İzninizle şimdi sizleri fiziğin gizemli dünyasında kısa bir gezintiye çıkarmak istiyorum.
Fiziksel bilimlerin temeli olan fizik, evrenin temel ilkeleri ile ilgilenir. Diğer fiziksel bilimlerin (Kimya, Astronomi ve Jeoloji) temelidir. Fiziğin güzelliği, temel fiziksel kuramlarının basitliğinde yatar. Fizik az sayıda temel kavram, denklem ve varsayımla çevremize bakış açımızı değiştirir ve genişletir.
Fizik bize dünya ve evren hakkında neler bildiğimizi, insanların bugün bildiklerini nasıl bulduklarını ve yeni buluşlar için nasıl çalıştıklarını öğretir. Fizik sayesinde bilinmeyenle uğraşmak, onu anlamak ve tahmin etmek kudretini kazanırız. Fizikten öğrendiklerimizle yeni buluşlar yaparız. Her yeni buluş yeni teknolojilerin doğması demektir. İnsana, doğayı bir fizikçi gözüyle incelemenin ve anlamanın zevkini verir ve doğa olaylarının yasalarını öğretir. Bu, insana içinde yaşadığı dünyayı anlamak hususunda büyük bir güç kazandıracaktır. Zira bugünkü dünyada önemli haberlerin, yeni işler yaratan aletlerin ve bir insanın karşılaştığı günlük problemlerin gerisinde fizik vardır. Bu nedenle günümüzde fizik sadece fizikçilerin bir uğraşı alanı değil, konularıyla uzaktan yakından herkesi ilgilendiren bir bilim dalıdır. Kısaca diyebiliriz ki fizik, evrenin temel özelliklerinin sistematik bir incelemesidir. Bu temel özelliklerin her birisi evrende bulunan maddelerin davranışları ve aralarındaki temel etkileşmelerle yakından ilgilidir.
Fizik bilimini, Klasik Fizik ve Kuantum Fiziği olmak üzere iki döneme ayırabiliriz.
17. yy boyunca süren ve yirminci yüzyıl başlarına kadar geçen süre klasik fizik dönemi olarak ele alınır. Bu dönemde, üç önemli fizik sentezi bulunmaktadır.
- Newton’un klasik mekanik sentezi (1687),
- Maxwell’in elektromanyetik sentezi (1864),
- Einstein’ın rölativistik mekanik sentezi (özel ve genel rölativite kuramları) (1905–1916).
Mekaniğin yapısal ve düşünsel gelişimini şöyle bir tabloda özetleyebiliriz:
Klasik mekanik, hızı ışık hızından çok küçük, boyutu 10-10 m atomistik boyuttan çok büyük olan cisimlerin hareketlerini başarıyla inceleyen bir bilimdir.
Einstein’ın özel görelilik kuramı; ışık hızına yakın hızlarda hareket eden parçacıkların davranışlarını inceleyen, kütlenin mutlak değil, hıza bağlı olarak değiştiğini ve yoğunlaşmış bir enerji olduğunu gösteren, kısaca klasik mekaniği yüksek hızlara genişleten daha genel bir mekanik kuramıdır.
Kuantum fiziği, atomik ölçekte meydana gelen olayları inceler; madde ve ışığın 10-8 cm’den küçük boyutlu kısımlarına bakıldığında ortaya çıkan görünümü betimler.
Kuantum alanlar teorisi; hem çok hızlı hem de çok küçük cisimler için görelilik ve kuantum ilkelerini birlikte sağlayan kurama denir. Kuantum alan kuramı 1930-40’lı yıllarda geliştirilmesine rağmen, bugün daha tam yeterli sayılmamaktadır.
Klasik mekaniğin kuramı Newton tarafından ortaya konmuş, daha sonra Euler, d’Alembert, Laplace, Lagrange, Hamilton gibi matematik-fizikçilerin elinde daha da geliştirilmiştir.
Klasik kuram; Newton’un üç dinamik yasası: Eylemsizlik ilkesi, kuvvet yasası, etki-tepki yasası; iki yardımcı ilke: Belirleyicilik (determinizm) ve nedensellik (sebep-sonuç) ilkeleri ve mutlak zaman, mutlak uzay, mutlak kütle aksiyomları üzerine kurulmuştur. Bu yasalar için Galilei rölativitesi geçerlidir.
