Eınsteın’ın Olağanüstü Yılı

PATENT dairesinde kayıt tutmakla görevli olan 26 yaşındaki Albert Einstein, 1905 yılında dört bilimsel rapor yayımladı. Bu raporlarda sunduğu tez, evrendeki en küçük yapı taşından, en büyük galaksilere kadar her konuda bakış açımızı değiştirdi. Bunlardan bazıları, son 100 yılda yapılan ve yaşamı etkileyen hatta değiştiren birçok buluşun çıkış noktası oldu.

Nobel ödüllü fizikçi Isidor Rabi şunları söylemişti: “Modern fiziğin hemen hemen bütün temel ve önemli fikirlerinin kökeni öyle ya da böyle Einstein’a dayanır.” Einstein yüz yıl önce acaba tam olarak ne keşfetti?

Işığa Işık Tutuluyor

Einstein’ın Mart 1905’te yayımlanan tezi, ışığın yapısıyla ilgili bazı sırları açığa kavuşturdu. Bilim adamları, ışığın uzayda yol alırken, daha çok havuzdaki su dalgaları gibi hareket ettiğini zaten keşfetmişlerdi. Ancak, belli belirsiz gözüken bir mavi ışık belli metallere çarptığında onların içinde elektrik akımı ürettiği halde, parlak kırmızı ışığın aynı şeyi neden yapamadığını dalga teorisi açıklayamıyordu. Einstein’ın raporu, fotoelektrik etki olarak adlandırılan bu olayın açıklanmasına yardımcı oldu.

Einstein raporlarında, ışığa gerektiğinde küçük enerji paketlerinden oluşuyormuş gibi bakılabileceği tezini savundu. Bu enerji paketleri daha sonra foton olarak adlandırıldı. Metallere çarpan fotonlar doğru enerji düzeyinde, yani doğru renkte olurlarsa, bazı metallerin atomlarında bulunan elektronları yerinden oynatıp sökebilirler. (Kırmızı ışık fotonlarının enerji seviyesi bunu yapamayacak kadar düşüktür.) Bu etkileşim, maddenin içinden elektrik akımının geçmesine neden olur. Televizyonlarda kullanılan resim tüpleri, güneş pilleri ve fotoğrafçılıkta kullanılan ışıkölçerler gibi modern buluşlar, Einstein’ın fotoelektrik olay hakkında yaptığı açıklamadan yola çıkılarak yapılmıştır.

Einstein, ışığın doğasına getirdiği açıklama tarzından dolayı, 1921’de Nobel Fizik Ödülü aldı. Onun tezi, kuvantum fiziği denilen bir bilim dalının ortaya çıkmasına ön ayak olmuştur. Sonuçta, nükleer bilimi, elektronik ve nanoteknoloji de dahil birçok yeni gelişmenin temelinde kuvantum fiziği yatmaktadır.

Polen Neden Dans Eder?

Einstein, aynı yıl, yani 1905’te atom ve moleküller üzerinde çalışmaya başladı. Bunların, suyun içinde asıltı durumunda bulunan küçük polenlerin (çiçektozlarının)  üzerindeki etkileri hakkında teorik bir açıklama yaptı. Biyolog Robert Brown 1827 yılında mikroskopla yaptığı bir çalışmada suyun içindeki polenlerin her yöne rasgele hareket ettiğini gözlemlemişti. Polenlerin bu hareketini Brown hareketi olarak adlandırmış fakat bu hareketin nedenini açıklayamamıştı.

Einstein, Mayıs 1905’te yayımladığı raporda, titreşen su moleküllerinin Brown hareketini nasıl yaptıklarını açıkladı. Sadece su moleküllerinin boyutlarını hesaplamakla kalmadı, atomlarının belli özelliklerini de tahmin etti. Diğer bilim adamları çalışmalarında bu tahminlerden yararlandılar ve atomun varlığıyla ilgili şüpheleri ortadan kaldırdılar. Modern fizik, maddenin atomdan meydana geldiği ilkesine dayanır.

Zaman Görelidir

Einstein’ın Haziran 1905’te yayımladığı özel görelilik kuramı, Isaac Newton gibi bilim adamlarının, zamanın tüm evrende sabit olduğuyla ilgili görüşünü reddeder. Einstein’ın bugün geniş çapta kabul gören kuramının ortaya koyduğu olası sonuçlar oldukça tuhaf görünebilir.

