Featured Video Play Icon

Soğuğa Hükmetmek: Fizikte Yeni Cephe

Çok ama çok sıcak bir yaz günü. Nefes alınmıyor. O kadar sıcak. Nem de cabası. Dışarıda bir sürü işiniz var. Hallettiniz. Ve kendinizi klimalı evinize attınız. Sonra gittiniz buzdolabından buz gibi bir içecek aldınız. Akşamdan kestiğiniz, dolapta buz gibi olmuş karpuzu da bir güzel yediniz.

Değişik bir mutluluk tarifi bu. Ve bu hissi tarihte milyarlarca insan yaşayamadı. Bunu yaşayabilen çok ayrıcalıklı insanlarız gerçekten. Klima ve buzdolabı. Medeniyeti kökünden değiştiren icatlar. Günlük hayatımızın vazgeçilmezleri.

Peki bu icatların arkasında ne var biliyor musunuz? Bu konforun ardında da, medeniyeti 18. Yüzyıldan itibaren bugünlere getiren, gıda endüstrisini, tüm sanayileri, şehirleşmeyi, yaşamı dramatik bir şekilde etkileyen, yüzyıllar boyunca süregelen fizik çalışmaları var. Daha spesifik anlamda “sıcak ve soğuğa” karşı insanlığın verdiği savaş. Bir anlam savaşı. Soğuğa ve sıcağa hükmetmek için birçok hatayı, mutlak sıfırı, termodinamiği içinde barındıran, Sadi Carnot, Kelvin, Fahreneit, Joule ve en nihayetinde daha önce de konuştuğumuz, bana kalırsa tarihin en önemli bilim insanları arasında çok rahat zirveye oynayacak  Michael Faraday gibi isimlerin çığır açan teorilerinin, çalışmalarının ve fikirlerinin olduğu, sonunda bizim kazandığımız bir savaş. Soğuğa hükmeden insanlığın hikayesine hoş geldiniz.

Soğuk. Yüzbinlerce yıl boyunca ölüm ve karanlıkla ilişkilendirilen kötücül bir kuvvet olarak düşünüldü. Açıklanamayan bir madde miydi? Kendi başına bir varlık mı?

Çok üzerine düşünmediğimiz çok önemli bir soruydu bu aslında.

17. Yüzyıla geldiğimizde dünyayı etkisi altına alan mini buz çağı adı verilen inanılmaz soğuk dönemde de insanların aklını kurcalayan bir soruydu bu.

Bu konuda elini taşın altına koyan isimlerden biri de dönemin en önemli simyacılarından Cornelius Drebbel’dı. 1620 yılında Kral Birinci James’in huzurunda buz ile doldurduğu varillere kendi yaptığı elle çalışan bir pervaneden hava üfleyerek bir kiliseyi soğutmayı başarmış ve aslında tarihteki ilk klimayı icat etmişti.

Fakat gerçek anlamda soğuğa hükmetmek için elbette o dönemde çok gelişmemiş bir şeye ihtiyaç vardı. Bilimsel yöntem.

Bu açıdan “Soğuk nedir?” sorusuna kafasını takmış başka bir isim, Robert Boyle Drebbel’dan 50 yıl sonra elindeki tüm imkanlarla bunun cevabını aramaya koyulacaktı. Varlıklı bir ailenin oğlu olan Boyle tüm parası ile kendine bir nevi laboratuvar kurmuş ve özellikle “havanın doğası” ile ilgili deneyler ile başlamış ancak daha sonra soğuğu anlamaya başlayan ilk isim olmuştur.

“Soğuk havadan mı geliyor?”, “Işığın bulunmaması mı soğuk?”, “Soğuğu üreten parçacıklar mı var?” soruları ile birlikte çok basit bir deney gerçekleştiriyor. Akşamdan bir varil suyun ağırlığını dikkatli bir şekilde ölçüyor. Daha sonra bu varili karlı havada dışarıda bırakıyor. Bildiğimiz gibi su donduğunda genişleyerek içinde bulunduğu kabı kırar. Buradan yola çıkarak belki de soğuğun bir madde olduğunu kanıtlayabilecekti.

Fakat içindeki su buza dönüşen varili sabah tekrar tarttığında Boyle tam olarak ağırlığının aynı olduğunu görecekti.

Yani bu durumda Boyle şu çıkarımı yapmıştı. Soğuk bir madde değildi. Sadece suyu oluşturan parçacıklar soğuduğunda birbirlerinden uzaklaşıyorlardı. Dışarıdan varile giren bir şey yoktu.

