Geri Dön   Wardom.Org > Off-Topic > Bilim ve Teknik

 
Eski10-01-2007, 22:24   #1
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re
Exclamation Bilimsel Teoriler ve Yasalar!

Selamlar.

Bu başlıkta yine uzun bilimsel konuları güncelleyerek vereceğim. Umarım işinize yarar ve beğenirsiniz...


GENEL GÖRELİLİK

Albert Einstein, özel görelilik kuramının temellerini 1905’te yayımladığı bir makaleyle atmıştı.

Kuram iki yüzyılı aşkın bir süredir kullanılan Newton’un hareket yasalarını değiştirmekle kalmıyor bunun yanında birçok kavramsal yenilik getiriyordu. Bunlardan biri zamanın mutlak olmadığı, gözlemciden gözlemciye değiştiğiydi. Buna ek olarak zaman, ayrıca olayların oldukları yerlere de bağımlı çıkıyor, böylece uzay ve zamanı bir bütün olarak değerlendirme ihtiyacı ortaya çıkıyordu. Çıkan bir başka önemli sonuç da yüzyılın en ünlü formülü olan E=mc2, yani enerjinin aynı zamanda bir kütlesi olması gerektiğiydi. Bu nedenle hareket eden cisimlerin sahip oldukları kinetik enerjiden dolayı kütleleri artıyordu.

Einstein tüm kuramı iki temel üzerine oturtmuştu. Bunlardan birincisi, ışığın boşluktaki hızının evrensel bir sabit olduğuydu. Yapılan bütün deneyler, bu değer hareket eden gözlemciler tarafından ölçülse bile aynı sonucun bulunduğunu gösteriyordu. Einstein’ın dayandığı diğer temel de “görelilik ilkesi” dediğimiz, sabit hızla hareket eden araçlar içindeki gözlemcilerin, çevrelerindeki olayları sanki araç duruyormuş gibi inceleyebileceklerini, bu durumda bile bütün doğa yasalarının aynı şekilde geçerli olduğunu söylüyordu.

Sadece bu iki varsayım, özel görelilikte elde edilen tüm sonuçları üretebilecek güce sahipti. Fakat, dayandığı temeller nedeniyle, kuram sadece sabit hızlarla hareket eden gözlemcilerin olayları nasıl gördüğünü belirleyebiliyordu.

Ama bu sınırlama yakında kalkacaktı. Einstein, 1907 yılında özel görelilik kuramı hakkında bir bilimsel dergiye yazdığı makalede, yeni bir düşüncesi olduğunu, dayandığı “görelilik ilkesinin” çok daha genel bir başka ilkenin sadece özel bir hali olduğunu belirtiyor. Bu düşüncenin belirmesini “hayatımın en mutlu anı” sözleriyle nitelendiriyor.

Einstein. “Denklik ilkesi” olarak adlandırdığımız bu yeni ilke de çok sayıda yeni sonucu üretebilecek potansiyele sahip. 1905 yılında temelleri atılan kurama “özel görelilik”, denklik ilkesinden yola çıkarak oluşturulan ve tüm matematiksel detaylarla ancak 1915-16 yıllarında tamamlanacak yeni kurama da “genel görelilik” adı veriliyor. Genel görelilik bu defa Newton’un bir diğer yasasını, evrensel kütleçekim yasasını değiştiriyor. Fakat, sadece değiştirmekle kalmayıp, tüm kütleçekim olgusunu çok daha sağlam geometrik temellere oturtuyor. Bu yazıda, bu konulara fazla girmeden, sadece denklik ilkesini ve bu ilkeden elde edilebilecek sonuçlardan bazılarını aktaracağız.

Eylemsizlik ve Çekim Kütleleri:

Einstein’ın bahsettiği denklik ilkesi aslında çok da yeni değil; düşüncenin temelleri hareket yasalarının doğduğu zamanlara, Galileo ve Newton’a kadar
uzanıyor. Tüm konu, cisimlerin “kütle” olarak adlandırdığımız özelliğinin iki farklı doğa yasasında işin içine girmesinden kaynaklanıyor. Cisimlerin
miktarını veren ve gramla/kilogramla ölçtüğümüz büyüklüğe kütle deniyor. Bu kavramı günlük dilde, bakkalda ve pazarda “ağırlık” olarak adlandırıyoruz.
Her ne kadar günlük dilde böyle kullanılsa da, bilimsel dilde ağırlık kelimesi (aşağıda belirteceğimiz gibi) daha farklı bir anlamda kullanılıyor. Kütlenin belirdiği yasalardan birincisi Newton’un evrensel kütleçekim yasası.



Bu yasaya göre iki cisim birbirlerini kütleleriyle orantılı, aralarındaki uzaklığın da karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker. Söz konusu cisimlerden biri Dünya gibi çok büyük bir gök cismiyse, bu kuvveti ağırlık olarak adlandırıyoruz. Yani yeryüzündeki bir cismin ağırlığı, Dünya’nın o cisme uyguladığı çekme kuvvetiyle aynı. Bu aynı zamanda o cismi kaldırmak için uygulamamız gereken kuvvete eşit. Ağırlık, cismin bulunduğu yere bağlı olarak değişebilir (Ay’daki ağırlıklar yeryüzüne göre altıda bir oranında daha azdır; uzayda ağırlık sıfırdır); ama kütle, cisimlerin değişmez bir özelliğidir.

Kütle burada karşımıza cisimlerin ne kadar büyük bir kütleçekim kuvveti uygulayabileceğini belirten bir nicelik olarak karşımıza çıkıyor. Bu nedenle bu kütleye “çekim kütlesi” diyoruz. Dolayısıyla kütleçekim yasası cisimlerin ağırlığının kütleleriyle orantılı olduğunu söylüyor. “Bir çekiç bir tüyden daha ağırdır” örneğinde olduğu gibi.

Kütlenin belirdiği diğer yasaysa Newton’un hareket yasalarından ikincisi. Bir cisme kuvvet uygulayarak cismi hızlandırır, yavaşlatır veya hız yönünü değiştirebilirsiniz. Birim zamanda meydana gelen hızdaki değişime ivme deniyor. ikinci yasa ivmenin, kuvvetin kütleye bölünmesiyle elde edileceğini söylüyor. Burada da kütle, karşımıza bir cismin hızını değiştirmeye direnci (eylemsizlik) olarak çıkıyor.

Kütle ne kadar büyükse, cismi harekete geçirmek için o kadar zorlanırsınız. Bu nedenle, bu yasada geçen kütleye de “eylemsizlik kütlesi” diyoruz. Bir masada duran tüy ve çekice aynı kuvveti uygularsanız, çekiç daha az tepki verecektir.

Galileo ve Newton, hem çekim hem de eylemsizlik kütlelerinin aynı olduğunu fark etmişler ama bunun anlamını çözmeleri o zaman mümkün olmadığından olsa gerek, bunu doğadaki ilginç tesadüflerden biri olarak yorulmamışlardı. ilk defa Einstein, çok daha derinlerde yatan bu anlamı fark ediyor.

Kütlenin belirdiği diğer yasaysa Newton’un hareket yasalarından ikincisi. Bir cisme kuvvet uygulayarak cismi hızlandırır, yavaşlatır veya hız yönünü değiştirebilirsiniz. Birim zamanda meydana gelen hızdaki değişime ivme deniyor. ikinci yasa ivmenin, kuvvetin kütleye bölünmesiyle elde edileceğini söylüyor. Burada da kütle, karşımıza bir cismin hızını değiştirmeye direnci (eylemsizlik) olarak çıkıyor.



Gözlemci, Dünya’da mı yoksa dış uzayda yol alan sabit ivmeli bir rokette mi olduğunu anlayamaz.
----------

Kütle ne kadar büyükse, cismi harekete geçirmek için o kadar zorlanırsınız. Bu nedenle, bu yasada geçen kütleye de “eylemsizlik kütlesi” diyoruz. Bir masada duran tüy ve çekice aynı kuvveti uygularsanız, çekiç daha az tepki verecektir.

Galileo ve Newton, hem çekim hem de eylemsizlik kütlelerinin aynı olduğunu fark etmişler ama bunun anlamını çözmeleri o zaman mümkün olmadığından olsa gerek, bunu doğadaki ilginç tesadüflerden biri olarak yorulmamışlardı.



ilk defa Einstein, çok daha derinlerde yatan bu anlamı fark ediyor.

Galileo ve Newton, hem çekim hem de eylemsizlik kütlelerinin aynı olduğunu fark etmişler ama bunun anlamını çözmeleri o zaman mümkün olmadığından olsa gerek, bunu doğadaki ilginç tesadüflerden biri olarak yorulmamışlardı. ilk defa Einstein, çok daha derinlerde yatan bu anlamı fark ediyor.

Kütle eşitliğinin sonucu Eğer bütün cisimlerin eylemsizlik ve çekim kütleleri eşitse, o zaman bütün cisimler, şekilleri ve kimyasal yapıları ne olursa olsun yeryüzünde aynı şekilde düşerler. Örneğin, bir çekiç ve tüyü bırakarak düşüşlerini izlediğimizi varsayalım. Dünya, bu iki cisme kütleleriyle orantılı bir kuvvet uyguluyor, yani tüye daha az, çekice de daha fazla (çekiç tüyden daha ağır). Buna karşılık bunların ivmesi, ağırlık kuvvetlerinin kütlelerine bölünmesiyle elde ediliyor. O halde her iki cismin ivmesi aynı olmalı. Dolayısıyla bunları aynı anda bırakırsanız, her ikisi de aynı anda yere ulaşır.

Böyle bir şeyin yeryüzünde gözlenememesinin nedeni, havanın düşen cisimlere uyguladığı sürtünme kuvveti. Sürtünme, tüyü çekiçten daha fazla etkilediği için, tüyün yere daha geç ulaştığını görüyoruz. Ama Galileo, yaptığı analizlerle sürtünmenin farkına varmış ve eğer bu olmasaydı bütün cisimlerin aynı ivmeyle düşeceğini söylemişti. Nitekim, Ay’a yapılan Apollo uçuşlarından birinde, öğrencilere gösteri maksadıyla bu deney gerçekleştiriliyor.

Olayın anlamını daha iyi kavramak için, bir asansörün içinde bir gözlemci ve birçok cisim bulunduğunu, asansörün ipinin koparak içindekilerle beraber düşmeye başladığını düşünelim. Asansör dahil her şey aynı ivmeyle düştüğü için, gözlemci içerideki bütün cisimlerin asansöre göre bulundukları yerde sabit durduklarını görecektir. Buna ek olarak, eğer cisimlerden birine bir ilk hız verilmişse, bu defa cisim aynı hızını koruyarak hareketine devam edecektir. Kısacası, gözlemcinin sadece asansörü referans alarak ve dışarıdaki Dünya’yı düşünmeden yaptığı gözlemler, sanki asansör dış uzaydaymış izlenimini uyandıracaktır. (Dünya, Güneş gibi bütün büyük gökcisimlerinden uzaktaki yerlere bu yazıda dış uzay diyeceğiz.)



Yörüngede dolanan uzay istasyonları, yukarıda olanların en iyi örneği. Burada da istasyon Dünya’ya oldukça yakın olduğu için Dünya’nın çekim kuvveti hala var ve oldukça güçlü.

Ama istasyon, tıpkı yukarıdaki asansör gibi, sadece Dünya’nın çekim kuvveti altında hareket ettiği için, içinde yaşananlar da yukarıda tarif ettiğimizle aynı.

Asansör ve uzay istasyonu gibi sanki dış uzaydaymış izlenimini veren ortamlara biz “ağırlıksız ortam” diyoruz, çünkü burada cisimlerin birbirine kısa çarpışmalar hariç yaslanmadığı için ağırlık da hissedilmez; geleneksel tartılar hiçbir işe yaramaz

 

Eski10-01-2007, 22:26   #2
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Kısacası, eğer bütün cisimlerin eylemsizlik ve çekim kütleleri eşitse, o zaman asansördeki gözlemci sadece cisimlerin hareketine bakarak düşen bir asansörde mi, yoksa dış uzayda mı olduğunu anlayamaz. Einstein bundan bir adım daha ileri giderek gözlemcinin başka türden deneyler yapsa bile farkı anlayamayacağını iddia ediyor. Yani, bugüne kadar yapılmış veya gelecekte yapılabilecek bütün olası deneyler, düşen asansörde de dış uzayda da aynı sonucu verir. Einstein’ın kullandığı denklik ilkesi bu. Bu ifade aslında tam olarak doğru değil. Sorun da Dünya’nın yuvarlak olması.

Çekim kuvveti Dünya’nın merkezine doğru yöneldiği için bir noktadaki çekim ivmesiyle biraz ötedeki ivme birbirlerinden az da olsa farklı. Bu farklılıklar serbest düşen bir cismin üzerine gel git kuvvetleri dediğimiz bir takım kuvvetler uygulanmasına neden oluyor. Gel git kuvvetleri cismi düşey doğrultu boyunca gererek, yatay düzlem boyunca sıkıştırıyor. Denizlerdeki gel git hareketi de Ay’ın çekimi altında hareket eden Dünya’ya etkiyen bu kuvvetler nedeniyle oluşuyor. Bunlar her ne kadar küçük olsa da, asansördeki gözlemci bu kuvvetleri ölçerek düşen bir asansörde olduğunu anlayabilir. Einstein bu sorunun üstesinden gelmek için, ilkenin yerel olarak algılanması ve asansörün boyutlarının yeteri kadar küçük seçilmesi gerektiğini belirtiyor. Dolayısıyla bu etki görmezden geliniyor; çünkü sorun Dünya’nın yuvarlaklığından kaynaklanıyor, kütle çekimin doğasından değil.



ivmelenen Roket ile Yerçekimi

Aynı ilke farklı bir şekilde de ifade edilebilir. Dış uzayda sabit bir ivmeyle hızlanan bir roket düşünün. Böyle bir roketin içinde bir cismi serbest bırakırsanız, cisim bundan sonraki hareketini sabit hızla sürdürecektir. Fakat roket gittikçe hızlanmakta olduğundan, cisim rokete göre daha geriye gidecek ve en sonunda tabana çarpacaktır. Eğer bu tip hareketler roket referans alınarak incelenirse, o zaman serbest bırakılan bütün cisimlerin, (şekilleri ve kimyasal yapıları ne olursa olsun) aynı ivmeyle hızlanarak tabana çarptığı görülür.

