Fizik Nedir?

Maddenin farklı biçimlerini, bu biçimlerin özelliklerini ve geçirdikleri dönüşümleri inceleyen bilim dalı.

Madde ve Geçirdiği Dönüşümler

Başlangıçta madde terimi, katılar ve sıvılar gibi duyular ile algılanabilen ve ağırlık gibi özellikleri olan şeyleri belirtiyordu. Ama fiziğin alanı genişledikçe, madde kavramının kapsamı da genişledi. Günümüzde gazların yanı sıra, dış uzaydaki ve bilim laboratuvarlarında ulaşılan vakumlar da madde kapsamına girmektedir. Bazıları kütle ve belirli konum özelliklerinden yoksun olmakla birlikte, bireysel atom altı parçacıklar, günümüzde maddenin en temel yapıtaşları sayılmaktadır.

Enerji ve momentum gibi niteliklerin alışverişi yoluyla, bilinen madde tipleriyle etkileşime giren her şey, günümüzde geniş biçimde "madde" diye tanımlanmaktadır.

Maddenin fizikçiler tarafından incelenen ilk dönüşümü, "mekanik" adı verilen fizik dalının incelediği hareketti. Hareket yasaları, gök cisimlerinin hareketlerine fiziksel bir açıklama getiren Isaac Newton tarafından XVII.yy'da belirlendi. XIX.yy'da sözgelimi bir sıvı donup katılaştığında oluşan fiziksel biçim değişiklikleri de fiziğin inceleme alanına alındı. Bu tür durum değişiklikleri, "termodinamik" adı verilen fizik dalı tarafından incelenir. Maddenin biçiminde ortaya çıkan değişiklikler, sözgelimi hidrojen ile oksijen birleşip suyu oluşturduğunda gerçekleşen değişiklikler, genellikle, fizikten çok kimyanın konusu sayılır. Ama bu ayrım biraz keyfi bir ayrımdır; çünkü fizik alanında doğan düşünceler, genellikle kimyada kullanılır.

Atomaltı parçacıklar arasında yeni dönüşümler bulunmuştur. Bir parçacık türü, başka bir parçacığa dönüşebilir; parçacıklar yaratılabilir ya da yok edilebilir. "Kuantum alan kuramı" denilen fizik kuramı kullanılarak yapılan atomaltı parçacık tanımlarında, bu parçacık yaratma ve yok etme işlemleri, bütün öbür dönüşümlere çıkış noktası oluşturan temel olaylar sayılır.

Mikrofizik ve Makrofizik

Fizik, önceki satırlarda da belirtildiği gibi, ele alınan konuya göre alt dallara ayrılır. En geniş ayrım, atomaltı parçacıklar ile bu parçacıkların atomlardaki, moleküllerdeki birleşimlerini inceleyen mikrofizik ile günlük yaşantımızda iç içe olduğumuz, atomaltı parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşmuş büyük birimleri inceleyen makrofizik arasındaki ayrımdır.

Bu iki bölümde, farklı deney yöntemleri kullanılır. Mikrofizikte, incelenen nesne, çoğunlukla dolaylı olarak gözlenir; sözgelimi, atomaltı parçacıkların geçiş işaretlerini gözlemek için detektörler kullanılır. Sonuç olarak, gözlemlerin yorumu için kapsamlı kuramsal çözümlemeler gerekir. Bireysel atomaltı sistemlerin çoğu, yalnızca kısa süreyle incelenebilir. Bu nedenle, mikroskopik bir olguyu uzun süre ayrıntılı olarak, hatta fizik yasasının olanak verdiği ölçüde izlemek çok güçtür. Oysa makrofizik alanında, olgular çoğunlukla doğrudan gözlemlenebilir ve olan bitenleri belirlemek için, daha az kuramsal çözümleme gerekir. Üstelik, bireyse sistemler genellikle uzun süre gözlemlenebildiği için, bunların evrimi çözümlenebilir ve çoğunlukla önceden kestirilebilir.

Geçerli yasalar bakımından da mikrofizik ve makrofizik arasında farklar vardır. Mikrofizikte temel yasalar, istatistiksel tanımlamalar yapan kuantum mekaniği yasalarıdır. Bu yasalar yalnızca, radyoaktif bozunmalar gibi bireysel olaylarla ilgili olasılıkların önceden kestirilmesine olanak sağlar. Mikrofizikteyse, Newton'ın hareket yasaları gibi temel yasalar kesindir ve ilke olarak, bireysel olaylar konusunda doğru öngörülerde bulunabilir. Yine de, bazı makroskopik sistemlerde, çok sayıda nesneyi tek tek ele almanın güçlüğünden dolayı, istatistiksel yöntemlerin ele alınması gerekir.

