Newton Yasaları ve Newton'un Kütleçekim Teorisi Üzerinden Bilimsel Hipotezleri, Teorileri ve Bilimsel Yöntemi Anlayın!

Newton'un etrafındaki cisimlerin hareketlerini açıklamak amacıyla geliştirdiği teorisi ve sonrasında yaşananlar, bilim tarihinden yola çıkarak bilim felsefesini anlamak açısından harika bir örnektir. Ancak bu örnek üzerinden bilimsel teorileri, kanunları ve hipotezleri ele almadan önce, bir hipotezin en temel özelliklerinden birinin neden yanlışlanabilir olması olduğunu ele almakta fayda vardır. Böylece Newton'un geçtiği basamakları daha iyi anlayabilir ve bilimin nasıl icra edildiğini daha net bir şekilde kavrayabiliriz.

Bilimde Yanlışlanabilirlik Neden Önemlidir?

Bu serinin önceki yazılarında anlattığımız gibi bilim, etrafımızda süregelen olay ve olgulara "Ne?" sorusunun sorulmasıyla başlar. Şöyle bir hayali durum varsayalım: Yaşadığımız bölgedeki veya en azından günlük yaşantımızda gördüğümüz kedilerin hepsi, bir sebeple siyah renkte olsun. Öyle ki, bir noktadan sonra artık etrafınızdaki tüm kedilerin siyah renkli olduğundan şüphe etmeye başladığınızı hayal edelim. Bu noktada soracağınız soru, şu olmalıdır: "Kediler, ne renktir?" Bu, ilk etapta çok kapsamlı bir soru olabilir. Bu nedenle daha kısıtlayıcı olması için, aynı soru şöyle de sorulabilir: "Etrafımızdaki kediler ne renktir?"

İşte bu soruya, geçici bir cevap vermek gerekirse, yaptığımız çok ilkin gözlemlerden ve genel bilgilerimizden yola çıkarak şu cevabı verebiliriz: "Etrafımızdaki kediler siyahtır."

Bu, bilimsel bir olguya işaret eder; ancak bütün kedileri tek tek kontrol etmeden bunu kesin bir dille ilan etmek mümkün değildir. Bu nedenle, etrafımızdaki kedilerin bir nedenle siyah olması gerektiğini düşündüğümüzü varsayalım. Bu sayede, bir gereksinim ileri sürerek, bir hipotez geliştirebiliriz. Bu hipotez, şöyle olabilir: "Etrafımızdaki kediler, siyah olmalıdır." İşte bu, bilimsel bir hipotezdir. Çünkü hem test edilebilir, hem de yanlışlanabilir özelliktedir.

Bir bakalım: Test etmek için, etraftaki kedilerden örnekler toplanabilir veya doğal ortamlarında gözlenebilirler. Bunun için basitçe etrafta dolaşmak ve kedileri aramak yeterlidir. Bunu yapan biri, birçok renkte kedi görebilir. Belki de, bizim onu tespit etmemizden tamamen bağımsız olarak, yani hakikaten etrafımızdaki bütün kediler bir sebeple siyah olabilir; örneğin etrafımızdaki kedi popülasyonunun tamamı, aynı siyah anne-babadan doğmuştur ve bunların hiçbiri genetik olarak farklı renge sahip olamamaktadır. Bu, bir olasılıktır ve etrafımızdaki kediler gerçekten siyah renkteyse, bu tür bir genetik iddiada bulunarak, bu rengin altında yatan nedene yönelik ikincil bir hipotez geliştirmiş olmaktayız. Şimdi bu ikincil hipotezi bir kenara bırakalım ve aslen merak ettiğimiz hipoteze odaklanalım: "Etrafımızdaki kediler, siyah olmak zorunda mıdır?" Burada önemli olan, birkaç siyah kedi bulduktan sonra hemen bu sonucu "nihai" olarak ilan etmek yerine, bu argümanı test etmek ve hipotezi yanlışlamaya çalışmaktır. 