Sonuçta Boyle’a göre ısı dediğimiz şey aslında maddenin hareketi ile ilişkili bir olguydu ve madde soğudukça hareket de azalıyordu. Bu çıkarımı 1600’lerde yapmıştı dikkat edin. O zaman, o imkanlarla inanılmaz bir keşifti bu.

İmkansızlık derken de şunu söyleyeyim. Boyle’un ısıyı veya soğuğu çalışırken ne işine yarardı? Bir termometre. O yoktu işte. Aynı zamanlarda geliştirilmeye başlanacaktı termometre de.

Önce Gabriel Daniel Fahrenheit ve ardından Anders Celsius doğadaki buz, insan vücudunun sıcaklığı gibi  bazı evrensel sıcaklıkları baz alarak bir tür ölçü birimi geliştirmişti. Bu iki birim de bugün dünya çapında farklı şekillerde kullanılıyor.

Fakat bu iki birimi geliştirirken bu bilim insanlarının kafasını kurcalayan çok önemli bir soru vardı.

Soğuk ne kadar soğuk olabilir? Yani ne kadar aşağı inebiliriz? Bir “mutlak sıfır” olabilir miydi mesela? Evet.  Vardı. O zaman bilinmese bile bu sorunun sorulması bile bazı taşları yerinden oynatacaktı. Mutlak sıfırdan bahsetmek bile çok başka soruları ve keşifleri beraberinde getirecekti…

Burada da devreye Fransız fizikçi Guillaume Amontons girecekti.

Hava ile ısıtma ve soğutma deneyleri yaparak nasıl genleştiğini görmeye çalışıyordu.

Bir cam tüpte bulunan havayı sıcak suya yerleştirerek ısıtacaktı, haliyle cam içindeki hava da genleşecek ve diğer tarafta bulunan bir miktar cıvayı yükseltecekti.

Sonra bunun tersini yaparak  havayı soğutmaya başlıyor.

Bu şekilde hava soğudukça basıncın da düştüğünü fark ediyor ve şu soruyu soruyor. Nereye kadar? Yani soğutmaya devam etsem ne olur?

Bunun için elbette elinde yeterli ekipmanı olmasa da çok basit bir çıkarım yapıyor. Bir grafik üzerinde basınç düşüşü ve soğuğu bir çizgi halinde oranları dikkate alarak bir noktada birleştiriyor. Ve neyi buluyor biliyor musunuz? Evet. Mutlak sıfırı. -273 santigratı buluyor. Teorik olarak mutlak sıfırı keşfediyor Amonton.

Tabi hikaye hep bu şekilde başarılarla devam etmiyor. Bilimsel gelişmelerde ve gerçekten saygı duyulacak isimlerin de ciddi hatalar olabiliyor. Bu isimlerden biri de Antoine Lavoisier’di. Hala kimya tarihinde inanılmaz etkili bir isim olsa da Lavosier bu ısı işini yanlış anlamıştı. Caloric Teorisi olarak bilinen teorisinde soğuğun caloric ismini verdiği, ağırlığı olmayan bir madde olduğunu ve madde soğutulduğunda bu caloricin maddeye nüfuz ettiğini söylemişti. Hatta oksijen, hidrojen vb. bir madde gibi bilinen elementler listesine de ekleyecekti bu maddeyi. Uzun süre de kabul edilecekti bu teorisi.

Fakat hikayenin garipliğine gelin şimdi. Biraz da magazin. Geçen hafta “enerjinin korunumu yasası” videomuzda Rumford Kontundan bahsetmiştik hatırladınız mı? Bilinen adı ile Benjamin Thompson. İşte Rumfod Kontu orada da bahsettiğimiz gibi top atarları delerken ısının hareket ilişkili olduğunu keşfetmiş ve bu tartışmayı sonlandırmış, Lavoisier’in teorisini çöpe atmıştı. Sonra ne oldu biliyor musunuz? Lavoisier bu konudan bağımsız bir şekilde Fransız devrimi sırasında vergi kaçırmak ve yasaklanmış tütün satışından idama mahkum edilmiş ve giyotin ile idam edilmişti. Sonra? Sonra Lavoisier’in karısı Madam Lavoisier Fransa’dan ayrılmış ve rahmetli kocasının teorisini çöpe atan Rumford Kontu ile tanışarak aşık olmuş ve onunla evlenmişti. Sanırım zeki adamlara karşı bir zaafı vardı Madam Lavoisier’in. Hakkını da yememek lazım. Kendisi de oldukça zeki bir kadındı. Eşlerinin deneylerinde çok yardımcı olmuştu. Daha sonra Rumford’la da anlaşamayıp ayrıldılar gerçi. Neyse…

Konumuza dönersek.

