin farklı olmasıdır.

Özetle Kuvvet ile Hızlanma doğru orantılı, kütle ile hızlanma ise ters orantılıdır.

O yüzden F = m.a formülünü a = F/m şeklinde de yazabiliriz ve değişken şekilde kullanarak bilinmeyeni bulabiliriz.

Newton’ın 3. Hareket yasasına gelirsek eğer herhalde neredeyse herkesin günlük hayatında deyim olarak kullandığı tanımı ile karşılaşırız.

Etkiye tepki!

Daha bilimsel haliyle: Her etkiye karşı eşit ve zıt bir tepki vardır. Her zaman.

Burada kısa bir dip not olarak bir kuvvetten bahsetmemiz için birden fazla cisme ihtiyacımız olduğunu vurgulamamız lazım. Bir cisim uzay boşluğunda, hiçbir kütleçekim etkisine maruz kalmadığını farz edersek bu durumda bir kuvvetten söz edemeyiz. Yani aslında kuvvet kendi başına var olan bir kavram değildir.

Neyse.

3. yasa özetle şunu der. Mesela bir buzdolabını itmeye çalışıyorsunuz ya? Buzdolabı da sizi itmeye çalışır.

Ne alaka? Şöyle açıklayalım.

Hatta biz değil Uluslararası Uzay İstasyonundan astronotlar bize göstersin.

Mikro kütle çekimi bulunan ortamda sürtünme ve hava direnci de olmadığında başka bir astronotu iten astronotun uyguladığı etkiyle eşdeğer bir tepki ile karşılaştığını net olarak görüyoruz.

İşte tam olarak budur 3. Hareket yasası.

Tabi Newton bununla da kalmadı.

En başta da bahsettiğim elma hikayesiyle bağdaştırılan “evrensel kütleçekim yasası” da en ünlü keşiflerinden biridir Newton’ın.

Bu yasa kısaca şunu söyler. Kütlesi olan her iki cisim birbirini çeker. Yani elma örneğinde dünya elmaya bir kütleçekim uyguladığı kadar elma da dünyaya uygulamıştır ama kütle farkı nedeniyle elbette dünya galip gelmiştir. Newton’dan önce binlerce yıl boyunca herkes dünyada cisimlerin öylesine yere düştüğünü, evrenin buna göre düzenlendiğini düşünüyordu. İşte Newton da bu basit örnekten yola çıkarak gezegenlerin de aynı kuvveti birbirine uyguladığını öne sürmüş ve bunu formüle etmiştir.

Ve aslında elmayı yere düşüren kuvvetle ayı veya dünyayı yerinde tutan kuvvetin aynı olduğunu bularak evreni çok daha anlaşılır hale getirmiştir. Tam da bilimin yapması gerektiği gibi. Birleştirmiş, basitleştirmiştir.

Fakat.

Bir sorun vardı.

Evet kütleçekim yasası kütleçekim kuvvetini çok yüksek bir doğruluk ile hesaplayabiliyordu ama Newton’ın kütleçekiminin nasıl çalıştığı hakkında hiçbir fikri yoktu.

Bu soru neredeyse 250 yıl boyunca cevapsız kalmış ve hiçbir bilim insanı bu sorunu çözmek için elini taşın altına koymamıştır.

Ta ki 1905 yılına kadar.

İsviçre’nin Bern kentinde bir patent ofisinde çalışan ismini kimsenin bilmediği, genç bir adam her şeyi değiştirecekti.

Albert Einstein…

İsterseniz burada bırakalım. Einstein’dan bahsetmeye başlarsak duramayız zira.

Devamını bu serinin bir sonraki videosunda ele alalım.

Umarım keyif almışsınızdır.

Ve her zaman olduğu gibi…

İyi ki varsınız.

Görüşmek üzere!

Kaynaklar:

(1) Distance and displacement introduction (video) | Khan Academy

How Did Isaac Newton Discover the Laws of Motion?

Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica – Vikipedi

Newton Papers : Philosophiæ naturalis principia mathematica

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir