Fizikte düşünce deneyleri

Düşünce deneyleri kafamızda kurduğumuz senaryolardan gerçek dünyayla ilgili sonuçlar veya açıklamalar elde etmemizi sağlar. Almanca “Gedankenexperiment” adıyla da bilinir. Tam tanımını vermek zor olsa da örneklerle açıklanabilir.
Galileo
Galileo Galilei (1564-1642) belki de Einstein'dan sonra en başarılı düşünce deneycilerinden biridir. En ünlü düşünce deneyi cisimlerin düşmesiyle ilgilidir. Galileo zamanında Aristoteles'in ağır cisimlerin daha hızlı düşeceği görüşü kabul ediliyordu. Galileo farklı ağırlıkta gülleleri Pisa kulesinden aşağı atarak ve eğik düzlemlerden aşağı yuvarlayarak bunun doğru olmadığını gördü. Gülleler aynı anda düşüyordu.
Zamanın fizik inancına karşın (hava direncinin ihmal edilebildiği) bütün cisimlerin aynı sürede düştüğünü buldu. Galileo bulgularını bir düşünce deneyiyle pekiştirdi:
İki gülle düşünün. Adları “A” ve “H” olsun. A güllesi ağır, H güllesi hafif. Varsayalım ki Aristoteles fiziği geçerli. Bu durumda H'den önce A düşer. Şimdi A ve H güllelerini ağırlığı ihmal edilebilir bir iple bağlayalım ve bu yeni hallerine A+H adı verelim. Bu bağlı gülleleri attığımızda yavaş düşen H güllesi A'yı yavaşlatacağı için A+H'nin düşme süresi A'nın düşme süresinden uzun olacaktır. Bir yandan da A+H'nin ağırlığı A'nın ağırlığından fazla olduğu için A+H bırakıldığında A'dan daha çabuk düşer. Bir çelişki elde ettik: A+H bırakıldığında A'dan hem daha hızlı hem de daha yavaş düşer. Dolayısıyla bu düşünce deneyinde kullandığımız Aristoteles fiziği yanlış olmalı. Bu basit düşünce deneyinden çıkaracağımız sonuç A, H ve A+H güllelerinin aynı zamanda düşmesi gerektiğidir.
Galileo bu basit düşünce deneyinde kullandığı Aristoteles fiziğinden saçma bir sonuç çıkarmış, bu sayede de Aristoteles fiziğinin geçerliliğini sorgulamıştır. Aşağıda da göreceğimiz gibi düşünce deneyleri yeni sonuçlara ulaşmak için de kullanılabilir.
Stevin
Simon Stevin (1548-1620) eğik düzlemde hareketle ilgili bazı keşifler yapmıştır. Keşiflerinden biri için çift taraflı ve sürtünmesi ihmal edilebilir bir eğik düzlem düşündü. Aşağı şekildeki gibi üzerine bir zincir bırakın. Zincir hangi yana doğru hareket eder? Bir taraf daha dik olduğu için zincir o yana kayabileceği gibi diğer tarafta daha çok zincir olduğu için o yana doğru hareket edebilir. Hangisi doğru?
Zincirin hangi tarafa doğru hareket ettiğini bulmak için Stevin zinciri alttan birleştirmemizi söylüyor.
Bu alttan birleştirdiğimiz kısım yukarıdaki taraflara eşit kuvvet uygulayacağı için ilk şekildeki zincir hangi tarafa doğru hareket ederse ikinci şekildeki zincir de o tarafa doğru hareket eder. Ancak ikinci şekildeki zincir bir halka oluşturduğu için bir yöne hareket etseydi sürekli dönerdi. Sürekli dönen bir zincir saçma olduğu için zincir hiç bir yana hareket etmez.
Bu sayede Stevin ilk şekildeki zincirin hiç bir yana hareket etmeyeceğini göstermiş oluyor. Buradan eşit yükseklikteki eğik düzlemlerin üzerindeki eşit ağırlıkların üzerlerine etki eden kuvvetin eğik düzlemlerin boyuyla ters orantılı olduğu çıkar.
Huygens
Christiaan Huygens (1629-1695) zamanında iki eşit kütleli cismin zıt yönlerden gelip eşit hızla elastik çarpışmaları durumunda eşit hızla zıt yönlere doğru sekecekleri biliniyordu.
Huygens bu kuralı genelledi: Eşit kütleli cisimler elastik çarpışmaları durumunda hızlarını değiştirirler. Bu genellemeyi güzel bir düşünce deneyi ile yaptı.
Kıyıda önünden v hızı ile soldan sağa doğru giden bir kayığa bakan bir gözlemci var. Kayıkta ise bir bilim adamı bir deney yapıyor. Kayığın iki ucundan v hızıyla attığı toplar kayığın ortasında elastik bir şekilde çarpışıyor. Bilim adamının beklediği gibi toplar zıt yönlere doğru v hızıyla sekiyorlar. Bu zaten o zaman bilinen kuralın sonucu.
Deneye bir de kıyıdaki gözlemci açısından bakalım. Gözlemciye göre kayık v hızıyla soldan sağa doğru hareket ettiği için gözlemci bilim adamının kayıkta yaptığı deneyi şöyle algılar: Kayığın solundan 2v hızıyla atılan top sağda 0 hızıyla duran topa çarpmış ve çarpışmadan sonra hızları 0 ve 2v olmuştur. Buradan çıkan sonuç, belli bir hızlı topla sabit bir topun elastik çarpışmasında çarpan top bütün hızını sabit olana aktarır. Aslında çok daha güçlü bir sonuca ulaşabiliriz. Kayığın herhangi bir u hızıyla hareket ettiğini düşünürsek kıyıdaki gözlemciye göre çarpışmadan önce topların hızları u+v ile uv, ve çarpışmadan sonra ise uv ile u+v olur. Dolayısıyla eşit kütleli cisimler elastik çarpışmaları durumunda hızlarını değiştirirler.