Bir çekiç ve tüy aynı anda serbest bırakılırsa, bunlar tabana aynı anda ulaşır. Ayrıca cisimlerin tabana dayandığını, bir tartı üzerine yerleştirilen cisimlerin tartının ibresini harekete geçirdiğ ini, dolayısıyla tartının bir “ağırlık” ölçtüğünü ve bunun cismin kütlesiyle orantılı olduğunu da söyleyebiliriz. Kısacası, yeryüzünde yerçekimi nedeniyle karşılaştığımız olayların hepsi burada da geçerli. Dolayısıyla denklik ilkesini şu şekilde de ifade edebiliriz: Roketteki bir gözlemci ne yaparsa yapsın, dış uzayda sabit ivmeyle hızlanan bir rokette mi yoksa bir gezegen üzerinde mi olduğunu anlayamaz. Eğer kütleçekim kuvvetinin değişik olaylarda olası etkilerini anlamak istiyorsak, bu ilke yardımıyla o olayın ivmelenen rokette nasıl gelişeceğini belirlememiz yeterli. Bu tip örneklere geçmeden önce özel göreliliğin varsayımlarının hala geçerli olduğunu hatırlatalım. Örneğin, belli bir deneyi başlattığımız anda roketin hızının ne olduğu önemli değil. Rahatlıkla roketin ilk anda duruyor olduğunu varsayabiliriz. ‹şte elde edebileceğiniz ilk sonuçlardan biri: Işığın boşluktaki hızı, ışık büyük bir gökcisminin yakınından geçiyor olsa bile aynı evrensel sabite eşittir.

Yeryüzünde Işık da Düşer mi?

Yeryüzünde serbest bırakılan her cisim düşer. Peki ya ışık? Işığın hızı sabit olduğu için, hızında bir değişim bekleyemeyiz. Ancak, yolundan sapmasını, bir doğru boyunca ilerleme yerine bir eğri çizmesini bekleyebiliriz. Örnek olarak, yatay doğrultuda bir ışık ışının üretildiğini varsayalım. Bundan sonra ne olacağını belirlemek için hemen ivmeli rokette ne olacağına bakalım.

Roketin ilk anda duruyor olduğunu ve bu anda odanın duvarlarının birinden yatay yönde bir ışık ışınının girdiğini düşünelim. Işık karşı duvara ulaştığında, ivmeli roket yukarıya doğru bir miktar yol almış olacaktır. Bu nedenle ışık daha alt düzeyde bir noktaya çarpar. O halde cevap evet, ışık, kütleçekim etkisi altında yolundan sapar.

Işık o kadar hızlı yol alıyor ki, Dünya’nı n çekim etkisi altında yolundan sapması fark edilemeyecek kadar küçük. Sapma ancak Güneş gibi büyük kütleli gök cisimleri için ölçülebilir değerlere ulaşıyor. Güneş için bile, sapma açısı bir derecenin 2000’de biri kadar. Fakat yine de ölçülebilir.

Bir grup bilimadamı, Einstein’ın bu öngörüsünü sınamak ve diğer yıldızlardan gelen ışığın Güneş’in yakınından geçerken ne kadar saptığını ölçmek için 1919 yılındaki güneş tutulması nı bir fırsat olarak kullandılar. Yapılan ölçümler, kabaca da olsa, Einstein’ı n öngörüsünü destekliyordu. işte Einstein’ı bir anda dünya çapında popüler ününe kavuşturan şey bu sonucun açıklanması oldu. Bugün yapılan modern ölçümlerde sapmayı belirlemek için Güneş tutulmasını beklemeye gerek yok. Yüksek çözünürlüklü radyo antenleri, kuasarlardan gelen radyo dalgalarının görelilik kuramına uygun şekilde Güneş’in yakınından geçerken saptığını tespit edebiliyor. Işığın sapması “kütleçekimsel mercek” olgusunda da karşımıza çıkıyor.

Uzak gökcisimlerinden yayılan ışık büyük gökada gruplarının yakınından geçerken aynı türden sapmaya uğruyor. Bazı durumlardaysa gökada grupları tıpkı bir mercek gibi görev yapıp aynı kaynaktan ayrılan iki farklı ışık demetinin yolunun Dünya’da kesişmesine
neden oluyor. Böyle bir durumda da kaynağın görüntüsü gökyüzünde iki farklı noktada beliriyor. Bu tip örnekler, görelilik kuramını sınamakta kullanılamıyor; ama bu galaksi gruplarının toplam kütlelerinin belirlenmesine yardımcı oluyor. Örneğin, galaksilerin kütlesinin çoğunun karanlık madde tarafından oluşturulduğu bu yöntemle anlaşılıyor.

Kütleçekimsel Kızıla Kayma

Yatay yönde yol alan ışığın yerçekimi etkisiyle yolundan saptığını biliyoruz. Peki ya yere dik, düşey yönde yol alan ışığa ne olur? Normal bir cisim yukarı fırlatıldığında yavaşlar. Ama, yukarıda da belirttiğimiz gibi, ışığın yavaşlaması söz konusu değil. Fakat yine de ışığın yerçekiminin varlığından etkilenmesi gerekmez mi?

Nasıl etkilendiğini görmek için hemen ivmeli rokete geri dönelim. Roketin zemininden belli bir frekansta (yani belli bir renkte) ışık salındığını varsayalım. Yine roketin en başta duruyor olduğunu düşüneceğiz. Işık tavana ulaştığında roket yukarı doğru bir miktar hızlanmış olacaktır. Bu da Doppler etkisi dediğimiz bir etkinin işin içine girdiğini gösterir. Doppler etkisi, hareket halindeki cisimlerce üretilen veya algılanan dalgaların frekansının değişebileceğini söylüyor. Örneğin, otoyol kenarında durursanız size doğru gelen araçların seslerini (ses de bir dalga türüdür) daha tiz, sizden uzaklaşanlarınkini de daha kalın duyarsınız. Deneyimizde, ışık tavana ulaştığında rokete göre frekansının azalmış olması, yani renginin kızıla kaymış olması gerekir. Dolayısıyla yerçekimine ters olarak yukarı yönde ilerleyen ışığın rengi kızıla kaymalı. Bu etkiye “kütleçekimsel kızıla kayma” deniyor. Deneyi tersten yaparsak, yani ışığı yukarıdan aşağıya gönderirsek, bu defa ışığın frekansının artması yani renginin maviye kayması gerekir.

Işığın renginde meydana gelen bu değişiklik doğal olarak Dünya üzerinde oldukça düşük. Buna karşın, genel görelilik kuramının bu öngörüsü deneysel olarak sınanabilmiş. 1960 başlarında Harvard Üniversitesi’ndeki bazı fizikçiler, 20 metre yükseklik boyunca hareket eden ışığın oldukça küçük bir oranda (katrilyonda bir) kızıla kaymaya uğradığını ve bunun kuramla uyumlu olduğunu belirlediler.

Kızıla kayma olgusunu kuantum kuramıyla açıklamak da mümkün. Bu kurama göre ışık foton denilen çok küçük birimlerden oluşmuştur ve her bir fotonun, ışığın frekansıyla doğru orantılı belli bir enerjisi vardır. Yukarıya doğru yol alan fotonlar, normal cisimlerin aksine, yavaşlayamıyor (ışığın hızı sabit olduğu için), ama tıpkı onlar gibi enerjileri azalıyor. Bu nedenle de yukarıya doğru çıkan fotonların frekanslarının da azalması gerekir. Bu da rengin kızıla kayması demek. Bu yöntemle bulunan kızıla kayma miktarı, denklik ilkesiyle bulunanla aynı değeri veriyor.

Işığın Ağırlığı Var mı?

Kütlesi belli bir kutuya tek bir foton hapsedelim ve kutuyu bir tartı üzerine yerleştirelim. Tartı sadece kutunun ağırlığını mı ölçer, yoksa buna fotonun ağırlığı da eklenir mi? Buna cevap vermek için kutunun zemin ve tavanına aynalar yerleştirildiğini, ışığın bunlara çarparak sürekli bir biçimde aşağıdan yukarıya gidip, geri geldiğini varsayalım.



Işık bir aynaya çarpıp yansıdığında, aynaya bir itme verir. itme miktarı da ışığın frekansıyla doğru orantılıdır. Yani mavi ışık fotonları, kırmızı ışık fotonlarından daha fazla itme aktarır. Kutudaki ışık, zemindeki aynaya çarptığında kutu aşağıya doğru itilir. Buna karşın tavandaki aynaya çarptığında da kutu yukarı doğru itilir. Kızıla kayma nedeniyle, yukarıya doğru itme, aşağıya doğru olandan daha küçük. Her iki itme beraber düşünüldüğünde, aradaki fark kadar itmenin kutuyu aşağıya doğru bastırdığını buluruz. Bu da kutunun tartıya kendi ağırlığından biraz daha fazla baskı yapması demek. Dolayısıyla tartının ibresi biraz daha büyük bir ağırlık gösterecektir. Bu fazla ağırlık hesaplandığında bunun, fotonun enerjisinden E=mc2 bağlantısı uyarınca hesaplanan kütle eşdeğerinin ağırlığı kadar olduğu görülüyor.


 

Eski10-01-2007, 22:28   #3
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Kısacası, evet fotonun ağırlığı var. Kutudaki ışık en başta yatay yönde gönderilse bile yolundan saparak önünde sonunda kutunun tabanına çarpar ve fazladan ağırlık yine hissedilir. Tüm bu olanlar birleştirildiğinde şunu görüyoruz. Sadece enerji (ve itme) taşıdığını düşündüğümüz ışık da sanki bir kütlesi varmışçasına maddeye benzer bir davranış gösteriyor. Yerçekimi tarafından yolundan saptırılıyor ve tartı tarafından ağırlığı ölçülebiliyor. Buna ek olarak, etki-tepki ilkesi uyarınca, ışığın da Dünya’yı çektiğini söyleyebiliriz. Aynı sonuç, ışık dışındaki bütün diğer enerji formları için de geçerli. Hareket eden bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu kinetik enerji, ısıtılan suyun aldığı ısı enerjisi ve düşünebildiğiniz diğer tüm enerji türleri...

Özel göreliliğe göre bunların hepsinin bir eylemsizlik kütlesi var. Genel göreliliğe göreyse bu aynı zamanda çekim kütlesi görevi görüyor. Dolayısıyla hepsinin bir ağırlığı var ve gerçek kütleler gibi kütleçekim kuvveti uygulayabiliyor. Bu, Newton’un kütleçekim yasasına getirilen ilk düzeltme: Sadece kütle değil, enerji de çekme kuvveti uygular!

Zamanın Göreliliği:

Kütleçekimsel kızıla kayma, bir apartmanın üst katlarındaki saatlerin alt kattakilerine oranla daha hızlı işlediğini de söylüyor. Nasıl olduğunu anlatmak için biraz abartılı bir örnek vereceğiz. Müteahhitlerimizin çok büyük kütleli bir gökcisminde iki katlı bir ev yapmayı becerdiğini varsayalım. Buradaki çekim etkisi o kadar büyük olsun ki, alt katta üretilen ışık üst kata ulaştığında frekansı tam yarıya düşüyor olsun.

Alt katta da frekansı 2 Hertz olan ışık üretelim, yani, bir saniyede ışık dalgasının iki tepesi gönderilsin (bunun görülebilir ışık olmadığı açık, ama deney için bu o kadar önemli değil). Işık üst kata ulaştığında frekansı 1 Hertz olacak. Yani, altta saniyede iki tepe üretiyoruz ama üst katta saniyede bir tepe sayılıyor.

Bu nasıl olur? Nasıl olduğunu daha açık görmek için ışığın tam olarak bir dakika boyunca üretildiğini sonra da kaynağın kapatıldığını düşünelim. Bu durumda, alt kattan toplam 120 tepe üretilmiş demektir. Hiçbir tepe yolda kaybolamayacağı na göre, üst katta da ışığın tam 120 tepesi sayılacaktır. Bu durumda saniyede bir tepe hesabından üst katta geçen süre 2 dakika olmalı.



Dolayısıyla, alt katta 1 dakika geçtiğinde, üst katta tam 2 dakika süre geçiyor olmalı. Kısacası, üst kattaki saatler iki kat daha hızlı çalışıyor. Geçen ay belirttiğimiz gibi, burada saatlerin hangi türde oldukları (fiziksel, kimyasal, biyolojik) hiç önemli değil.

Bütün olası saat türleri geçen zamanı n aynı oranda farklı olduğunu gösterecektir. Örneğin, eğer ikiz kardeşler doğduklarında bu iki kata yerleşmişler ve buralardan hiç ayrılmamışlarsa, alttaki ikiz 30 yaşına ulaştığında üstteki kardeşi 60’ıncı yaşını kutluyor olacak. Üsttekinin çabuk yaşlandığı için üzülmenize gerek yok, çünkü zamanın hızlı aktığını fark etmemiş ve yaşadığı 60 yılın her saniyesini hak ettiği şekilde yaşamış olacaktır. Eğer işlerinizi yaparken yeterli zamanınızın olmamasından şikayet ediyorsanız, o zaman bir apartmanın en üst katına taşınmanın size diğerlerinden biraz daha zaman kazandıracağı açık gibi görünüyor. Ama çabuk heveslenmeyin, çünkü Dünya üzerinde bu şekilde kazanabileceğiniz zaman fark edemeyeceğiniz kadar küçük. Örneğin, 10 metre yüksekte yaşıyorsanız, yerdekilere göre 1 yılda kazanacağınız zaman saniyenin 30 milyonda biri kadar.