Rumford sayesinde sonunda ısının bugün atom olarak bildiğimiz parçacıkların hareketi ile ilişkili olduğu artık kabul edilecekti. Bu parçacıklar sıcaklık arttıkça daha hızlı hareket ediyor ve soğudukça yavaşlıyordu.

Bunun ardından Rumford Kontu bugün hala bilimin en önemli merkezlerinden biri olan Londra Kraliyet Enstitüsünü de kuracak ve bilime katkıları nesilleri etkilemeye devam edecekti.

Bağlantılar gerçekten çok heyecanlandırıyor beni. Bakın şimdi bu gelişme üzerine kim çıkıyor sahneye. Elektriğin babası, diplomasız dâhimiz Michael Faraday!

Aslında bir nevi “soğuğun” da babasıdır.

Şöyle ki.

Kraliyet Enstitüsünde asistanlık yapmaya başladığı zamanlarda elbette tehlikeli deneyler kendisinden isteniyordu. Bunlardan biri de klor hidrat kristallerini kullanarak klorun özelliklerini araştırmaktı.

İki tarafı kapalı bir cam tüpün bir tarafına klor hidrat koyarak bu kısmı sıcak suya batırıyor. Bir süre sonra bu sıvıdan sarı klor gazı çıktığını fark ediyor. Gaz çıktığı için de basınç artışı da söz konusu tabi. Daha sonra tüpün diğer tarafında yağ benzeri bir madde biriktiğini görüyor ve camı kırıp bu maddeyi incelemek istiyor. Tabi basınç birikimi nedeniyle cam patlayıp hafif yaralansa da Faraday bu noktada çok önemli bir şeyi keşfediyor. Yağ benzeri madde bu patlama ve basınç salınımı nedeniyle yok oluyor. Bir anda. Yoğun bir klor kokusu ile birlikte. Bu ciddi bir gizemdi onun için.

Faraday kısa sürede bu basıncın gazın sıvılaşmasına ve cam kırıldıktan sonra bu sıvının buharlaşmasına neden olduğunu çözüyor. Havadaki enerji sıvı kloru bir anda gaza dönüştürmüştü. Bunu da havadaki ısıyı emerek, absorbe ederek yapıyordu. Yani çevresinde ne varsa bunu soğutarak.

Michael Faraday ilk defa yapay bir şekilde “soğuğu” üretebilmişti.

Aynı tekniği amonyak ile de deniyor. Amonyak çevresindeki ısıyı çok daha fazla emiyordu çünkü.

Ve bu neydi biliyor musunuz? Teknoloji çok daha gelişmiş olsa da ve farklı sistemler ortaya çıkmış olsa da temelde bildiğimiz buzdolapları ve dondurucular da bildiğiniz amonyak içeren soğutucuların döngüsü ile çalışır. Faraday’in 1800’lerde yaptığı deneylere dayanan bir sistem.

Bir daha buzdolabınızdan soğuk bir içecek aldığınızda kime teşekkür edeceğinizi biliyorsunuz.

Ama tabi ki hikaye daha çook yeni başlıyordu. Evimize giren buzdolapları işin sadece bizim gördüğümüz ve bizi etkileyen kısmıydı. Bu araştırmalar daha sonra yine klimaların ortaya çıkmasına ama bizim gibi bilimseverler için en önemlisi termodinamiğin ve çok daha sonrasında termodinamik ile birlikte Einstein’ın, Bose’nin ve kuantum mekaniğinin çalışmalarına inanılmaz katkılar sağlayacaktı. Yani anlayacağınız kuantum fiziği yolculuğumuzda yeni bir cephe açtık ve temeli sağlamlaştırmak için bu konuyu da daha önce konuştuklarımıza bir şekilde bağlayacağız.

Her şey birbirine bağlı. Bu bağlantılar da az önce söylediğim gibi tüm resmi önümüze koyuyor. “Bu bilgi bizim ne işimize yarayacak” sorusunun bilmem kaçıncı cevabını. Neden her şeyi bırakıp bilim konuşmalıyız, neden bilim felsefesinin, teorilerin, aptalca görünen soruların ve deneylerin çok ama çok önemli olduğunu bize anlatıyor.

Hikayemiz devam ediyor arkadaşlar.

Ve çok uzun süre daha devam edecek.

Fizik cephesine sağlam bir dönüş yaptık tekrar.

Siz de burada olacaksınız değil mi? Siz olmadan bunları konuşmanın anlamı yok. Bu bizim hikayemiz…

Ve her zaman olduğu gibi.

Tekrar görüşene dek.

İyi ki varsınız.

Sevgiler…

Kaynaklar:

https://www.sciencedaily.com/terms/absolute_zero.htm

https://blogs.scientificamerican.com/observations/racing-toward-absolute-zero/

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir