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.

Isaac Newton

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.

newton elma

– 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.

Eylemsizlik İlkesi

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.

hareket yasası

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.

kütleçekim

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.

Dave Scott

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 düşünce deneyi
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.

Principia Mathematica

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.

Genel Görelilik Teorisi
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.

newton

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.

İngiliz bilgin John Michell, 1783’te Royal Society’de Henry Cavendish’e yazdığı bir mektupta, kütleçekimin etkisiyle ilgili düşüncelerini açıklar. Mektup 1970’lerde yeniden keşfedildi ve kara deliklere ilişkin dikkate değer bir açıklama içerdiği görüldü. Newton’ın kütleçekim yasasına göre, bir nesnenin kütleçekim kuvveti kütlesiyle birlikte artar. Michell, kütleçekimden etkilenen ışığa ne olabileceğini ele aldı. Şöyle yazıyordu: “Güneşle aynı yoğunlukta bir kürenin yarıçapı l’e 500 oranında azalsaydı, sonsuz yükseklikten ona doğru düşen bir cisim, yüzeyinde ışığınkinden daha büyük bir hız kazanırdı ve dolayısıyla, ışığın aynı kuvvet tarafından çekildiğini varsayarsak… böyle bir cisimden yayılan her ışık ona dönecek şekilde olurdu.” 1796’da Fransız matematikçi Pierre-Simon Laplace, Exposition du Systeme du Monde‘de benzer bir düşünceyle ortaya çıktı.

Ne var ki, 1915’te Albert Einstein genel görelilik üzerine yazısında kütleçekimi uzay-zaman eğrilmesinin bir sonucu olarak açıklayana kadar, kara delik düşüncesi uykuda yatacaktı. Einstein, maddenin uzay-zamanı kendi etrafına nasıl sarıp, Schwarzschild yarıçapı ya da olay ufku denilen bir bölgede kara delik meydana getirdiğini gösterdi. Madde – ışık da – kara deliğin içine girebilir, ama çıkamaz. Bu resimde ışığın hızı değişmez. Aksine, ışığın içinden geçtiği uzay değişir; ama Michell’in sezgisinin bir mekanizması vardı ve ona göre ışığın hızı, en azından azalır gibi görünürdü.

karadelik
Madde soğurulmadan önce halka şeklinde bir “yığılma diski”ndeki bir kara deliğin etrafında girdap yaparak döner. Girdap diskindeki ısı deliğin enerji – dar X-ışını demetleri olarak – yaymasına neden olur.

Teoriden Gerçekliğe

Einstein’ın kendisi de kara deliklerin gerçekte var olup olmadıklarından kuşkuluydu. Ancak 1960’larda varlıklarına ilişkin dolaysız kanıtlar arttıkça genel kabul görmeye başladılar. Bugün pek çok evrenbilimci kara deliklerin, büyük yıldızlar kendi kütleçekimleri altında çökünce oluştuklarını, daha fazla madde emdikçe büyüdüklerini ve her galaksinin merkezide dev bir kara deliğin pusuda yattığını düşünür. Kara delikler maddeyi içine çeker; Stephen Hawking’e atfen Hawking ışınımı denilen soluk kızılötesi ışınım dışında hiçbir şey kaçamaz. Kara deliğe düşen bir astronot hiçbir şey hissetmez ve olay ufkuna yaklaşırken sıradışı hiçbir şey fark etmez; ama kara deliğe doğru bir saat atsa, saat yavaşlar gibi görünür ve olay ufkuna yaklaşır ama hiçbir zaman tam ulaşmaz, yavaş yavaş gözden kaybolur.

kara delik astranot

Ne var ki, teorinin hala sorunları vardır. 2012’de fizikçi Joseph Polchinski, kuantum ölçeğinde etkilerin olay ufkunda, içine düşen astronotu yakıp kül edecek bir “ateş duvarı” yaratacağını öne sürdü. 2014’te Hawking fikrini değiştirdi ve kara deliklerin her şeye rağmen var olamayacakları sonucuna vardı.

John Michell Kimdir?

John Michell gerçek bir bilgindi. 1760’ta Cambridge Üniversitesinde jeoloji profesörü oldu, ama aynı zamanda aritmetik, geometri, teoloji, felsefe, İbranice ve Yunanca dersleri verdi. 1767’de din adamı olmak üzere emekli oldu ve kendi bilimine odaklandı.

John Michell

Michell yıldızların özelliklerine kafa yordu, depremleri ve manyetizmayı araştırdı ve Yerin yoğunluğunu ölçmek için yeni bir yöntem icat etti. “Dünyayı tartma” – hassas bir torsiyon terazisi – aygıtı yaptı; ama 1793’te kullanamadan öldü. Aygıtı arkadaşı Henry Cavendish’e bıraktı; Cavendish, deneyi 1798’de gerçekleştirdi ve şu anda kabul edilen rakama yakın bir değer elde etti. O günden bu yana, oldukça haksız bir biçimde “Cavendish deneyi” olarak anılmaktadır.

cavendish torsiyonu

Önemli Eserleri:

1767 – An Inquiry into the Probable Parallax and Magnitude of the Fixed Stars

Kara Delikler Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1686 – Isaac Newton evrensel kütleçekim yasasını formüle eder; buna göre nesneler arasındaki kütleçekimin gücü kütleleriyle orantılıdır.

1796 – Pierre-Simon Laplace kara delik olasılığıyla ilgili teoriler kurar.

1915 – Albert Einstein kütleçekimin uzay-zaman süreminin bükülmesi olduğunu gösterir; kütlesiz ışık fotonlarının kütleçekiminden etkilenmesinin nedeni bu bükülmedir.

1916 – Karl Schwarzschild olay ufkunu önerir; bu ufkun ötesinde, bir kara delikle ilgili hiçbir veri alınamaz.

1974 – Stephen Hawking, olay ufkundaki kuantum mekaniğinin kızılötesi ışınım yayacağını öngörür.

1770’lerde Felemenkli bilim insanı Jan Ingenhousz, daha önceki bilim insanlarının belirttiği gibi, bitkilerin neden ağırlaştığını keşfetmeye koyuldu. İngiltere’ye gidip araştırmasını Bowood House’ta – Joseph Priestley’in 1774’te oksijeni keşfettiği yer – yapıyordu ve fotosentezin anahtarlarını – günışığı ve oksijen – bulmak üzereydi.

ingenhousz

Kabarcık Çıkaran Otlar

Ingenhousz bitkilerin suda gaz kabarcıkları çıkardığını okumuştu; ama kabarcıkların kesin bileşimi ve kökeni belli değildi. Bir dizi deneyde günışığındaki yaprakların karanlıktaki yapraklardan daha fazla kabarcık çıkardığını gördü. Yalnızca günışığında çıkan gazı topladı ve akkor halinde bir kıymığı alevlendirdiğini gördü – bu oksijendi. Bitkilerin karanlıkta çıkardığı gaz bir alevi söndürüyordu – bu da karbondioksitti.

riccia
Geceleyin su otu kabarcıkları solunumu gösterir; çünkü bitkiler oksijen alıp karbondioksit vererek glikozu enerjiye dönüştürür.

Ingenhousz bitkilerin, içinde büyüdükleri toprağın ağırlığı fazla değişmeden ağırlık kazandıklarını biliyordu. 1779’da, atmosferle gaz alışverişinin, özellikle karbondioksit emilmesinin, bir bitkinin artan organik maddesinin en azından kısmen kaynağı olduğu sonucuna vardı – yani, ekstra kütlesi havadan geliyordu. Şimdi bildiğimiz gibi, bitkiler fotosentezle beslenir – bitkilerin emdiği karbondioksit ve suyun tepkimesiyle güneşten alınan enerji glikoza çevrilir ve atık olarak oksijen dışarı verilir. Sonuç olarak bitkiler hem yaşam için vazgeçilmez olan oksijen verir, hem enerji verir. Bitkiler, solunum denilen tersine bir süreçle, gece ve gündüz besin olarak glikoz kullanır ve karbondioksit verir.

fotosentez

Bitkiler Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1640’lar – Felemenkli kimyacı Jan Baptista van Helmont’ın çıkarımına göre, bir saksı ağacı topraktan su emerek ağırlık kazanır.

1699 – İngiliz doğa bilimci John Woodward bitkilerin suyu hem aldığını hem verdiğini, bu nedenle büyümelerinin başka bir madde kaynağına gerek duyduğunu gösterir.

1754 – İsviçreli doğa bilimci Charles Bonnet bitki yapraklarının su altında aydınlatılınca hava kabarcıkları çıkardığını fark eder.

1796 – İsviçreli botanikçi Jean Senebier, bitkilerde yeşil yaprakların oksijen verip karbondioksit emdiğini gösterir.

1882 – Alman bilim insanı Theodor Engelmann, bitki hücrelerinde oksijen yapan bölümler olarak kloroplastları gösterir.

Fransız kimyacı Antoine Lavoisier, özellikle oksijene adını vererek ve yanmadaki rolünü ölçerek bilime yeni bir kesinlik düzeyi getirdi. Yanma sırasında gerçekleşen kimyasal tepkimelerde dikkatli kütle ölçümleri alarak, kütle korunumu ilkesini – bir tepkimede yer alan butün maddelerin toplam kütlesinin, tüm ürünlerinin toplam kütlesiyle aynı olduğu ilkesi – kanıtladı.

Lavoisier kapalı kaplarda çeşitli maddeleri ısıttı ve bir metalin ısıtılınca kazandığı kütlenin kaybolan havanın kütlesine eşit olduğunu buldu. Havanın “saf” kısmı (oksijen) bitince, yanmanın sona erdiğini de buldu. Geride kalan hava (büyük bölümü nitrojen) yanmayı desteklemiyordu. Bu nedenle yanmanın ısı, yakıt (yanan malzeme) ve oksijenin birleşmesini gerektirdiğini anladı.

Antoine Lavoisier

Lavoisier’in 1778’de yayımlanan bulguları yalnızca kütle korunumu ilkesini kanıtlamakla kalmadı, oksijenin yanmadaki rolünü saptayarak filojiston denilen bir ateş öğesine ilişkin teoriyi de yıktı.

Geçen yüzyılda bilim insanları yanıcı maddelerin filojiston içerdiklerini ve yanınca filojiston saldıklarını sanmıştı. Bu teori odun gibi maddelerin yanınca neden kütle kaybettiklerini açıklıyordu; ama magnezyum gibi başka maddelerin yanınca neden kütle kazandıklarını açıklamıyordu. Lavoisier’in dikkatli ölçümleri, hiçbir şeyin kaybolmadığı ya da eklenmediği, ama her şeyin dönüştüğü bir süreçte oksijenin kilit önemde olduğunu gösterdi.

Antoine Lavoisier çalışmaları

Oksijen Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1667 – Alman simyacı Johann Joachim Becher, nesnelerin bir ateş öğesi tarafından yakılacak şekilde yapıldıklarını öne sürer.

1703 – Alman kimyacı Georg Ernst Stahl, bunun adını filojiston olarak değiştirir.

1772 – İsveçli kimyacı Carl Wilhelm Scheele “ateş hava”yı (daha sonra oksijen denilen) keşfeder, ama bulgularını 1777’e kadar yayımlamaz.

1774 – Joseph Priestley “filojistonsuz hava”yı (daha sonra oksijen denilen) yalıtır ve bulgularını Lavoisier’e anlatır.

1783 – Lavoisier hidrojen, oksijen ve suyla yaptığı deneylerle yanmayla ilgili düşüncelerini doğrular.

1789 – Lavoisier’in Elementary Treatise on Chemistry‘si 33 elementi adlandırır.

Elementary Treatise on Chemistry

17. yüzyılda Avrupa’da birçok bilim insanı havanın özelliklerini araştırdı ve onların çalışmaları, İrlanda asıllı İngiliz bilim insanı Robert Boyle’nin bir gazdaki basıncı açıklayan matematiksel yasaları çıkarmasına yol açtı. Bu çalışma, yıldızlar ile gezegenler arasındaki uzayın doğasıyla ilgili daha geniş bir tartışmayla ilişkiliydi. “Atomculara” göre göksel cisimler arasında boş uzay vardı; Kartezyenlere (Fransız filozof Rene Descartes’ı izleyenler) göre ise, parçacıklar arasındaki uzay esir denilen bilenmeyen bir maddeyle doluydu ve bir vakum üretmek olanaksızdı.

Robert Boyle

Barometreler

İtalya’da matematikçi Gasparo Berti, bir emme tulumbanın suyu neden 10 metreden yukarıya çıkaramadığını anlamak için deneyler yaptı. Berti uzun bir boru aldı, bir ucunu kapatıp suyla doldurdu. Sonra ağzını bir su teknesinin içinde koyup ters çevirdi. Tüpteki suyun düzeyi, sütun yaklaşık 10 metre yükselene kadar düştü.

Gasparo Berti

1642’de Berti’nin çalışmalarından haberdar olan yurttaşı Evangelista Torricelli benzer bir aygıt yaptı, ama su yerine cıva kullandı. Cıva sudan 13 kat daha yoğundur; bu yüzden sıvı sütunu yalnızca 76 santimetre kadar yüksekti. Torricelli’nin buna ilişkin açıklaması şöyleydi: çanaktaki cıvanın üzerideki havanın ağırlığı cıvayı aşağı bastırıyordu ve bu, sütunun içindeki cıvanın ağırlığını dengelemekteydi. Tüpün içinde cıvanın üstündeki alanın bir vakum olduğunu söyledi. Bu durum bugün basınçla (belli bir alan üzerideki kuvvet) açıklanır, ama temel düşünce aynıdır. Torricelli ilk cıvalı barometreyi bulmuştu.

Blaise Pascal’ın barometre deneyleri, hava basıncının yükseklikle birlikte nasıl değiştiğini gösterdi. Pascal fiziğin yanı sıra matematiğe de önemli katkılarda bulundu.
Blaise Pascal

Fransız bilim insanı Blaise Pascal, Torricelli’nin barometresinden 1646’da haberdar oldu ve hemen kendi deneylerini yapmaya başladı. Kayınbiraderi Florin Perier’in gerçekleştirdiği bu deneylerden biri, hava basıncının yüksekliğe bağlı olarak değiştiğini gösterecekti. Bir barometre Clermont’ta bir manastırın zeminine yerleştirildi ve gündüzleri bir keşiş tarafından gözlemlendi. Perier başka bir barometreyi, kasabadan yaklaşık bin metre yükseklikteki Puy de Dôme’un tepesine götürdü. Dağın tepesindeki cıva sütunu, manastırın bahçesinde olandan 8 cm daha kısaydı. Dağın üzerideki hava miktarı aşağıdaki vadinin üzerindeki havadan fazla olduğuna göre, gerçekten de havanın ağırlığı su ya da cıva tüplerindeki sıvıyı orada tutmaktaydı. Bu ve diğer çalışmalarda ötürü, modern basınç birimine Pascal adı verilir.

Torricelli

– Bir barometreyi bir dağın başına götürürseniz, barometredeki cıvanın yüksekliği düşer.

– Bunun nedeni, cıvayı aşağıya bastıran havanın yukarıda daha az olmasıdır.

– Bir barometrede alıcının havası boşaltılınca, civanın düzeyi düşer.

– Yani, alıcıdaki hava miktarı ne kadar azsa, basınç da o kadar düşüktür.

Havanın kütlesi küçüldükçe “havanın yayı” da küçülür.

Hava Pompaları

Bir sonraki önemli atılımı, bir kaptan bir miktar havayı boşaltabilen bir pompa yapan Prusyalı bilim insanı Otto von Guericke gerçekleştirdi. En ünlü gösterisini 1654’te yaptı: İki metal yarımküreyi aralarına hava geçirmez bir conta koyup birleştirdi ve aradaki havayı boşalttı. İki takım metal yarımküreleri birbirinden ayıramadı. Hava boşaltılmadan önce, contalı yarımkürelerin içindeki hava basıncı ile dışarıdaki hava basıncı aynıydı. İçeride hava kalmayınca, dışarıdaki havanın basıncı yarımküreleri bir arada tutuyordu.

Otto von Guericke

Robert Boyle, von Guericke’nin deneylerinden 1657’de yayımlanınca haberdar oldu. Boyle kendi deneylerini gerçekleştirmek için, Robert Hooke’u bir hava pompası tasarlayıp yapmakla görevlendirdi. Hooke’un hava pompası, çapı yaklaşık 40 cm olan cam bir “alıcı” (kap), altında piston bulunan bir silindir ve bu ikisinin arasında tıkaçlardan ve vanalardan oluşmaktaydı. Pistonun peş peşe hareketleri alıcıdan daha fazla havayı dışarıya çekiyordu. Donanımın contalarındaki hafif sızıntı nedeniyle, alıcının içinde vakuma yakın bir durum ancak kısa bir süre sürdürülebiliyordu. Yine de makine daha önce yapılanların üzerinden büyük bir ilerlemeydi; bilimsel bir araştırmayı daha da ilerletmede teknolojinin önemini gösteren bir örnekti.

hava pompası

Deneysel Sonuçlar

Boyle, hava pompasıyla çok sayıda farklı deney yaptı ve bunları 1660’ta New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects kitabında tarif etti. Kitapta, Galileo gibi ünlü deneycilerin bile çoğu kez “düşünce deneylerinin” sonuçlarını ilan ettiği bir zamanda, açıklanan bütün sonuçların deney ürünü olduğuna işaret etmeye gayret etti.

robert boyle icatları

Boyle’nin birçok deneyi, doğrudan hava basıncıyla bağlantılıydı. Alıcı bir Torricelli barometresini tutacak şekilde değişebiliyordu; tutkalla yerine sabitlenen tüp alıcının tepesinde kadar çıkmaktaydı. Alıcıdaki basınç azaltılınca, cıvanın düzeyi düşmekteydi. Tersinden bir deney de gerekleştirdi ve alıcının içinde basıncın yükselmesiyle cıva seviyesinin de yükseldiğini gördü. Bu, Torricelli’nin ve Pascal’ın daha önceki bulgularını doğruladı.

robert boyle hava pompası

Boyle, hava miktarı azaldıkça alıcıdaki havayı boşaltmanın zorlaştığını belirtti ve alıcının içinde yarı şişirilmiş bir torbanın etrafındaki hava boşaltılınca, hacminin arttığını da gösterdi. Torba bir ateşin önünde tutulduğunda da benzer bir sonuca varılabiliyordu. Bu sonuçlara neden olan hava “yay”ına ilişkin iki olası açıklama yaptı: Her bir hava parçacığı bir yay gibi sıkıştırılabilirdi ve bütün hava kütlesi bir yapağıya benziyordu ya da hava rastgele hareket eden parçacıklardan oluşuyordu.

Bu Kartezyenlerin görüşüne benziyordu; ama Boyle esir düşüncesine katılmadı, “taneciklerin” boş uzayda hareket ettiklerini öne sürdü. Açıklaması, maddenin özelliklerini hareket eden parçacıklar bakımından tarif eden modern kinetik teorisine bariz bir biçimde benzer.

Boyle’nin bazı deneyleri fizyolojikti; hava basıncının azalmasının kuşlar ve fareler üzerindeki etkilerini araştırdı ve havanın akciğere nasıl girip çıktığına kafa yordu.

Boyle Yasası

Boyle yasasına göre, gaz miktarı ve ısı aynı tutulduğu sürece, bir gazın basıncının hacmiyle çarpımı bir sabitti. Başka bir deyişle, bir gazın hacmini azaltırsanız, basıncı artar. Hava yayını üreten, bu artan basınçtır. Bir bisiklet pompasında, pompanın ucunu bir parmağınızla kapatıp pompa kolunu içeri doğru iterseniz etkiyi hissedebilirsiniz.

Bu yasa Boyle adını taşımasına rağmen, ilk kez Boyle değil, Torricelli barometresiyle bir dizi deney yapan ve sonuçlarını 1663’te yayımlayan İngiliz bilim insanları Richard Towneley ve Henry Power önerdi. Boyle kitabın ilk taslağını gördü ve sonuçları Towneley’le tartıştı. O sonuçları deneyle doğruladı ve ilk deneylerine yöneltilen eleştiriye yanıtın bir parçası olarak 1662’de “Bay Towneley’in Hipotezi”ni yayımladı.

