Ana sayfa 61. Sayı Madde kavramının kısa tarihi

Madde kavramının kısa tarihi

227
PAYLAŞ

Mehmet Doğan

Madde, insanın mitolojik inançlar dışında düşünmeye başladığı andan itibaren evrenin açıklanmasında kullandığı ilk kavramdır. Zamanla bu kavrama verilen anlamlar değişmiş ve çeşitlenmiştir. Önce madde ve enerji ile uzay ve zaman arasındaki ayrılık kalkmış, daha sonra da maddenin ‘gerçekliği’ şekil değiştirmiştir. Bugün, dört yüz yıl öncesine göre kavramlarımız tümden değişmiş, yüz yıl öncesine göre de çoğunlukla değişmiştir. Önümüzdeki yüzyılın da şimdiki kavramlarımıza savaş açmayacağını şimdiden söyleyemeyiz. İşte ilk doğa filozoflarından günümüz kuantumcularına dek madde kavramının üç bin yıllık kısa tarihi.

Madde, fiziksel gerçekliğin temel bir öğesidir ve doğaya dair inancımız ne olursa olsun önemi yadsınamaz. Kimimize göre madde, her şeyin belirleyicisi olan asal bir güç iken, kimimize göreyse zamanda başlangıcı ve sonu olan, evrenin bilinç için gerekli ortamını oluşturan bir araçtır. Öznel inançlarımızda nereye koyarsak koyalım, madde insanlığın nesnel tarihinde her zaman üzerine düşünülen, tartışılan ama gizemini koruyan bir varlık olmayı sürdürmüştür. Her çağın insanının, ister sadece varsayım düzeyinde kalsın, ister deneyle desteklensin, madde üzerine varsayımları ve kimi teorileri olmuştur. Uzay, zaman, kütle ve enerjiden de önce, en uzun süre madde tartışılmış, diğer bütün fiziksel kavramlar maddeden türetilmiştir. Özellikle, maddenin temel biriminin olup olmadığı ve maddenin özelliklerinin nasıl kavramsallaştırılacağı konuları fizikçilerin ve öncelleri doğa filozoflarının yüzyıllardır şevkle tartıştığı sorun alanlarıdır. Bugünün fiziği, maddenin milyar yıllarla ölçülen sürelerde değişime uğradığını söylese de, madde kavramı, birkaç bin yılda büyük oranda değişti. Dolayısıyla madde kavramı, önemli bir tarihsellik içermektedir. Ayrıca bu tarihsellik, neredeyse tüm bilimsel kavramlardaki gibi, düz bir çizgi üzerinde ilerlediği düşünülen, ama gerçekte hiç de öyle olmayan bir tarihselliktir. Bu denemede madde kavramının kısa bir tarihi sunulmaya ve yorumlanmaya çalışılacaktır.

 

Sokrates öncesi Yunan filozofları

Miletli Tales (MÖ 625-545) tarihçiler tarafından, madde üzerine efsanelerden ve dinden bağımsız bir şeyler söyleyen ilk kişi olarak görülmektedir (Barnes, 64). Tales, bir filozof olmasının dışında, doğa üzerine deney ve gözlem ile de çalışan bir bilgeydi. Güneş tutulmasının ve ekinoksun tarihlerini önceden bilmesi ve bir yılı 365 güne bölmesi, döneminin en büyük doğa bilgini olduğu savını güçlendirmektedir (Barnes, 69-70). Tales’e göre, su tüm maddenin kök-nedenidir (arkhe / diğerlerinin kendinden türediği şey) (Heisenberg, 36). Yani her şey suyun biçim değiştirmesinden oluşur.

Diğer bir Miletli, Anaksimender (MÖ 610-540) ise maddenin kök-nedeninin su değil, sonsuzluk, sonsuz doğa olduğunu iddia etmektedir (Barnes, 79). Anaksimender’e göre, her şey sonsuzluktan gelip sonsuzluğa uzanır, hiçbir madde her şeyin kaynağı olamaz (Heisenberg, 39).

Miletli Anaksimenes (MÖ 6. yüzyıl) ise kök-nedenin sonsuz hava olduğu söylemektedir. Bu hava sıcak, soğuk, nem ve hareket tarafından görünür kılınır. Seyrekken ateş, daha yoğunken rüzgâr, sıkışmışken bulut, yoğunlaşmışken su, daha da yoğunlaşmışken toprak ve en yoğun halinde taştır (Barnes, 81). Ayrıca hava yoğunlaştıkça soğur, seyrek ve gevşek olduğunda sıcaktır (Barnes, 83).

Üç Miletli de, maddenin kökenini yine maddeyle açıklamakla karakterize edilebilirler. Ancak sonra gelen ve “felsefe” sözcüğü de dahil bugünkü pek çok kavramı üreten Pisagor (İÖ 580-504), madde de dahil tüm gerçekliğin kök-nedenini sayılarda bulmuştur (Koestler, 27). Şeyler, duyulur hale gelmiş olan sayılardır. Sayılar, diğer şeyler gibi geçici olmadığından, tüm şeylerin nedenleri ancak sayılar olabilir. Doğadaki her nesneye karşılık gelen bir sayı vardır. Evren bir sayı uyumudur (Hançerlioğlu, 66).

Efesli Heraklitos’un (MÖ 540-480), doğa anlayışı bakımından Pisagor’dan epey uzak olduğunu söyleyebiliriz. Heraklitos doğada uyumdan ziyade değişim ve çatışma görüyordu. “Biz aynı ırmağa hem gireriz, hem girmeyiz; hem biziz, hem biz değiliz” sözüyle tanınan Heraklitos’a göre, evrendeki temel ilke sabit bir şey değil, sürekli devinim yasası, yani logostur (Hançerlioğlu, 70). Maddenin kaynağı da sonsuz devinimi oluşturan güç olarak enerjidir, ateştir (Heisenberg, 42).