Yeni bir Kütleçekim Kuramı:

Yukarıdaki örnekler sadece denklik ilkesinden hareket ederek elde edebileceğimiz sonuçlardan bazıları. Bundan sonrası için görelilik kuramının bir hayli karmaşık matematiksel formüllerini kullanmak gerekiyor. Burada bu kuramı kabaca ifade etmekle yetineceğiz. Bu sonuçlardan birisi de kütleçekim etkisi altında zaman gibi uzayın da değişiklik geçirmesi. Örneğin, Dünya’nı n toplam yüzey alanının yarıçapından hesaplanana göre biraz daha küçük olması gerekiyor. Kütle uzayda düzgün dağılmadığı için uzayda ve zamanda meydana gelen bu tip değişiklikler de düzgün dağılmış değil. Burada hem uzayın, hem de zamanın karmaşık bir geometrisi olduğu ortaya çıkıyor.

Örneğin, iki nokta arasındaki en kısa yol, civarda bulunan kütlelerin varlığından dolayı bir doğru değil; aksine bir eğri. Uzay ve zaman birbirinden ayrılmaz bir bütün olduğundan, bu geometriyi tam olarak tanımlayabilmek için ikisine beraber bakmak ve bunların oluşturduğu dört boyutlu uzay-zamanı incelemek gerekiyor.

Denklik ilkesinin kütleçekim olgusu açısından öneminin vurgulandığı 1907 yılından itibaren Einstein ve diğer birçok bilim insanı uzay-zamanın geometrisini elde etmek için çalışmaya başladı. Birçok hatalı başlangıçtan sonra Einstein, 1915 yılında bu kuramın en son biçimini elde etmeyi başardı ve oldukça karmaşık olan kuramı 1916 yılında daha rahat anlaşılabilir terimlerle açıklayan bir makale yayımladı. Bu denklemler, kütle ile beraber enerjinin, bulunduğu bölgedeki uzayzamanı eğdiği, bu eğilmenin de o bölgeyle sınırlı kalmayıp zayıflayarak daha uzaklara yayıldığını gösteriyor.

Buna ek olarak, hareket eden herhangi bir cisim veya ışık uzay-zamanın eğrildiği yerlerden geçerken mümkün olan en kısa yolu izlemeye çalışıyor. Doğal olarak da izledikleri yol bir eğri. Bu da, bunların eğriliği yaratan gökcismi tarafından çekildiği izlenimini uyandırıyor. işte genel görelilik kütleçekim olgusunu bu şekilde açıklıyor. Dolayısıyla çekim alanında bulunan şeyin bir madde mi, ışık mı veya doğasını henüz bilmediğimiz başka bir enerji türü mü olduğunun hiçbir önemi yok. Hepsi uzay-zamanın eğriliğinden etkilenip yollarından sapacaktır.

Zamanı işin içine katmasa da, gergin bir çarşaf içine bırakılan bir cisim bu olaya çok iyi bir benzetme. Cisim çarşafı gererek aşağıya doğru çökmesine neden oluyor ve normalde düz olan çarşafa bir eğrilik veriyor. Eğer çarşafa iki cisim konursa, bu defa her ikisi de çarşafın şeklini değiştirir. Bu eğrilik ayrıca cisimlerin birbirlerine yaklaşmasına ve sonunda çarpışmasına neden olur. Dikkat edilirse burada cisimler birbirlerine doğrudan bir kuvvet uygulamıyor. Her ikisi aslında sadece çarşafla etkileşiyor ama sonuçta sanki birbirlerine çekici bir kuvvet uyguluyormuş gibi davranıyorlar.

Eğer biz çarşafın var olduğunu göremezsek, bu cisimler arasında bir kütleçekim kuvveti olduğunu sanabiliriz. Kütle ve enerji de aslında sadece uzay-zamanla etkileşiyor; iki kütle veya enerji arasındaki etkileşme de bu ortam sayesinde gerçekleşiyor. Bu da sanki kütleçekim kuvveti diye bir şey varmış gibi bir izlenim uyandırıyor. Genel görelilik, Newton’un kütleçekim kuramındaki iki kavramsal zorluğu ortadan kaldırıyor. Bunlardan birisi kuvvetin birbirlerine değmeyen çok uzaktaki cisimlere etkiyebiliyor olması (halbuki biz dokunmadan kuvvet uygulayamıyoruz). Newton’dan sonra bu uzun süre bir problem olarak görülmüş, ama kimse doyurucu bir açıklama getirememişti. Aynı sorun elektrik ve manyetik kuvvetler için de söz konusu. Ama bu James Clerk Maxwell’in geliştirdiği elektromanyetizma kuramı tarafından rahatlıkla açıklanabiliyor. Buna göre bir yük veya mıknatıs, çevresinde bir elektrik ve/veya manyetik alanlar yaratır.



Bu alanlar yayılarak uzak bölgelere erişir ve diğer yük ve mıknatıslarla etkileşir. Böylece, elektromanyetik alanlar aracılığıyla, birbirinden uzak yük ve mıknatıslar etkileşebilir. Kütleçekimde de artık benzer bir açıklamaya sahibiz. Madde ve enerji, uzay-zamanı eğer ve bu eğrilikten etkilenir. Dolayısıyla uzay zamanın geometrik yapısı, kütleçekim olarak algıladığımız kuvvete aracılık ediyor. Newton’un yasasında karşılaşılan bir diğer sorun da zaman faktörünü içermemesi.
 

Eski10-01-2007, 22:30   #4
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Buna göre birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, uygulanan kuvvet anında diğerine iletilir. Yani, eğer cisimlerden birinde meydana gelen bir değişim, kuvveti de etkiliyorsa, kuvvetteki değişim diğeri tarafından anında hissedilecektir. Bir etkinin sonsuz hızla iletilmesi anlamına geldiği için böyle bir şey özel göreliliğe göre olanaksı z. Genel görelilik kuramı bu sorunu da çözüyor. Örnek olarak, imkansız bir olayı, Güneş’in bir anda ortadan kaybolduğunu varsayalım.



Güneş’in daha önce eğmiş olduğu uzay-zaman şimdi düzleşmeye başlayacak, ama bu düzleşme sonsuz hızla yayılmayacaktır. Kuram bu yayılmanın ışık hızında gerçekleştiğini söylüyor. Dolayısıyla Dünya, Güneş’in kayboluşundan sonraki ilk 8,3 dakika içinde normal yörüngesinde dolanmaya devam edecek ve sanki Güneş hala oradaymış gibi davranacaktır. Ancak 8,3 dakika dolduktan sonra Dünya kayboluştan etkilenecek ve bundan sonra uzayda sabit hızla hareket etmeye başlayacaktır.



Buna ek olarak Newton’un yasası, kuvvetin uzaklığın karesinin tersiyle doğru orantılı olduğunu söylüyor. Genel görelilikten çıkan bir diğer sonuç da bunun sadece yaklaşık olarak doğru olduğu. Özellikle kütleler büyükse ve birbirlerine yakınsa, ters kareden sapmalar önem kazanmaya başlıyor.

Bunun etkilerini Güneş’e en yakın gezegen olan Merkür’de görmek mümkün. Eğer ters kare yasası kesin olarak doğru olsaydı, gezegenlerin elips şeklinde bir yörünge izlemeleri gerekirdi. Bu da gezegenin bir tur sonra tekrar aynı noktaya geri gelmesi demek. Buna karşın, eğer ters kareden sapmalar varsa bu defa gezegen bir turunu tamamladıktan sonra biraz daha ötedeki bir başka yere geliyor.

Bu da, eğer sapma küçükse eliptik yörüngenin zamanla döndüğü izlenimini veriyor. Merkür’ün yörüngesinin bu şekilde döndüğü, görelilik kuramı geliştirilmeden çok daha önce fark edilmiş ve bunun için değişik açıklamalar aranmıştı. Einstein sorunun ters kare yasasındaki düzeltmeden kaynaklandığını gösterdi.

Kütleçekim Dalgaları

Genel görelilik kuramının öngörülerinden biri de kütleçekim dalgalarının varlığı. Uzayda sabit duran tek bir gök cismi uzay-zamanı belli bir şekilde eğer. Ama eğer birden fazla gökcismi var ve bunlar ivmeli hareket yapıyorsa, bu defa uzayzamanın eğriliğinin zamanla değişmesi ve bu değişimlerin de dalgalar şeklinde uzaklara yayılması gerekir. 1974-83 yılları arasında birbiri etrafında dönen bir atarca ile normal bir yıldızı inceleyen Russell Hulse ve Joseph Taylor, çiftin dönme periyodunun zamanla uzadığını fark ettiler. Daha sonra bunun nedeninin çiftin yoğun olarak kütleçekim dalgaları yayınlaması ve böylece enerji kaybetmesi olduğunu gösterdiler. Bu da çiftin hareketinin yavaşlamasına neden oluyordu. Görelilik kuramının diğerlerinden çok farklı bu öngörüsünü dolaylı bir yoldan da olsa destekleyen çalışmalarından dolayı Hulse ve Taylor’a 1993 yılında Nobel ödülü verildi. Bugün bir çok araştırmacı, bu dalgaları doğrudan gözlemlemek için çalışmalar yapıyor ama henüz herhangi bir somut sonuç yok.

Genel göreliliğin öngörüleri şüphesiz sadece bunlarla sınırlı değil. Çekimlerinden ne ışığın, ne de bilginin kaçamadığı kara delikleri çoğunuz biliyorsunuz. Buna, kütle çekimin manyetizmaya benzeyen türdeki kuvvetleri de eklenebilir. Örneğin, kendi etraflarında dönen iki cismin diğerinin eksenini döndürmeye çalışması gibi. Ama genel göreliliğin en önemli yönü kozmoloji (evrenbilim) için bir temel oluşturması. Bir bütün olarak evren hakkında sorular sorduğumuzda (neler içerir, nasıl doğdu, gelecekte ne olacak), genel görelilik tüm cevabı içermese de, verilen cevabın önemli bir kısmını oluşturuyor.

ikizler Paradoksu

Hem özel hem de genel görelilik kuramında zamanın göreli olduğunu, yani değişik yerlerdeki saatlerin farklı hızlarla çalıştığını biliyoruz. Genel görelilikte karşılaştığımız, üst kattaki saatlerin daha hızlı çalışıyor olması herhangi bir çelişkili duruma yol açmıyor, çünkü bütün gözlemciler hangisinin daha hızlı olduğu konusunda görüş birliği içinde. Aynı şey, özel görelilikte karşılaştığımız hareketli araçlardaki saatler için söz konusu değil.

Örnek olarak ikiz kardeşlerden birinin bir rokete binip sabit bir hızla Dünya’dan uzaklaştığını, diğer kardeşinse Dünya’da kaldığını varsayalım. Özel göreliliğe göre hareket eden araçlardaki saatler daha yavaş işliyordu.



Bu nedenle Dünya’dakine göre roketteki kardeşi daha genç olmalı. Buna karşın hareket göreli bir olgu. Roketteki ikiz, kendisinin yerinde durduğunu, buna karşın Dünya’nı n hızla uzaklaştığını görecektir. Yani asıl hareket eden Dünya’dır. Bu nedenle kendisi, Dünya’daki kardeşinden daha hızlı yaşlanacaktır.

Her iki kardeş kendisinin yaşlı ve diğerinin daha genç olduğunu iddia ettiği için burada gerçekten bir çelişki varmış gibi görünüyor. Ama gerçek bir çelişki üretmek için birbirinden oldukça uzakta olan bu iki kardeşi tekrar bir araya getirmek gerekiyor.

Dolayısıyla, roketteki ikizin belli bir aşamada yavaşlayıp durduğunu, sonra Dünya’ya doğru tekrar hızlandığını ve en sonunda da Dünya’ya inip kardeşiyle karşılaştığını düşüneceğiz. Bu karşılaşma anında da hangisinin haklı olduğu anlaşılabilir.

Paradoksun Çözümü Dünya’daki ikiz haklı: Buluştuklarında Dünya’da kalan daha yaşlı, roketteki ikizse daha genç olacaktır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta Dünya’daki ikizin sürekli yerinde durarak hareket durumunu değiştirmemesi. Bu nedenle ikiz kardeşi hakkında yaptığı gözlemler için bir hata bulmak olanaksız. Buna karşın roketteki ikiz için aynı şeyi söyleyemeyiz. Gerçi yolculuğunun ilk ve son yarısında ikiz sabit hızla yol aldığından kendisinin durduğunu düşünebilir, ama yolculuğunun tam ortasında geri dönerken ivmeli bir hareket yapıyor. Dolayısıyla roketinin ivmeli hareketi süresince neler olabileceğini de hesaba katmalı ve ona göre bir sonuca ulaşmalı. Bu da ancak genel göreliliğin kullanılmasıyla mümkün. Roketin bu ivmeli hareketi boyunca, ikizin sanki yerçekimi altındaymış gibi hissedeceğini biliyoruz. Üstelik roket Dünya’ya doğru ivmelendi- ği için, ikizin hissettiği yerçekimi ivmesi buna ters yönde.

Dolayısıyla ikiz, Dünya’daki kardeşinin çok yukarılarda bir yerde olduğunu görecek. Genel görelilik kuramına göre bu durumda Dünya’daki kardeşin daha hızlı yaşlanması gerekir. Özetle, roketteki ikize göre durum şöyle: Yolculuğun sabit hızlı ilk yarısında kendisi daha hızlı yaşlanıyor; ivmeli hareket süresince de kardeşi. Sabit hızlı dönüş yolculuğunda yine kendisi daha hızlı yaşlanıyor.

Yolculuk bitip, iki kardeş buluştuklarında hangisinin daha yaşlı olduğunu anlamak için bu etkilerin hesaplanıp toplanması gerekiyor. Genel görelilik kuramı kullanıldığında, ivmeli hareket boyunca oluşan etkinin daha ağır bastığı ve gerçekten de Dünya’daki kardeşin daha yaşlı olduğu bulunuyor. Yani, ortada bir çelişki yok. Her iki kardeş de kimin daha yaşlı olduğu konusunda görüş birliği içinde.



daha sonra devam edecek....
 