Bunun çok basit bir nedeni vardır: Etrafınızdaki sadece siyah renkli kedileri bulup, onları gösterip, "Bakın, bu kedi siyah. Bu kedi de siyah. Bu kedi de siyah..." şeklinde bir süre saymanın, yani argümanı doğrulama üzerinden ilerlemenin, bilimsel sürece pek bir faydası yoktur. Evet, her seferinde bir diğer kediye bakıp, onun da siyah olduğunu görmek sizin hipotezinizi bir müddet güçlendirir; sonuçta zayıf bir tahminde bulunmadığınızı, dayanaklı bir argüman ileri sürdüğünüzü ve çevrenizdeki olayların bu argümanınızı görünüşte destekliyor olduğunu fark etmenizi sağlar. Ama isterseniz 1000 tane siyah kedi bulun, etrafınızdaki tüm kedilerin siyah olduğunu iddia etmek için bu yeterli olmayacaktır. Öte yandan eğer 1 tanecik bile beyaz kedi bulabilirseniz, hipoteziniz direkt olarak yanlışlanmış olur ve yeni bir hipotez geliştirebilirsiniz (örneğin "Etraftaki kediler, genetik havuzları nedeniyle genellikle siyah olmalıdır.").

İşte bu yöntem sayesinde, gerçeğe bir adım daha yaklaşmış olursunuz. Unutmayın! Bilim, gerçeğe ulaşmayı hedefler! Peki Newton, bu yaklaşımı kullanarak etrafındaki cisimlerin hareketlerini nasıl açıkladı dersiniz? Gelin şimdi biraz buna bakalım.

Newton Yasaları ve Newton'un Kütleçekim Teorisi

Milyonlarca insan elmanın düşüşünü gördü; ancak sadece Newton, 'Neden?' diye sordu. - Bernard Baruch

Hepimiz, etrafımızda olan pek çok olayın farkındayızdır; ancak bunlara o kadar alışmışızdır ki, bunları çoğu zaman sorgulamayız. Newton gibi sıra dışı bilim insanları ise, etraflarındaki olan biteni sorgulayacak kadar özgür ve güçlü beyinlere sahiptirler.

Newton, etrafındaki her şeyin yere doğru hareket etmesinin nedenini merak etmiş ve araştırmalar yapmıştır. Bu noktada "Ne?" sorusunun cevabını çoktan vermiştir: "Etrafımızdaki cisimler, yere doğru hareket ederler." Burada, bir bilimsel gerçek/doğa yasası tanımlanmıştır. Ancak bunun nedenlerini ve nasıllarını merak etmesi, onu teoriler geliştirmeye itmiştir. Öncelikle, tezini/kuramını/teorisini geliştirebilmek için, etrafındaki cisimlerin hareketlerine yönelik hipotezler geliştirmesi gerekmiştir. İlerleyişini aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

Newton'un 1. Hareket Yasası: Eylemsizlik/Atalet Kanunu

İlk olarak, "Cisimlerin hareket durumları nelerdir?" sorusunu sormuş ve deneyler, gözlemler, incelemeler ve araştırmalar yaparak bir cevap bulmaya çalışmıştır. Bunun sonucunda bulduğu, cisimlerin ya durduğu ya da hareket ettiği gerçeğidir. Yani bilimsel bir gerçeği ortaya çıkarmıştır: "Cisimler durma halindeyse durmaya, hareket halindeyse hareket etmeye meyillidir."

Sonrasındaysa şu soruyu sormuştur: "Cisimler neden dengede durmaktadır?" İşte bu noktada, artık bilimsel bir gerçekten çıkarak, teori gelişimi başlamaktadır. Çünkü basit bir durum bildiriminin ötesine geçilmekte ve etrafımızda bu şekilde davranan cisimlerin neden o şekilde davrandıkları irdelenmeye başlanmaktadır.

Ancak sırf "Neden?" sorusunu sorduk diye, doğa cevabı birdenbire önümüze serivermez. Newton da sırf bu soruyu sorduğu için, oturduğu yerden cevabı bulmamıştır. Öncelikle kendisi buna bazı olası cevaplar geliştirmiş, sonraysa bu cevapları tek tek test etmiştir. Cisimler üzerine hiçbir dış kuvvet uygulanmazsa (veya uygulanan dış kuvvetlerin net etkisi sıfır ise), o cisimlerin durma halindeyken durmaya, hareket halindeyken ise düz bir çizgi üzerinde hareket etmeye devam etmeye meyilli olduklarını görmüştür. Ancak ne zaman bir cisme kuvvet uygulansa, o kuvvete bağlı olarak belli bir yönde hız kazandığını fark etmiştir. Günümüzde cisimlerin bu hız değişimine direnç göstermesi olayına, yani hareketlerine aynen devam etme meyline Newton'un Birinci Hareket Yasası ya da Eylemsizlik/Atalet Yasası demekteyiz.

