Ana sayfa 162. Sayı Atomun derinliklerinden insan kibrine: Yağ damlası deneyi

Atomun derinliklerinden insan kibrine: Yağ damlası deneyi

216
PAYLAŞ
Yağ damlası deneyinin ilk düzeneği.

Millikan basit, tekrarlanabilir, sade ama nihai sonuç verecek bir deney düzeneği arayışındaydı. Elektronun yükünü ölçmek istiyordu. Eğer elektronun negatif yükü bilinirse, fizik ve kimya alanlarındaki pek çok fenomen en baştan yazılacak, parçacıkların kütleleri üzerine yapılan öngörülerin doğruluğu ölçülebilecekti. Peki ama nasıl?

Milikan, 1901’de.

Bu ayki öykümüz 19. yüzyılın ikinci yarısının başlarında, kuzeydoğu ABD’de başlıyor. İç savaş biteli çok olmamış, yaralarını sardıkça kendinden daha emin olarak ilerleyen ABD’de sanayi atılımları gerçekleşmektedir. Gemi makine teknolojilerindeki ilerleme, ABD’nin Batı toplumu ile diyaloğunu arttırmış, bilimsel camianın da daha rahat iletişim kurmasını sağlamıştır. İşte böyle bir zamanda sizleri Illinois’un sade kasabalarından birine götürüyoruz. Çiftliklerinden çıkan ürünlerle beslenen altı çocuklu bir ailenin ikinci çocuğu olarak dünyaya gelmişti Robert Millikan. Çocukluğu kırda bayırda doğa ile iç içe geçmişti. Daha ilkokuldayken okuma yazmayı hızlı söküşü ve kavrayış kabiliyetinin yüksek olmasından ötürü, bu çocukta farklı bir zekâ belirtisi olduğunu görmüştü öğretmeni. Papaz bir çiftçi olan babası, bulundukları bölgede hiç lise olmadığından onu Iowa’da yatılı bir liseye yazdırdı. Sonra o liseden de üstün başarılarla mezun olup Colombia Üniversitesi’nde doktorasını alacaktı genç Millikan. Matematiksel teorik konulardan çok uygulamalı konular, özellikle 19. yüzyılın son teknolojilerinin fizikteki uygulamaları ilgisini çekiyordu. Fakat Colombia Üniversitesi yeni kurulmuştu, pek çok konuda eksikti, özellikle de ekipmanlar konusunda. Robert, eğer bir deneysel fizikçi olmak istiyorsa, o dönemde kendisine daha fazla imkân sağlayabilecek bir üniversiteye geçmeliydi. Şikago Üniversitesi en uygun yerlerden biriydi. Gerek olayları kavrayış konusundaki hızlılığı, gerekse başkalarına bu bilgileri anlatma konusundaki üstün yeteneği, onu Illinois’un “bağlarından” alıp, Şikago Üniversitesi’nde başarılı bir profesör yapmış, akademik kariyeri adım adım yükselmişti.

Atomun yapısını keşfin yeni cephesi: Elektronun yükünü ölçmek

Robert’in en üretken olduğu zamanlarda, bilimsel ortamdaki temel soru işareti atomun yapısıydı. Kendisinden önce pek çok biliminsanı, adeta bir yapboz çözüyormuş gibi adım adım boşlukları doldurmuştu, ancak hâlâ yapacak çok şey vardı. Temel amaç atomun yapısına ait nihai bir model oluşturmak ve eğer varsa atomun alt katmanlarındaki parçacıkları keşfetmekti. Ellerindeki o zamanki bilgiye göre, atomun içinde belirli yüklere sahip parçacıklar olduğunu anlamışlardı. Özellikle çekirdekte bulunan protonun çok güçlü pozitif enerjisi, çevresinde “dolanan” ufak parçacıkların negatif enerjiye sahip olduğunu kanıtlıyordu. Bu durum ise ortaya yeni bir soru çıkarıyordu, eğer elektron varsa ve negatif yüke sahipse, bu yükün değeri ölçülebilir miydi? Elektronların yükünü ölçmek… 20. yüzyılın başlarındaki en önemli mücadele olan atomun yapısını keşfetme sürecinde yepyeni bir “cephe” açılmıştı.