Eski10-01-2007, 23:11   #5
absolute
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - absolute

Sabitler arasına alınacak gerekli konulardan biri.Teşekkürler Sitare.Devamını bekliyorum
Saygılar
 

Eski11-01-2007, 00:21   #6
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Özel Görelilik

Albert Einstein için 1905 çok verimli bir yıldı. Bu yıl yayımladığı çok sayıda bilimsel makalesinin içinde özellikle üç tanesi birçok biliminsanı tarafından devrimsel olarak nitelendiriliyor. Bir yıl içinde üç farklı devrim gerçekleştirmek herkesin harcı değil. Bu anlamda Einstein ancak Newton’la karşılaştırılabilir: Newton, 1665-6 yıllarındaki birkaç ay içinde ışığın farklı renklerde bileşenleri olduğunu bulmuş, temel matematik yöntemlerini geliştirmiş ve evrensel kütleçekim yasası nı bulmuştu. Bu nedenle, Birleşmiş Milletler dahil birçok uluslararası fizik derneği, Einstein’ın eşine az rastlanır mucize yılının (Latince annus mirabilis) yüzüncü yılı anısına 2005’in “Dünya Fizik Yılı” olarak kutlanmasına karar verdi.

Einstein’ın bu yıl yayımladığı devrimsel nitelikteki makalelerinden biri “Brown hareketi” olarak adlandırılan, küçük mikroskobik cisimlerin hiç bitmeyen hareketini konu alıyor. Bu makalede atomların varlığının bu tip hareketlere neden olduğu kanıtlanarak, hem atom kuramı için sağlam bir kanı t öneriliyor, hem de fiziksel sistemlerde meydana gelen küçük rasgele oynamaların bu sistemlerin incelenmesinde kullanılabileceği gösteriliyordu. ikinci makalesindeyse, ışığın sürekli bir yapısının olmayıp, bölünemez tanecikler halinde olduğunu öne sürerek, beş yıl önce Max Planck’ın çekinerek öne sürdüğü hipotezi cesurca savunuyor ve kuantum fiziğinin temellerini sağlamlaştırıyordu.

Bu makalede analiz edilen bir olay, “fotoelektrik etki” denilen, ışık kullanılarak bir cisimden elektronların koparılması olayı oldukça önemli. Çünkü Einstein’a 1921 yılında Nobel ödülü verildiğinde bunun “kuramsal fiziğe katkılarından, özellikle fotoelektrik olayını açıklamasından dolayı” olduğu belirtiliyor. Ama biz bugün burada üçüncü makalesinde yer alan “görelilik kuramı”yla ilgileneceğiz.



Görelilik Makalesi

Albert Einstein’ın 1905 yılında yayımladığı devrimsel nitelikte üç makalesinden sonuncusu, Einstein’ın adıyla özdeşleşmiş olan görelilik kuramına aittir. Bu makaleyi yazmasının asıl amacı, o sıralar büyük bir problem haline gelen ışık hızının sabitliği sorununu çözmektir. Ama sonuçta, yer ve zaman kavramlarımızı baştan aşağı değiştiren ve doğanın işleyişine dair önemli ipuçları veren bir kuram çıkmıştır ortaya. Birkaç yıl sonra Einstein, geliştirdi- ği bu kuramın çok daha genel bir başka kuramın özel bir hali olduğunu fark eder. Bu nedenle 1905’te geliştirdiği kurama “özel görelilik” adı verilir. Ancak 1916 yılında tamamlayacağı diğer kuram da “genel görelilik” adıyla anılacaktı r. Deneylerle desteklenen her iki kuram bugün, evrenbilim ve parçacık fiziği çalışmalarında vazgeçilmez araçlar olarak kullanılıyor. Her ne kadar bu kuramlar biliminsanları için vazgeçilmez bir öneme sahip olsa da, her gün tanık olduğumuz, yakın çevremizde cereyan eden olaylarda etkileri küçük olduğu için bunların günlük hayatımıza uygulanması pek bulunmamakta. Buna karşın söz konusu kuramları n getirdiği yeni kavramlar doğayı algılayış biçimimizi tamamen değiştirecek nitelikte. Bu yazıda sadece özel görelilik kuramından ve bunun ortaya çıkardığı yeni kavramlardan bahsedeceğiz.

Işık Hızının Sabitliği Sorunu:

işe önce, Einstein’ın çözmeye çalıştığı sorunu anlatmakla başlayalım. 20. yüzyılın başına kadar yapılan birçok deney, ışığın boşluktaki hızının değerinin bir sabit olduğunu gösteriyordu. Simgesi c olan bu hız kabaca saniyede 300,000 km kadar. Birçok biliminsanı için bu değerin her yön için aynı olması beklenmedik bir sonuçtu. Bunun nedeni, üzerinde yaşadığımız Dünya’nın hem kendi çevresinde, hem de Güneş çevresinde dönmesi, dolayısıyla sürekli hareket halinde olması. Bu nedenle ışığın bazı yönlerde farklı hızla yayılması bekleniyordu.



Örneğin, eğer saatte 100 km hızla giden bir otomobili, saatte 90 km hızla takip edersek, otomobilin bize göre daha yavaş, saatte 10 km hızla gittiğini görürüz. Ne yazık ki aynı işlem ışık için uygulanamıyordu. Gerçi Dünya’nın hızı (Güneş çevresinde saniyede 30 km kadar) ışığın hızına göre oldukça düşük kalıyor ama; Dünya ne kadar yavaş olursa olsun, aynı yönde ilerleyen ışığın biraz daha yavaş yayıldığını görmemiz gerekirdi. Bu deneylerden en ünlüsü Michelson-Morley deneyi. Bu denli küçük hız değişimlerini ölçebilecek hassaslıkta olmasına karşın, bu deneyde en küçük bir fark bile ölçülememişti. Bir anlamda, bütün deneyler Dünya’nın hareket etmediğini, yerinde durduğunu söylüyordu (Dünya ve Güneş sistemi konusunda edindiğimiz sağlam bilgilerin tam tersini).

Görelilik ilkesi:

Bu son yorum, yani aslında hareket etmesine karşın Dünya’nın duruyormuş gibi görünmesi, biliminsanlarına pek yabancı değil. Birkaç yüzyıl önce Galileo’nun öne sürdüğü görelilik ilkesi, Dünya’nın hareketinin bizim yaşamımız üzerine neden etkisi olmadığını açıklıyor. Ama ilke bundan çok daha genel. Sabit hızla hareket eden bir araçta bulunduğunuzu ve araç içinde birtakım karmaşık hareket deneyleri yaptığınızı düşünün. Doğal olarak araç içindeki cisimlerin yerlerini ve hızlarını belirlemek için aracı referans alırsınız. Yani araçta sabit bir nokta seçerek cisimlerin buradan uzaklığını bulur, uzaklıkların birim zamanda ne kadar değiştiğine bakarak da hızlarını belirlersiniz. Araç referans alınarak elde edilen bu değerlerin “araca göre” olduğunu söylüyoruz. Görelilik ilkesi, araca göre belirlenen bütün değerlerin evrensel hareket yasalarını sağladığını söylüyor. Bir başka deyişle aracın hızı hiçbir şekilde işin içine girmiyor. Araç hangi hızla gidiyor olursa olsun, yasalar aynı biçimde uygulanabiliyor.



Örnek olarak, Galileo’nun yaptığı söylenen bir deneyi, Piza kulesinden bir taşın serbest bırakılması deneyini düşünelim. Birçok kişi bu deneyi analiz ederken, Dünya’nın hareket ettiğini göz önüne almaz. Dolayısıyla taş, bırakı ldığı noktanın tam altına düşecektir. Eğer deney, Dünya’nın hareketi hesaba katılarak analiz edilirse bu defa karşımıza bambaşka bir görüntü çıkar. Piza kulesi ve yer büyük bir hızla hareket etmektedir.

Eğer sadece Dünya’nı n Güneş çevresindeki hızını dikkate alırsak bu hız, saniyede 30 km kadar ve ses hızından 100 kat daha büyük, bugünkü standartlarımızın bile çok üstünde. Bununla beraber, kuledeki Galileo ve henüz elinde tuttuğu taş da aynı hızla aynı yönde hareket etmektedir. Galileo elini açıp taşı serbest bıraktığı anda taşın hızı değişmeyeceği için bu, taşın kulenin gittiği yöne doğ- ru saniyede 30 km hızla fırladığı anlamı na geliyor. Doğal olarak taş, ilk bırakıldığı yerden çok daha uzakta bir yere düşecektir. Buna karşın, aynı süre içinde kule de bir miktar hareket etmiştir.

Eğer taşın hareketini inceler ve kuleye göre nereye düşeceğini saptarsak, ilginç bir şekilde yukarıdakiyle aynı sonucu buluruz: Kuleye göre bırakıldığı noktanın tam altı. Bu örnekte, aynı olayı iki farklı bakış açısıyla incelesek bile aynı sonucu elde ediyoruz. Birincisinde taşın hareketi yer referans alınarak inceleniyor. ikincisinde de Güneş referans alınarak. Her iki bakış açısında taşın hareketi çok farklı görünüyor. Birinde taş doğrudan aşağıya düşüyor, diğerinde de çok hızlı bir şekilde fırlatılıyor. Seçtiğiniz referans noktasına göre değişen hız, konum gibi büyüklüklere “göreli büyüklük” diyoruz. Bu kadar büyük farka rağmen, her iki bakış açısının taşın nereye düştüğü konusunda aynı sonucu vermesi bize, bu iki farklı bakış açısının eşit şekilde geçerli olduğunu söylüyor. Fiziksel olarak birini diğerine tercih etmemiz için hiçbir neden yok.

Galileo ve Einstein bu ilkeyi daha farklı ve ilginç bir şekilde ifade ediyorlar: “Sabit hızla hareket eden bir araçtaki gözlemci, pencereden dışarıya bakmadan, yalnızca aracın içindeki olayları inceleyerek aracın hızını belirleyemez.” Eğer bu gözlemci, olayları aracın hızını kullanmadan ifade ediyorsa, o halde bu olayların üreteceği bütün olası sonuçlar bu hızdan bağımsız olacaktır.

Biz de Dünya’nın bir hızı olduğunu ancak Dünya’dan dışarıya baktığımızda anlayabiliyoruz. Güneş’i gördüğümüz için Dünya’nın Güneş’e göre saniyede 30 km hızla gittiğini söyleyebiliyoruz. Benzer şekilde Samanyolu’na baktığımız zaman da Güneş’in Dünya ve diğer gezegenlerle beraber bu gökadanı n merkezi çevresinde kabaca saniyede 250 km hızla yol aldığını söyleyebiliyoruz. Ama bu kadar uzağa bakmaz, sadece Dünya üzerindeki olaylarla ilgilenirsek o zaman bu hızların ne olduğunun veya ne kadar büyük olduğunun hiçbir önemi yok! Bu açıdan bakıldığında, yapılan bütün deneylerde ışığın, ilerlediği yönden bağımsız olarak aynı c hızıyla yayılıyor olması görelilik ilkesiyle oldukça uyumlu.

Çünkü bu deneylerde Dünya’dan dışarıya bakma diye bir şey yok; her şey Dünya üzerinde ve Dünya’ya göre ölçülüyor. Fakat ortada hala bir sorun var: Örnek olarak bir aracın yere göre 0,9c hızıyla (yani ışık hızının %90’ı) hareket ettiğini düşünelim. Bu aracın hareket doğrultusuyla aynı yönde, yine yere göre c hızıyla ilerleyen bir ışık ışını gönderelim. Bu durumda ışığın araca göre 0,1c hızıyla ilerlemesi beklenir. Buna karşın, yapılan bütün deneyler beklentimizin yanlış olduğunu, ışığın hızının yere göre de, araca göre de aynı c değerine sahip olduğunu söylüyor. Bu oldukça garip bir şey: Işığın peşinden ne kadar hızlı giderseniz gidin, o hala sizden aynı hızla uzaklaşıyor.

 

Eski11-01-2007, 00:28   #7
DarisTaN
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - DarisTaN

Bilgiler ve uğraşın için teşekkürler
 

Eski11-01-2007, 00:30   #8
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Einstein’ın Makalesi



Bu problemin Einstein’ı uzun süre meşgul ettiğini ve isviçre Patent Ofisinde çalıştığı sıralarda yakın arkadaşı Michele Besso ile tartıştığını biliyoruz. Çözümü 1905 yılı ilkbaharında buldu. Eğer aracın içindeki saatler daha yavaş işliyorsa, o zaman ışığın araca göre hızının hala c değerine eşit olması mümkündü. Fakat, görelilik ilkesini ihlal etmemek için, araçtaki gözlemcinin saatlerin gerçekten yavaş işlediğini fark etmemesi gerekir. Bu da ancak çalışma ilkesi ne olursa olsun bütün saatlerin aynı oranda yavaşlamasıyla mümkün olabilir. Örneğin, mekanik veya atomik bütün fiziksel saatlerle beraber, bütün kimyasal saatler (eğer bir mum bir saatte yanıp bitiyorsa, araç içinde de oradaki saatlere göre bir saatte yanıp bitmeli) ve bütün biyolojik saatler aynı oranda yavaşlamalı (hücre bölünmesi için veya gözlemcinin sıkıntıdan patlaması için bir saat gerekiyorsa, araç içinde de bunlar oradaki saatlere göre bir saatte olmalı). Kısacası bütün fiziksel olaylar aynı oranda yavaşlamalı. Ancak bu koşul altında araçtaki gözlemci, saatlerinin yavaşladığını fark edemez ve dolayısıyla aracın hızıyla ilişkilendiremez; yani görelilik ilkesi güvendedir.