Boyle’nin dikkatli deney tekniğinden ötürü ve beklenen sonuçları versin ya da vermesin, deneylerini ve olası hata kaynaklarını eksiksiz rapor ettiği için, gazlarla ilgili çalışması özellikle önemliydi. Bu nedenle birçok kişi onun çalışmalarını genişletmeye çalıştı. Bugün Boyle Yasası, başka bilim insanları tarafından ortaya çıkarılan ve ısı, basınç ya da hacim değişiklikleri altında gerçek gazların davranışına yaklaşan “İdeal Gaz Yasası“nı oluşturan yasalarla birleştirilmektedir. Düşünceleri sonunda kinetik teorisinin gelişmesine de yol açtı.

boyle yasası

Robert Boyle Kimdir?

Robert Boyle İrlanda’da doğdu, Cork Kontlarının 14. çocuğuydu. İngiltere’de Eton College’e gitmeden önce evde özel eğitim aldı ve sonra Avrupa’yı dolaştı. 1643’te babası öldü ve bütün zamanını bilimle ilgilenmeye ayırmasına yetecek kadar para bıraktı. Boyle iki yıllığına tekrar İrlanda’ya taşındı; ama 1654’ten 1668’e kadar çalışmalarını daha kolay yürütebilmek için Oxford’ta yaşadı, ardından Londra’ya taşındı.

robert boyle kimdir

Boyle, bilimsel konuları inceleyen, Londra’da ve Oxford’ta toplanıp düşüncelerini tartışan ve “Görünmez Kolej” denilen grubun üyesiydi. Bu grup 1663’te Kraliyet Derneği oldu ve Boyle ilk konsey üyelerinden biriydi. Bilime ilgisinin yanı sıra Boyle simya deneyleri de yaptı ve farklı insan ırklarının kökeni ve teolojiyle ilgili yazılar da yazdı.

Önemli Eserleri:

1660 – New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects

1661 – The Sceptical Chymist (Kuşkucu Kimyager)

Kuşkucu Kimyager

Hava Basıncı Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1643 – Evangelista Torricelli bir cıva tüpü kullanarak barometreyi icat eder.

1648 – Blaise Pascal ile kayınbiraderi, hava basıncının yükseklikle birlikte azaldığını gösterir.

1650 – Otto von Guericke hava ve vakum üzerine, ilk kez 1657’de yayımlanan deneyler gerçekleştirir.

1738 – İsviçreli fizikçi Daniel Bernoulli, gazların kinetik teorisini açıklayan Hydrodynamica’yı yayımlar.

Hydrodynamica

1827 – İskoç botanikçi Robert Brown polenlerin sudaki hareketini, rastgele yönlerde hareket eden su molekülleriyle çarpışmanın sonucu olarak açıklar.

2000 yıl boyunca çok az kişi, Aristoteles’in dışsal bir kuvvet nesneleri hareket halinde tutar ve ağır nesneler hafiflerden daha hızlı düşer iddiasına meydan okudu. Ancak 17. yüzyılda İtalyan astronom ve matematikçi Galileo Galilei, bu düşüncelerin test edilmesi gerektiğinde ısrar etti. Nesnelerin nasıl ve neden hareket ettiklerini ve durduklarını test etmek için deneyler tasarladı. Eylemsizlik ilkesini – nesneler devimin değişikliğine direnir ve harekete başlamak, hızlanmak ya da yavaşlamak için bir kuvvete ihtiyaç duyar – ortaya koyan ilk kişiydi. Galileo nesnelerin düşme sürelerini ölçerek bütün nesneler için düşme hızının aynı olduğunu gösterdi ve yavaşlamada sürtünmenin oynadığı rolü fark etti.

Galileo Galilei

– Kütleleri farklı olan nesneler, farklı hızlarda düşüyor gibi görünür.

– Hareket eden bütün nesneler hava direncinden etkilenir.

Hava direnci olmasa bütün nesneler aynı hızda düşer.

Düşen bir cisim düzgün hızlanır.

Galileo 1630’lerde elde bulunan donanımla, serbest düşen nesnelerin hızını ya da ivmesini doğrudan ölçemezdi. İki rampadan top yuvarlayarak, topun rampanın dibindeki hızının rampanın dikliğine değil, başlangıçtaki yüksekliğine bağlı olduğunu ve eğim ne kadar dik olursa olsun, bir topun her zaman başladığı yüksekliğe çıkacağı gösterdi.