Newton
Isaac Newton (1643-1727) uyduları gezegenler etrafında döndüren kuvvetle elmanın yere düşmesini sağlayan kuvvetin aynı olduğunu fark etmişti: yerçekimi. Bir düşünce deneyi ile de bu ilk görünüşte farklı olan kuvvetleri ele aldı.
Çok yüksek bir dağın üzerinden top atışı yapılıyor. Atmosferin yavaşlatıcı etkisinin olmadığını varsayıyoruz. (İsterseniz top atışının atmosferin üzerinden yapıldığını varsayabilirsiniz.) Eğer yerçekimi olmasa gülle dümdüz uzaya fırlar giderdi. Yerçekimi olduğu için güllenin A veya B gibi bir noktaya düşeceğini düşünebiliriz. Hatta çok güçlü bir top kullanırsak belki top C'ye bile ulaşabilir. Ancak bu bir düşünce deneyi olduğu için istediğimiz kadar güçlü toplar kullandığımızı varsaymamız için bir engel yok. Dolayısıyla o kadar güçlü bir top ile ateş edebiliriz ki atılan gülle D yolunu izlesin. Bu durumda gülle her an Dünya'ya doğru düşer ancak güllenin aldığı yolun eğimi Dünya'nın eğimine eşit olduğu için gülle hiç bir zaman Dünya'ya ilk ateş edildiğinden daha çok yaklaşamaz. Gülle Dünya'nın etrafında tur atmaya devam eder ve dağın tepesinde ateş edildiği noktadan tekrar ve tekrar geçer. İşte bu durumda gülle Dünya'nın etrafında yörüngeye oturur. Güllenin daha yüksekten yörüngeye oturtulduğu düşünürsek gezegenlerin uydularıyla olan benzerlik açık olacaktır. Dolayısıyla bir uydunun bir gezegen etrafında dönmesini sağlayan kuvvet aslında bir cismin Dünya'ya düşmesini sağlayan yerçekimidir. Eğer topu daha kuvvetli ateşlemeye devam edersek güllenin yörüngesi E ve F gibi daha çok eliptik olacaktır. Gülleye yeterince hız vermeyi başarabilirsek Dünya'nın yörüngesinden çıkacaktır.
Newton'un bu deneyi 1687'de basılan meşhur kitabı Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica'da yazdı. Bu kitapta birçok şeyin yanı sıra Ay gibi uyduların nasıl hareket ettiği de matematiksel olarak göstermişti. Dolayısıyla bu düşünce deneyine gerekli olduğu için değil sadece açıklayıcı olması nedeniyle yer verdi.
Einstein
Hiç şüphesiz ki Albert Einstein'ın (1879-1955) birçok düşünce deneyi bunlar arasında en seçkinleri. Einstein'ın özel görelilik teorisinin temel iki varsayımından biri ışığın hızının bütün ivmesiz gözlemcilere göre aynı olmasıdır. Bunun ilginç sonuçlarından birini Einstein'ın tren düşünce deneyi açıklar.
Çok hızlı bir trenin tam orta noktasında oturan bir yolcu ile trenin geçişini dışarıdan izleyen bir biletçi var. Biletçi trene bakarken iki yıldırım düşüyor. Yıldırımlar trenin en önünde ve en arkasında iz bırakmakla kalmıyor, trenin dışında yerde de iz bırakıyorlar. Dışarıdaki biletçiye lokomotifin en önüne yıldırım düşmesinin ışığı ve trenin en arkasına yıldırım düşmesinin ışığı aynı anda ulaşıyor. Dolayısıyla biletçi iki olayın aynı anda olduğunu söylüyor. Ayrıca biletçi ölçüm yaparak durduğu yerin yerdeki yanık izlerinin tam ortasında olduğunu tespit ediyor. Bu sayede yıldırımların aynı anda düştüğünden iyice emin oluyor.
Şimdi de olayı trenin ortasında oturan yolcu açısından ele alalım. Yolcu trende lokomotifin önüne düşen yıldırımın ışığı yönünde hareket etmekte ve arkaya düşen yıldırımın ışığından ters yöne doğru hareket ettiği için yolcu lokomotife düşen yıldırımın ışığını arkaya düşeninkinden daha önce görür. Kendisi trenin orta noktasında oturduğu içinde öne düşen yıldırımın arkaya düşenden daha önce olduğuna karar verir.
Hangisi doğru? Biletçinin dediği gibi yıldırımlar aynı anda mı düştüler? Yoksa yolcunun dediği gibi lokomotife düşen yıldırım daha önce mi düştü? Gerçekte ikisi de haklı. Farklı gözlemcilere göre olayların sırası farklı görünebilir. Bu görelilik kuramının garip gelen sonuçlarından biridir. Einstein'ın söylediği eşzamanlılığın mutlak olmadığıdır.
Burada atladığımız Newton'un kovasından Maxwell'in cinine, EPR paradoksundan Schrödinger'in kedisine kadar fizikte daha birçok düşünce deneyi var. Düşünce deneylerinden elde edilen sonuçların matematiksel kanıtların yerine geçtiğini düşünmek yanlış olur. Genelde açıklayıcı veya sorgulayıcı bir görev üstleniyorlar. Ancak düşünce deneyleri fizikle sınırlı değil elbette. Özellikle felsefede birçok düşünce deneyi kullanılıyor.