Örneğin, arkadaşınızla saatlerinizi saniyesi saniyesine ayarladığınızı varsayalım. Sonra arkadaşınız uçarak dünyanın çevresinde bir tur atıyor, fakat siz evde kalıyorsunuz. Arkadaşınız döndüğünde onun saati sizinkine göre biraz geri kalmış olacaktır. Sizin açınızdan bakıldığında, yolculuk eden arkadaşınız için zaman yavaşlamıştır. Tabii bu fark insanın hız yapma kapasitesinin sınırlı olması nedeniyle çok küçük olacaktır. Ancak ışık hızına yaklaşıldığında hem zaman yavaşlar hem de nesnelerin hacmi küçülür ve kütleleri artar. Einstein’ın kuramına göre, evrende sabit olan şey zaman değil ışık hızıdır.

Dünyayı Değiştiren Bir Formül

Eylül 1905’te Einstein, özel görelilik teorisinin bir dipnotu ya da eki niteliğinde başka bir tez yayımladı. Bu tez onun bilimsel yapıtının sembolü haline gelen bir formülü içermektedir: E=mc². Bu denkleme göre, atom parçalandığında açığa çıkan serbest enerji, tüketilen kütle ile ışık hızının karesinin çarpımına eşittir.

Einstein gibi bilim adamlarının çabaları sayesinde insanlık, evrenin yapısı hakkında birçok şey öğrendi. Yine de insanın bu konuda şu anda sahip olduğu bilginin düzeyi, eski zamanlarda yaşayan Eyub’un söylediğinden öte geçememiştir. Yaratıcımızın işlerinden bahseden Eyub, alçakgönüllükle şunu kabul etti: “Bunlar yollarının ancak kenarlarıdır; ve ondan ötürü işittiğimiz ne ufak bir fısıltıdır!” (Eyub 26:14).

[Sayfa 28’deki şema/resimler]

(Yayına bakın)

Işık hem dalga hem de parçacık gibi davranır. Bu bilgi sayesinde güneş enerjisiyle çalışan hesap makineleri ve dijital fotoğraf makinelerinin içindeki ışık sensörleri yapıldı

[Sayfa 29’daki şema/resimler]

(Yayına bakın)

Brown hareketindeki rasgele dalgalanma atomun varlığının kanıtlanmasına yardımcı oldu

[Sayfa 29’daki şema/resimler]

(Ayrıntılı bilgi için lütfen yayına bakın)

E Enerji

= eşittir

m kütle

c² çarpı ışık hızının karesi

c² ’nin anlamı c çarpı c, ya da saniyede 300.000 kilometre çarpı saniyede 300.000 kilometredir

c² akıl almaz ölçüde büyük bir sayı olduğundan (90.000.000.000 km² /s² ) çok küçük miktarda bir kütle muazzam bir enerjiye dönüşebilir. Bir uranyum atomu parçalandığında, hemen daha küçük iki atoma ayrılır ancak bu arada kütlesinin binde birini kaybeder. Bu küçük miktardaki kütle kaybı çok büyük bir enerjinin açığa çıkmasına neden olur

Açığa çıkan enerji

Sadece 450 gram gelen bir maddenin enerjiye dönüşmesiyle açığa çıkan enerji:

▪ yaklaşık 11 milyar kilovat saatlik enerjiye

▪ bir arabanın dünyanın etrafında 180.000 defa dolaşması için gereken enerjiye

▪ en büyük petrol tankerinin dünyanın etrafında 400 defa dolaşması için gereken enerjiye

▪ ABD’nin bir günlük ihtiyacını karşılayacak elektrik enerjisine eşittir

Bunun tersi de doğrudur. Serbest enerjiyi maddeye dönüştürerek tek bir atom oluşturabilmek için çok büyük miktarda enerjiye ihtiyaç vardır.

[Sayfa 29’daki resimler]

Siz hızlandıkça zaman yavaşlar

[Sayfa 29’daki resim]

Küresel Konumlama Sistemi’nin (GPS) uydusundaki saatler, dünyadaki saatlerle aynı hızla ilerlemez. Göreliliğin etkileri hesaba katılarak bir düzeltme yapılmazsa, GPS’in gönderdiği sinyallerin hiçbir yararı olmaz

[Sayfa 28’deki resim tanıtım notları]

Einstein: Topical Press Agency/Getty Images; arka plan: CERN photo, Geneva