DÜŞÜNCE DENEYLERİ

Bilim tarihinde yepyeni yapraklar açmış deneyler vardır.Bunların çoğu karmaşık laboratuvar düzeneklerine gerek duymadan gerçekleşmiştir.Bazı ünlü deneylerin “tarif1lerin ilkokul kitaplarında bile rastlayabiliyoruz.Kimilerini evimizde bulabileceğimiz basit gereçlerle yinelemek işten değil.Sözgelimi,Galileo’nun serbest düşme deneyini yapmak için,kütleleri farklı iki nesneyi yere bırakmak yeterli.Böyleyken bu deneyleri ilk kez akıl edip uygulayan beyinlere hayran kalmamak;dahası,yüzyıllar boyunca,böylesine basit deneylerle çürütülebilecek fikirlere bağlı yaşayanlara şaşmamak elde değil...Bu gibi deneylerin birden bire gerçekleştirilmediklerini,bir çığ gibi büyüyen tarihsek bir ön hazırlık ve hummalı beyin jimnastikleri sonucunda ortaya çıktıklarını kabul edebiliriz.Acaba,tüm bu birikimden yola çıkarak,bazı bilimsel devrimler,keskin mantıksal çıkarsamalarla,deney bile yapmaya gerek duymadan gerçekleştirilebilirmiydi?Bu soruya kesinlikle “evet” yanıtını verebiliyoruz.İnsan aklından başka bir düzeneğe gereksinim duymayan “Düşünce deneyleri”,düş gücünün en güzel örnekleriyle dolu uçsuz bucaksız bir hareket alanı sunuyor.Bu alan Maxwell’in cini,Schrödinger’in kedisi(anasayfadaki),Einstein-Podolsky-Rosen’in Alice ve Bob’u gibi düşsel yaratıkların cirit attıkları,bir fotona binip ışık hızıyla gidebildiğimiz,ya da,evrenin sınırlarına mızrak atabildiğimiz bir dünyanın görebildiğimiz bölümü...

Gelin biraz düşünce deneylerine takılalım bakalım bizi nereye götürecek.

STEViN’İN ZİNCİRİ

Düşünce deneylerinin güzellik ve eşsizlikleri,basitlik ve herkesçe anlaşılabilir olmalarıyla orantılı.Simon Stevin’ın 16.yüzyılda,çetrefil bir mekanik problemini çözmek için önerdiği zihin jimnastiği,tarihi en çok alkışlanan zihin deneylerinden biri oldu.

Sorun kabaca şöyleydi:Üçüncü kenarıyla A ve 2A açısı yapan bir üçgen kesiti ve bu üçgenin üzerine 2A açısı yapan kenara 2 tane A açısı yapan kenara 4 tane bilye gelecek şekilde bırakılmış bir zincir parçası var.Zincir tırnak makaslarının ucundaki zincirler gibi,küresel halkalardan oluşuyor.Zincirle bloğun arasındaki yüzeyin neredeyse sürtünmesiz olduğunu kabul edersek,acaba zincir ne tarafa doğru kayar?

Stevin zincirin,boşluktaki ucunun uzunca bir zincir parçasıyla uzatılıpalttan birleştirildiğini varsaymamızı istiyor.Bu uzatılmış kısım,düşey eksene göre simetrik bir şekil alacak ve kendi izinde dengeli hale gelecektir.Bu durumda,eğer üstte kalan parça bir yöne doğru kayma eğilimindeyse,tüm zincir bloğun çevresinde sonsuza kadar döner.

Termodinamik yasaları gereği,sürekli hareketin olanaksız olduğunu bildiğimize göre,üstte kalan parçanın da dengede olduğunu,kendi başınayken bile kaymayacağını kabul etmemiz gerekiyor.Aynı sonuca geleneksel matematiksel yöntemle ulaşmamız çok daha uzun sürecekti...

