Atalet (Eylemsizlik) Nedir? Cisimlerin Doğasıyla ve Sağduyularımızla İlgili Bize Neler Söyler?

Dünya'yı gözlemek ile Dünya'yı anlamak farklı şeylerdir. Sağduyu bir şeydir, çevremizde süregelen olayları bilimsel bir şekilde, gerçeğe en yakın olacak şekilde açıklamak ise bambaşka bir şeydir. Büyük oranda sağduyularımız gerçekleri yansıtır; ancak süreçlerin görünmeyen yüzlerine ve detaylarına girmeye başladıkça, sağduyularımızın "olması gerektiğini söylediği" şeylerle "gerçekte olan şeyler" tamamen farklı bir hal almaya başlar.

Bunun en güzel örneklerinden birini Facebook üzerinden buraya tıklayarak, YouTube üzerinden buraya tıklayarak izleyebileceğiniz, Brian Cox tarafından hazırlanan bovling topu ile tüylerin aynı anda, aynı yükseklikten bırakıldığında hangisinin önce düşeceğiyle ilgili videodur. O videoda yüzleşeceğiniz sıra dışı bir gerçeğe, etrafımızdaki cisimlerin hareketiyle ilgili bir diğer konuda daha rastlıyoruz: Eylemsizlik (atalet) konusunda... Newton'un Birinci Yasası şöyle der:

Eğer bir cismin üzerine etki eden net/toplam kuvvet sıfır ise, durmakta olan bir cisim durmayı, hareket etmekte olan bir cisim ise aynı yönde ve hızda hareket etmeyi sürdürür.

Fizikte bu, "eylemsizlik" ya da "atalet" olarak tanımlanır. Daha basit bir tanımıyla eylemsizlik, cisimlerin o anda bulundukları hareket durumunu korumaya olan eğilimleridir. Duran bir cisim durmayı sürdürmek ister. Hareket halindeki bir cisimse aynı şekilde hareket etmeyi...

Bunu bu şekilde söyleyince sanki cisimler bunu "bilinçli bir şekilde" yapıyormuş gibi anlaşılıyor olabilir; elbette böyle bir durum söz konusu değil. Yanlışlıkla elinizin çarpması sonucu masanıza dökülen suyun, masanın kenarından aşağı akmaya meyilli olması (ama yukarı akmaması) gibi, cisimlerin hareket konumlarını sürdürme eğilimleri de tamamen temel fizik yasalarının dikte ettiği bir durumdur. 

Sağduyumuz eylemsizliği genellikle "fren-gaz ilişkisi" ile bilir (okullarımızdaki eğitimin de bunda etkisi büyüktür). İçinde bulunduğunuz araba birden gaza bastığında, geriye doğru savrulursunuz. Çünkü fiziksel bir nesne olarak vücudunuz, halen bulunduğu yerde kalmak "istemektedir"; ancak içinde bulunduğunuz ve fiziksel olarak bağlı olduğunuz araba "ileriye doğru" hareket etmeye başlamıştır. Bu nedenle vücudunuz, adeta "arabanın gidişinin gerisinde kalarak" geriye savrulur.

Benzer ama aksi şekilde, sabit bir hızla giden araba içerisinde ne zaman fren yapılacak olsa, vücudunuz ileri savrulur. Çünkü arabanın hızıyla eşit hızda ileriye doğru gitmekte olan vücudunuz, fren sonrasında da bu hareketi sürdürmek "ister". Bu da, araba giderek yavaşlarken, vücudunuzun halen aynı hızla devam etmeye çabası nedeniyle öne gitmenizle sonuçlanır. Tabii iki durumda da, poponuzu koyduğunuz koltuğun neden olduğu sürtünme kuvveti dolayısıyla bu "istek" çok uzun sürmez ve kısa sürede dengelenerek eşitlenir. Araba yavaşlamayı veya hızlanmayı bıraktığı anda, vücudunuz da bu sürtünme kuvvetinin etkisiyle yeni duruma adapte olur ve araba ile bir bütün olarak hareketini sürdürür. Eğer ki sürtünme kuvveti olmasaydı, bir arabanın içerisinde oturup, onunla birlikte seyahat etme imkanınız olmazdı. 

Burada odaklanmak istediğimiz konu ise daha ziyade, etrafımızdaki cisimler ile onların üzerine etki eden kuvvetler arasındaki ilişkilerin, sağduyularımızı nasıl kandırdığı üzerinedir. Sağduyu dediğimiz şey, olaylara en basit ve düz mantık açıklamaları yapmaya genetik olarak, evrimsel süreç içerisinde proglamlanmış bir "çözümleme algoritmasıdır" diyebiliriz. Bu nedenle de, sıklıkla yanılır. Çünkü etrafımızdaki her olay, göründüğü kadar basit değildir.

Cisimlerin Hızlarını Değiştirmeye Karşı Direnci...

Örneğin, bir alışveriş arabasını ele alalım. Bunu itmeye başladığınızda, elinizdeki atomlar, alışveriş arabasının tutacak kısmındaki atomlara bir kuvvet uygular ve bu kuvvet, alışveriş arabasının tekerlekleri ile yer arasındaki sürtünme kuvvetini yendiği anda, araba ileri gitmeye başlar. Buraya kadar sorun yok, sıradan bir gerçek. Ancak çoğumuzun sağduyusu, arabanın bir kere hareket ettirildikten sonra, hareketine devam etmesi için bir "teşvik" olarak kuvvetin uygulanmaya devam etmesi gerektiğini düşünürüz. Ki bu, yüzeysel olarak baktığımızda doğrudur. Hepimiz, arabayı itmeyi bırakırsak bir miktar daha gidip duracağını biliriz. Hatta bunun sürtünme kuvveti nedeniyle olduğunu da biliriz. Belki bir kısmımız, sürtünme olmasaydı o aracın sonsuza kadar gideceğini de öngörecektir. Fakat çoğumuz, bunu eylemsizlik prensibiyle ilişkilendirmekte güçlük çekeriz. Şöyle ki:

Bu alışveriş arabasıyla yaptığımız basit düşünce deneyi, bize cisimlerle ilgili çok tuhaf bir gerçeği vermektedir: aslında fiziksel bir cisim, yapısı gereği "durmaya çalışan" bir varlık değildir. Fakat çoğumuz etrafımızda süregelen olayları böyle düşünürüz: "Hareket halindeki her cisim, durmaya meyillidir." deriz. Durmayan cisimlerin durmama nedeninin ise, "durma isteğine karşı koyan bir kuvvetin varlığı" olarak değerlendiririz. Halbuki tam tersine, cisimler durmak değil, hareketlerini sonsuza kadar sürdürmek isterler! Onları "durduran" şey, yapıları değil, üzerlerine etki eden sürtünme ve direnç (hava direnci gibi) kuvvetleridir! Burada çok ufak bir nokta olduğunun farkındayız; ancak eğer o noktayı yakalayabilirseniz, fiziksel dünya ile ilgili sağduyularımızın ne kadar yüzeysel temeller üzerine oturtulduğunu fark edebilirsiniz.

Atalet, Cisimlerin Hareket Gösterdiği Dirençtir!

Bu açıdan bakıldığında ataleti bir diğer şekilde de tanımlayabiliriz: Atalet, cisimlerin hareket etmeye karşı gösterdiği dirençtir. 

Burada, yine sağduyularımızın yüzeyselliğinden ötürü gözden kaçırdığı bir nokta karşımıza çıkar: Bir su şişesini, içindeki suyu içmek üzere elinize alıp, ağzınıza götürmeye çalıştığınızda, şişenin daha siz ona kuvvet uyguladığınız anda harekete geçtiğini sanarız. Halbuki ağır çekimde izlenecek olursa, kaslarımız kasılıp, kuvveti uygulamaya başladıktan sonra birkaç milisaniyeliğine şişe yerinden hareket etmez. Biz ona kuvvet uygularız, ancak şişe olduğu gibi durmaktadır!

Bunun nedeni, şişenin kütlesinden ötürü sahip olduğu ağırlığı yenmek için, belli bir kuvvet seviyesine ulaşmamız gerekmesidir. Elbette, şişe çok hafif olduğu için, neredeyse anlık olarak bu ağırlık kuvvetini yenebiliriz ve şişe hareket eder. İşte şişenin durduğu noktadan harekete geçmek konusundaki "isteksizliğine", atalet (eylemsizlik) denir.

İçinde eski eşyaların bulunduğu 25 kilogramlık bir kutuyu kaldırmaya kalktığınızda, bu ataletin çok daha fazla olduğunu deneyimleyebilirsiniz. Kutunun isteksizliği, şişeninkinden çok daha fazladır. Bu da, cisimlerin kütleleri ile ataletleri arasında bir ilişki olduğunu göstermektedir.

Kütle, Bir Cismin Atalet Miktarıdır!

İşin aslına bakacak olursanız, "kütle" dediğimiz şey, "cismin atalet miktarı"ndan ibarettir! Yine bir sağduyu yanılgısı: Olayları yüzeysel değerlendiren beynimiz, cisimlerin belli bir kütleye sahip olduğu için harekete geçmek istemediklerini düşünmeye yatkındır. Halbuki fiziksel gerçeklik, tam tersini söylemektedir: Cisimlerin ataleti oldukları için, "kütle" dediğimiz şeyi deneyimlemekteyiz.

İşte Higgs Bozonu ve Higgs Alanı gibi modern bilimin keşfetmeyi başardığı gerçekler, bize bunu daha net bir şekilde anlamamızı sağlar: Evren'in tamamı, Higgs Alanı denen bir alan ile sarılıdır. Bu alan içerisinde durduğu yerden harekete geçmeye çalışan (ya da daha doğru ifadesiyle bu harekete "zorlanan") cisimler, bu alanın "yoğunluğuna" karşı koymak durumundadır. Bu tıpkı havada yumruk savurmanın, deniz içinde savurmaktan çok çok daha kolay olması gibidir.

Higgs Alanı'nın farkı, hava gibi büyük moleküllerden değil, ondan yaklaşık 30 milyar kat daha küçük atom altı parçacıklar olan Higgs Bozonu'ndan ötürü böyle bir etkinin oluşuyor olmasıdır. 

Evde Denenmemesi Gereken Bir Deney...

Son olarak, atalet ile kütle arasındaki ilişki en güzel şekilde, evde denememenizi tavsiye ettiğimiz bir deneyle gösterilebilir: Eğer ki bir arkadaşınızı alıp, kafasının üzerine 5-6 tane çok kalın kitap koyup, o kitapların üzerine de bir tahta koyacak olursanız ve tahtaya, çekiç yardımıyla bir çivi çakmaya çalışırsanız, çekicin darbelerini arkadaşınızın hissetmediğini göreceksinizdir.

Sağduyumuz açısından değerlendirecek olursak, eğer ki kitapların yeterince fazla kütlesi varsa, yeterince fazla ataleti (eylem direnci) var demektir. Çekicin şiddetli olsa da çok kısa süre etki eden darbeleri, bu eylemsizlik bariyerine takılacaktır ve kitaplar hareket etmeyecektir. Bu nedenle kuvvet, arkadaşınızın kafasına aktarılamayacaktır. Yani bu, kalın kafalı olmasından değil, basit bir fizik yasasından kaynaklanmaktadır.