Doğal olarak, bu tip devrimsel iddiaları ortaya atmadan önce bunları sağlam temellere oturtmaya ihtiyaç var. Einstein, bulduğu sonuçları yayımladığı makalede, bütün iddiaların sadece iki temel varsayımdan hareket edilerek elde edilebileceğini gösteriyor. Bunlar: (1) Görelilik ilkesi sabit hızla hareket eden bütün gözlemciler için geçerlidir ve (2) ışığın hızı bütün gözlemcilere göre c’dir. Tüm kuramın böylesine basit iki iddiaya dayandırılması kuramın artılarından biri. Bu nedenle eğer bu iddialara itirazınız yoksa, o zaman özel görelilik kuramına da olamaz.

Einstein, birbirlerine göre sabit hızla hareket eden iki gözlemci düşünüyor. Bu gözlemcilerden birisi, belli bir olayın nerede ve ne zaman olduğunu saptamış olsun. Bu durumda bir matematiksel dönüşümle aynı olayın diğer gözlemciye göre yer ve zamanı bunlar cinsinden elde ediliyor. Bu dönüşümün en önemli özelliği zamanın göreli olması. Örneğin iki olay arasında geçen zamanı her iki gözlemci daha farklı buluyor. Bu, Newton’un öne sürdüğü “mutlak zaman” kavramının yıkılması demek. Yani her yerde aynı işleyen, herkes için aynı bir zamandan söz edemiyoruz. Zamandan bahsederken, bunun hangi gözlemcinin saatine göre olduğunu söylemek zorundayız. Mutlak zaman diye bir şeyin olmaması dışında görelilik kuramı, zamanı n olayların gerçekleştiği yerlere de bağlı olduğunu söylüyor. Örneğin, masanızda duran bir mumu belli bir anda yaktınız (A olayı).

Bundan tam bir saniye sonra mumun söndüğünü varsayalım (B olayı). Mumun söndü- ğü anda masadan 10 metre ötede bir saksı kırılsın (C olayı). Size göre A ve B olayları arasındaki süre ile A ve C arasında geçen süre aynıdır (1 saniye). Fakat size göre hareket eden bir başka gözlemci A-B süresi ile A-C süresinin farklı olduğunu görecektir. Kısacası zaman, göreli olmasının dışında, ayrılmaz biçimde olayların konumlarına bağlı. Birçok kişinin uzay ve zamandan beraber bahsetmesinin temel nedeni bu. Ne yazık ki bu ayrıca, görelilik dönüşümü formüllerini kullanmayı bilmeyen birinin bu kuramı anlamakta zorluklarla karşılaşacağı anlamına da geliyor.

Görelilik Kuramının Garip Sonuçları



şimdi kısaca görelilik kuramının bize oldukça garip gelen birkaç öngörüsünden bahsedelim. Bunlardan birincisi yukarıda da bahsettiğimiz “zamanın genleşmesi”. Bize göre sabit hızla ilerleyen bir aracın içindeki bütün saatler bizimkilerden daha yavaş işler. Bu ancak aracın hızı ışık hızına çok yakınsa belirgin hale gelen bir etki. Örneğin, ses hızının iki kat üstünde uçan bir jet uçağındaki saatler, uçak böylece bir yıl uçtuktan sonra bile ancak saniyenin on binde biri kadar geri kalıyor. Fakat eğer bu uçak 0,9c hızına erişebilseydi, o zaman uçaktaki saatler yaklaşık iki kat daha yavaş çalışacaktı. Zaman genleşmesinin parçacık fiziğinde önemli bir uygulama alanı var. Nötron veya muon gibi karasız parçacıklar bir süre sonra kendiliğinden bozunarak başka parçacıklara dönüşürler. Bir bakıma parçacığın içinde bulunan bir doğal “saat”, parçacığın ortalama ne kadar süre içinde bölünmesi gerektiğini belirler.

Eğer parçacık bir şekilde hızlandırılır ve hızı ışık hızına çok yaklaştırılırsa bu “iç saatin” bizim saatimize göre daha yavaş çalışmasından dolayı parçacıkların çok daha geç bozundukları görülür. Zaman genleşmesine benzeyen bir başka etki de, hareket eden cisimlerin hareket doğrultusundaki boylarının kısalması. Böyle bir etkinin varlığı, aslında Einstein’dan birkaç yıl önce, Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz ve ondan bağımsız çalışan irlandalı fizikçi George Fitzgerald tarafından ortaya atılmıştı. Bu nedenle bu etkiye “Lorentz-Fitzgerald büzülmesi” adı veriliyor. Hareket eden bir aracı n boyunun kısalması da tıpkı zaman genleşmesi gibi göreli bir etki. Hareketli araçtaki gözlemciler böyle bir kısalmayı fark edemiyorlar çünkü o yöndeki her şey, metre çubukları dahil, kısalmış durumda. Lorentz-Fitzgerald büzülmesinde dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta bu etkinin görüntüde değil gerçekten olması.

Dolayısıyla bir göz yanılmasından bahsetmiyoruz burada. Işık sonlu bir hızla yayıldığı için, hareket eden bir cisme baktığımızda veya fotoğrafını çektiğimizde, cismin boyunu gerçekte olduğundan çok farklı görürüz. Göz yanılgıları, cismin bize yaklaşıyor veya bizden uzaklaşıyor olmasına bağlı olarak değişir. Örneğin, bizden uzaklaşan bir cismin fotoğrafı çekildiğinde büzülmüş boyundan bile daha kısa olduğu görülür. Buna karşın bize yaklaşan bir cismin fotoğrafı çekildiğindeyse, normal boyundan bile daha uzun olduğu görülür. Gözlemcinin bu tip göz yanılmalarının farkında olduğunu, ışığın kendisine ulaşma süresini hesaba katıp cisimlerin gerçek boyunu hesaplayabildiğini düşünüyoruz. işte cismin bu gerçek boyu, durağan halinde sahip olduğu normal boyundan daha kısadır.
 

Eski11-01-2007, 00:33   #9
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

E=mc2



Einstein en ünlü denklemini o yılın eylül ayında yayımladığı bir başka makalede ortaya atıyor. Burada, bir cismin ışık yayınlayarak enerji kaybettiği bir düşünce deneyi üzerinde yoğunlaşıyor. Daha sonra da, görelilik kuramının tutarlı olması için cismin kütlesinin bir miktar azalması gerektiğini gösteriyor. Kütle ve enerjinin eşdeğerliliği ilkesi bu şekilde doğuyor.

Etki, görelilik kuramının öngördüğü diğer etkiler gibi gündelik hayatımızda karşılaştığımız şeylere göre oldukça küçük. Örneğin, bir ton suyu sıfır dereceden kaynama noktasına kadar ısıttığımızı düşünelim. Isıtma sırasında suya büyük miktarda enerji aktarırız.

Dolayısıyla verdiğimiz enerjinin kütle karşılığı suyun kütlesine eklenir. Böyle bir durumda suyun kütlesinin bir tondan gramın milyonda 4’ü kadar daha fazla olduğunu bulursunuz. Bu kadar küçük bir farkı doğal olarak hissetmemiz olanaksız. Denklemin en önemli uygulama alanı şüphesiz, çekirdek ve parçacık fiziği. Çekirdek dönüşümlerinde ortaya yüksek enerjili fotonlar çıkarak çekirdekten ayrılır. Bu da geride kalan çekirdeğin kütlesinin ayrılan enerjinin eşdeğeri kadar küçülmesi demek. Aradaki kütle farkı, toplam kütleye oranla pek küçük olmadığı için, bu tip dönüşümlerde ortaya çıkan enerji olağanüstü derecede büyüktür.

Işık hızının Aşılamazlığı

Görelilik kuramının en önemli sonuçlarından birisi de ışığın boşluktaki hızının hiçbir şekilde aşılamayacağını söylemesi. Bu nedenle, en yakın yıldızları bir gün ziyaret etme planlarımız büyük engellerle karşılaşıyor. Çünkü bu yıldızlardan bize en yakını 4 ışık yılı uzaklıkta, yani ışığın 4 yılda alabileceği mesafe kadar. Dolayısıyla, bunlara ulaşmak için bugün yola çıksak, 4 yıldan önce amacımıza ulaşamayacağımız kesin. En az bir 4 yıl daha dönüş yolculuğunu eklerseniz, kaşiflerin neler bulduğunu öğrenmemiz için en az 8 yıl geçmesi gerekir.

Bu en iyimser tahmin, çünkü bir uzay gemisini ışık hızına yakı n hızlara ulaştırmak bile çok zor, bugünkü teknolojinin ötesinde bir şey. insanoğlu kendisinin sınırlanmasından pek hoşlanmadığı için, birçok kişi aslında böyle bir sınırın olmadığını, dolayısıyla bir gün aşılabileceğini düşünüyor. Üstelik, bugüne kadar bir şeylerin ışıktan daha hızlı gittiği birçok fiziksel olay öne sürülmüş ve bunların çoğu deneysel olarak da saptanmış. Ama hepsinde de, detaylı bir analiz sonunda görelilik kuramına aykırı herhangi bir şey bulunamamış.

Burada amacımız bu deneyleri inceleyerek, hangi anlamda kurama aykırı olmadığını anlatmak değil. Amacımız sadece, kuramın bu ünlü sonucunun nasıl elde edildiğini açıklamak. Mantık yürütmelerden bir tanesi şöyle: Duran bir cismi iterek hızlandırmak ve böylece ışık hızını geçmek istediğimizi düşünelim. Cismi iterken ona bir miktar enerji aktarırız. Sadece hareketinden dolayı cismin sahip olduğu bu enerjiye biz “kinetik enerji” diyoruz. Einstein’ın ünlü enerjinin kütleye özdeşliği bağlantısı (E=mc2) uyarınca bu kinetik enerji aynı zamanda kütle işlevi görecektir. Yani cismi iterek, toplam kütlesinin artmasına neden oluyoruz. Bu gerçek bir etki. Eğer tartabilseydik, cismin daha ağır olduğunu görebilirdik.

Fakat, kütle artması etkisini cismi iten kişi hisseder. Daha kütleli olduğu için, cisim artık daha zor hızlanacaktı r. Böylece hızını aynı miktar artırmak için cisme daha fazla enerji aktarmamı z gerekir. Bu da kütlesinin daha da fazla artmasına neden olacaktır. Bu şekilde devam ettiğimizde, cisim ışık hızına yakın hızlara yaklaştığında kütlesi inanılmaz boyutlara ulaşır. Özellikle cisim, tam olarak ışık hızına erişirse sonsuz kütlesi yani sonsuz enerjisi olması gerekir. Görebildiğimiz evrende bile ancak sonlu miktarda enerji olduğu için, cisme bu enerjiyi verebilmek dolayısıyla ışık hızına erişmek imkansızdır. Dolayısıyla bütün cisimler ışıktan yavaş hareket etmeli. Cisimlerin ışık hızında veya daha hızlı gitme olasılıkları yok.

Bu mantık yürütme Einstein’ın 1905 makalesinde de yer alıyor. Ama ne yazık ki bu, olası bütün senaryoları saf dışı bırakmıyor. Örneğin yukarıda cismin aşamalı olarak hızlandırıldığını varsaydık. Böylece ışık hızının üstüne çıkabilmek için öncelikle ışık hızına erişmek gerekiyor. Ama belki ileride geliştirilecek bir yöntemle bir cisme, ara hızlar vermeden, doğrudan ışık üstü hızlar vermek mümkün olabilir. Veya, değişik fizik kuramlarında sıklıkla karşılaşılan (ama henüz deneysel olarak gözlemlenmemiş) takyonlar gibi, bazı parçacıklar sadece ışık hızı üstü hızlarla yol alıyor olabilirler. Bu tip diğer olası senaryoları da saf dışı bırakmak için Einstein başka bir mantık yürütme kullanıyor: Nedensellik ilkesi.

Nedensellik ilkesi

Biri diğerinin olmasına yol açan iki olay düşünelim. Bunlardan “neden” olarak adlandırdığımız bir tanesinin oluşması, kaçınılmaz olarak “sonuç” olarak adlandırdığımız diğerinin de gerçekleşmesine yol açıyor. Eğer neden gerçekleşmezse, sonuç da gerçekleşmiyor. Bu tip olayların birbirine “neden-sonuç ilişkisiyle bağlı” olduğunu söylüyoruz. Nedensellik ilkesinin söylediği oldukça basit: Zaman açısından neden, sonuçtan önce meydana gelir. (Bu ilkenin, felsefede kullanılan nedensellik ilkesinden daha farklı bir anlamı olduğunu belirtelim. Aynı ad, farklı ilkeler.) Nedensellik ilkesi, aslında kültürümüzün bir parçası. Suç ve ceza, çalışma ve başarı, etki ve tepki gibi, insanın çevresiyle etkileşmesinde önemli yeri olan kavramlarda bu kuralı tartışmasız kabul ediyoruz. Birisinin daha sonra işleyeceği bir suç yüzünden hapse atıldığı nı duymayız. Veya daha sonra başaracağı bir şey için ödüllendirildiğini. Gol olduktan sonra şut çeken futbolcu da görülmemiştir, dersi geçtikten sonra çalışan öğrenci de!..

Nedensellik ilkesi, geçmiş ve geleceğe bakışımızdaki farklılıkla yakından ilgili. Geçmişi iyi biliriz ama geleceği asla. Gelecek için planlar yaparız fakat geçmişi değiştiremeyiz. Bu nedenle bugün yapacağımız bir şeyin, sadece gelecekte bir şeyleri değiştireceği, geçmişi kesinlikle değiştiremeyeceği düşüncesi hepimizde doğal olarak var. Nedensellik ilkesine aykırı bir neden- sonuç ilişkisi çok sayıda çelişkili duruma yol açabiliyor. Örneğin, bugün gerçekleştirilen bir N olayının, bir önceki gün bir S olayının oluşmasına neden olduğunu düşünelim. Eğer ben dün S olayının gerçekleştiğini biliyorsam, bugün N’nin gerçekleşmesini engellemeyi seçebilirim. O halde S de gerçekleşmez. Ama S gerçekleşmişti.