Elealı Parmenides (MÖ 6. ve 5. yüzyıllar) iki element olarak karanlık ve ışığı almış ve tüm evreni bunlardan türetmiştir (Barnes, 147). Ancak Heraklitos’un aksine maddeyi devinimli değil, durgun, değişmez olarak nitelemiştir (Hançerlioğlu, 71).

Anaksagoras (MÖ 500-428) maddenin kök-nedeni üzerine değil de, maddenin yapısı ve özellikleri üzerine tahmin yürüten ilk filozoftu. Anaksagoras’ın maddesi süreklidir, bölünemeyen parçacıklar içermez (Barnes, 246). Sonsuz çeşitlilikte, sonsuz sayıda ve sonsuz küçüklükte “tohum”lardan oluşan madde, her zaman daha küçük parçalara bölünebilir (Heisenberg, 44). Bu tohumlar cansız ve dıştan bir etki olmaksızın hareketsizdirler. Bu tohumlara ilk hareketini verense bir tür ‘akıl’dır (Hançerlioğlu, 70).

Anaksagoras’ın kapsamlı madde ‘teori’sinin daha gelişmişi, öğrencisi, atomcu görüşün kurucusu Demokritos’ta (MÖ 5. yüzyıl) bulunabilir. Maddenin yapıtaşı olan atom öncesiz ve sonrasızdır. Atomlar katı ve sabit şekilli olduklarından birbirlerinin içine giremezler, ancak atomlar arası boşlukta serbestçe hareket edebilirler. Bu atomlar, Anaksagoras’ın tohumları gibi sonsuz küçük de değil, sonlu büyüklüktedir. Demokritos ayrıca atomların, koku, renk, tat gibi özellikleri olmadığını, bu özelliklerin birçok atomun bir araya gelerek oluşturdukları yapılarda aranması gerektiğini söylemiştir. Demokritos’un atomu, sadece uzayda yer kaplaması itibariyle vardır (Heisenberg, 45-46).

 

Platon ve Aristoteles

Platon (MÖ 428-348), evreni madde üzerinden değil de, düşünce üzerinden açıklamıştı. Platon’a göre asıl gerçeklik maddesel evrende değil, “idealar” evrenindedir. Ancak maddenin yapıtaşları hakkında da ilginç bir yaklaşımı vardı. Platon, Pisagorcular tarafından keşfedilmiş olan beş düzgün cismi, düzgün dört yüzlü, küp, düzgün sekiz yüzlü, düzgün oniki yüzlü ve düzgün yirmi yüzlüyü, maddenin temel yapıtaşlarının şekilleri olarak kullandı. Platon’un anlatısında ateş düzgün dört yüzlü, toprak küp, hava düzgün sekiz yüzlü ve su düzgün yirmi yüzlü taneciklerden oluşuyordu. Düzgün oniki yüzlüyse Tanrı’nın evreni ölçmek için kullandığı beşinci şekil olarak kullanılmıştı (Heisenberg, 48). Yalnız Platon’un beş temel şekli, Demokritos’un atomlarından farklı olarak, birbirlerine dönüştürülebiliyordu. Örneğin, bir düzgün yirmi yüzlü, yirmi eşkenar üçgene parçalanabilir ve bunlar da birleşerek bir düzgün dört yüzlüyle iki düzgün sekizyüzlü oluşturabilirler. Ancak burada üç boyutlu cisimlerin iki boyutlu cisimlere parçalanıp tekrar birleşmelerinin nasıl olduğu açık olmamakla beraber, Platon’un bu dönüşümleri maddesel dünyada gerçekten oluşan şeyler olarak tasvir ettiği kesin değildir (Heisenberg, 49). Platon, maddenin var oluşunu Tanrı’ya bağlarken, hareket yasalarına dair bir öneride bulunmamıştır.

Antik Yunan felsefesinde Aristoteles (MÖ 384-322), fizik konusunda tartışmasız en üstün otoritedir. Kendinden önceki filozofları da eleştirdiği ve günümüz anlayışına hayli yakın ölçüde bilimsel bir yöntem izlediği eseri Fizik’te madde konusuna da değinmektedir. Aristoteles’e göre maddenin dört temel özelliği vardır: sıcak, soğuk, kuru, ıslak. Bunlar kendi aralarında birleşip dört özellik çiftini oluştururlar. Bu dört özellik çifti de “bize yalın görünen” cisimlere bağlanır. Böylece dört temel elemente ulaşmış oluruz: ateş (sıcak ve kuru), su (soğuk ve ıslak), toprak (soğuk ve kuru) ve hava (sıcak ve ıslak). Bu dört element doğal olarak doğrusal hareket ederler. Ateş ve hava yukarı, su ve toprak da merkeze yönelirler (Aristoteles, 169).

Ayrıca Aristoteles, bu çeşitliliğin ve hareketin yalnızca dünyada, yani ay altı âlemde olduğuna inanıyordu. Gökyüzünde, yani ay üstü âlemde çeşitlilik yerine tek bir saf, şekil değiştirmeyen bir beşinci elementten, yani eterden meydana gelen cisimler bulunuyordu. Bu cisimlerin doğal hareketi, değişim içermediği, kendini tekrar ettiği için dairesel harekettir (Koestler, 62).

Maddenin hareketini doğal ve zorlamalı olarak ikiye ayıran Aristoteles’e göre, cisimlerin hareketi ya düz, ya dairesel, ya da bu ikisinin karışımı biçimindedir (Aristoteles, 149). Ay üstü âlemde zorlamalı hareket bulunmadığı için gök cisimleri doğal hareketlerini sürdürecek, yani dairesel bir yörüngede döneceklerdir. Bu dogma da, Kepler’e kadar yaklaşık iki bin yıl astronomları oyalayacak, gezegenlerin hareketlerini dairesel biçimlere sokmak için ömür çürütmelerine neden olacaktır (Koestler, 60).