Fizik Yöntemleri

Öbür bilimler gibi fizik de, çeşitli bilimsel yöntemlerden yararlanılır. Fiziğin uzun bir tarihçesi olduğu için, bu yöntemler arasındaki ayrımlar belirginleşmiştir.

deneysel fizik

Genellikle deneylerin amacı, özgül sayısal veriler elde etmektir. Bazen, alınan sonucun niteliksel yanı ağır basar ve deney, yepyeni olguların tanınmasına yol açar. Fizikçiler, doğanın özgül yanlarını araştırmak için çok çeşitli teknikler uygularlar. Bunların birçoğunda, fizik alanındaki önemli buluşların ürünleri olan araçlar kullanılır; parçacık hızlandırıcılar, lazerler ve nükleer magnetik rezonans detektörleri gibi araçlar örnek gösterilebilir.

kuramsal fizik

XIX. yy. sonlarına kadar, deneysel ve kuramsal fizik arasında açık bir ayrım yoktu. Ama XX. yy. başlarında bir tür işbölümü ortaya çıktı. Sözgelimi, Max Planck ve Albert Einstein gibi bilim adamları, bütünüyle kuramsal çalışma yapan fizikçilerdi. Deney yapmak için hiçbir ciddi girişimde bulunmadılar; onun yerine, çalışmalarını, doğadaki geniş alanları aydınlatan genel ilkeler aramaya yönelttiler.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Kuramsal fiziğin amaçlarından biri, kuantum mekaniği yasaları gibi iyi bilinen yasaların, özgül fizik ile ilgili yansımalarını belirlemektir. Daha yüksek bir düzeyde, kuramsal fizikçiler, çeşitli olguları kapsayan genel yasalar ararlar ve bu yasalara dayanarak yeni olguları öngörmeye çalışırlar. Kuramsal fizikçiler, çalışmalarında çoğunlukla yüksek matematikten yararlanırlar; bu matematiğin yardımıyla, geliştirdikleri kuramların sonuçlarını belirlemeye ya da bazen, genel görelilik kuramında olduğu gibi, sonuçları kuramların doğru biçimine yöneltmeye çaba gösterirler.

simülasyonlar

Yakın dönemde, fiziğin bazı alanlarında yeni bir teknik kullanılmaya başlanmıştır; bu teknik, hem kuramın hem de deneyin özelliklerini taşıyan, nesnelerin bilgisayarlı modelini oluşturmak ve süreçlerin benzerini (simülasyon) yapmaktır. Karmaşık deneysel olgularla ilgili simülasyon çalışmalarında, belirli kuramlar uygulandığında gözlemlenecek şeyleri çıkarsamak için bilgisayarlar kullanılır. Beklentilerin doğru olup olmadığını anlamak için, sonuçlar ile somut veriler karşılaştırılır. Karmaşık kuramların simülasyonlarında, kuramın basitleştirilmiş bir çeşidi, bilgisayar hesaplamalarıyla çözümlenir. Elde edilen sonuç, kuramın bütün olarak ifade ettiği şeylerle ilgili yeni anlayışlar kazanılmasına katkıda bulunur. Simülasyon uygulamalarının yaygınlaşması, fizikte kuram ile deney arasındaki standart ayrımı gün geçtikçe azaltmaktadır.

Fizikte Temel Düşünceler

Fizik alanındaki buluşlar, doğal olguların çoğunun birkaç temel kavramla ve yasayla anlaşılabileceğini göstermiştir. Bunların bazıları günlük makroskopik olgularda, bazılarıysa yalnızca mikroskopik dünyada ortaya çıkar.

parçacıklar

Dünyanın, hareket halindeki küçük nesnelerden oluştuğu düşüncesinin geçmişi, Demokritos'un atom kuramına kadar uzanır. Söz konusu küçük nesneler "parçacıklar" diye adlandırılır. Parçacıkların, elektrik yükü, kütle gibi bazı değişmez özellikleri ve konum, enerji gibi değişken özellikleri vardır. Karmaşık nesneler, bir ya da daha çok parçacık tipinin birleşmesinden oluşur. Karmaşık nesnelerin özelliklerinde ya da davranışında gerçekleşen değişiklikler, bunları oluşturan parçacıkların uzay içindeki hareketlerinden ya da değişken özelliklerinde ortaya çıkan başka değişikliklerden ileri gelir. Kuantum kuramına göre, aynı parçacığın farklı örneklerinin, sözgelimi iki elektronun, değişmez özellikleri aynı olduğu için, bunlar birbirinden ayırt edilemez. Kuantum kuramı, parçacıkların dalgayı andıran yepyeni bir davranışı bulunduğunu da ileri sürmektedir.

uzam ve zaman

Fiziksel nesnelerin içinde hareket ettikleri bir alan olarak uzam kavramı, Eskiçağ'da ortaya atılmış bir düşünce olan boşluk düşüncesinden doğmuştur. Eski fizikçiler, zamanın herhangi bir özelliği bulunmadığını düşünüyorlardı. Rönesans'ta ve daha sonra sağlanan gelişmeler, uzamın, fizikte kavrandığı gibi, süreklilik, geometri, üçboyutluluk, vb. özellikleri bulundurduğunun anlaşılmasına yol açtı. Başlangıçta bu özellikler, değişmez kabul edildi; ama Einstein'ın çalışmalarıyla fizikçiler, içerdiği maddeye bağlı olarak uzamın özelliklerinin değişebileceğini kavradılar.