Prof. Millikan, 1902’de profesörlüğünü elde ettiğinde, yeni buluşların yaşanacağı önemli zamanlarda yaşadığının farkındaydı ve hemen elektron üzerine çalışmaya başladı. Teorik arka plan halihazırda geliştirilmekteydi, fakat var olan öngörüleri sınayacak deneyler henüz tasarlanmamıştı. Millikan basit, tekrarlanabilir, sade ama nihai sonuç verecek bir deney düzeneği arayışındaydı. Elektronun yükünü ölçmek istiyordu. Eğer elektronun negatif yükü bilinirse, fizik ve kimya alanlarındaki pek çok fenomen en baştan yazılacak, parçacıkların kütleleri üzerine yapılan öngörülerin doğruluğu ölçülebilecekti. Peki ama nasıl? O dönemki doktora öğrencisi Harvey Fletcher’in bir fikri vardı.

Millikan’ın deney yalnızca kendi adını taşısın hırsı

Fletcher şöyle düşündü: Elektronun yükünü ölçmek istiyorsak onu bir manyetik alan içerisine almalıyız. Bu manyetik alan sabit olmalıydı, elektron buraya gönderildiğinde, eğer gerçekten negatif yüklüyse, bu manyetik alana karşılık verecek, aşağı inmek istemeyecekti. Elektron kaynağı olarak kullanabilecekleri bir materyal aramaya başladılar. Harvey, su damlalarını bir tüpe fışkırtmayı önerdi. Fakat sonuç alamadılar, zira deney düzeneği içinde de su buharı bulunmaktaydı ve bu durum deneyin tutarlılığına zarar vermekteydi. Bir miktar kimya arka plan bilgisi bulunan Millikan’ın aklına yağ damlacıkları kullanmak fikri geldi. Buna göre ufak yağ damlacıkları, tüpün içine gönderilecek ve bir miktar elektrik voltajı ile birlikte iyice enerji kazanıp titreşecek, sonrasında tüpün alt kısmı açıldığında hızlıca manyetik alan bulunan bölgeye nüfuz edeceklerdi. Millikan, bu muhteşem deney fikrinin işe yarayacağını biliyordu, fakat bu deney “Millikan deneyi” olarak anılmalıydı, “Millikan-Fletcher deneyi” olarak değil. Deney düzeneğini hazırlarken Fletcher’a haber vermedi.

Millikan, kazan benzeri bir tüp aldı ve alt kısmını kaynak ile kapadı. İki kısım arasına da bir kapakçık koydu. Kazanın üst kısmına güç kaynağı monte etti ve en tepeye içinde motor yağı bulunan bir sprey koydu. Kazanın alt kısmına ise manyetik alan yaratacak bir bobin yerleştirdi, pozitif yüklü olan kısma bir mikroskop konuşlandıran Millikan, eğer yağ damlacıkları, pozitif yüke doğru hareket ederse bunları görebilecekti (Bkz. Deney şeması). Deney tam bir başarıydı. Elektronların -1.6 E-19 Coulomb yüke sahip olduğu ortaya çıkmış, atom fiziğinde yeni bir sayfa açılmıştı artık. Bu demek oluyordu ki iki elektronun birbirlerine etkileşimleri üzerinden kuvveti, kütleyi, avagadro sayısını, enerjiyi, manyetik alanı çok daha tutarlı bir şekilde hesaplayabilecekti biliminsanları.

Fletcher için bu durum öngörülebilirdi. Böylesine bir akademik başarıyı, öğrencisiyle paylaşmak istemeyen hocasını anlayışla karşıladı ve tüm bu durumu ölümünden sonra okunacak vasiyetine kadar bir sır olarak sakladı. Fletcher’in bu “olgun” tavrı karşısında şaşıran Millikan ise, doktora sonrası çalışmalarına pürüssüzce devam edebilmesi için ona her türlü kolaylığı sağladı. Alexander Graham Bell’in kurduğu Bell Şirketi’nde deneysel fizikçi olarak ona bir iş ayarladı. Sonrasında Fletcher, Bell Şirketi bünyesinde dünyadaki ilk işitme cihazını, sesi direkt olarak kasete kaydeden bir taşınabilir kayıt cihazını ve buna benzer birbirinden farklı alanlarda ilk teşkil eden buluşları geliştirdi.

Yağ damlası deneyinin kabaca şeması.