MAXWELL’İN CİNİ

Termodinamiğin ikinci yasasının bir sonucu olarak,yüksek sıcaklıktaki cisimler,ilişki halinde oldukları düşük sıcaklıktaki cisimleri ısıtabilirler;ama düşük sıcaklıktaki cisimler,kendilerinden daha düşük sıcaklıktaki cisimleri ısıtamazlar.Eş sıcaklıktaki cisimlerde,bu dengelerini dış bir etken olmadıkça,sonsuza değin korurlar.Söz gelimi masanın üzerine bıraktığınız bir fincan ılık kahvenin kendi kendine kaynamasını bekleyemezsiniz.

James Clerk Maxwell bu yasayla ilgili tartışmaları boyut kazandırmak için bir düşünce deneyi önermiş:Deneyinde dış dünyayla ısı alışverişi tamamen kesilmiş,birbirlerinden de yalıtkan bir duvarla ayrılmış iki oda düşlememizi istiyor.Odaların sıcaklıkları başlangıçta eşit.

Düşünce deneyimize göre,aradaki duvarın ortasında minik bir kapı var ve bu kapıya bekçilik yapan minik birde cin:”Maxwell’in cini”...Cin kapıyı sürekli açık tutacak olsaydı odaların sıcaklıkları hiç değişmeyecekti.Ancak Maxwell’in cini ortamdaki hava moleküllerini inceleyerek hızlarını sürekli karşılaştırıyor.Soldaki odadan kapıya doğru gelen hızlı bir molekül gördüğünde kapıyı aniden açıp kapayarak,sağdaki odaya geçmesine izin veriyor.Cin bu işi sürdürecek olursa,sağ taraf gitgide ısınacak sol tarafta soğuyacaktır.

Maxwell’in cinini termodinamiğin 2.yasasını çiğnediği ortada.Cinin çok küçük olduğunu ve işini,hareket için neredeyse hiç enerji harcamadan yaptığını düşünürsek,bunu nasıl başarıyor?Maxwell deneyini tartışmaya yol açacak şekilde tasarlamıştı ve cini bugüne değin farklı yerlerde farklı biçimlerde tartışıldı da.

İki oda ve ortadaki cini bir sistem olarak ele alabiliriz.Termodinamik açısından bu sistemin tuhaflığı,giderek daha düzenli hale geliyormuş gibi göründüğüdür.Teknik ifadesiyle”bu sistem entropi üretmiyor.”gibi görünüyor.Bu sonuca sadece moleküllerin dağılımına bakarak varıyoruz.Sorunun yegane çözümü,cinimizin sistemin geri kalanının aksine çok fazla entropi ürettiği sonucuna varmaktır.Bunun bir açıklaması cinin,tüm moleküllerin hızlarını aklında tutup ortalamanın üzerinde hıza sahip olanlarla diğerlerini ayırdetmeye çalışırken beyninin çok fazla çalıştığı ve bu sırada çok fazla entropi ürettiğidir.O kadar fazla ki,sonuşta,sistemin bütünüde entropi üretiyor duruma geliyor.



GAMA IŞINI MİKROSKOBU

Belirsizlik ilkesi,modern fiziğin en önemli yapıtaşlarında biridir.Heisenberg,ortaya attığı belirsizlik ilkesini savunmak için 1927’de,en az desteklediği ilke kadar ün kazanacak olan Gama-ışını Mikroskobu düşünce deneyini kurgulamıştı.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin çürütülebilmesi için bir parçacığın,sözgelimi elektronun yer ve momentumunun aynı anda tam olarak saptanabilmesi gerekiyor.Heisenberg düşünce deneyinde,bu amacı gerçekleştirebilecek düşsel bir mikroskop kurguluyor.

Bir parçacığın yerinin saptanabilmesi için,kullanılacak ışının dalga boyunun,parçacığın boyutlarından daha küçük olması gerekir.Bu nedenle,görünür ışıkla çalışan mikroskoplar(1/1000000 ) metreden daha küçük şeyleri gösteremezler.

Heisenberg,bir elektrona mikroskopta bakmak için dalga boyu (1/10000000000)dan daha küçük olan gama ışınlarını kullanmayı önermişti.Ne var ki,bir parçacığın momentumu dalga boyuyla ters orantılı olduğu için bu seferde gama parçacığının momentumu elektronunkinden çok daha yüksek olacaktı.Bir elektrona bir gama parçacığı çarpacak olursa,elektron önceden kestirilemeyek bir yöne fırlayıp gider.Bu yüzden,mikroskobun çalışması,en uygunmuş gibi görünen gama parçacığı kullanılıyor olsa bile olanaksızdır.