Buradaki "yasa" tabirinin, bilimsel bir gerçeğin ifadesi olduğuna dikkatinizi çekeriz. Newton, henüz bu noktada cisimlerin neden bu şekilde davrandığını açıklamış değildir. Yalnızca doğada var olan bir gerçeği, yalın bir şekilde ifade etmiştir.

Pixabay

Newton'un 2. Hareket Yasası: Kuvvet-Momentum Kanunu

Sonrasında, şu soruyu sormuştur: "Cisimlerin yere doğru hareketinde etkili olan unsurlar nedir?" Bu sorusunun sonucunda yaptığı deneyler ve analizler, cisimlerin saniye başına düşen hızlanma miktarı (ivme) ile üzerlerine etkiyen kuvvet arasında, cisimlerin kütlesi üzerinden bir bağlantı olduğunu fark etmesini sağlamıştır. Sonrasında şu soruyu sormuştur: "Kütle ve ivme, cisimler üzerinde oluşacak kuvveti nasıl etkiler?" 

İşte bu noktada, yine bir teori geliştirilmesi şarttır. Bunu, ilk etapta tam olarak bu şekilde olmasa da sonradan, ünlü "F = m x a" (kuvvet eşittir kütle çarpı ivme) formülüyle izah etmiştir. Yani cisimlerin üzerindeki ivmenin, kütlesi sabit kaldığı sürece, cismin üzerine etkiyen kuvvetle doğru orantılı olduğu teorisini geliştirmiştir. Buna, yine tek bir gerçeği, tek bir açıklamaya bağladığı için Newton'un İkinci Hareket Yasası demekteyiz.

Pixabay

Newton'un 3. Hareket Yasası: Etki-Tepki Kanunu

Son olaraksa, "Cisimlerin, harekete karşı ne tepki verirler?" sorusunun cevabını incelemiş ve üzerine herhangi bir kuvvet etki etmeyen cisimlerin, o anda bulunduğu durumu sürdürdüğünü keşfetmiştir. Yani cisimler duruyorsa durmayı, hareket ediyorlarsa hareketlerini sürdürmektelerdir. Daha sonrasında "Cisimler neden harekete bağlı durumlarını sürdürmektedirler?" sorusunu yöneltmiştir. Bunun cisimlerin ataleti ile ilgili olduğunu fark etmiştir.

Bunun en güzel örneği, sabit hızla giden bir otobüsün içerisinde rahatsız olmadan ilerlerken, otobüs aniden fren yapacak olursa ileriye doğru fırlamamız (çünkü bir cisim olan vücudumuz ileri gitmeyi sürdürür), aniden hızlanacak olursa da geriye doğru (çünkü vücudumuz aynı, yavaş hızıyla seyrini sürdürmeye meyleder) fırlamamızdır. Cisimlerin ataleti ile hareketlerinin sürekliliği arasındaki ilişkiye ise Newton'un Üçüncü Hareket Yasası ya da Etki-Tepki İlkesi demekteyiz.

İşte Newton, bu ön gerçeklerden ve açıklamalarından yola çıkarak, cisimlerin neden birbirlerine doğru hareket ettiğine bir açıklama getirmeye çalışmıştır. Bu noktada dördüncü bir adım atılmıştır: 

Newton'un Kütleçekim Teorisi

Newton, şu soruyu sormuştur: "Cisimler, neden yere doğru hareket etmektedir?" Asıl, genel teorisi burada başlar. İlk üç bulgusundan yola çıkarak, cisimlerin birbirine doğru hareketinin, cisimlerin birbirlerine uyguladıkları çekim kuvveti olduğunu ileri sürmüştür. Bu ön analizlerinden başlayarak, yeni sorusuna yeni cevaplar aramıştır. Hipotezler ileri sürmüş, test etmiş, yanlışlananları elemiş, sonunda doğru olduğunu düşündüğü şu sonuca varmıştır: Newton'a göre, az önce de dediğimiz gibi tüm kütleler birbirini eşit ve zıt yönlü kuvvetlerle, kütleleriyle doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak çekmektedirler. İşte bilimde Newton'un Kütleçekim Teorisi olarak bilinen kuram budur. Bu genel bir teoridir; Dünya için uygulanan versiyonuna ise Newton'un Yerçekimi Teorisi denir ("Yer", "Dünya" ile eş anlamlıdır).

