Maddeyi anlamak-2: Boşluk gerçekten boş mudur?

Yıl 1805. Londra'nın Blandford Sokağı'nda, George Riebau adında bir kitapçının dükkânı. Tezgâhın arkasında on dört yaşında bir çırak var: Michael Faraday.

Ailesi yoksul, babası hasta bir demirci. Okula ancak okuma yazma ile biraz hesap öğrenecek kadar gidebilmiş. Ama çocuğun elinden her gün yeni kitaplar geçiyor, çünkü işi kitap ciltlemek. Ve Faraday ciltlediği kitapları okuyor. Bir ansiklopedinin elektrik maddesi, kadınlar için yazılmış bir kimya kitabı... Geceleri dükkânın arkasında, eline geçen kavanozlarla, tellerle küçük deneyler yapıyor.

Yirmi bir yaşına geldiğinde birisi ona Kraliyet Enstitüsü'nde, dönemin en ünlü kimyageri Humphry Davy'nin konferanslarına bilet hediye ediyor. Faraday her konferansı satır satır not alıyor, notları temize çekiyor, ciltliyor ve Davy'ye gönderiyor. Davy etkileniyor. Birkaç ay sonra laboratuvarında bir boşluk açılınca genç ciltçiyi yanına alıyor. Fizik tarihinin en büyük deneycisi böyle doğdu.

Newton'un rahatsızlığı

Faraday'ın neden önemli olduğunu anlamak için, onun karşısındaki dünya görüşünü bilmemiz gerekiyor.

Görelilik dizisinde hatırlarsınız: Newton, Güneş'in Dünya'yı nasıl çektiğini hesaplayabiliyordu ama bu çekimin boşluğun içinden nasıl ulaştığını açıklayamıyordu. Kendisi bile bundan rahatsızdı. Bir mektubunda, bir cismin aracısız olarak boşluğun içinden başka bir cisme etki etmesini aklı başında hiçbir insanın kabul edemeyeceği bir saçmalık diye nitelemişti.

Ama hesaplar tutuyordu. Ve yüz yıl boyunca fizikçiler bu rahatsızlığı halının altına süpürdü. Elektrik ve manyetizma için de aynı modeli kullandılar: iki yüklü cisim birbirini uzaktan çeker ya da iter; aradaki boşlukta hiçbir şey olmaz, sadece bir sayı hesaplanır. Faraday bu cevabı kabul etmedi. 

1820'de Danimarkalı fizikçi Orsted tesadüfen bir şey fark etti: elektrik akımı taşıyan bir telin yanına pusula konduğunda iğne sapıyordu. Elektrik ile manyetizma arasında bir bağ vardı. Haber Avrupa'yı dolaştı ve Faraday'ın hayatının işi başladı.

Faraday bir kâğıdın altına mıknatıs koyup üstüne demir tozu serpti ve kâğıda hafifçe vurdu. Tozlar rastgele dağılmadı. Mıknatısın bir ucundan çıkıp öbür ucuna kıvrılan, zarif çizgiler hâlinde dizildi.

Bu deneyi belki okul yıllarınızda siz de yaptınız. Ama Faraday o çizgilere bakarken başka bir şey gördü. Çizgiler orada, boşlukta, tozlar dökülmeden önce de vardı. Tozlar onları yaratmamış, sadece görünür kılmıştı. Demek ki mıknatısın etrafındaki boşluk boş değildi. Her noktasında bir gerginlik, bir yönelim taşıyordu.

Faraday bu çizgilere "kuvvet çizgileri" dedi. 1845'te ise mıknatısın etrafındaki bu dolu boşluğu tarif etmek için bir kelime kullandı: Alan.

Alan ne demek?

Basitçe örnekleyelim. Televizyondaki hava durumu haritasını düşünün. Türkiye'nin her noktasına bir sıcaklık yazılmış: İstanbul'da on sekiz, Erzurum'da dört, Antalya'da yirmi altı. Arada boş nokta yok; haritanın neresine parmağınızı koysanız orada bir sıcaklık vardır. Fizikçiler buna "sıcaklık alanı" der. Alan, uzayın her noktasında bir değer taşıyan şeydir. Bu kadar.

Şimdi rüzgâr haritasını düşünün. Burada her noktada sadece bir sayı yok, bir de ok var: rüzgâr ne kadar güçlü ve hangi yöne esiyor. Faraday'ın demir tozları tam olarak böyle bir harita çizdi. Mıknatısın etrafındaki her noktada, manyetik etkinin ne kadar güçlü olduğunu ve hangi yöne baktığını gösterdi.