Bazı biliminsanları (ve birçok bilim kurgu yazarı) nedensellik ilkesinin doğru olmayabileceğini, bu tip çelişkilerin de bir şekilde engellendiği doğal mekanizmalar olduğunu düşünse de tahmin edebileceğiniz gibi henüz ortada somut bir şey yok (birkaç ilginç film dışında). Nedensellik ilkesi gördüğünüz gibi oldukça basit. Ama zamanın gözlemciden gözlemciye değiştiğini söyleyen görelilik kuramıyla beraber kullanıldığında büyük bir önem kazanıyor. Nedensellik ilkesi, değil ışıktan hızlı yolculuk etmek, bundan daha zayıf bir eylemin, “ışıktan hızlı mesaj göndermenin” bile imkansız olduğunu söylüyor. Bir arkadaşınıza bir mesaj gönderdiğinizi varsayalım. Bu durumda “mesajı gönderme” olayını neden ve “mesajı alma” eylemini de sonuç olarak düşünebiliriz (eğer göndermezsek, mesaj da alınamaz). Veya, isterseniz mesajınızda arkadaşınızdan ne yapmasını istediğinizi belirtebilirsiniz. Bu durumda arkadaşınızın yaptığı eylem sonuç olacaktı r. Görelilik kuramındaki yer-zaman dönüşümleri bize şunu söylüyor:

Eğer mesajınızı gerçekten ışıktan hızlı gönderiyorsanız, o zaman size göre hareket eden bazı gözlemciler sonucun nedenden önce oluştuğunu görürler. Yani bunlara göre önce arkadaşınız mesajı almış, sonra da siz aynı mesajı göndermişsiniz. Böyle bir şey nedensellik ilkesine aykırı, çünkü bütün gözlemcilere göre neden sonuçtan önce oluşmalı. Ama gerçek bir çelişki yaratmak için biraz daha uğraşmak gerekiyor. Eğer arkadaşınız, yukarıda bahsedilen hareket eden araçtaysa bu defa ilginç bir şey olur. Size göre arkadaşınız mesajı daha sonra almıştır ama arkadaşınıza göre mesaj eline siz daha göndermeden ulaşmıştır. Bu durumda arkadaşınız aynı ışıktan hızlı posta servisini kullanarak mesajı size geri gönderebilir.

Eğer biraz daha hızlı bir servis kullanırsa, bu defa mesaj elinize siz onu göndermeden önce ulaşacaktır! Kısacası bu geçmişe mesaj göndermek demek, dolayı sıyla da nedensellik ilkesinin ihlali. Dolayısıyla, eğer nedensellik ilkesi geçerliyse, ışıktan hızlı mesaj göndermek olanaksız. Bu aynı zamanda ışıktan hızlı uzay gemileri yapmamızı da engelliyor (gemiye bir postacı binebilir). Buradan çıkaracağımız bir başka sonuç da birbirinden yeterince uzak iki farklı yerde kısa bir zaman aralığıyla oluşan iki olayın arasında neden-sonuç ilişkisinin olmaması.

Örneğin, belli bir anda Güneş’te bir patlama olduğunu düşünelim. Normalde bu patlamadan kaynaklanan ışık bize 8,3 dakika sonra ulaşır, dolayısıyla ancak bu süre sonunda patlamanın gerçekleştiğini anlayabiliriz. Patlama olduktan bir dakika sonra birden başımızın ağrımaya başladığını varsayalım. Baş ağrımızın nedeni Güneş’teki patlama olabilir mi? Cevap hayır. Güneş ve Dünya’ya göre oldukça yüksek hızlarda ve uygun bir yönde seyahat eden bir gözlemci, başımızın patlamadan önce ağrımaya başladığını söyleyecektir. Bütün olası gözlemcilerin göz önüne alınması, bu tipten olayların neden-sonuç ilişkisiyle bağlı olamayacağını söylüyor bize. Eğer Güneş patlaması baş ağrısına yol açıyorsa bu, patlamadan 8.3 dakikadan sonraki bir zamanda olacaktır. Dolayısıyla komşu yıldızlarla telepati kurmak bile yasak. Kursak bile telepatik cevabı en erken 8 yıl sonra alabiliriz.

 

Eski11-01-2007, 06:06   #10
MirzaBey
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - MirzaBey

Mükemmel bir çalışma olmuş, ellerin dert görmesin
"You must spread some Karma around before giving it to SiT@Re again."keşke +k'mam fazla olsaydı
 

Eski12-01-2007, 03:14   #11
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Koulomb Yasası
ELEKTROSTATİK: COULOMB YASASI


GİRİŞ

Durgun haldeki elektrik yüklerini inceleyen fiziğin dalına elektrostatik denir. Manyetik olaylar M.Ö. 2000 yıllarında Çinliler tarafından bilinmekteydi. Bazı elektrostatik ve manyetik olaylarda M.Ö 700 yıllarında bilinmekteydi. Bunlar arasındaki ilişkiyse ancak M.S.1920 yılında H.C. Oersted tarafından elektrik akımlarının oluşturduğu manyetik etkinin gösterilmesiyle ortaya çıkmıştır. Bu ilişkinin anlaşılmasından sonra elektrik ve manyetizma olayları birleştirilerek elektromanyetizma adı altında incelenmiştir.

19. yüzyıl bilim adamları elektromanyetizmanın doğasını keşfederek onu geliştirmişlerdir. Bu bilim adamlarından Maxwell klasik elektromanyetizma ‘nın yasalarını oluşturmuştur. Bu yasalar genelde Maxwell denklemleri adıyla anılmaktadır. Maxwell denklemleri, mekanikteki, Newton'un Hareket Kanunları ve Evrensel çekim kanunlarının oynadığı rolu oynarlar. Maxwell, ışığın elektromanyetik karekterde olduğunu, hızlarının ışık hızına eşit olduklarını ve bu hızın da elektriksel ve manyetik ölçülerle bulunacağını göstermiştir. Klasik elektromanyetizmada elektrik yükleri, akımlar ve bunların karşılıklı etkileri incelenmekte ve kuantum teorisi ele alınmamaktadır. Bu bilim disiplinine ait bağıntılarla elektrik ve manyetizmanın 10 -12 m küçük boyutlarına kadar doğru sayılan işlemler yapılabilmektedir. Anılan bu atom boyutlarından daha küçük değerlerde devreye kuantum mekaniği girer. Özel rölativite ve kuantum mekaniğinim klasik elektromanyetizmaya uygulanması sonunda kuantum elektrodinamiği bilim disiplini ortaya çıkmıştır.

ELEKTRİK YÜKLERİ

Bir cismin sürtünme ile elektriklenmesi yaklaşık olarak 2700 yıldan beri bilinmektedir. Bilhassa naylon miktarı fazla olan kazaklar karanlıkta giyilirken veya çıkarılırken kıvılcımların oluşması elektrik yükünün hareketine bir örnektir. Yağmurlu havalarda bulutlarla yer arası veya buluttan buluta oluşan şimşekleri gözlemeyenimiz yok gibidir. Burada oluşan şimşek de elektrik yüklerinin hareketine diğer bir örnektir. Uzun yıllara dayanan gözlemler sonunda sürtünme ile elektriklenmede iki tip elektrik yükü olduğu bulunmuştur. İpeğe sürülen bir cam çubuk diğer bir cam çubuğun yanına getirilirse çubuklar birbirini itecektir. Diğer taraftan kürke sürtülmüş bir plastik çubuk, aynı cam çubuğun yanına getirilirse onu çekecekdir. Amerika Birleşik Devletleri bilim adamlarından Benjamin Franklin ( 1706 - 1790 ), plastik çubukta oluşan elektrik yüküne ( - ) negatif ve cam çubukta oluşan elektrik yükün ( + ) pozitif terimlerini getirmiştir.

Am ve plastik çubuklar arasındaki çekme ve itme kuvvetlerinin var oluşu neticesinde durgun elektriğin temel yasası ortaya çıkmaktadır. Bu temel yasaya göre ;

SADECE İKİ CİNS ELEKTRİK YÜKÜ VARDIR AYRI CİNS ELEKTRİK YÜKLERİ BİRBİRLERİNİ ÇEKERLER
AYNI CİNS ELEKTRİK YÜKLERİ BİRBİRLERİNİ İTERLER


Elektriklenme sadece cam ve plastik çubuk için gözlenen bir olay değildir. Her madde uygun koşullarda sürtünmeyle bir miktar elektriklenebilir ve bu elektriklenmenin cinside Franklin ‘nin belirttiği pozitif ve negatif seçim kuralına göre belirlenir.

Franklin’in elektrik modelinin önemli bir tarafı, elektrik yükünün daima korunmuş olmasıdır. Daha açık olarak bir cisim diğerine sürtüldüğünde yük oluşmaz. Elektriklenme hali, yükün bir cisimden diğerine geçmesiyle meydana gelir. Böylece cisimlerden biri bir miktar eksi yük, diğeri de aynı miktarda artı yük kazanır. Bu durum, nötr bir maddenin atomik yapısında bulunan çekirdeğin ( + ) yükleri ( protonlar ) kadar ( - ) yüklerinde ( elektronlar ) bulunması gerçeğini açıklar.

İLETKENLER VE YALITKANLAR VE İNDÜKSİYONLA ELEKTRİKLENME

Şekil 01 deki gibi, bir bakır telin bir ucu bir cam çubuğa dolanıp diğer ucu bir elektroskoba bağlanmış olsun. Sürtme ile elektriklenmiş plastik çubuk telin boştaki uçuna değdirilirse, aynı yükler birbirini iteceğinden elektroskobun yaprakları birbirinden uzaklaşacaktır. Buna göre tel boyunca veya tel içinden bir elektrik geçişi meydana gelmiştir. Deney eğer tel yerine bir ipek iplik veya lastik şerit kullanılarak yapılırsa elektroskobun yapraklarında böyle bir açılma olmayacaktır.
Buna göre elektrik yükünü ileten tele iletken ve elektrik yükünü iletmeyen ipek ipliğe ve lastiğede yalıtkan adı verilir. Pek çok cisim iletken veya yalıtkan grubuna girerken yarı iletken adıyla anılan üçüncü cins cisimlerde bulunmaktadır. Yarı iletkenlerin özellikleri, yalıtkanlarla iletkenler arasında bir yerde bulunan bir üçüncü madde sınıfıdır. Silisyüm (Si) ve Germanyum (Ge) çeşitli aletlerin yapımında kullanılan yarı iletken maddelerdir. Yarı iletkenlerin özellikleri, malzemelere belirli miktarlarda yabancı atomlar katılarak yarı iletken özelliklerinin büyüklük miktarları değiştirilebilir. Genelde metaller iyi iletken ve metal olmayan cisimler yalıtkandırlar. Metallerde dolaşan serbest yüklerin negatif oldukları kanıtlanmıştır.

Pozitif yükler ise cam çubukta veya yalıtkanlarda olduğu gibi hareketsizdirler. Metallerde yük taşıyıcılar elektronlardır. Metali oluşturan atomların dış yörünge atomları kendi atomsal sistemine bağlı kalmaksızın etkileyici nedene bağlı olarak metalin içinde dolanabilirler



Yarı iletkenler ise yük iletimi bakımından iletkenlerle yalıtkanlar arasında bir özelliktedirler. İnsanın ve toprağın elektrik yüklerini ilettikleri yani iletken oldukları bilinmektedir. Diger taraftan normal halde maddede eşit miktarlarda pozitif ve negatif yük bulunmaktadır yani cisim nötr haldedir.
Herhangi bir etkiyle örnek olarak ipekle camın sürtünmesinde olduğu gibi,birinden diğerine elektrik yükü yer değiştirerek denge bozulursa cisim nötr halini kaybeder.



Bir iletken , bir iletken tel veya bakır boruyla toprağa bağlanırsa, iletkenin topraklandığı söylenir. Bu durumda toprak, elektronların kolaylıkla gidebileceği sonsuz bir yer olarak düşünülebilir. Bu olguya göre indüksiyon denilen bir olayla bir iletkenin nasıl yüklenebileceğini inceleyebiliriz. Şekil 2.a ‘daki gibi topraktan yalıtılmış nötr (yüksüz) bir kürenin yanına eksi yüklü bir çubuk yaklaştıralım. Bu durumda kürenin çubuğa bakan tarafı yük fazlalığı kazanırken diğer yanı aynı miktarda eksi yük kazanır.

Daha açık olarak çubuğa bakan taraftaki elektronlar diğer tarafa geçecektir. Şekil 2.b ‘de görüldüğü gibi küre, iletken bir telle toprağa bağlanarak aynı işlem yani, eksi yüklü çubuk küreye yaklaştırılırsa, bu kez bazı elektronlar toprağa iletilecektir. Küredeki toprak bağlantısı teli kaldırılırsa, (şekil 2.c) iletken kürede indüksiyonla düzgün olmayan ( + ) yük fazlalığı oluşacaktır. Eksi yüklü çubuk küreden uzaklaştırılınca (şekil 2.d) indüksiyonla kürede oluşan ( + ) yükler kürede kalacak ve benzer yükler arasındaki itme kuvvetlerinden dolayı küre düzgün olarak yüklenmiş olacaktır. Böylece, indüksiyonla yüklemede cisimlerin birbirine değmesinin gerekmediğini görmüş oluruz.



İletkenlerdeki indüksiyonla elektrik yüklenmesinin benzeri yalıtkanlarda da izlenir.Nötr atom veya moleküllerin çoğunda ( + ) ve ( - ) yüklerin merkezleri çakışırlar. Bunlara yüklü bir cisim etkidiğinde bu yük merkezleri hafifçe kayarak molekülün bir yanının diğerinden daha artı yüklenmesine yol açar. Bu olaya Kutuplanma denilmektedir. Moleküllerdeki yüklerin bu şekilde yeniden düzenlenişi Şekil 3’te gösterilmiştir ve burada yüklü cisim tarafından yalıtkanın yüzeyinde indüksiyonla, indüksiyon yükü oluşturulmuştur. Buna göre, saça sürtülen tarağın nötr kağıt parçalarını neden çektiğini veya elbiseye sürtülen balonun neden duvara yapıştığını anlayabiliriz.