Ynt: Fizikte düşünce deneyleri

Schrödinger’in kedisi
1935'te ortaya koyduğu “Schrödinger’in Kedisi” adı ile anılan düşünce deneyi bunların en ünlüsü olduğu için bunu ayrı bir başlıkta incelemek istedim.
Sağlıklı bir kediyi hava alabilen bir kutu içine koyalım. Kutuda zehirli bir gaz şişesi bulunsun ve bu gazın şişeden salınmasını sağlayacak mekanizma, bozunma yarı ömrü 1 saat olan bir radyoaktif parçacık ile kontrol edilsin. Bu mikroskobik parçacığın davranışını ancak kuantum mekaniği ile ifade edebiliriz, fakat şimdi makroskobik bir sistem olan kedinin kaderi de artık parçacığın davranışına bağlanmış oluyor. Schrödinger’in iddiasına göre 1 saat sonunda kedinin canlı ve ölü olma olasılıkları eşit. Dalga fonksiyonunun anlamı ‘ya bozunma oldu ve kedi öldü ya da olmadı ve kedi hayatta’ gibi uç iki olasılığı anlatmaktan ibaret değil. Schrödinger’in analizi doğru ise kuantum kuramı, (birisi bakıp durumu bu iki seçenekten birine indirgeyene kadar) kedinin iki durumunun yan yana bulunduğunu söylüyor.Yarı ölü-yarı diri. Schrödinger, bu kadar mantığa zıt bir kuramın düzeltilmeye muhtaç olduğu sonucuna varıyor. Buna karşılık birçok fizikçi (Hawking, Gell-Mann ve başkaları) bu problemin yapay olduğu görüşündeler.”

Schrödinger’in Kedisi Deneyi Nasıl Yorumlanmalı?
Bir kere atomik ve moleküler dünyanın olasılık düşüncesi makrodünyaya taşınmış bulunuyor.Çünkü gözlem yapmadığımız sürece kenidinin ölü ya da diri olduğunu bilemeyiz.Buradaki yanıt da "Kedi yüzde elli ölü,yüzde elli diri" yorumundan çok, ölü ve diri olma olasılığı eşit anlamına gelmektedir.
Stephan Hawking (1942-...) şöyle diyor: “Kanımca, modelden bağımsız bir gerçekliğe karşı dile getirilmeyen inanç, bilim felsefecilerinin kuantum mekaniği ve belirsizlik ilkesi konusunda karışlaştıkları güçlüklerin altındaki nedendir. Schrödinger’in kedisi denen ünlü bir düşünce deneyi vardır. Bir kedi kapalı bir kutunun içine yerleştirilir. Ona yönelik bir silah vardır ve belirli bir yönde bir radyoaktif çekirdek bozunursa silah ateş alacaktır, bunun gerçekleşmesinin olasılığı yüzde 50'dir. (Bugün, yalnızca bir düşünce deneyi olarak bile, hiç kimse böyle bir şey önermeye cesaret edemez, fakat Schrödinger’in zamanında hayvanların özgürlüğü kavramı henüz duyulmamıştı).

