Isaac Newton doğduğu sırada, Yer’in ve diğer gezegenlerin Güneş’in etrafında döndüğü gün-merkezli Evren modeli, Güneş, Ay ve gezegenlerin gözlemlenen hareketlerine ilişkin kabul gören açıklamaydı. Bu model yeni değildi; ama Nicolaus Copernicus ömrünün son günlerinde, 1543’te düşüncelerini yayımlayınca, tekrar önem kazanmıştı. Copernicus’un modelinde Ay ve gezegenlerin her biri kendi kristalin küresinde Güneş’in etrafında dönmekteydi; bir dış küre de “sabit” yıldızları tutmaktaydı. Johannes Kepler 1609’da gezegen devinimine ilişkin kendi yasalarını yayımlayınca, bu model aşıldı. Kepler, Copernicus’un kristalin kürelerinden vazgeçti ve gezegenlerin yörüngelerinin elips, her elipsin bir odağının Güneş olduğunu gösterdi. Bir gezegenin hareket ettikçe hızının nasıl değiştiğini de açıkladı.

Bütün bu Evren modellerinde eksik olan bir şey vardı: Gezegenlerin neden o şekilde hareket ettiklerini açıklamak. Newton burada devreye girdi. Bir elmayı Yer’in merkezine doğru çeken kuvvetin, gezegenleri Güneş’in etrafında yörüngelerinde tutan kuvvetle aynı olduğunu anladı ve bu kuvvetin mesafeyle birlikte nasıl değiştiğini matematiksel olarak gösterdi. Kullandığı matematik, Newton’ın üç Hareket Yasası ile Evrensel Kütleçekim Yasasını gerektirdi.

– Elma neden yana ya da yukarıya değil de, hep aşağıya düşer?

– Yer’in merkezine doğru bir çekim olmalı.

– Bu çekim elmanın ötesine, Ay’a kadar uzanabilir mi? Öyleyse, Ay’ın yörüngesini etkiler.

– Gerçekten Ay’ın yörüngesine neden olabilir mi? Bu durumda…

– Kütleçekim Evren’deki her şeyi etkiler.

Değişen Düşünceler

Deney yapmadan sonuçlara varan Aristoteles’in düşünceleri bilimsel düşünmeye yüzyıllarca egemen olmuştu. Aristoteles, hareket eden nesnelerin itildikleri sürece harekete devam ettiklerini ve ağır nesnelerin hafif nesnelerden daha hızlı düştüklerini düşünüyordu. Aristoteles’e göre ağır nesneler doğal yerlerine doğru hareket ettikleri için Yer’e düşüyorlardı. Kusursuz olan göksel cisimlerin daireler halinde sabit hızlarda hareket ettiklerini de söylüyordu.

Galileo Galilei deneyle ulaşılan farklı bir düşünce kümesiyle ortaya çıktı. Rampalardan aşağı inen topları gözlemledi ve hava direnci en az düzeydeyse, bütün nesnelerin aynı hızda düştüklerini gösterdi. Hareket eden bütün nesnelerin, sürtünme gibi bir kuvvet yavaşlatmadıkça hareket etmeye devam ettikleri sonucuna da vardı. Galileo’nun Eylemsizlik İlkesi, Newton’un Birinci Hareket Yasasının parçası olacaktı. Sürtünme ve hava direnci, gündelik yaşamda karşılaştığımız hareket eden nesneler üzerinde etkili olduğu için, sürtünme kavramı tüm çıplaklığıyla ortada değildir. Galileo, bir şeyi sabit bir hızda hareket ettiren kuvvetin yalnızca sürtünmeye karşı koyması gerektiğini dikkatli deneylerle gösterebildi.

Hareket Yasaları

Newton birçok konuda deneyler yaptı; ama hareketle ilgili yaptığı deneylerin kayıtları yoktur. Ama üç yasası birçok deneyle doğrulandı; ışık hızının altındaki hızlar için doğruluğunu koruyor. Newton birinci yasasını şöyle ifade etti: “Her cisim durumunu değiştirmeye mecbur eden kuvvetler tarafından etkilenmediği sürece, hareketsizlik durumunu ya da doğru bir çizgide tekdüze hareket durumunu korur.” Başka bir deyişle, duran bir nesne ancak bir kuvvet etkilerse hareket etmeye başlar ve hareket eden bir nesne, bir kuvvet etkilemediği sürece, sabit hız yöneyiyle hareket etmeye devam eder. Burada hız yöneyi hareket eden bir nesnenin hem yönünü hem hızını ifade eder. Bu yüzden bir nesne ancak bir kuvvet etki ederse hızını ya da yönünü değiştirir. Önemli olan kuvvet, net kuvvettir. Hareket eden bir arabaya etki eden birçok kuvvet (sürtünmeyi ve hava direncini de kapsayan) ve tekerlekleri hareket ettiren motoru vardır. Arabayı ileri iten kuvvetler arabayı yavaşlatmaya çalışan kuvvetleri dengeliyorsa, net kuvvet yoktur ve araba sabit bir hız yöneyini sürdürür.