Galileo ve Kepler’in attığı sağlam temeller üzerine Newton, klasik mekaniği inşa etmeyi başardı. Newton’un maddesel cisimlerin davranışını düzenleyen üç yasasından birinci ve ikinci yasa, daha önce Galilei’nin özünü verdiği yasalardı: Bir cisme hiçbir kuvvet etkimezse cisim, bir doğru üzerindeki tekdüze hareketini sürdürür; cisme bir kuvvet uygulanırsa bu durumda kütle çarpı ivmesi (yani, momentumundaki değişim oranı) bu kuvvete eşittir. Newton’un kendine özgü sezgisiyle gerçekleştirdiği yasa üçüncü yasasıdır: A cisminin B cismine uyguladığı kuvvet, B cisminin A cismine uyguladığı kuvvete eşittir, ancak ters yönlüdür (Her etkiye eşdeğer bir tepki vardır). Bu yasa, Newton’un ana yasası olmuştur. Newton’un evreni, Öklid’in geometrisinin ilkelerine bağımlı bir uzayda oraya buraya hareket eden parçacıklardan oluşur. Bu parçacıkların ivmeleri, onlara etkiyen kuvvetler tarafından belirlenir. Her parçacığın üzerindeki etki, öteki parçacıklardan kaynaklanan ayrı ayrı etkilerin bir araya getirilmesiyle (vektör toplama –üst üste gelme- ilkesini kullanarak) elde edilir. Sistemin iyi tanımlanmış bir sistem olmasını sağlamak için kesin bir kurala, A cismi üzerindeki hangi etkinin B cisminden kaynaklanacağını bize bildirecek bir kurala gereksinimimiz vardır. Normal olarak bu etkinin A ve B noktalarından geçen bir doğru üzerinde oluştuğunu varsayıyoruz. Bu etki, evrensel kütle çekim etkisiyse A ve B arasındaki çekim kuvvetinin büyüklüğü cisimlerin kütleleriyle doğru aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olacaktır: Ters-kare kuvvet yasası. Evrensel kütle çekiminden başka etkiler için cisimlerin konumlarının ve kütleleri dışındaki özelliklerinin dikkate alınması gerekebilir.
Newton, Kepler’in üç yasasının, kendine ait genel teoremler kapsamında (ters-kare kuvvet yasasından yararlanarak) elde edildiğini göstermiştir. Kepler’in eliptik yörüngeleriyle ilgili her türlü ayrıntılı hesabı, ayrıca dönencelerin presesyonu gibi etkileri (ki yerkürenin dönüş ekseninin yönünün yavaş hareketi, yüzyıllar önce eski Yunanlıların farkına vardıkları bir konudur) doğruladı. Bütün bunları gerçekleştirmek için Newton, sonsuz küçükler hesabının (diferansiyel ve integral hesabı) yanı sıra birçok yeni matematiksel teknik geliştirmek zorunda kaldı. Newton, çalışmalarının olağanüstü başarısını bir ölçüde üstün matematik becerisine ve aynı şekilde üstün fiziksel sezgilerine borçludur.
Galilei rölativitesine göre zaman, uzaydan tamamen ayrı ve bütün gözlemciler için aynı, yani hareketten bağımsız, mutlaktır. Mutlak zaman kavramı klasik kuramda, etkileşmelerin sonsuz hızla yayılmasını öngörüyordu. Bir alan aracılığı ile etkileşme kavramı henüz bilinmiyordu.
Newton, mekanik ile ilgili çalışmalarının yanında optikle ilgili çalışmalar da yapmış ve ışığın paçacık teorisini ileri sürmüştür. Bu teoriyi, mekanik kuramları içerisinde geliştirmiştir. Çağdaşı olan Hollandalı fizikçi Huygens, o sıralarda, ışığın dalga teorisini ortaya atmıştır fakat teori pek ilgi görmemiş ve yaklaşık yüz yıl boyunca unutulmuş ya da unutturulmaya çalışılmıştır.