Oynanmış verilerin mumu yatsıya kadar…

Sıra bu çalışmanın makalesinin yazılmasına gelmişti. Fakat Millikan, deneyin yüzde 2’lik bir hata payına sahip olmasının, güvenilirliğini düşüreceğini düşünüyordu. Bundan dolayı veriler içerisinde sonuçla en alakasız olan birkaç veriyi çıkarmaya karar verdi ve bu şekilde hata payını yüzde 1,5’e indirdi. Çalışmanın yayımlanmasının ardından Millikan’ın yöntemini sınamak için makalede gösterilmiş ekipmanları inşa eden biliminsanlarının hiçbirisi, Millikan’ın “ölçtüğü hassasiyette” sonuçlar elde edemedi. Çoğu fizikçi için bu bir sorun olmasa da, bazıları bu soru işaretlerini kâğıda dökmeye karar verdi. O dönemde Colorado Üniversitesi’nde parçacık fizikçisi olarak çalışan Allan Franklin, verilerin tam dökümünü Millikan’dan talep etti. Millikan’ın kaçacak bir yeri yoktu, foyası ortaya çıkmıştı ve verilerin tümünü açmak zorunda kaldı. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden David Goodstein gibi bir takım biliminsanları kendisini kınasa da, sonuçlar zaten teoride beklenilenlere çok yakın olduğu için yapılan çalışmanın prestijini düşürmeye yetmedi. Ayrıca o dönemde açıkça rekabet halinde oldukları görülen bu üniversitelerden gelen bu gereğinden fazla şüpheci tavrın, ABD’de maddi açıdan özel olan üniversitelerin kendi aralarındaki prestij rekabetinden ötürü olabileceği de bir açıklayıcı noktaydı.

Harvey Fletcher, Bell Laborotuvarları’nda çalışırken.

1. Dünya Savaşı yıllarına kadar süren bu tartışmalar, yerini savaş teknolojilerine bıraktı. 1914’e kadar sürekli olarak buluşan, sohbet eden, bilgi paylaşımı yapan ve rekabet eden bu önemli biliminsanları, sanki tüm bu geçmişi unutmuşçasına ülkelerindeki milliyetçi ve şoven akımlara katılıp savaş taraftarı olmuşlardı. O dönemde Planck sabiti üzerine çalışmalar yürüten Robert Millikan da, bilimsel çalışmaları bırakıp ABD Ordusu için denizaltı teknolojileri ve torpidolar üretmeye koyuldu. Fakat yine de ABD’nin savaşa girdiği 1917’ye kadar Planck sabitini, metallerin üzerine gönderdiği yağ kabarcıkları ve ışık demetlerini inceleyerek ölçmeyi başardı, ama yaptığı çalışma, ilgilenebilecek çoğu kişinini savaşla ilgilenmesi sebebiyle yeterince önemsenemedi. Albert Einstein ve çevresindeki biliminsanları ise çalışmayı çok beğendiler ve atom teorisini geliştirirken Millikan’ı referans olarak göstermeyi unutmadılar.

Millikan, yağ damlası deney düzeneğinin biraz geliştirilmiş haliyle birlikte.

Avrupa sistematik bir şekilde birbirini yok etmiş ve savaş bitmişti. ABD ise görece daha az hasar almıştı, üstelik çoğu biliminsanı akın akın ABD’ye gelmek istiyordu. Millikan merkezli eski tartışmalar bütünüyle unutulmuş, açılan yeni sayfada artık atomu parçalayıp içindeki alt parçacıkların yapılarını öğrenme mücadelesinin başlamasına ramak kalmıştı. Böyle heyecanlı zamanlarda, 1925’de yağ damlası deneyi için Robert Millikan’a Nobel Fizik Ödülü verildi. On yıllar sonra Fletcher’ın da en az Millikan kadar deneye katkı sağladığı ortaya çıkınca, Nobel Komitesi’ne ne yapılacağı soruldu. Komite, Jocelyn Bell Burnell vakasında olduğu gibi bir karar verdi: “Doktora öğrencilerine Nobel yok, akademisyen olmaları lazım.”

Bilimsel araştırmalar her zaman umut verici, biliminsanları da her zaman örnek kişilikler olmayabiliyor. Biliminsanları, içinde bulundukları toplumun değerleri etrafında şekillenirken, kendi saygınlıklarını ve prestijlerini korumak uğruna bilimsellikten uzaklaşabiliyorlar, verilerle oynayabiliyorlar, hatta kendi öğrencilerinin akademik kariyerlerini harcayabiliyorlar. Bundan dolayı bilimsellikten uzaklaşmamak gerekse de, bilimin de nihai ahlak sağlayıcı bir kurum olmadığını, bu iyi kabul edilen davranışların bireye farklı şekillerde de verilmesi gerektiği aşikâr. Terazinin tüm kefelerini değerlendirerek, yine de Prof. Robert Millikan’ı, çalışmaları için anmak ve insanlığa kazandırdıklarını -Harvey Fletcher ismini de unutmadan- hatırlamak gerekiyor. Bilimle kalın.

Kaynaklar

– http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-bio.html

– https://www.britannica.com/biography/Robert-Millikan