Aristoteles, evrenin büyüklüğü hakkında ve boşluk üzerine doğrudan konuşan ilk kişidir. Ona göre evren sonlu büyüklüktedir ve uzayda boşluk yoktur. Cisimlerin olmadığı bir yerde bir şeyden söz edilemez. Dolayısıyla madde uzayı var eder (Heisenberg, 109).

Aristoteles kuramına göre cisimler doğal hareketlerini kuvve (potency) olarak içlerinde taşırlar. Ancak bu hareketin fiil (act) haline gelmesi için bir hareket ettiriciye ihtiyaç vardır. Dolayısıyla, üzerine bir kuvvetin etki etmediği cisimler dururlar (Koestler, 111). Bu varsayım maddenin 17. yüzyıla kadar algılanışını büyük oranda belirleyen temel varsayımdır, ama bugün biliyoruz ki, maddelerin hareket etmek için hareket ettiriciye ihtiyaçları yoktur. Ancak, yaklaşık iki bin yıl hiç değişmeyen Aristoteles fiziğini hareket ettirmek için gerçekten bir hareket ettiriciye ihtiyaç olduğu açık.

 

Galileo ve Descartes

Galileo Galilei (1564-1642), Aristoteles fiziğine açıkça karşı çıkan ve bu karşı çıkışını başarıyla savunan ilk bilim adamıdır. Öyle ki, ilk eserlerinden “Suda Yüzen Şeyler Üzerine Söylem”e karşı altı ayda dört kitap yayınlanması, rakipleri tarafından epey ciddiye alındığını gösterir (Koestler, 434). Galileo’nun madde anlayışımıza en önemli katkısı, hareketin ölçülen ve değişimi belli kurallara bağlı olan bir şey olduğunu göstermesidir. Aristotelesçilerin aksine Galileo, hareketi sürdürmek için değil, değiştirmek için bir kuvvete ihtiyaç olduğunu savundu. Üzerinde bir kuvvet olmayan madde düzgün bir doğru üzerinde sabit hızla hareket edecektir. Bunun bir sonucu, fiziksel açıdan durmak ile sabit hızla gitmek arasında bir fark olmamasıdır (Penrose, II-19). Galileo’nun görelilik ilkesi olarak adlandırılan bu ilke, dünyanın dönüşünü hissetmememizin nedenini de açıklayarak Kopernik astronomisinin kabul görmesinde de önemli rol oynamıştır (Penrose, II-20).

Galileo’nun önemli katkılarından biri de enerji korunumu fikrinin temellerini atmasıdır. Hassas aletlerle ölçüm yapan ilk fizikçi olduğundan, bir cismin hızının yalnızca harekete başladığı noktanın düşey konumuna bağlı olduğunu ve bu hızın her zaman cismi başladığı noktaya döndürmeye yeterli olduğunu fark etmiştir (Penrose, II-21). Galileo’dan sonra enerjinin korunumu, momentumun ve kütlenin korunumu yasalarına da kaynak olmuştur (Penrose, II-22).

Galileo’nun etkisi daha sonra Einstein’ın genel göreliliğinde de ortaya çıkacak olan son katkısı, eylemsizlik kütlesiyle çekim kütlesinin orantılı olduğunu ima eden şu ilkedir: Farklı kütledeki cisimler, aynı yükseklikten bırakıldıklarında aynı hızla yere düşerler. Bu ilkenin kanıtlanması için Galileo’nun Pisa kulesinden farklı büyüklükte cisimleri attığı anlatılagelen bir öyküdür (Penrose, II-22). Ancak bazı kaynaklar bu deneyin Aristotelesçiler tarafından Galileo’yu yalanlamak amacıyla yapıldığını söylemektedir (Koestler, 434). Hangisi doğru olursa olsun, bu deney -tabi yapılmışsa- maddenin doğasına dair temel bir gerçeği ortaya çıkarmış olmalıdır.

Galileo’nun çağdaşı René Descartes (1596-1650) da madde üzerine epeyce düşünmüş, daha az deneysel olsa da önemli ilkeler ortaya atmış bir filozoftur. 1644’te yazdığı “Felsefenin İlkeleri”ndeki “Maddesel Şeylerin İlkeleri” adlı bölümde maddenin varlığı sorunundan maddenin hareketinin ilkelerine dek birçok sorunu akılcı yoldan çözmeye çalışmıştır. Descartes’a göre madde, varlığı oluşturan iki tözden biridir. Diğeri de “düşünen töz”,  ya da ruhtur. Descartes’a göre duyularımızla algıladıklarımız şeylerin özünü değil, bize etkilerinin bir yansımasını verir. Maddenin özünü sert, renkli veya ağır olması değil, sadece uzamlı olması oluşturur (Descartes, 105). Descartes, bu sonucun bir uzantısı olarak boş uzayın da olamayacağını gösteriyor: Bir şeye baktığımızda uzunluk, genişlik ve derinliği varsa buna madde diyorsak, boşluğa da madde demeliyiz (Descartes, 111). Boşluk madde olmadığına göre, yoktur. Dolayısıyla hiçbir şeyin olmadığı bir yerden söz edilemez, her yer doludur.

Descartes’ın tüm ispatları fiziksel değildir elbet, örneğin maddenin sonsuzca bölünebileceğini Tanrı’nın kendini bu güçten yoksun bırakamayacağı argümanıyla temellendirir (Descartes, 113). Tanrı maddeyi sonsuza kadar bölebileceğine göre, bunu yapmakta ve çevremizdeki maddeyi sonsuza kadar bölünmüş ‘parça’lardan oluşturmaktadır. Descartes’a göre biz sınırlı bir uzayı hayal edemeyeceğimizden, bunu açıkça saçma bulacağımızdan dolayı uzay da sınırsızdır (Descartes, 113).