Newton’ın İkinci Yasasına göre bir cismin ivmesi (hız değişimi) etki eden kuvvetin büyüklüğüne bağlıdır ve genellikle F=ma olarak yazılır; burada “F” kuvvet, “m” kütle ve “a” ivmedir. Bu, bir cismin üzerindeki kuvvet ne kadar büyükse ivmesinin o kadar büyük olduğunu gösterir. İvmenin bir cismin kütlesine bağlı olduğunu da gösterir. Verili bir kuvvet için küçük kütleli bir cisim, büyük kütleli bir cisimden daha fazla ivme kazanır.

Roket motorları, Newton’ın Üçüncü Yasasının pratik bir örneğidir. Roket, aşağıya doğru zorlayan bir jet tepkisi üretir. Jet tepkisi, roketi yukarı doğru iten eşit ve karşıt yönde bir kuvvet uygular.

Üçüncü Yasaya göre “her etkinin eşit ve karşıt bir tepkisi vardır.” Yani bütün kuvvetler çiftler halinde vardır: Bir nesne ikinci bir nesnenin üzerine bir kuvvet uygularsa, ikinci nesne birinci nesneye eşzamanlı bir kuvvet uygular ve bu iki kuvvet eşit ve karşıttır. “Etki” terimine rağmen, bunun doğru olması için hareket gerekmez. Bu, Newton’ın kütleçekimle ilgili düşünceleriyle ilişkilidir; çünkü Üçüncü Yasasının bir örnegi, cisimler arasındaki kütleçekimdir. Yalnızca Yer Ay’ı çekmiyor, Ay da aynı kuvvetle Yer’i çekiyor.

Evrensel Çekim

Newton 1660’ların sonunda, Cambridge’i kasıp kavuran vebadan sakınmak için iki yıllığına Woolsthrope köyüne çekilince kütleçekimi düşünmeye başladı. O sırada birkaç kişi, Güneş’ten gelen çekici bir kuvvet bulunduğunu ve bu kuvvetin büyüklüğünün uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğunu öne sürmüştü. Başka bir deyişle, Güneş ile başka bir cisim arasındaki uzaklık iki katına çıkarsa, aralarındaki kuvvet ilk kuvvetin yalnızca dörtte biridir. Ne var ki, bu kuralın Yer gibi büyük bir cismin yüzeyinde geçerli olabileceği bir elmanın ağaçtan düştüğünü gören Newton şu sonucu çıkardı: Elmayı Yer çekiyor olmalı ve elma yere her zaman dik düştüğüne göre, düşüş yönü Yer’in merkezine doğruydu. Bu yüzden Yer ile elma arasındaki çekim kuvveti, Yer’in merkezinden kaynaklanıyormuş gibi hareket etmelidir. Bu düşünceler, Güneş’i ve gezegenleri büyük kütleli küçük noktalar şeklinde ele almanın yolunu açtı. Newton, elmayı düşüren kuvvetin gezegenleri yörüngelerinde tutan kuvvetlerden farklı olduğunu düşünmek için hiçbir neden görmüyordu. Bu nedenle kütleçekim evrensel bir kuvvetti.

Newton’ın kütleçekim teorisi düşen cisimlere uygulanırsa, Yer’in kütlesi M1’dir, düşen nesnenin kütlesi için M2’dir. Bu durumda bir nesnenin kütlesi ne kadar büyükse, onu aşağı çeken kuvvet de o kadar büyüktür. Ne var ki, Newton’ın İkinci Yasasına göre, eğer kuvvet aynıysa daha büyük bir kütle daha küçük bir kütle kadar çabuk ivme kazanmaz. Bu yüzden daha büyük kütlenin ivme kazanması için daha büyük kuvvete ihtiyaç vardır ve işleri karıştıran hava direnci gibi başka kuvvetler olmadığı sürece, bütün nesneler aynı hızda düşer. Hava direnci olmasa, bir çekiç ile bir tüy aynı hızda düşer. – Apollo 15 seferi sırasında bu deneyi Ay’ın yüzeyinde gerçekleştiren astronot Dave Scott’un 1971’de kanıtladığı bir olgu. –

Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica’nın erken bir taslağında yörüngeleri açıklamak için bir düşünce deneyi tasvir etti. Çok yüksek bir dağın üzerinde giderek artan hızlarda gülle atışı yapan bir top hayal etti. Ateşlenen güllenin hızı ne kadar yüksekse, gülle o kadar uzakta yere düşer. Yeterince hızlı fırlatılırsa yere düşmez, tekrar dağın tepesine gelinceye kadar Yer’in etrafında yoluna devam eder. Aynı şekilde, doğru hızda yörüngesine fırlatılan bir uydu da Yer’in etrafında dönmeye devam edecektir. Yer’in çekimi uyduya sürekli hız kazandırır. Sabit bir hızda hareket eder, ama yönü sürekli değişiyor, düz bir çizgide uzaya savrulmak yerine gezegenin etrafında dolanır. Bu durumda Yer’in kütleçekimi uydunun hızını değil, yalnızca hız yöneyinin yönünü değiştirir.