FOTON TARTISI

Einstein,Heisenberg’in belirsizlik ilkesini akla yatkın bulmuyordu.Belirsizlik ilkesini çürütecek tartışma götürmez bir düşünce deneyi kurgulayabilmek için çok uğraşmıştı.Bu süre zarfında belirsizlik ilkesinin savunucusu Bohr’la defalarca karşı karşıya gelmişlerdi.

1930 yılında Einstein katıldığı bir kongrede belirsizlik ilkesini çürütüyormuş gibi görünen bir düşünce deneyi önerdi.Bir yayın ucuna asılıp sarkıtılmış kapalı bir kutu kurgulamıştı.Kutunun yüksekliği yüksek duyarlılıkla ölçülebiliyor,böylece ağırlığı kolayca hesaplanabiliyor olacaktı.Einstein’in tasarladığı kutunun içi dışarı kaçmaya çalışan fotonlarla doluydu.Kutunun bir ucundaki,tek bir fotonun kaçmasına izin verecek kadar küçük bir deliği kapatan duyarlı bir zamanlama düzeneği düşlemişti.Saat belli bir anda kapıyı ancak tek bir fotonun kaçmasına izin verecek hızda açıp hemen kapayacaktı.Bu işlemin sonucunda kutunun yüksekliği değişecek,böylece kaçan fotonun enerjisi ve tam olarak hangi anda kaçtığı ölçülmüş olacaktı.Einstein’in kendi formülü =m.c^2 buna olanak tanıyordu.

Düşünce deneyi görünüşte inandırıcıydı.O gecenin Bohr’un en endişeli gecesi olduğu anlatılıyor...Ne var ki ertesi gün Bohr,Einstein’in kurgusunda bir hata yakalamış olmanın gururuyla,mutlu bir yüz ifadesiyle söz aldı.Einstein’i kendi görelilik kuramıyla çürütecekti.

Bohr,düzeneğin bir fotonun ağırlığını ölçebilmesi için çok esnek bir yaya asılmış olması gerektiğini açıkladı.Bununda ötesinde yay olağanüstü bir uzunluğa sahip olmalıydı ki,makro ölçekte ve duyarlılıkta ölçebilecek kadar hızlı bir harekette bulunacaktı.Böyle bir hareket,kutunun fotonun haricinde kalan kütlesinin ve saatin doğruluğunu Einstein’in kuramlarına göre tehlikeye sokacak ve kaçınılmaya çalışılan belirsizliği bizzat doğuracaktı.Einstein bu eleştiriyi kabullendi ve düzeneğindeki kusuru düzeltecek yeni bir çeşitleme bulamadı.



SCHRÖDİNGER’İN KEDİSİ

Kuantum fiziği tarihinin belki de en ünlü düşünce deneyi,Schrödinger’in kedi paradoksudur.Schrödinger,paradoksunda,kuantum mekaniksel bir parçacığın iki farklı durumu aynı anda eşit olasılıkla taşıyabilme yeteneğini kullanıyor.”İki halin üst üste gelmesi”makro dünyaya yansıtıldığında içinden çıkılmaz bir sorun meydana getiriyor.

Düşünce deneyinde,bozulup bozunmadığı dışarıdan bilinemeyecek,uyarılmış bir atom ile bir kedi aynı kutuya kapatılıyor.Atom bozunacak olursa bir tetikleme mekanizması aracılığıyla bir siyanür şişesini kıracak ve kediyi öldürecektir.Kuantum mekaniğin kapsamında son derece sıradan diye nitelendirilecek biçimde,atom,hem bozunmuş,hem de bozunmamış sayılabiliyor.Bundan yola çıkarak kendiside atomlardan oluşan kediyi de hem canlı hem ölü kabul edebilir miyiz?Henüz kimse bu soruya herkesi tatmin edecek bir cevap bulamadı.