İndüksiyonla elektriklenmede:

1. İndükliyen cisimle indüklenen cisim üzerinde eşit ve zıt işaretli yükler oluşur.
2. Bu yüklerin herbirisi indükleyen cismim yüküne eşit olur.

Diğer taraftan :

1. yüklü bir cisim bir boş iletken içersine değdirilmek suretiyle, tam olarak, yüksüz hale sokulabilir .

2.nBir iletken elektrille yüklenirse, bütün elektrik yükü onun dış yüzeyinde toplanır.
 

Eski12-01-2007, 03:57   #12
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

ELEKTRİKSEL YÜK MİKTARI VE YÜKÜN KUANTUMLU OLUŞU

Atom teorisine göre maddenin atomlardan oluştuğu bilinmektedir. Tüm atomlarda daha küçük parçacıkların değişik kombinelerinden meydana gelmiştir. Parçacıları atomdan çıkarmak için bir çok değişik uygulamalar vardır. Örnek olarak bir atom çekirdeğinin bölünme ( fisyon ) yoluyla parçalanmasıdır. Atom altı parçacıklar yani atomu oluşturan parcacıklar, yüzeysel olarak ele alındığında üç farklı tiptedirler, elektron, proton ve nötron. Daha başka atom altı parçacıklar olmasına karşın bunların varlıkları geçicidir. Tüm atomların oluşması aynı yapıdadır. Nötronlar ve protonlar atonmun çekirdeğinde bulunurlar.

Bu küresel çekirdeğin çapı yaklaşıklıkla 10-15 m büyüklüğündedir. Çekirdeğin dışında ve ondan oldukça büyük uzaklıklarda elekronlar dairesel daha doğrusu eliptik yörüngeler üzerinde bulutsu veya parçacık şeklinde bulunurlar. Dairesel yörünge halinde elektron yörünge çaplarının 2 veya 3 10 -10 m büyüklüğünde olduğu kabul edilmektedir. Konuyla ilgili detaylı bilgiler atom fiziği bilim dalı konularından incelenebilir. Pratik olarak nötron ve protonun kütleleri birbirlerinme eşit olarak kabul edilebilir ve bu kütleler elektronun kütlesinin 1860 katı kadar daha büyüktürler. Bütün elektronlar aynı yük miktarına sahiptirler. Protonun yüküde elektronun yüküne eşdeğerdir fakat elektronun yükünün negatif olmasına karşılık protonun yükü pozitiftir ve nötronda adından belli olduğu gibi yüksüzdür. Protonlar ve elektronlar arasınmdaki sadece çekmeye bağlı olan kütlesel çekim kuvvetlerinin yanında, bunlara ait elektriksel kuvvette bulunmaktadır.

Elektriksel kuvvet, hem çekme hemde itme doğasındadır. Bilindiği gibi farklı yükler birbirlerini çekmekte ve aynı yükler birbirlerini itmektedirler. Ayrıca bunların birbirlerine göre göreceli hareketleri sonunda manyetik kuvvetlerde ortaya çıkmaktadırlar. Bu konuda durgun yüklere ait olaylar incelenecektir.
Elektrik yüklerinde gözlenen iki özellik daha bulunmaktadır ve bunlar maddenin elektrikli yapısında temel ögelerdir.

Bu iki özellik ;

Elektrik, yüklerinin taneli ( kuantumlu ) oluşu ve elektrik yüklerinin korunmasıdır. Elektrik yüklerinin korunmasına örnek olarak elektronla onun pozitif yüklü antiparçaçığı olan pozitronun bir araya gelerek iki parçacığın yok olmasıdır. Burada parçacıkların kütle enerjileri E = m c2 yasasına göre elektromanyetik enerjiye dönüşmüştür.

Korunuma ait pek çok fiziksel olay örnekleri vardır. Elektrik, elektrik birimleri denilen e elektron yükünüm tam katları şeklinde kuantumlanmıştır. Elemanter yük denilen elektronun yükü e = 1,6021.10-19 Coulomb ve kütlesi me = 9,108.10-31 kg dır.

Kaynağı ne olursa olsun, fizik bakımından var olan bir Q elektrik yükü Q= ne olarak ifade edilir. Burada n negatif veya pozitif bir tam sayı ve e' de elemanter yüktür miktarıdır. Elektriksel yükte olduğu gibi, fiziksel büyüklükler eğer kesikli temel yapı parçalarından oluşmuşsa, bu fiziksel büyüklükler kuantumlanmıştır. Atomik boyutlarda incelenen pek çok fiziksel büyüklükler kuantumlanmışlardır ve orada artık klasik fiziğin kuralları değil kuantum fiziğinin kuralları geçerlidir.

NOKTA YÜKLER ARASINDAKİ KUVVET. COULOMB YASASI

Doğadaki kuvetlerin dört değişik tip görüntüde olduğu bilinmektedir.;
1. Kütlesel çekim kuvvetleri,
2. Durgun haldeki nokta yükler arasındaki itme ve çekim kuvvetleri,
3. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronu birarada tutan vede protonla netrondaki kuvarkları onlara bağlayan çok büyük değerli çekirdeksel kuvvetler
4. Doğal radyoaktivitenin oluşmasını sağlayan zayıf çekirdeksel kuvvetler.

Fizikçilerin tüm hayelleri bu dört kuvvetin aynı kaynaklı olduğunu ifade edebilecek birtek birleşik kuvvet olduğunu ispat edebilmektir. Durgun haldeki iki elektrik yük arasındaki karşılıklı elektriksek kuvvet, yükün değerlerine, içinde bulundukları ortama ve iki yükün değerine bağlı bulunmaktadır. C.A. Coulomb tarafından denel olarak 1785 yılında bu kuvvetin oldugu ve bu kuvvetin temel kuramları ortaya konulmuştur. Coulomb yasasına göre, yüklü iki parçacık arasındaki karşılıklı elektriksel kuvvet, bu yüklerin değerleri çarpımı ile doğru orantılı, yükler arasındaki uzaklıklığın karesi ile ters orantılıdır. Kuvvet vektörlerinin doğrultusu yükleri birleştiren doğru üzerindedir. Bu yasaya göre yükler arasındaki kuvvet: (r birim vektör ise);



olarak verilir. Bu kuvvetin büyüklüğü;



dir. Burada, Q1 ve Q 2 aynı işatetli ise F kuvveti itme kuvveti ve zıt işaretli iseler F kuvveti çekme kuvvetidir ( Şekil 04). Coulomb yasasındaki k sabiti, yüklerin içinde bulunduğu ortamı nitelemek ve birimlerin belirlenmesi için kullanılmış bir orantı sabitidir. Yüklerin işaretlerine göre çekme ve itme kuvvetleri Şekil 04 ‘de gösterilmiştir.



Butün bilim dilinde ve mühendislikte kullanılan milletler arasındada kabullenilmiş birim sistemi SI ( Systeme internationale) birim sistemidir. Coulomb yasasındaki yük birimi, SI birim sisteminde, akım birimine bağlı olarak tanımlanır. İki pil birbirine iletken telle bağlandıgında iletkende elektrik yükleri harekete geçecek yani elektrik akımı doğacaktır. Bir iletkenden geçen bir Amperlik akıma karşılık ( I ), iletkenin belirli bir kesitinden bir saniyede geçen yük miktarına Coulomb ( C ) denilmektedir.
Matematiksel olarak son ifadeyi

q = I. t (03)

olarak belirtebiliriz. Bağıntıda SI birim sistemine göre I akım değeri Amper ve t zamanı saniye olarak alınırsa yük birimi q Coulomb olacaktır. Coulomb yasasındaki k sabitinin değeride SI birim sistemine göre;

k = 8 ,99 10 9 N m2 / C2

dır. Problem çözümlerinde bu sabit değerini 9 . 10 9 N m2 / C 2 olarak aldığınızda hesaplamaların sonucunda kayda değer bir sapma olmaz. SI birim sisteminde k sabiti bazı uygulamalara kolaylık getirmesi amacıyla;



olarak kullanılır. Burada ?o boş uzayın permivitesi (elektrik geçirgenliği) veya dielektrik sabiti adını alır. Boşluk için geçirgenlik sabitinin değeri 8,85.10 -12 C 2 / N . m 2 dir.

Elektrik yükleri ele alınan sistemde eğer birden fazla ise,her yük çiftine Coulomb yasası ayrı ayrı uygulanarak sonuçta vektörel olan kuvvetlerin bileşke değeri bulunur.

Coulomb yasasının önemi sadece yükler arasındaki kuvveti ifade ediyor olmasında değildir. Bu yasa, atom çekirdeğinin etrafındaki elektronların çekirdeğe bağlanma kuvvetlerini, atomların bir araya gelmesi ile oluşan molekülleri bir arada tutan kuvvetleri, katı ve sıvıları oluşturan atom veya moleküllerin bir arada tutulmasını sağlayan kuvvetleride açıklar. Hidrojen atomundaki protonla elektron arasındaki elektriksel kuvvet kütle çekim kuvvetinden 1039 kere daha büyüktür.
 

Eski12-01-2007, 04:04   #13
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

ELEKTROSTATİKLE İLGİLİ UYGULAMALARDAN BAZILARI

VAN DE GARAAFF JENARATÖRÜ
ELEKTROSTATİK ÇÖKELTİCİ
FOTOKOPİ MAKİNASI
ALAN – İYON MİKROSKOBU

Elektrostatik ilkelerine dayalı çeşitli uygulamalar sonucunda çok sayıda faydalı cihaz geliştirilmiştir. Bu cihazlardan bazıları: yüklü temel parçacıkları hızlandıran elektrostatik van de Graaff jenaratörleri , kopyalama işleminde kullanılam fotokopi makinası, kömür kullanan termik santralların oluşturduğu hava kirliliğini azaltmaya çalışan elektrostatik çökeltici, metal malzemelerin yüzeylerindeki atomları görüntüleyen alan-iyon mikroskobu ve oto üretiminde otoların boya işleminde kullanılan elektrostatik boyama sistemleridir.

VAN DE GRAAFF JENARATÖRÜ

Van de graaff 1931 yılında, sürtünme ile elektriklenme etkisi, yüklerin bir iletkenin dış yüzeyinde toplanma etkisi ve sivri uçlarda elektrik alan yoğunluğunun daha fazla olması nedeniyle burdaki yüklerin kolay transferi etkisinden yararlanarak birkaç milyon voltluk bir potansiyel farkı oluşturan bir elektrostatik jenaratör planlayarak imal etmiştir. Bu tür jenaratörün çalışma yöntemi şekil05 ‘de açıklanmıştır.

Bu sistem yüksek voltaj farkı kaynağı olarak Çekirdek ( nükleer fizik ) fiziğinde sık sık kullanılır.

Bu elektrostatik jenaratör, esas olarak, yalıtkan yüksek sütunların tepesine monte edilmiş büyük metal boş bir kürte ( Yüksek voltaj elektrodu ) motorla hareket ettirilen yük taşıyıcı bir kemer ve yükleyici bir doğru akım elektrik kaynağından ibarettir.

Yalıtkan maddeden ( ipek,naylon, lastik gibi ) yapılmış sonsuz K kayışı ( kemer ) yukarda ve aşağıda bulunan P, Q mmakaraları üzerinde sürekli olarak bir motorla sürekli olarak hareket ettirilir.Sivri uçlu D iletkeni ( veye metal tarak ) S metal küresel kabuğa ve A sivri ucu bir yükleyici elektrik kaynağının ( doğru akım jenaratörünün ) + ucuna bağlanmıştır. Bu jenaratörün diğer ucu toprağa bağlıdır.Sivri uç etkisiyle + elektrik A dan ipek kemere püskürür ( esasında elektronlar kayıştan sivri uçlara geçerler ve sonuçta kayış+ yüklenmiş olur ) ve kemer bu + yükü yukarıya taşır. Bu yük D sivri uçuna ulaşınca, sivri uçta - yük ve S üzerinde + yük indüklenmiş olur. D ‘ den akan - yük , kemer üzerindeki + yük ile nötr hale gelir.

Bu işlem kemer hareket ettikçe tekrarlanır ve metal küresel kabuk tutabileceği maksimum sınıra kadar ( kürenin havaya eletrik yükünü boşaltmadan tutabileceği sınır ) artan bir yük kazanır bunun sonucu olarak toprağa göre potansiyelide artar. Kürenin potansiyeli onun yarıçapıyla ters orantılıdır. Normal koşullarda havanın yalıtkanlığı,elektrik alan değeri E max = 3 . 106 volt / m ye ulaşınca bozulur. Kürenin voltajı ( toprağa göre potansiyeli ) ve eletrik alanı arasında r yarıçap olmak üzere

V = Emax .r

bağıntısı bulunmaktadır.

Buna göre

Vmax = Emax . r

olacak ve kürenin tutabileceği maksimum voltaj değeride belirlenmiş olacaktır. Ayrıca S yüzeyi üzerindeki yükü dolayısıyla potansiyeli sınırlayan şartlar laboratuvarın duvarları ve tavanı gibi başka cisimlerin alete yakın bulunması durumudur. Jenaratörün daha yüksek voltajlarda çalışabilmesi amacıyla , jenaratörün küresi içindeki hava özel bir sistemle aşağı yukarı 10 – 11 Atm./ cm2 basınca kadar arttırılır. Yüksek basınçtaki havanın normal koşullardaki havaya göre yalıtkanlığının bozulması için gerekli elektrik alan değeri normal koşullardaki elektrik alan değerinden daha büyük olacaktır. Böylece aynı yarı çaplı küre bu kez daha yüksek elektrik alana dayanacak ve toprakla küra arasında daha yüksek potansiyel farkı oluşturacaktır.