Newton’ın düşünce deneyi, yüksek bir dağdan yatay ateşlenen bir topu tasvir etmekteydi. Top güllesini atan kuvvet ne kadar büyükse, o kadar uzağa düşer. Yeterince güçlü atılırsa, gezegenin etrafında dönüp dağa geri döner.

Düşünceleri Yayımlamak

1684’te Robert Hooke, gezegen deviniminin yasalarını keşfettiğini arkadaşları Edmond Halley ve Christopher Wren’e övünerek anlattı. Halley, Newton’un da arkadaşıydı ve bunu ona sordu. Newton sorunu daha önce çözdüğünü, notlarını kaybettiğini söyledi. Halley, Newton’ı çalışmayı yeniden yapmaya teşvik etti ve bunun sonucunda, 1684’te Kraliyet Derneğine gönderilen kısa bir el yazması olan Cisimlerin Bir Yörüngede Devinimi Üzerine’yi çıkardı. Bu tebliğde Newton, Kepler’in tarif ettiği gezegenlerin eliptik deviniminin her şeyi Güneş’e doğru çeken bir kuvvetten kaynaklandığını gösterdi; buradaki kuvvet, cisimler arasındaki mesafeyle ters orantılıydı. Newton üç cilt halinde yayımlanan ve diğer şeylerin yanı sıra Evrensel Kütleçekim Yasası ile Newton’ın Üç Hareket Yasasını da içeren Principia Mathematica’da o çalışmasını genişletti, hareket ve kuvvetle ilgili diğer çalışmalarını da ekledi. Kitaplar Latince yazıldı ve Principia Mathematica’nın üçüncü baskısını esas alan ilk İngilizce çeviri 1729’da yayımlandı.

Hooke’un Newton’ın ışık teorisine yönelttiği eleştiriler nedeniyle Hooke ile Newton’ın arası zaten açıktı. Ne var ki, Newton’ın yayımından sonra, Hooke’un gezegen devinimine ilişkin çalışmalarının çoğu gölgede kaldı. Ama Hooke böyle bir yasayı öne süren tek kişi değildi ve işe yaradığını da kanıtlamamıştı. Newton, kendi Evrensel Kütleçekim Yasasının ve hareket yasalarının gezegenlerin ve kuyrukluyıldızların yörüngelerini açıklamak için matematiksel olarak kullanılabildiğini ve bu açıklamaların gözlemlere uyduğunu göstermişti.

Kuşkulu Kabul

Newton’ın kütleçekimle ilgili düşünceleri her yerde iyi karşılanmadı. Newton’ın kütleçekim kuvvetinin “uzaktan etki”si, nasıl ve neden gerçekleştiğini açıklamanın bir yolu olmadığı için, “okült” bir düşünce olarak görüldü. Newton, kütleçekimin doğası üzerine yorumda bulunmak istemedi. Ona göre ters-kare çekim düşüncesinin gezegen devinimlerini açıklayabildiğini ve dolayısıyla matematiğin doğru olduğunu göstermiş olması yeterliydi. Bununla birlikte, Newton’ın yasaları o kadar çok olguyu açıklıyordu ki, kısa sürede yaygın kabul gördü ve bugün uluslararası kullanılan kuvvet birimi, onun adıyla anılır.

Newton yasaları, 1066’da göründükten sonra Bayeux İşlemesi’nde gösterilen Halley kuyrukluyıldızı gibi gök cisimlerinin yörüngelerini hesaplama aletlerini sağladı.

Denklem Kullanmak

Edmond Halley; Newton’ın denklemlerini kullanarak, 1682’de görülen bir kuyrukluyıldızın yörüngesini hesapladı ve 1531 ile 1607’de gözlemlenen kuyrukluyıldızla aynı olduğunu gösterdi. Bu kuyrukluyıldıza şimdi Halley kuyrukluyıldızı deniliyor. Halley, 1758’de – ölümünden 16 yıl sonra – geri geleceğini başarılı bir biçimde öngördü

Kuyrukluyıldızların Güneş’in etrafında döndüğü ilk kez gösterilmişti. Halley kuyrukluyıldızı her 75-76 yılda bir Yer’in yakınından geçer ve 1066’da Güney İngiltere’de Hastings Savaşı’ndan önce görülen kuyrukluyıldız da oydu.