Descartes, Galileo’nun yolundan giderek cisimlerin hareketlerini değiştirmenin onlara etki ederek olabileceğini söylüyor. Durdurmak veya harekete geçirmek için zorluk bakımından bir fark yoktur, önemli olan hareketteki değişimdir (Descartes, 116). Descartes’ın ilk hareket yasası, hiçbir şey bir cismin hızını değiştirmedikçe onun sabit hızla gideceğidir (Descartes, 126). İkinci yasaysa bu hareketin doğrusal olduğunu söyler (Descartes, 127). Descartes’ın en önemli düşüncesiyse momentumun korunumuna ilişkindir: Tanrı evrene koyduğu hareket ve durgunluk miktarlarını saklar (Descartes, 125). Bir çarpışma halindeyse bir cisim, diğerine verdiği hareket kadar kendi hareketinden yitirir (Descartes, 129). Descartes’ın üçüncü ve dördüncü yasaları da çarpışma halinde cisimlere ne olacağıyla ilgili betimlemelerdir.

 

Newton

Isaac Newton (1643-1727), Galileo ve Descartes’ın fikirlerinin popüler olduğu bir dönemde fizik yapmış ve onlardan fazlasıyla etkilenmiştir. Maddenin hareket yasalarının yeni biçimlerini kabul ettikten sonra önünde çözmesi gereken bir problem kalmıştı: Bir cismin hızındaki değişimi oluşturan şeyin, yani kuvvetin, yine başka bir cisim tarafından yaratıldığını göstermek ve bunun kuralını bulmak (Penrose, II-23). Bu problemi iki yeni fikirle çözen Newton, ilk olarak bir cismin diğerine uyguladığı kuvvetin aynı büyüklükte ve ters yönde diğer cisim tarafından da o cisme uygulandığını belirten “Üçüncü Yasa”sını ortaya attı. İkinci olarak da iki cisim arasındaki çekimin kütleler ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu söyleyen “Çekim Yasası”nı buldu.

Newton, çekim yasasından çok da hoşnut değildi. Çünkü yasa, cisimlerin neden öyle devindiğini söylemiyor, sadece nasıl devindiklerini açıklıyordu. Aralarında bir uzaklık bulunan iki cismin birbirini etkileyebileceğini savunmak Newton için “büyük bir saçmalık”tı. Hatta belli bir felsefi düzeye sahip kimsenin buna inanamayacağını düşünüyordu (Koestler, 511). Ama ne yazık ki olan oydu ve bir açıklama bulmak gerekiyordu. Açıklamak için Newton bu iki cisim arasında bir iletici bulunması gerektiğini söyledi ama bunun niteliğine dair hiçbir şey önermedi (Koestler, 511).

Newton’ın bir zayıflığı da birbirleriyle sürekli bir çekim ilişkisinde olan onca maddenin neden bir araya toplanmadığını açıklayamamasıydı. Aslında açıklıyordu, ancak fiziksel yolla değil, “tanrısal bir gücün bu durumu sürekli olarak koruması” fikriyle açıklıyordu (Koestler, 512). Bu zorlukla başa çıkabilmek için Newton’ın bazı ardılları kuramı değiştirmeye ve uzun mesafeler için bir itim kuvveti önermeye yeltendiler, fakat başarılı olamadılar (Hawking, 18).

Newton ayrıca kendi kuramının doğal sonucu olan mutlak uzayın reddedilmesi düşüncesini kabul etmedi. Öyle ki, Newton fiziğinde herhangi bir eylemsiz referans sistemi diğerinden ayrıcalıklı değildir, bir cismin hareketini, ivmesiz bir koordinat sistemiyle ölçtüğünüz sürece, hangisinde ölçerseniz ölçün, fizik yasaları aynı şekilde geçerlidir. Ancak Newton mutlak uzayın olmasını Tanrı’nın bir gereği olarak görmüş ve savunmuştur (Hawking, 30).

Yine de Newton, fiziği matematikselleştirerek, maddenin doğasını en ince ayrıntısına kadar inceleyebilmemizin yolunu açtı ve dönemine kadar toplanmış tüm bilgilerle, mantıklı ve büyük bir bütün oluşturdu. Daha sonra Newton mekaniğinin Hamilton ve Lagrange tarafından formüle edilen biçimi uzun süre boyunca deneylerle uyumluydu ve bilim ve teknolojinin bu kadar gelişmesinde büyük etki sağladı.

 

Görelilik Kuramı

Burada duralım ve söylenenlerin bizi nasıl bir madde kavramına ulaştırdığını düşünelim. Öncelikle, Newton’un maddesi bölünebilir ya da atomlardan oluşuyor olabilir; Newton buna dair bir şey söylemiyor. Ancak özellikle 19. yüzyıldaki çalışmalar atom teorisini desteklemiş ve maddenin birçok özelliği atomlarla açıklanabilmiştir. Dolayısıyla 19. yüzyılda, atomlardan oluşan, momentum ve enerji korunumuna uyan, kütlesi ve hacmi olan bir madde ile karşı karşıyayız. Her şeyin temeli su veya hava değildir, her şey -muhtemelen aynı maddeden oluşan- atomlardan meydana gelmiştir. Ancak atom teorisi de Demokritos’u haklı çıkarmamıştır, çünkü atomlar en küçük yapı birimi olmadığı gibi, birbirlerine dönüştürülebilirler (Bu noktada Demokritos’un atomunun modern atomla aynı olmadığı savunulabilir, ama Demokritos atom derken büyük olasılıkla maddenin yapı birimi olan, tek başına da o maddenin özelliklerini gösteren bir şey kastetmiştir. Çünkü onun atomları rasgele bir araya gelir ve ayrılabilirler. Elektron ve benzeri atom altı parçacıklar bu anlamda yapı birimi olmaktan uzaktır.).