Çekirdek fiziğinde kullanılan yüklü parçacıkların veya iyonların hızlandırılmasında kullanılan bir van de Graaff elektrostatik hızlandırıcısı, bir van de Graaff jenaratörüyle bir iyon kaynağı ve bu iyonları aşağı doğru hızlandırılmasında kullanılan havası boşaltılmış bir tüpten ibarettir

Seçilen hedeflerin protonlarla bombardımanı ile çekirdek reaksiyonları oluşturmak için gerekli iyon kaynağı ,artı yüklü yüksek voltaj elektrodu içinde yapılan hidrojen gazı içindeki bir elektrik boşalması ile elde edilir. Gereğinde yüksek enerjili elektronlar istendiğinde , elektron kaynağı çok zaman eksi yüklü yüksek voltaj elektrodu içinde bulunan sıcak flamandan elde edilir. Proton hızlandırılması halinde , protonlar boşluk tüpü içinde aşağı topraklanmış uca doğru hızlandırılırlar ve uçta bir hedef üzerine odaklanırlar.

Hızlandırma işleminde elektronlar kullanıldığında , bu kez hedef yukarda olacak ve elektronlar topraklanmış uçtan yukarda bulanan hedefe doğru hızlandırılacaklardır.

Yükü Q olan bir parçacığın toprağa nazaran V potansiyel farkında kazandığı enerji

E = Q V = ½ m v 2

olacaktır.

Burada m partikülün kütlesi ve v ‘de partikülün bu potansiyel farkında kazandığı hızdır. İlk yapılan van de Graaff jenaratöründe toprağa göre ulaşılan maksimum potansiyel farkı 1,5 milyon volt idi. Zamanımızda 20 milyon volt’luk elektrostatik jenaratörler yapılmıştır.
 

Eski12-01-2007, 04:13   #14
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Kuantum teorisi

Kuantum teorisi, atomik olaylardaki enerjiyi açıklamaya yarayan bir fizik teorisidir. Kuantum kelimesi yalnız başına kullanıldığında bir sistemin değiştirebileceği enerjinin küçük bir kısmı anlamına gelir. Mesela foton, elektromanyetik radyasyon kuantumudur. Kuantum teorisi enerjinin devamlı olmadığını ve seviyelere sahip olduğunu, bu seviyelerin küçük kademeler halinde değişebileceğini matematik ifadelerle açıklar.

Mesela; bir atomda elektronların çekirdek etrafında kendi yörüngelerindeki hareketleri, siyah cismin küçük miktarlar halinde ısı yayması(Max Planck'ın siyah cismin radyasyonunu buluşu), fotonun elektromanyetik radyasyonu (Bohr teorisi), fotoelektrik olayı, atom spektrumu (tayfı) kuantum teorisi ile izah edilebilir. Kuantum teorisi üzerine yapılan çalışmalar şunlardır:

Plank'ın radyasyon teorisi:

1901 senesinde Alman fizikçisi bir cismin ufak bir oyuğundan yaydığı ısı enerjisinin frekans dağılımını (radyasyonunu), ışığın elektromanyetik teorisine benzeterek, cisme ait en küçük parçalarının titreşimler yaparak yaydığı enerjisine benzetmiş ve matematik olarak bunu ifade etmiştir. Yaptığı hesaplardan, bu titreşimlerin genliklerinin sınırlı olması gerektiğini anladı. Mesela bir salınımın veya titreşimin genliği 1 m veya 2 m olabilmekteydi, arada bir değer alamamaktaydı. Bunun sonucu olarak, sadece belirli genlikteki salınımlara müsaade edildiğinden dolayı, enerji artık düzgün bir şekilde alınamamaktaydı veya yayılamamaktaydı. Böylece işlem sarsıntılı olarak, müsaade edilen bir genlikten diğer genliğe sıçrayarak ortaya çıkacaktı. Böyle bir sıçramayı ortaya çıkarmak için gerekli olan enerji miktarını bir kuantumluk enerji olarak isimlendirdi. Ayrıca bir kuantumluk enerjinin, salınımın frekansı ile, Planck sabiti denen sabit bir sayının çarpımına eşit olduğunu kabul etti. Bu sabite h=6,62•10-27 erg. saniye şeklinde çok küçük bir değer olduğu için sıçramalar da çok düşüktür.

Bu kabuller o kadar değişiktir ki, Planck bile geçerliliğinden şüpheye düştü. Ancak 1905'te Albert Einstein, önemli bir adım atarak, bunları ciddi bir şekilde inceledi. Işığın kendisinin kuantumların birleşmesinden meydana gelen taneciklerden ibaret olduğunun kabul edilmesi gerektiğine işaret etti. Yoksa, teoride bir dengesizlik ortaya çıkmaktaydı. Şimdi bu taneciklere foton denilmektedir ve bunların enerjileri, frekansları ile Planck sabitinin çarpımına eşittir. E=h•f. Bu kabul, metalik bir yüzeye ışığın çarpmasıyla bu yüzeyden elektronların koparılması olayını açıklayarak pekiştirdi. Buna fotoelektrik olayı denilir.
Dalga ve parçacık teorisi:

On yedinci yüzyılda Isaac Newton, ışığın parçacıklardan meydana geldiğini kabul etmiş ve bir geometrik optik geliştirmişti. Ancak daha sonra meydana gelen gelişmeler ve ışığın hızının diğer şeffaf cisimlerde ölçülmesi, James Clerk Maxwell'in geliştirdiği elektromağnetik dalga teorisinin kabulünü zorlamıştı. Ancak Einstein'in çalışmasıyla parçacık teorisi canlanmış ve dalga teorisiyle rekabet eder duruma gelmiş oldu.

Atom spektrumu (tayfı)

1993'te Danimarkalı Niels Bohr kuantum fikrini, klasik teorilerin o zamana kadar açıklayamadığı, atom spektrumu teorisine tatbik ederek önemli bir adım attı. İngiliz Ernest Rutherford'un yaptığı deneylerden, atomun minyatür güneş sistemi gibi, ortasında pozitif yüklü bir çekirdek etrafından dönen elektronlardan ibaret olduğu kabulünü getirdi. Ancak atomu tutan elektriksel kuvvetlerin, kütle çekim kuvvetlerinden farklı olduğunu iddia eden Maxwell, elektronların yörüngelerinde kararlı olmayacağını bildirdi. Buna göre elektronlar enerjilerini sürekli frekansa sahib olan ışık şeklinde yayacaklardı. Bu ise atom spektrumunda görülen ayrık frekansları açıklamaktan uzaktı. Hatta atomların kararlı durumu bile açıklanamıyordu.
Bohr klasik teorinin kabullerinden ayrılarak bazan eskiye taban tabana zıt yeni kabuller yaparak işe başladı:
• Elektronlar kararlı yörüngeye sahiptirler.
• Yörüngelerinde bulundukça enerji yaymamaktaydılar.
• Sadece belirli yörüngeler mümkündür. (Aynen Planek belirli salınım genliklerine izin verdiği gibi.)
• Elektronlar bir yörüngeden diğer yörüngeye sıçrayabilmektedirler. Ancak bu halde meydana gelen enerji farkı, foton yaymak veya almakla karşılanacaktır. Bu fotonun f frekansı da E enerji farkının h Planck sabitine bölünmesiyle elde edilecekti: f = E / h

Bu kabuller şaşırtıcı sonuçlar çıkardı. Bohr, yüksek bir yaklaşımla hidrojen atomunun spektrum frekanslarını hesapladı. Eski ve yeni kabullerin karışımı olan bu teorinin sonuçları artık herkesin dikkatini çekmekteydi.

Bir elektronun hareketinin kuantum sayıları denilen belirli sayılara bağlı olduğu anlaşılmıştı. Kuantum sayıları tam sayılar veya tek sayıların yarılarından ibaretti. Bu sayılar Bohr teorisindeki müsaade edilen yörüngelerle ilgiliydi. Bohr'un teorisiyle atomun içine nüfuz edilmekte olduğu için, bu teorinin önemi büyüktür. Ancak seneler sonra bilim adamları, bunun da açıklayamayacağı olaylarla karşılaştılar. Bunun sonucu olarak iki farklı yönden gelinerek bir modern teori geliştirildi.

Dalga mekaniği:

1923'te Fransız Louis de Broglie, ışığın dalgalar tarafından iletilen fotonlardan ibaret olduğunu iddia etti. Ona göre elektron ve diğer atomik parçacıklar da dalgalarla hareket etmekteydi. Ayrıca iddiasının Bohr'un müsaade edilen yörüngeler kabulüyle de uyuştuğunu gösterdiyse de pek dikkati çekmedi.
Erwin Schrödinger 1925'de bu iddianın dalga kısmını alarak, Newton'un mekaniğine tatbik etti. Bu yeni ortaya çıkan Dalga mekaniği'ne göre elektronlar parçacıklar olarak değil, farazi bir matematiksel uzayda yayılı dalgalar olarak belirmekteydi. Bu kabuller, Planck'ın salınımlarının kuantum davranışlarını, hidrojen atomunun spektrumunu açıklaması ve çok önemli kuantum sayılarını doğrudan doğruya ortaya çıkarması yönünden, ciddiye alındı. Daha sonra yapılan deneyler De Broglie'nin madde dalgalarının mevcudiyetini de göstermiştir

Matris mekaniği:

Werner Heisenberg de 1925'de tamamen farklı bir yol takip ederek, temel fiziksel büyüklükleri düzenli bir şekilde tablolar halinde yazdı. Bunlara matris denildiği için, teorisi de Matris Mekaniği olarak isimlendirildi. Bir parçacığın koordinatını ve momentumunu (kütlesiyle hızının çarpımı) q ve p ile gösterdiğinde p kere q'nün, q kere p olmadığını ve aradaki farkının Planck sabitiyle ilgili olduğunu keşfetti. Bu, günümüzde modern atom teorisinin temel taşlarından birini teşkil etmektedir. Heisenberg'in teorisi görünüşte çok farklı zannedilen Schrödinger'inkiyle aynı sonuçları vermekteydi. Paul Dirac ise, her ikisinin klasik mekaniğe çok benzeyen kuantum mekaniğinin özel bir şekli olduğunu gösterdi.

Belirsizlik prensibi:

Yukarıdaki gelişmeleri anlatan kuantum teorisi bir başarıdan diğerine gitmekteydi. Ancak temelinin fiziksel bakımdan tutarlı olduğunda hala şüpheler mevcuttur. Mesela p momentum ile q koordinatlarının çarpımında eğer q•p çarpımı, p•q çarpımına eşit değilse bu büyüklükler alışılagelen değerler alamamaktaydılar. 1927'de Heisenberg, belirsizlik prensibini ortaya koyarak bu konuda rahatlık sağladı.
 

Eski12-01-2007, 04:22   #15
SiT@Re
 
Bilimsel Teoriler ve Yasalar! - SiT@Re

Newton'un Hareket Yasaları

Newton'un hareket yasaları, Isaac Newton'un hareket eden cisimlerin davranışları inceleyerek bulduğu ve klasik mekaniğin temellerini oluşturan üç yasadır.

1. Newton Yasası

Newton'un birinci yasasına göre bir cisme dışarıdan net bir kuvvet etki etmediği sürece ya durmaya devam eder ya da sabit hızla doğrusal hareket yapar.
Newton'un birinci yasası eylemsizlikle ilgilidir ve diğer iki yasanın geçerli olacağı referans çerçevelerini tanımlar. Bu referans çerçeveleri (eylemsiz referans çerçeveleri - inertial reference frames) hareketsiz yıldızlar tarafından belirlenen bir temel referans çerçevesine göre ya sabit hızla hareket ederler ya da durgundurlar. Buna göre, üzerine net bir kuvvet etkimeyen durgun bir cisim durgunluğunu korur ve hareket eden bir cisim sabit bir hızla ve bir doğru üzerinde hareket etmeye devam eder.

Günlük hayatta, sürtünme kuvveti hareket eden cisimler üzerine etki etmektedir. Birinci yasanın bir sonucu olarak, gezegenler doğrusal harekette bulunmadıkları için üzerlerine etki eden bir kuvvet (yerçekimi) olmak zorundadır.

2. Newton Yasası

Newton'un ikinci yasasına göre bir cismin momentumunun (p) zamana karşı değişimi, cisme etki eden net kuvvet (F) ile orantılı ve onunla aynı yöndedir:

F = dp/dt

Buna göre sabit kütleli (m) bir cismin ivmesi (a) cisme etki eden net kuvvet ile orantılıdır:

F = dp/dt = d(mv)/dt = m dv/dt = m a

Yani cisim üzerine ne kadar büyük bir net kuvvet etki ederse ivme de o kadar büyük olacaktır.Newton'un ikinci yasası pek çok fizik olayı için kullanılmaktadır ancak buradaki kuvvet net ve harici bir kuvvet olmalıdır. Ayrıca bu yasa kütlenin değiştiği durumlarda, ışık hızına yakın hızlardaki harekette ve çok küçük atom ölçeklerinde doğrudan uygulanamaz, değişikliklere uğrar.

3. Newton Yasası

Newton'un üçüncü yasasına göre evrendeki bütün kuvvetler birbirine eşit ancak zıt yönlü çiftler halinde bulunur, yalıtılmış bir kuvvet yoktur.

Bu yasaya göre bir cisim üzerine etki eden her harici kuvvet (etki) için ona eşit ve zıt yönde bir kuvvet (tepki) bulunur. İçsel kuvvetler durumunda, sistemin bir bölümündeki bir iç kuvvet sistemin başka bir bölümündeki bir tepki kuvveti tarafından yok edilir yani bir sistem yalnızca iç kuvvetler ile kendi kendine harekete geçemez.
 

Cevapla





Şu Anda Konuyu Görüntüleyenler: 1 (0 üye ve 1 misafir)
 

Forum saati Türkiye saatine göredir. GMT +2. Şuan saat: 20:19.
(Türkiye için GMT +2 seçilmelidir.)



pvp serverler, su kaçağı, ukash, kız oyunları, su kaçağı, http://www.antalya-club.com, Erken Rezervasyon, elektronik sigara


Paylaşım sitesi Wardom.Org adresinde 5651/8 ve 125. madellere göre, tüm üyeler ve ziyaretçiler sitenin kullanımı ve yapılan paylaşımlarından kendileri sorumludur. Şikayetler için iletişim bölümünden bize ulaşabilirsiniz.