Denklemler yeni bir gezegenin keşfedilmesinde de kullanıldı. Uranüs Güneş’in yedinci gezegenidir ve 1781’de William Herschel tarafından gezegen olarak tanımlandı. Herschel gezegeni, gece gökyüzünde gözlem yaparken tesadüfen buldu. Daha ileri Uranüs gözlemleri astronomların yörüngesini hesaplamalarına ve gelecek tarihlerde nerede gözlenebileceğini öngören cetveller üretmelerine olanak verdi. Ne var ki, bu öngörüler her zaman doğru çıkmadı ve Uranüs’ün ötesinde kütleçekimle Uranüs’ün yörüngesini etkileyen başka bir gezegen olması gerektiği düşüncesine yol açtı. 1845’e gelindiğinde astronomlar bu sekizinci gezegenin gökyüzünde nerede olması gerektiğini hesaplamıştı ve 1846’da Neptün keşfedildi.

Teorinin Sorunları

Eliptik yörüngeli bir gezegenin güneşe en fazla yaklaştığı noktaya günberi denilir. Güneş’in etrafında dönen yalnızca bir gezegen olsaydı, yörüngesinin günberisi aynı yerde kalırdı. Ne var ki, Güneş Sistemimizdeki bütün gezegenler birbirlerini etkiler, bu yüzden günberiler Güneş’in etrafında yalpalar (döner). Bütün gezegenler gibi Merkür’ ün günberisi de yalpalar, ama yalpalama, Newton denklemleri kullanılarak tam açıklanamaz. Bu, 1859’da bir sorun olarak kabul edildi. 50 yıldan fazla bir süre sonra Albert Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi kütleçekimi uzayzaman eğriliğinin bir etkisi olarak tarif etti ve bu teoriye dayanan hesaplamalar, Merkür yörüngesinin gözlemlenen yalpalamasını ve Newton’ın yasalarına bağlı olmayan diğer gözlemleri açıklar.

Merkür’ün yörüngesinin yalpalaması (dönme ekseninde değişme), Newton yasalarıyla açıklanamayan ilk olguydu.

Bugün Newton Yasaları

Newton yasaları, “klasik mekanik” denilen şeyin – hareket ve kuvvetin etkilerini hesaplamak için kullanılan bir dizi denklem – temelini oluşturur. Bu yasalar, Einstein’ın görelilik teorilerine dayanan denklemlerle aşılmış olmalarına rağmen, söz konusu hareket ışık hızına kıyasla küçük olduğu sürece iki yasa kümesi hemfikirdir. Bu yüzden, uçakların ve arabaların tasarımında ya da bir gökdelenin bileşenlerinin ne kadar güçlü olması gerektiğini ortaya çıkarmada kullanılan hesaplamalar için, klasik mekaniğin denklemleri hem yeterince doğrudur hem kullanımı daha kolaydır. Newton mekaniği harfi harfine doğru olmayabilir, ama hala yaygın olarak kullanılmaktadır.

Isaac Newton Kimdir?

1642’de Noel Günü doğan Isaac Newton, 1665’te mezun olduğu Cambridge’deki Trinity College’de okumadan önce, Grantham’da okula gitti. Ömrü süresince Newton Cambridge’de matematik profesörü, Kraliyet Darphanesi müdürü, Cambridge Üniversitesinin parlamento temsilcisi ve Kraliyet Derneği başkanı oldu. Newton, Hooke’la anlaşmazlığının yanı sıra, Alman matematikçi Gottfried Leibnitz’le de kalkülüsün geliştirilmesinde öncelik konusunda bir kan davası güttü.

Newton bilimsel çalışmalarına ek olarak, simya araştırmalarına ve Kitabı Mukaddes yorumlarına da epeyce zaman harcadı. İnançlı ama alışılmışın dışında bir Hristiyan olan Newton, üstlendiği bazı görevler gerektirmesine rağmen, rahip olarak atanmaktan sakınmayı başardı.

Kütleçekim Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1543 – Nicolaus Copernicus gezegenlerin Yer’in etrafında değil, Güneş’in etrafında döndüklerini öne sürer.

1609 – Johannes Kepler, gezegenlerin Güneş’in etrafında eliptik yörüngelerde serbestçe dolaştıklarını öne sürer.

1610 – Galileo’nun astronomik gözlemleri Copernicus’un görüşlerini destekler.

1846 – Matematikçi Urbain Le Verrier; Newton’ın yasalarını kullanıp Neptün’ün nerede olması gerektiğini hesapladıktan sonra, Johann Gaile gezegeni keşfeder.

1859 – Le Verrier, Newtoncı mekaniğin Merkür’ün yörüngesini açıklanmadığını bildirir.

1915 – Genel görelilik teorisiyle Albert Einstein kütleçekimi, uzay-zaman eğriliği bakımından açıklar.