Eğer biri kutuyu açarsa kediyi ya ölü ya canlı bulacaktır. Fakat kutu açılmadan önce kedinin kuantum durumu ölü kedi durumuyla kedinin canlı olduğu durumun bir karışımı olacaktır. Bazı bilim felsefecileri, bunun kabul edilmesini çok güç bulurlar. İnsanın yarı hamile olabilmesinden öte kedinin yarı vurulmuş,yarı vurulmamış olması mümkün değildir Onların içinde bulundukları güçlük,dolaylı olarak bir nesnenin belirli bir tek geçmişe sahip olduğu klasik bir gerçeklik kavramını kullanmalarından kaynaklanır. Kuantum mekaniğinin temeli, farklı bir gerçeklik görüşüne sahip olmasıdır. Bu görüşte bir nesne yalnızca bir tek geçmişe değil,mümkün olan tüm geçmişlere sahiptir. Çoğu durumda belirli bir geçmişe sahip olma olasılığı,biraz farklı bir geçmişe sahip olma olasılığını siler,fakat belli durumlarda komşu geçmişlerin olasılıkları birbirini güçlendirir. Nesnenin geçmişi olarak gözlemlediğimiz şey, bu güçlendirilmiş geçmişlerden biridir.

Schrödinger’in Kedisi durumunda güçlendirilmiş olan iki geçmiş vardır. Birinde kedi vurulmuştur,diğerinde ise canlı kalır. Kuantum kuramında her iki olasılık birlikte varolabilir. Fakat bazı felsefeciler, açıkça belirtmeden kedinin yalnızca bir geçmişi olabileceğini varsaydıkları için kendilerini çıkmazda bulurlar. Her bir parçacığın belirli,tek bir geçmişi olduğu yolundaki varsayıma ilk olarak Feynman karşı çıktı. İkinci Dünya Savaşını izleyen yıllarda Feynman, parçacıkların uzay-zamanda olası her yol boyunca,bir konumdan diğerine ilerlediği önerisini getirdi. Feynman her bir yörünge ile biri dalganın boyutu-genliği biri de fazı- çukurda ve tepede bulunması- olmak üzere iki sayıyı ilişkilendirdi. A'dan B'ye giden bir parçacığın olasılığı, A ve B'den geçen her olası yolla ilgili dalgaların toplanmasıyla bulunuyordu.Gündelik dünyada nesneler,bize başlangıç ve sonuç hedefleri arasında tek bir yol ,tek bir yörünge izliyormuş gibi görünür.Bu durum Feyman'ın birden fazla geçmiş(ya da geçmişlerin toplamı) kavramıyla uyum gösterir mi? Evet. Çünkü her bir yola sayılar verme kuralı,büyük nesneler için yolların katılımları birleştiğinde,biri dışında bütün yolların birbirini etkisizleştirmesini gerektirir.Yani sonsuz yol çeşitinden sadece biri,makroskopik nesnelerin harekete gözönüne alındığı sürece önemlidir ve bu yörünge de Newton'uun klasik hareket yasalarından ortaya çıkandır.

Ynt: Fizikte düşünce deneyleri

Gerçekte bilim ile ilgilenen insanların çoğunluğa uçuk-kaçık görünen yaklaşımlarının yarattıkları devrimsel süreçlerin ne kadar önemli olduklarına ilişkin önemli örnekleri görmekteyiz. Teorem ve aksiyonlar arasında sıkışan düşüncelerin pratik ile doğrulanmaları için geçen sürenin bir hayli zaman aldığını görmekteyiz. Bir yönü ile bilimsel ön-görünün ileride olması, onun tüm dogmatik/statik kalıpların dışında olduğunu göstermektedir. Birey farkında olmasa da kütle çekim/güçsüz-güçlü çekirdek çekimi/elekro-manyetik çekim yasaları mikro dünyada hüküm sürerken; makro dünyalar anti-madde ile dengede durmaktadırlar. Doğrusu, hareketin temel nedeni konusunda çözüm bekleyen sorular var görünmektedir? Atom-altı parçacıklar/kuarkların hareket nedenleri nedir? Amaçları var mıdır? Fizik yasalarının toplumsal sonuçları nedir? bu sorular bitmiyor?

paylaşım için teşekkür ediyorum