Faraday'ın devrimi şu cümlede saklı: mıknatıs çiviyi uzaktan çekmez. Mıknatıs etrafındaki alanı gerer; çivinin bulunduğu noktadaki alan da çiviyi çeker. Etki uzaktan değil, komşudan komşuya iletilir. Newton'un rahatsızlığına ilk somut cevap buydu.

Mıknatısı sallarsanız

1831'de Faraday tarihin seyrini değiştiren deneyini yaptı. Bir bobinin içine mıknatıs soktu ve çekti. Mıknatıs hareket ettiği sürece telde akım oluştu. Mıknatıs durunca akım da durdu. Değişen manyetik alan elektrik üretiyordu.

Bugün evinize gelen elektriğin neredeyse tamamı bu ilkeyle üretiliyor. Bir barajda dönen türbin, bir termik santraldeki buhar kazanı, bir rüzgâr gülü; hepsi sonunda bir mıknatısı bir bobinin içinde döndürür.  Fakat bizim için asıl önemli olan teknolojik sonuç değil, Faraday'ın vardığı fikir. Madem alan gerçek bir şey, o hâlde sarsılabilir. Bir mıknatısı sallarsanız, etrafındaki alan da sarsılmalı ve bu sarsıntı boşlukta yayılmalı. Tıpkı göletin bir ucuna atılan taşın halkalarının öbür uca yayılması gibi.

1846'da Faraday, bir akşam konferansında, gelmeyen bir konuşmacının yerini doldurmak için kürsüye çıktı ve o güne kadar yazmaya cesaret edemediği bir fikri ortaya attı: ışık, belki de bu kuvvet çizgilerinin titreşimidir. Dinleyiciler kibarca dinledi. Matematikçiler ciddiye almadı. Formülü olmayan bir fikirdi.

Matematiği yazan adam

Faraday'ın bobinle akımı keşfettiği 1831 yılında, İskoçya'da bir bebek doğdu: James Clerk Maxwell.

Maxwell, Faraday'ın tam tersiydi. Varlıklı bir aileden geliyordu, en iyi okullarda okudu ve devrin en parlak matematikçilerinden biri oldu. Ama Faraday'ın kuvvet çizgilerini okuduğunda, matematikçi meslektaşlarının küçümsediği bu "ciltçi fiziğinde" derin bir şey gördü. Yıllarca uğraşıp Faraday'ın resimlerini denklemlere çevirdi.

1865'te ortaya çıkan denklem takımı, elektriği ve manyetizmayı tek bir alanın iki yüzü olarak tarif ediyordu: elektromanyetik alan. Ve denklemler kendiliğinden bir şey söylüyordu: bu alan dalgalanabilir. Maxwell dalganın hızını hesapladı. Çıkan sayı, saniyede yaklaşık üç yüz bin kilometreydi: Işığın hızı.

Faraday'ın formülsüz sezgisi doğruydu. Işık, elektromanyetik alanın dalgasıydı. Yirmi yıl sonra Alman fizikçi Heinrich Hertz laboratuvarında bu dalgaları elle üretti; bugün onlara radyo dalgası diyoruz. Telefonunuz, televizyonunuz, kablosuz ağınız, bu dalgalarla çalışıyor.

Gölet ile halka

"Kuantumu anlamak" dizisinin ilk yazısında dalganın sırrını şöyle koymuştuk: yer değiştiren madde değil, harekettir. Göletteki yaprak yerinde kalır, halka yol alır.

Şimdi o cümleye eksik parçayı ekleyebiliriz. Ses dalgası için gölet havadır; deniz dalgası için sudur. Peki ışık için gölet nedir? Maxwell'in cevabı: elektromanyetik alanın kendisi. Evrenin her köşesine yayılmış, her noktasında bir değer taşıyan, sarsıldığında titreşen görünmez bir gölet.

Boşluk boş değildir. Alanla doludur.

Ama burada bir sorun var ve bizi doğrudan kuantum dizisine geri götürüyor. Maxwell'in alanı pürüzsüzdü; titreşimi istediğiniz kadar küçük olabilirdi, sürekli bir şekilde artıp azalabilirdi. Oysa 1900'de Planck, 1905'te Einstein, ışık enerjisinin paketler hâlinde geldiğini göstermişti. Yarım paket olamazdı.

Pürüzsüz bir gölet, nasıl olur da paket paket dalgalanır?

Bu soruya cevap vermek için, Dirac'ın 1927'de yazdığı makaleye gitmemiz gerekiyor. Yarın, dalga ile parçacığın nihayet aynı masaya oturduğu yeri konuşacağız.