İnsanların algısından bağımsız varlığı bulunan bir akış olarak düşünülen zaman, fiziksel değişikliklerin gerçekleşmesi için gerekli görünmektedir. Eski fizikçiler zamanın herhangi bir özelliği bulunduğunu düşünmüyorlardı; ama daha sonra, zamanın görünür tek boyutluluğu gibi bilinen olguların, somut bir varlıkla ilgili olduğu kavrandı. Yine, genel görelilik kuramına göre, zamanın bazı özellikleri, madde içeriğine bağlı olarak değişir. Einstein, geliştirdiği özel görelilik kuramında, zaman ve uzam arasında önemli bir bağlantı belirlemiştir; buna göre, uzam ve zaman aralıklarına ilişkin öngörüler, gözlemcinin hareketine bağlıdır. Bu düşünceden yararlanan Hermann Minkowski, üç boyutlu uzam ve tek boyutlu zamanla ilgili ayrı düşüncelerin yerine, dört boyutlu uzam-zaman sürekliliği düşüncesini ortaya koymuştur.

hareket ve evrim yasaları

Birçok fizik yasası, sistemlerin zamanla nasıl değiştiğini tanımlar. Bu yasalar, çoğunlukla, bir niceliğin öbür niceliklere göre değişme oranını gösteren diferansiyel denklemlerdir. Bu denklemler çözülerek, daha sonraki bir zamanda değişen nicelik, kendisinin ve başka niceliklerin daha erken bir zamandaki değerleri açısından hesaplanabilir. Bunlara, "ilksel koşullar" denir. İlksel koşullar kesin olarak bilinirse, sistemin zaman içindeki evrimi önceden kestirilebilir. Bu evrim, ilksel koşullara son derece duyarlı olabilir ve olabilecek küçük bir belirsizlik, sistemin evriminde hızla bir belirsizliğe yol açabilir.

korunum ve bakışım yasaları

Neyin aynı kaldığını bilmek, neyin değiştiğini bilmek kadar önemlidir. Bunun yanıtını, bir sistem evrimleşirken zaman içinde değişmez kalan nicelikleri belirten yasalar verir (korunum yasaları). Açısal momentumun ve elektrik yükünün yasaları buna örnek verilebilir. Enerji dışında, korunan niceliklerin çoğunun yalnızca bir biçimi vardır; ama korunan nicelik, sistemin bir öğesinden öbürüne taşınabilir. Korunum yasalarının kaynaklandığı olgu, fiziksel sistemleri tanımlayan yasaların, sistemlere farklı açılardan bakıldığında değişmeden kalmasıdır. Görelilik kuramında ve kuantum fiziğinde çok büyük rol oynayan bu tür bakışım düşünceleri, yasaların sınırlandırılmasında ve sonuçlarının çıkarsanmasında kullanılır.

alanlar

Her nesne, çevresindeki uzamı etkiler ve bu değişen uzam koşulu, öbür nesne üstünde bir güç oluşturur. Bu etkinin gerçekleştiği uzam, elektriksel ya da manyetik alan içeren bir uzam olarak tanımlanır.

kuantumlama

Kuantum öncesi fizikte, fiziksel niceliklerin sürekli değişen büyüklükleri bulunduğu varsayılıyordu. Günümüzde atomaltı parçacıklara oranla bayağı cisimlerin büyüklüğü dikkate alınarak, birçok nicelik için bunun bir yanılgı olduğu kabul edilmektedir. Kuantum kuramına göre, bazı nicelikler yalnızca, çoğu kez basit tamsayılarla tanımlanan belirli kesikli değerler alırlar. Bu kesiklilik ve ilgili matematik kuralları, "kuantumlama" olarak adlandırılır. Bir sistemin kuantum tanımı, çoğunlukla, uygun kuantumlama kurallarının katkısıyla, ilgili Newton tanımlamasından elde edilebilir.

Günümüzde ve gelecekte fizik

Fizik, birçok doğrultuda genişlemesini sürdürmektedir. Karmaşık sistemlerin evrimi ve düzenin gelişmesi, günümüzdeki ilgi alanlarıdır. İlk evren ile atomaltı parçacıkların özellikleri arasındaki ilişki de başka bir yoğun araştırma alanıdır. Genel görelilik kuramı ile kuantum kuramının kaynaştırılabileceği umuduyla, kuantum alan kuramı yerine yeni bir tanınmlama koyma çabaları, ciddi olarak incelenmektedir. Aynı zamanda, taramalı elektron mikroskopu gibi deneysel teknikler, günümüzde fizikçilerin maddeleri atom düzeyinde gözlemlemelerine olanak sağlamaktadır.