Enerji nedir? Enerji kavramı nasıl ortaya çıkmıştır?

Enerji popüler seviyede çoğunlukla tam anlaşılmayan fakat günlük hayatta sık kullanıldığından mütevellit anlaşılmış zannedilen bir konu.

Etimolojik olarak enerji antik yunanca "eylem" anlamına gelen ἐνέργεια (energia) kelimesinden gelir. İlk kullanımı Aristo'ya kadar gider fakat bugünkü anlamda kullanımı ise oldukça yenidir.

Bugünkü enerji kavramı ilk olarak 17. yüzyılda Leibniz tarafından latince "yaşam gücü" anlamına gelen "vis viva" ismi ile ortaya atılmıştır. Leibniz vis vivayı hareket eden bir cismin kütlesi ile hızının karesinin çarpımı olarak tanımlamıştır ve çarpışan cisimlerin vis vivalarının toplamının sabit olduğunu iddia eder.

19. yüzyılın başlarında Thomas Young, Leibniz'in vis viva olarak tanımladığı büyüklüğe ilk defa enerji diyen bilim adamıdır. 19. yüzyılın ilk yarısında bu kavrama Coriolis tarafından kinetik enerji, Rankine tarafından ise potansiyel enerji kavramları eklenir. Ve nihayetinde 1845'te James Prescott Joule'un yapılan iş ile üretilen ısı arasındaki ilişkiye keşfetmesi ile eksik bir parça kalmamış olur. Kısa bir süre sonra, bütün bu gelişmelerin ışığında William Thomson (nam-ı diğer Lord Kelvin) bu kavramları birleştirerek Termodinamiğin temeli sayılabilecek Enerji Korunumu Yasasını ortaya atacak ve kapalı bir sistemde toplam enerjinin değişmeyeceğini öne sürecektir.

Yani 19. yüzyıl biterken elimizde enerji korunumu yasası mevcut olmasına rağmen enerjinin tam olarak ne olduğuna dair veya niye korunduğuna dair hiç bir fikir bulunmamaktadır. Her enerji çeşidi farklı bir hesaplama ile hesaplanan matematiksel bir sayıdan ibarettir ve ne hikmetse bu sayıların toplamı sabittir. O yüzden beklenmeyen her deney sonucuna "acaba enerji korunmuyor mu, burda?" diye yaklaşıp bu mesnetsiz korunum yasasından kurtulmaya çalışan bir kaç fizikçi çıksa da hepsi başarısız olmuştur.

Enerjinin ne olduğu ve neden korunduğunu ise 1918 yılında Emmy Noether (Albert Einstein, Emmy Noether'in matematik tarihindeki en önemli kadın olduğunu söyler.) tarafından bulunmuştur. Matematikte Noether Teoremi olarak bilinen kurama göre herhangi bir sistemde eğer bir simetri varsa bu simetriye karşılık gelen bir korunum vardır. Bunun en bariz ve en basit örnekleri:

1. Fizik kanunlarını dönme simetrisi vardır. Yani deney düzeneğini herhangi bir açı ile döndürdüğünüzde fizik kanunları değişmez. Bu simetri bize nasıl bir korunum getiriyor diye hesaplandığında karşımıza açısal momentum çıkıyor.
2. Benzer şekilde fizik kanunları uzay ötelemelerine göre de simetriktir. Yani deney düzeneği burada da aynı sonucu verir 2 metre ilerde de aynı sonucu verir, 5 km uzakta da aynı sonucu verir. Bu simetrinin korunan büyüklüğünü hesapladığımızda ise karşımıza momentum korunumu çıkar.
3. Fizik kanunları zaman ötelemelerine göre de simetriktir. Yani bugün yapılan deneyle yarın yapılan deney hatta 100 yıl sonra yapılacak deney de aynı sonucu verir. Zaman simetrisi ise bize enerji korunumunu verir.

Tarihsel bağlamda enerji kavramının çıkışı bu şekilde. Dolayısıyla enerji başlı başına bir meta veya nesne olmaktan ziyade sistemin ve/veya cismin uzay-zamanın zaman simetrisinden dolayı korunan büyüklüğü. Yani aslında sadece matematiksel bir hesap. Bilim Kurgu/Fantastik filmlerde gördüğümüz "saf enerji" falan gibi tabirler bilimsel bağlamdan çok uzaktır.

Enerji-kütle ilişkisine bu persfektiften bakınca, özncelikle şunu belirtmeliyiz ki kütle de matematiksel bir sayıdan öte bir şey değil. Kütle çekimden cismin ne kadar etkilendiğini belirleyen bir özellik sadece. (veya kuvvete ne kadar direndiğini* ) Genel görelilikte bütün büyüklükleri tekrardan 4 boyutlu olarak tanımlamak gerekir. Cisimlerin enerjileri kütleleri de dahil ederek tanımlanmaktadır. Uzay zamandaki bükülmeye sebep olan kaynak da bu kütle+enerji olarak tanımlanan bu Toplam Enerjidir. Korunan enerji de bu toplamdır.

Enerji, simetriden ötürü korunan şey demiştik ama görelilikte enerji ve kütlenin toplamı korunuyor (hatta momentum ve enerjiyi ayrı ayrı korumak pek mümkün değil aslında görelilik enerji-momentum vektörü korunuyor demek bilimsel açıdan daha doğru ama neyse) kütleye de çekimden etkilenme katsayısı demiştik ama çekimden etkilenme miktarını (yani uzay-zamanı bükme miktarını) belirleyen de bu toplam. Yani kütle ve enerji aslında aynı şey. Sonuçta ikisi de elle tutulup gözle görülebilen metalar değil sadece bir takım fizik olaylarını anlayıp hesaplayabilmek için ürettiğimiz matematiksel sayılar.

*: Bu iki tanım aslında tamamen iki ayrı kavrama işaret etmesine rağmen bu ikisinin de neden aynı şey olduğu gerçekten çok ilginç bir sorudur. Fiziğe meraklı herkesin mutlaka üzerine düşünüp kafa patlatmasını tavsiye ederim. Bunun ile ilgili çeşitli tartışmaları "Çekim kütlesi - Eylemsizlik kütlesi" (Gravitational mass - Inertial mass) başlığı altında bir çok kaynaktan bulabilirsiniz.