Fark edecek olursanız Newton, sadece "ne" sorusunu kullanarak, doğadaki gerçekleri ortaya çıkarmıştır. Sonrasında ise bu gerçeklere "neden" ve "nasıl" sorularını yönelterek, konuya yönelik anlayışını derinleştirmiş, konularla ilgili daha kapsamlı cevaplar geliştirmiştir. Buradaki süreç, "olay ve olguları keşfet", "neden ve nasıllarına yönelik hipotezler geliştir", "hipotezleri yanlışlamak için testler yürüt", "yanlışlayabilirsen yeni hipotezler ileri sür", "yanlışlayamazsan geçerli olarak kabul et ve teoriye ekle" şeklinde özetlenebilir. Zaten bilimsel yöntemin mantığı da budur. Ancak elbette, bunun çok önemli bir sonraki aşaması, meslektaş kontrolü (peer-review) dediğimiz süreçtir. Diğer bilim insanları, bulgularınızı inceler, yeniden test eder, yanlışlamaya çalışır ve düzeltmeleri bildirir. Bu sayede bilim, bir oto-kontrol mekanizmasıyla gelişip, ilerler.

Newton bu açıklamayı ilk ileri sürdüğünde, daha önce hiç bu konuda bir açıklama ileri sürülmediği için, bunun değişmez ve evrensel bir kanun olduğu düşünülmüştür. Bilim camiası da dahil olmak üzere birçok çevre, 300 yıl civarı bu açıklamaları Newton'un Kütleçekim Kanunu olarak isimlendirmiştir. Bu açıklamaların asla değişemeyecek olduğuna inanılmış, konuyla ilgili gerçeğe %100 ulaşıldığı düşünülmüştür. Ne var ki bu düşünce, çok ciddi bir şekilde yara alacak ve bilim camiasının fikirlerini ve terminolojisini tamamen değiştirmesi gerektiğini göstermiştir. Az sonra anlatacağımız sebeplerle, günümüzde bu açıklamalar, tartışmasız bir şekilde Newton'un Kütçekim Teorisi olarak kabul edilmektedir.

Gördüğümüz gibi, etrafımızdaki en sıradan olgu bile bir "teori"dir. Unutmayın, teorilerin hiçbir "güçsüz" ya da "açıklanmamış" ya da "ispatsız" tarafı yoktur. Olsa bile, o kadar çok bilimsel gerçekle ve bulguyla desteklenir ki, bu bilinmezler "henüz açıklanamamış ancak açıklanabilecek olan" kategorisinde yer alırlar ve bilimsel merakı okşamaya devam ederler. Peki neden özellikle "Newton'un" Yerçekimi Teorisi olarak isimlendiriyoruz? Çünkü Newton'unki, bir bilimsel gerçeğe yönelik tek bir bakış açısıdır ve Newton gibi, başka bilim insanları, aynı olguya (bilimsel gerçeğe) farklı bakış açıları getirmişlerdir.

Görelilik Teorisi ve Kütleçekim Yasası

Newton'dan yüz yıllar sonra Einstein, Görelilik Kuramı'nı ortaya atmıştır. Bu sayede, Fizik ve dolayısıyla hayata bakış açımız baştan yaratılmaya başlamıştır. Newton, sadece çevresinde algıladığı hareketleri kullanarak formülasyonlarını yapmıştır. Günlük yaşantımızda en hızlı hareket eden jetler bile saniyede 500 metre (yarım kilometre) ve benzeri hızlarla uçabilmektedir. Işık ise saniyede 300.000 kilometre (en hızlı jetten 600.000 kat hızlı) gitmektedir. Bu hızlarda, Newton Fiziği tamamen kullanılamaz hale gelmektedir. Einstein'ın kendi araştırmaları, hipotezleri, teorik analizleri sonucunda geliştirdiği teori olan Görelilik Kuramı, cisimlerin birbirlerine doğru hareketlerinin sebebinin, birbirlerine uyguladıkları çekim kuvveti değil, büyük cisimlerin uzay-zaman düzlemini bükmesinden ötürü oluşan bir yörünge hareketi olmasıdır. Ancak örneğin bir topun, yeryüzüne çok yakın olmasından ötürü, girmeye çalıştığı yörüngenin merkeze olan uzaklığı o kadar büyüktür ki, top bize yere doğrusal olarak düşüyormuş gibi gelir. Yani Newton'un genel teorisi, belli şartlar altında yanlışlanmış olur. Ayrıca Newton'un İkinci Hareket Yasası'na getirdiği açıklamaların da, sadece ışık hızından çok yavaş hareket eden cisimler için geçerli olduğu anlaşılmıştır. Tüm bunlar, Einstein'ın kuramının, Newton'un kuramına indirdiği darbelerdir. Görelilik Kuramı pek çok alanı etkilemiş ve bilimsel bir gerçek olan cisimlerin birbirlerine doğru olan hareketine tamamen yeni ve daha isabetli bir bakış açısı kazandırmıştır. 