Galileo diğer deneylerini 5 metre uzunluğunda, sürtünmeyi azaltan pürüzsüz bir malzemeyle kaplı bir rampada gerçekleştirdi. Zamanı ölçmek için, dibinde küçük bir boru bulunan büyük bir su kabı kullandı. Ölçüm yaptığı zaman aralığı süresince suyu topladı ve topladığı suyu tarttı. Topu rampanın farklı noktalarından bırakarak, kat edilen mesafenin geçen zamanın karesine bağlı olduğunu gösterdi.

galileo deneyleri

Galileo’nun vardığı sonuç şuydu: Bütün cisimler boşlukta aynı hızda düşer. Daha büyük bir kütlenin çekim kuvveti daha büyüktür, ama aynı zamanda daha büyük kütlenin hızlanmak için daha büyük bir kuvvete ihtiyacı vardır. İki etki birbirini götürür; bu nedenle başka bir kuvvetin yokluğunda bütün düşen nesneler aynı oranda hızlanır. Gündelik yaşamda farklı şeylerin farklı hızlarda düştüklerini görürüz; çünkü hava direnci etkisi, büyüklüklerine ve şekillerine bağlı olarak nesneleri farklı oranlarda yavaşlatır. Aynı büyüklükte bir plaj topu ile bir bowling topu başlangıçta aynı oranda hızlanır. Bir kez hareket ettikten sonra, üzerilerinde aynı miktarda hava direnci etkili olur; ama bu kuvvetin büyüklüğü plaj topunda daha fazla olacak, bu yüzden plaj topu daha fazla yavaşlayacaktır.

Galileo’nun teorileri dikkatli gözlemlerle ve ölçülebilir deneylerle test etme ısrarı, onun İbnü’l Heysem gibi, modern bilimin kurucularından biri olduğunun işaretidir. Hareket ve kuvvetle ilgili düşünceleri, 50 yıl sonra Newton’ın hareket yasalarının yolunu açtı ve atomlardan galaksilere kadar Evren’deki hareket anlayışımızın temelini oluşturur.

Galileo Galilei kimdir

Galileo Galilei Kimdir?

Galileo Pisa’da doğdu, ama daha sonra ailesiyle birlikte Floransa’ya taşındı. 1581’de tıp okumak için Pisa Üniversitesine yazıldı, sonra matematik ve doğa felsefesi okumaya karar verdi. Bilimin birçok alanında araştırma yaptı ve herhalde en çok, Jüpiter’in dört büyük uydusunu (hala Galileo uyduları denilir) keşfetmesiyle ünlüdür. Galileo’nun gözlemleri onu, o sırada Roma Katolik Kilisesinin öğretilerine aykırı olan Güneş-merkezli Güneş Sistemini desteklemesine yol açtı. 1633’te yargılandı, bu ve diğer düşüncelerinden vazgeçmesi emredildi. Ömrünün sonuna kadar devam eden ev hapsine mahkum edildi. Ev hapsindeyken kinematik (hareket bilimi) üzerine çalışmalarını özetleyen bir kitap yazdı.

Önemli Eserleri:

1623 – Ayarcı

1632 – İki Büyük Dünya Sistemi Hakkında Diyalog

1638 – İki Yeni Bilim Üzerine Diyaloglar

pisa deneyi

Düşen Cisimler Hakkında Önemli Gelişmeler

MÖ 4. yüzyıl – Aristoteles kuvvet ve hareketle ilgili düşünceler geliştirir, ama bunları deneysel olarak test etmez.

1020 – İranlı bilgin İbn Sina, hareket eden nesnelerin, ancak hava direnci gibi dışsal faktörlerin yavaşlattığı asli “hıza” sahip olduklarını yazar.

1586 – Felemenk mühendis Simon Stevin, ağırlıkları farklı iki kurşun topun aynı hızda düştüklerini göstermek için topları Delft’te bir kilisenin kulesinden aşağıya bırakır.

1687 – Isaac Newton’ın Principia’sı kendi hareket yasalarını formüle eder.

1971 – ABD’Li astronot Dave Scott, sürüklenmeye neden olan atmosfer neredeyse bulunmayan Ay’da bir çekiç ile bir tüyün aynı hızda düştüğünü göstererek Galileo’nun düşen cisimlerle ilgili düşüncelerini kanıtlar.