Antik çağın en uzun süre hüküm süren fiziğiyse tamamen yalanlanmıştır. Dört temel elementin hiçbiri element değildir artık. Atom düzeyinde yüzden fazla element, atom altı düzeydeyse, tartışmalı olmakla beraber üç element vardır. Newtoncu düşünüşün önemli bir özelliği de Aristoteles’teki ereksellik fikrinden uzaklaşılıp, mekanik ve determinist bir evrene yönelinmesidir. Ayrıca uzay Aristoteles’in dediği gibi özel bölgelere ayrılmamış, izotropik (özel bir yön içermeyen) ve homojen (konuma ve zamana göre değişmeyen) bir yapıdadır. Bu yeni uzay tanımı Newton fiziğinin geçerli olması için gereklidir, ama mutlak bir uzaya, ‘gerçekten durgun’ bir cisme ihtiyaç yoktur.

Evrenin sonlu olup olmadığı hâlâ bir tartışma konusudur. İzotropi ve homojenlik sonsuz bir evrene işaret eder ama Newton fiziğinin çalışması için bu ilkelerin evrensel olması gerekmez, yerel de olabilirler. Dolayısıyla Newton fiziği, sonsuz ve sınırsız bir evrene yatkın olmakla beraber bu konuda kesin davranmaz.

Newton fiziğinde, madde-enerji ilişkisi de nettir. Enerjiyi madde taşır. Enerjinin tüm biçimleri maddenin hareketiyle açıklanabilir. Ancak bu konudaki netlik 19. yüzyılda Maxwell tarafından, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu söylendiğinde bozulmuştur. Maxwell, elektrik ve manyetik alana fiziksel bir varlık olarak davranmış, onların enerji taşıyan ve enerjiyi bir yerden başka bir yere ileten şeyler olduklarını söylemiştir. Bu noktada bu dalganın da mekanik olarak açıklanması gereği doğmuş ve elektrik ve manyetik alanın, tüm evreni dolduran eter tarafından taşındığı ve ışığın da onun içinde titreşen bir dalga olduğu öne sürülmüştür (Hawking, 31).

Maxwell’in hesabına göre ışığın hızı eter içinde sabittir. Buna göre, ‘durgun’ etere göre hareket halinde olan dünyanın hareketi, ışığın bize göre olan hızını etkilemeli ve bu da ölçülebilmelidir. Bu hipotez Michaelson ve Morley tarafından 1887’den itibaren defalarca denenmiş ve her defasında yanlışlanmıştır. Deneyin doğrudan sonucuna göre, ışığın hızı her yönde aynıdır. Bu durumda eter ya her hareket edenle aynı yönde akmakta, ki bu açıkça akla aykırıdır, ya da hiç var olmamaktadır.

Michaelson-Morley deneyinin sonucu uzun süre fizikçileri bir açıklama bulmak konusunda meşgul etmiştir. Lorentz ve Poincaré’nin önerileriyle beraber Albert Einstein (1879-1955) tarafından son haline getirilen “görelilik ilkesi” ise bu açıklamalar içinde en çok kabul göreni olmuş ve birçok deneyle de uyum sağlamıştır. Bu ilkeye göre, fizik yasaları tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynıdır -yani mutlak uzay yoktur- ve ışığın hızı tüm eylemsiz referans sistemlerinde aynı ölçülür.

Görelilik ilkesinin bizim açımızdan en önemli sonucu, enerjinin kütleyle eşdeğer olması, yani başka bir deyişle maddenin de bir çeşit enerji olmasıdır. Felsefe diliyle ifade edersek, madde ve enerji aynı tözün farklı biçimleridir (Heisenberg, 104). Görelilik ilkesine göre ışık hızı da bir üst sınırdır ve hiçbir cismin hızı ondan fazla olamaz. Örneğin hızı ışık hızının yarısı olan bir cisim, diğer yöne doğru aynı hızla giden bir başka cisimden ışık hızıyla değil, ışık hızının 4/5’iyle uzaklaşıyordur. Ayrıca enerji ve dolayısıyla kütle de göreli kavramlardır ve fiziğin asal bir öğesi olmaktan çıkmışlardır. Artık bir cismi tanımlamak için onun kütlesini söylemek yetmez, kütlesinin ölçüldüğü referans sistemindeki hızını da belirtmek gerekir.

Görelilik ilkesinden türetilen mekanik “özel görelilik” olarak anılır. Einstein’ın 1905’te yayınladığı “Hareket Eden Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” makalesinde betimlediği bu yeni mekaniğe göre, zaman ve uzunluklar da görelidir. Bir cismin uzunluğunu, o cisme göre farklı hızlarda gidenler farklı ölçerler. Aynı şekilde, iki olay arasında geçen zaman da farklı ölçülür. Dolayısıyla uzay ve zaman da maddeyle doğrudan bir ilişkiye girmiş ve bağımsız değişkenler olmaktan çıkmışlardır.

Einstein kütlelerin birbirleriyle etkileşimlerini de açıklamak için yeni bir öneri ortaya attı: “Eşdeğerlik ilkesi” eylemsizlik kütlesi ile çekim kütlesinin aynı olduğunu söylüyordu. O dönemdeki deneyler bu ilkeyi doğrulamaya yetecek kadar yüksek kesinlikle yapılamıyordu (Heisenberg, 106). Ancak sonradan hassaslaşan deneyler de bir fark bulamamış ve ilkeyi doğrulamıştır. Eşdeğerlik ilkesinden çıkarılan sonuçlarda, uzay ve zamanın birbirinden ayrı değişkenler olarak düşünülemeyeceği, bunların beraber uzayzaman olarak ele alınması gerektiği görülmüş ve bu uzayzamanın da Öklid geometrisiyle değil, Reimann geometrisiyle tanımlanması gerekmiştir. Bilindiği gibi, Öklid geometrisinde bir noktadan bir doğruya bir ve ancak bir paralel çizilebilir. 19. yüzyıla kadar Öklid geometrisinin apaçık doğru olduğu sanılıyor, ‘başka geometriler’ düşünülemiyordu. Ancak özellikle Riemann, Gauss ve Lobatschevsky tarafından alternatif geometriler geliştirildikten sonra, onların da tutarlı sistemler oldukları ve Öklid geometrisinin tek olası doğru olmadığı anlaşıldı. Riemann geometrisinde, bir noktadan bir doğruya paralel çizilemez, her doğru, diğer doğrularla kesişir. Dolayısıyla doğrular, Öklid geometrisindeki bazı eğrilere tekabül ederler. Bu eğrilerin, ne kadar ‘eğildiği’ de o noktanın eğriliğini verir. İşte kütle, bu eğriliği belirleyen etmendir. Eğrilik uzayzamanın geometrisinin belirleyicisidir ve onu da kütle belirler.