Güçlü Teoriler Nadiren Tamemen Çürürler!

Newton'un Yerçekimi Teorisi çöpe mi gitmiştir? Asla! Gördüğümüz gibi Newton'un Kuramı, sadece belirli çerçevelerde sarsılmış ve yerine daha isabetli olan, ancak yine bilim çevresinden gelen açıklamalar konulmuştur. Dolayısıyla bilim, kendisini düzelten ve geliştiren bir yapıdır. 

Ders Beş: Teoriler neredeyse hiçbir zaman çürümezler. Değişebilirler, gelişebilirler, genişletilebilirler veya daraltılabilirler ama çürütülmeleri çok zordur! Çünkü çürüme potansiyeli olan bir teori, ya çok güçsüzdür/yeni ileri sürülmüştür, ya da bilimsel gerçeklere dayanmıyordur. 

Daha sonraları bazı başka bilim insanları Einstein'ın yolunu açtığı Kuantum Mekaniği Kuramı'nı ortaya atmışlar ve hayata bakışımızı tam anlamıyla değiştirmişlerdir. Newton, açıklamalarını sadece görebildiği dünya için yapmıştır. Bu, başarılı bir açıklama olmakla birlikte, en başarılısı değildir. Einsten ve diğer bilim insanları, nano ve makro dünyayı da hesaba katmıştır. Çünkü artık biliyoruz ki işler, Newton'un kendisini sınırladığı mezo dünyada (bizim, günlük yaşantımızda kullandığımız boyutlar) nano dünyada (atom altı dünyası) ve makro dünyada (evrensel ve astronomik boyutlar) geçerli olmamaktadır. Daha anlaşılır bir tabir kullanalım: Günlük yaşantımızda biz genellikle milimetreden kilometreye kadar olan uzunluk birimlerini kullanırız. Evrimimiz, bu boyutlarda gerçekleşmiştir ve algılarımız da buna göre evrimleşmiştir. Ancak bizim algılayamadığımız bir nanodünya (nanometre, metre'nin trilyonda biri ve daha küçükleri) ve kolay kolay göremediğimiz bir makrodünya (metrenin trilyon katı ve daha büyükleri) vardır. Buralarda işler tamamen tersine dönebilmektedir. Kuantum Kuramı ile Kütleçekim isimli bilimsel gerçeğe bir diğer bakış açısı getirilmiş ve kendisinden önceki iki açıklamadan çok daha isabetli sonuçlara ulaşılmıştır.

Ders altı: Bir bilimsel gerçek, birden fazla teori ile açıklanabilir. Bu teorilerin hepsi eşit derecede başarılı olmak zorunda değildir. Her biri, farklı bir bakış açısı getirir ve farklı koşullarda kullanılabilir olabilir. Hepsinin amacı, gerçeğe daha fazla yaklaşmaktır.

Bu kısımda gördüğümüz şudur: Teoriler, bilimsel gerçekler üzerine kurulurlar ve bilimsel gelişmeler, önceki teorileri geliştirip düzenlememizi sağlayabilir. Teorilerin tamamen çökmesi oldukça güçtür; ancak kısmen veya belirli sınırlar altında etki alanları değişebilir. 

Tüm bu anlatılanlardan anlayabileceğiniz gibi teoriler, bilimsel açıklamalarımızın doruğuna konuşlanmış olgulardır. Üzerlerinde ne kanunlar, ne de bir başka açıklama türü bulunur. Tam tersine teoriler, "kanunlar" olarak da bilinen "doğa gerçekleri"ni bünyesinde barındırır, onları kullanarak açıklamalar yapar. 

Bir sonraki yazımızda, Evrim Kuramı'nı bu bağlamda inceleyecek ve neden bir teori olduğunu daha detaylı inceleyeceğiz.