Einstein’ın “genel görelilik” kuramı olarak ifade edilen ve ana hatları yukarıda çizilen yeni fiziğin en önemli özelliği, uzay ve zamanın birbirinden bağımsız ve etkilenemez konumlarından çıkıp birleşik ve değiştirilebilen bir şey haline gelmesidir. Öyle ki, eğri uzayda, ‘doğru’ boyunca hareket eden ışık bükülür, ağır cisimlerin yanında zaman yavaşlar. Maddeyle uzayzaman birebir ilişki ve karşılıklı etkileşim içindedir.

Genel görelilik şimdiye kadarki en hassas deneylerle sınanan ve sağ kalan bir kuramdır. Işıktaki bükülme, zamanın yavaşlaması gibi etkiler kuramın öngördüğü gibi gözlenmiştir (Penrose, II-79). Gezegenlerin hareketlerindeki klasik hesaplarla açıklanamayan sapmalar da genel görelilik hesaplarıyla açıklanabilmiştir (Hawking, 43).

 

Kuantum Kuramı

Newton’un şık ve basit fiziği, belki de daha şık ama kesinlikle daha zor başka bir fizik tarafından yerinden edildiğinde, başka bir saldırı da parçacıklar cephesinden geliyordu. Genel görelilik, yüksek hızlarda ve büyük ölçeklerde kuramın öngörülerinden sapmalar olacağını söylüyordu, ama Newton mekaniğinin madde anlayışının özüne doğrudan saldırmıyordu. Uzay ve zaman birleşik ve özellikleri bakımından değişken olsalar da, madde yine uzaya yayılan bir küçük toplar bütünü olarak düşünülüyordu. Genel görelilikte, bir parçacık belli bir konumdadır ve istediği hızla istediği yöne gidebilir. Örneğin hidrojen atomunun etrafındaki elektronların herhangi bir yarıçapla proton etrafında dönememeleri için hiçbir neden yoktur. Bu iki kuramın bir ortak özelliği de deterministik olmalarıdır. Determinizm, Laplace’ın öne sürdüğü biçimiyle, evrenin bir andaki hali bilindiğinde onun tüm anlardaki halinin bilinebileceği savıdır (Hawking, 65). Öyle ki, evrenin bir anı, sonraki tüm anları belirler ve o an da geçmiş tarafından belirlenmiştir.

Yirminci yüzyılın ilk yarısında Max Planck (1858-1947), Albert Einstein, Max Born (1882-1970), Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1961), Louis de Broglie (1892-1987), Werner Heisenberg (1901-1976) ve Paul Dirac (1902-1984) gibi fizikçiler tarafından geliştirilen kuantum kuramı, genel göreliliğin tersine, konum, hız, kütle gibi kavramları doğrudan hedef almış ve bunlara radikal yorumlar getirmiştir. Kuantum fiziğine göre bir parçacığın her an konumundan, hızından, enerjisinden ve benzeri klasik özelliklerinden bahsedilemez. Bir sistem bir dalga fonksiyonu tarafından temsil edilir ve ancak belli şartlarda bu dalga fonksiyonu bir konum veya momentum üretir. Parçacık, yapılan ölçümün niteliğine göre belli özellikler kazanır, belli özellikler kaybeder. Bu, Newton fiziğinden radikal bir kopuştur. Doğaya ve maddeye dair kavrayışımız kökünden değişmiştir, bu artık önceki anlayışımızın bir devamı değildir (Heisenberg, 7).

Kuantum mekaniğinde madde hem parçacık, hem de dalgadır ve bu özellikler ancak beraber vardırlar. Maddeyi parçacık olarak algılamaya çalışmak veya sadece dalga olarak düşünmek çelişkilere yol açar (Heisenberg, 20-21). Örneğin hidrojen atomunu, bir proton etrafında dönen bir elektron olarak düşünemeyiz. Çünkü elektronun klasik anlamda bir yörüngesi yoktur. Elektronun konumunu belirlemeye çalışırsak momentumundaki bilgiyi yok ederiz, ya da bir andaki dönüş yönünü belirlememiz mümkün değildir.

Başka çok bilinen bir örnek de çift yarık deneyidir. Çift yarık deneyinde, birbirinden ayrı iki yarığın bulunduğu bir plakaya gönderilen bir parçacık -foton veya elektron olabilir- yarıkların yalnız birinden geçen ve diğerinden etkilenmeyen bir ‘parçacık’ gibi davranmaz. Yarıklar birbirinden ne kadar uzak olursa olsun, parçacık iki yarıktan da etkilenir ve sanki ikisinden birden geçen bir dalgaymış gibi davranır. Ancak perde üzerine düştüğünde tek bir noktada iz bırakır ve dolayısıyla bir parçacık gibi davranır. Bu parçacık deliklerin birinden veya ötekinden geçmiştir demek bizi çelişkiye düşürür, çünkü iki yarıklı sistem, tek yarıklı iki sistemin toplamı gibi davranmaktan çok uzaktır (Heisenberg, 29). Ayrıca parçacığın ekran üzerinde hangi noktada iz bırakacağı tamamen olasılıksaldır. Bu olasılık, bizim hesaplayamamamızla ilgili bir sorun değil, doğrudan sistemin kendinde bulunan bir olasılıktır. Ekran üzerindeki her noktanın ilkece hesaplanabilecek bir olasılığı vardır; ‘parçacık’ ekrana ulaştığında ekran üzerinde olasılığı sıfır olmayan herhangi bir noktada belirir. Açıktır ki bu anlayış determinizmin sonu demektir (Hawking, 67).

Kuantum kuramının ilginç başka sonuçları da vardır. Klasik kavramlarla açıklamaya çalıştığımızda aynı anda “iki yerde birden olmak”, “iki nokta arasında anlık bilgi iletimi” gibi kuramlarımıza ve sezgilerimize aykırı ifadeler kullanmak zorunda kalacağımız bu sonuçlar, deneylerle de doğrulanmış ve bizi, kendilerini kabule zorlamıştır (Penrose, II-131). Bütün bu özellikleri, kuantum fiziğini şimdiye kadarki en devrimci kuram yapmış ve dolayısıyla en çok itirazı almasına neden olmuştur. Öyle ki, kuruluşunda büyük payı bulunan Einstein, kuramın en önemli itirazcılarındandır. Einstein “Tanrı’nın zar atmayacağı” fikrinden hareketle, kuantum teorisinin, daha temel ve deterministik bir kuramın sonucu olduğunu ve olasılık olarak görülen şeyin, aslında bizim bilmediğimiz birtakım “iç değişkenler” tarafından belirlendiğini iddia etmiştir. Ancak herhangi bir iç değişken kümesi için, deney sonuçlarının alacağı şeklin kuramın bugünkü halinden farklı olacağı John Bell (1928-1990) tarafından kanıtlanmıştır. Bu fark deneylerle de sınanmış ve olasılıksallığın doğru olduğu gözlenmiştir. Herhangi bir iç değişken kümesi olamaz (Penrose, II-168).

Kuantum kuramının yorumlanışı, hâlâ tamamlanamamış bir konu olup fizikçileri ve felsefecileri uzun süredir meşgul etmektedir. Bu bağlamda tartışılması gereken birçok konu olup, Schrödinger’in kedisi paradoksu, Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu, çoklu evrenler gibi başlıklarda uzay-zaman-madde-bilinç ilişkisi incelenebilir. Ancak biz çizdiğimiz kuantum fiziği resmiyle yetinip ayrıntıları okuyucuya bırakalım.

 

Sonuç: Bugün ve gelecekte madde

Maddeye, kuantum fiziğinin sonucunda artık uzay ve zaman (veya uzayzaman) içinde belli bir yerde bulunan bir ‘şey’ olarak bakamayız. Madde, gerekli şartlar oluşuncaya kadar matematiksel bir yapıdan başka bir şey olmayan dalga fonksiyonlarıyla temsil edilen parçacıklardan oluşur. Bu parçacıkların çeşitlerinin sayısı bellidir, kütleli, kütlesiz, yüklü veya yüksüz olabilen birkaç grupta toplanabilirler. Aynı adı taşıyan parçacıklar birbirlerinden fiziksel olarak ayırt edilemezler. Farklı türden parçacıklar çok özel koşullar altında birbirlerine dönüşebilirler. Ayrıca evrendeki tüm enerji de parçacıklar tarafından taşınır ve madde o enerjinin özel bir biçimidir. Maddenin yapısı bakımından eski Yunan filozoflarından bugünkü görüşe en çok yaklaşan Heraklitos olsa gerektir. Çünkü o, başka şeylere dönüşebilen ateşin ve hareketin evrenin kök-nedeni olduğunu söylemiştir ve bu görüş günümüz kavramlarına dönüştürülebilir görünmektedir.

Uzay ve zaman ise birbirlerinden ayrılamazlar ve tek bir nesne olarak anılırlar. Uzayzaman maddeden etkilenir ve maddeyi etkiler. Dolayısıyla Newton’ın iddia ettiği mutlak uzay olmadığı gibi, evren, zannettiğimiz gibi Öklid geometrisine de uymaz. Evrende, uzayzamanın sonsuzca bükülmesi sonucu zamanın yavaşladığı, hatta ‘içinde’ durduğu, uzayınsa, ışık da dahil hiçbir parçacığın çıkmasına izin vermeyecek kadar eğildiği tekillikler, yani karadelikler vardır.

Evrenin genişlemesi ve diğer pek çok kanıt, evrenin sonsuzdan beri var olmayıp, bir başlangıcı olduğunu söylemektedir. “Büyük patlama” olarak adlandırılan ve fizikçilerin büyük çoğunluğu tarafından kabul edilen bu görüşe göre, tüm evren, tek bir noktanın patlamasından oluşmuş ve on milyar yıldan fazla bir süredir de genişlemeye devam etmektedir. Büyük patlama, yapı olarak karadeliğe benzeyen, tüm madde ve uzayzamanın tek noktada toplandığı bir tekillikten oluşmuştur. Her şey, ‘bir anda’, tekillik tarafından yaratılır (Penrose, III-43). Bu görüş, antik çağdan beri tartışılan evrenin zamanda başlangıcı olup olmadığı sorusunu da, neredeyse kimsenin aklına gelmeyen bir biçimde, gerçekte zamanın bir başlangıcı olduğu şeklinde çözer. Aslında bu görüş ilk defa Aziz Augustine tarafından dile getirilmiştir. Augustine, Tanrı’nın zamanı da evrenle beraber yarattığını yazmıştır (Hawking, 20). Aynı zamanda, uzayın sonluluğu hakkındaki tartışmalara da noktayı koyan büyük patlama kuramı, yine kimsenin aklına gelmemiş olan bir biçimde, uzayın sonlu büyüklükte ama sınırsız olduğunu göstermiştir. Bükülmüş olan uzayzamanın bir sınırı yoktur, ancak toplam büyüklüğü sonludur, tıpkı bir topun yüzeyinin sonlu ama sınırsız olması gibi.

Günümüzde madde-uzay-zaman-evren ilişkisi böyledir, ancak bu resim son değildir. Çünkü fiziğin önünde duran büyük sorun, kuantum fiziği ile genel göreliliğin birleştirilmesi sorunu, bunun böyle olmadığını göstermektedir. Kendi ölçeklerinde deneylerle tam uyum gösteren iki kuram, birbirleriyle uyuşmamaktadır ve fizikçilerin çoğunluğuna göre bir üst kuramda birleştirilmeleri gerekmektedir. Aslında bu görüş yeni sayılır, çünkü kuantum mekaniğinin geliştirildiği günlerde, fizikçiler onun son kuram olacağı konusunda hemfikirdirler. Nitekim 1928’de Born, “Bildiğimiz biçimiyle fizik, altı ayda bitmiş olacaktır.” demişti (Hawking, 164). Bugün de genellikle fizikçiler genel göreliliğin kuantum mekaniği üzerinde bir etkisi olduğunu düşünmediğinden, asıl değişimin genel görelilikte olması beklenebilir (Penrose, III-58).

Gelecekte evrenin nasıl anlaşılacağına dairse üç fikir vardır: Evrenin mükemmel ve son birleşik kuramı bulunabilir; son birleşik kuram olmasa da, evreni gittikçe daha iyi anlatan bir kuramlar dizisinde yol alabiliriz; evreni yöneten bir kuram olmayabilir, belli bir ölçekten sonra her şey gelişigüzel olabilir (Hawking, 174). Hangi olasılık doğru olursa olsun evrene dair anlayışımızın değişmeye devam edeceği açıktır.

Sonuç olarak, madde kavramının evrimine dair birkaç şey söyleyebiliriz. Öncelikle, madde, insanın mitolojik inançlar dışında düşünmeye başladığı andan itibaren evrenin açıklanmasında kullandığı ilk kavramdır. Zamanla bu kavrama verilen anlamlar değişmiş ve çeşitlenmiştir. Biz bu yazıda bu anlamların bilimsel yönlerini tartışmaya çalıştık. Maddeye dair metafiziksel söylemlerin de çeşitlilik bakımından bunlardan aşağı kalır yanı yoktur. Ancak herkes tarafından kabul edilen bilimsel söylem de zaman içinde neredeyse inanılmayacak bir evrim geçirmiştir. Bu evrim de, süreklilik arz eden, devrimlerden azade bir evrim değildir. Öyle ki, bilim alanında karşılaştığımız yenilikler, hiçbir filozofun aklına gelmeyen ölçüde ilginç ve devrimcidir. Önce madde ve enerji ile uzay ve zaman arasındaki ayrılık kalkmış, daha sonra da maddenin ‘gerçekliği’ şekil değiştirmiştir. Bugün, dört yüz yıl öncesine göre kavramlarımız tümden değişmiş, yüz yıl öncesine göre de çoğunlukla değişmiştir. Çevremizde gördüğümüz düzenliliklerin yanlış olarak genellenmesinden ibaret olan felsefi kurgular, deneysel bilimin devrimleriyle yarışamamakta ve geride kalmaktalar. Önceden bilimden çok daha ileride seyreden felsefe, bugün hâlâ kuantum fiziğinin evreni nasıl betimlediğine dair bir yoruma ulaşmış değildir. Dolayısıyla, geleceğin matematiksel ve deneysel fiziğinin ne getireceğini bugünden kestirmek bütünüyle olanaksızdır. Geride bıraktığımız yüzyıl, yorumlarımızda kullandığımız ve tartışılmaz sandığımız kavramları bir bir bırakmak zorunda kalışımıza sahne oldu. Önümüzdeki yüzyılın da şimdiki kavramlarımıza savaş açmayacağını şimdiden söyleyemeyiz.

İnsanlık tarihindeki en akıl almaz dönüşümlerden birini geçiren fizik, bize bildiklerimizin ötesine dair spekülasyonlardan kaçınmamız gerektiğini öğretmiş olmalıdır. Bunlar sadece denenebilir yeni fikirlere yol açtığında işlevseldir. Yoksa bilmediğimiz ama inandığımız şey, bilebileceklerimizi ipotek altına alıp bizi yeni gelişmelere kapalı kılabilir. Bugünün madde kavrayışı insanı katı fikirlere saplayan klasik madde kavrayışından farklıdır. Çünkü devrimcidir, tarihteki ortaya çıkışının yanı sıra fizik öğrenen her birey için de devrimcidir. Klasik kavramlarla düşünmeye alışan, ancak hayatının belli bir döneminde genel görelilik ve kuantum fiziği öğrenen her insan bu devrimcilikten kalıcı biçimde etkilenir. Gerçeküstücü bir ressamın bir tablosundan daha gerçeküstü olan bu kuramların deneylerle mükemmel uyumu, bu kuramı kabullenen birinin kapalı bir dünya anlayışına saplanmasını imkânsız hale getirir. Bu koşullarda, bizim yapabileceğimiz, yaratıcı olmak ve doğanın hangi yeni matematiğe uyacağını kestirmeye çalışmak, sonuçları açık bir zihinle izlemek ve doğanın bize vereceği yeni mucizeleri merak etmektir.

 

KAYNAKLAR

1) Aristoteles, “Aristoteles”. Say Yayınları, 2007.

2) Jonathan Barnes, “Sokrates Öncesi Yunan Felsefesi”, Cem Yayınevi. 2004.

3) René Descartes, “Felsefenin İlkeleri”, Say Yayınları, 2007.

4) Orhan Hançerlioğlu, “Düşünce Tarihi”, Remzi Kitabevi, 2006.

5) Stephen W. Hawking, “Zamanın Kısa Tarihi”. Doğan Kitap.

6) Werner Heisenberg, “Fizik ve Felsefe”, Belge Yayınları, 2000.

7) Arthur Koestler, “The Sleepwalkers”, Penguin Books, 1989.

8) Roger Penrose, “Kralın Yeni Usu”, TÜBİTAK, 2003.