Paylaşım Yap
Tüm Reklamları Kapat

Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir?

Atomaltı Parçacıklardan, Dev Yıldızlara ve Galaksilere... Olasılılıkların Dünyası'na Hoşgeldiniz!

Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir? unsplash.com
Birçok Parçacıktan Oluşan Galaksimiz
7 dakika
13,862
Tüm Reklamları Kapat

David Goodstein, 1975 tarihli States of Matter kitabının 1. bölümüne şu cümlelerle başlar:[2]

Hayatının büyük bir kısmını istatistiki mekanik araştırmalarına ayıran Ludwig Boltzmann, 1906 yılında intihar etti. Onun çalışmalarını sürdüren Paul Ehrenfest, 1933'te benzer şekilde öldü. Şimdi istatistiki mekaniği araştırma sırası bizlerde.

Bu yazı dizimizde evrendeki en küçük parçacıklardan (atom ve atomaltı parçacıklar), en büyük cisimlere (galaksi ve yıldızlar) doğru bir yolculuğa çıkacağız. Yukarıdaki sistemlerin kaotik davranışlarını, en temel doğa bilimi olan Fizik ile açıklamaya çalışacağız. Tabii bunu da fiziğin alt dalı olan istatistiksel fizik ve istatistik mekanik ile yapacağız.

Galaksiler birçok alt parçacıktan oluşan sistemlerdir. (Makroskobik Yapı)
Galaksiler birçok alt parçacıktan oluşan sistemlerdir. (Makroskobik Yapı)
Unsplash

İstatistik mekanik, mikroskopik yapıyla makroskopik yapı arasındaki köprüyü kuran bir bilim dalıdır. İstatistik Mekaniğe Giriş kitabında Prof. Dr. Bekir Karaoğlu bunu şöyle tanımlıyor:

Tüm Reklamları Kapat

Çok sayıda parçacıktan (atom, molekül, elektron, çekirdek vb.) oluşan sistemlerin makroskobik fiziksel özelliklerini, sistemi oluşturan parçacıkların dinamiğinden yola çıkarak inceleyen fiziğin alt dalına “istatistik mekanik” diyoruz. Sadece basit olasılık varsayımlarından yola çıkarak elde edilen sonuçlar, termodinamik biliminin temelini oluşturduğu gibi, maddenin gözlemlenen kuantum davranışlarını da açıklar. Süperiletkenlik, kara cisim ışıması, bozon yoğunlaşması gibi kuantum olayların anlaşılması, 20. yüzyılın teknolojik atılımlarının itici gücü olmuştur. Maxwell, Boltzmann, Einstein, Gibbs, Fermi ve Dirac gibi büyük biliminsanlarının katkılarıyla gelişen bu bilim dalı fizikte ve evrende oldukça önemli bir yere sahiptir.

İstatistik Mekaniğin Kısa Bir Tarihi

Bu bilim dalı, genelde diğer dallarda olduğu gibi ilginç bir şekilde gelişmiştir. Başlarda pek kabullenilmedi çünkü işin içine olasılıklar giriyor ve klasik determinizm ilkesi çöküyordu. Dolayısıyla ilk zamanlar oldukça tepki gören bu dalın kısaca tarihsel gelişimine bakalım:

Klasik Determinizm ve Mekanik Saatin İçindeki Çarkların Hareketi
Klasik Determinizm ve Mekanik Saatin İçindeki Çarkların Hareketi
Unsplash

19. yüzyıl fizik için devrimlerin olduğu bir yüzyıl olmuştur. Çünkü artık maddeyi oluşturan molekül ve atom kavramları deneysel olarak da gözlemlendiği için makro cisimler mikro özelliklerle açıklanmaya başlanmıştır. Bunun da ilk uygulaması gazlar için olmuştur.

Biliyoruz maddenin hallerinden biri olan gaz hali, katı ve sıvı hale göre daha zayıf moleküler etkileşimlere sahiptir. İşte bu özelliğinden yola çıkılarak, gazları incelemenin daha kolay olacağı ortaya konulmuştur. İlk adım "Gazların Kinetik Teorisi" olmuştur.

Dönemin bilim insanları olan Bernoulli, Joule, Krönig ve Clausius’un ortak çabaları sayesinde gazların atomik ve moleküler bazda yaptığı çarpışmalar ve etkileşimler incelenmiştir. Örnek vermek gerekirse gazın sahip olduğu basınç yada sıcaklık ya da herhangi bir etkileşim, gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjileriyle -yani moleküllerin bir nevi hareket denklemleri ile- ilişkiliydi.

Tüm Reklamları Kapat

Ludwig Boltzmann (İstatistik Mekaniğin Kurucusu )
Ludwig Boltzmann (İstatistik Mekaniğin Kurucusu )
Wikipedia

Peki bu yeni teoriyi sadece gazlara değil de, çok sayıda parçacıktan oluşan tüm sistemlere uyarlamaya çalışırsak ne olur? Bu sorunun cevabı yine o dönemlerde yaşayan Ludwig Boltzmann tarafından verildi. Boltzmann'ın yaklaşımı şu şekildeydi: Gazlar aslında oldukça çok sayıda molekül ve atomdan meydana geliyordu, yani gazlar da çok parçaçıklı bir sistemdi. Dolayısıyla bunu diğer sistemlere de uygulamak teknik olarak mümkün olmalıydı. Ama biliyoruz ki bu parçaçıkların sayısı gerçekten oldukça fazladır. Mesela, bir mol maddede bir Avogadro Sayısı kadar (NA=6.02214199x1023N_A= 6.02214199x10^{23}) atom vardır ki bunun sadece 1 mol olduğunun altını çizelim. O yüzden Boltzmann bunu genelleyebilmek adına istatistiksel bir yaklaşım geliştirdi. 1872 ve 1876 yılında yayımladığı iki makale bunun üzerine olup bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü olan “entropi”nin mikroskobik özellikleriyle hesaplanabileceğini gösterdi.

S=kB.lnΩ\LARGE{S= k_B.ln \varOmega}

Boltzmann’ın bu entropi denklemi, istatistik mekaniğin resmen kurulduğu anlamına gelmektedir.

Artık işin içinde kesinlik yoktu, olasılıklar vardı, çünkü inanılmaz sayıda parçaçıklardan oluşan sistemde ölçümlerdeki kesinliğin ve hatasız ölçümün olamayacağını Kaos Teorisi yazı dizimizde açıklamıştık.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Peki Boltzmann’ın zamanında durum neydi? O zaman hakim görüş Laplace’çı görüştü. Yani herşeyin mekanik bir saat gibi olduğu ve her etkinin kusursuz bir şekilde hesaplanıp bilinebileceği dolayısıyla da klasik determinizm görüşü hakimdi. Bu yüzden Boltzmann’ın olasılıkçı ve istatistiksel yaklaşımı büyük bir tepkiyle karşılandı. Fizik camiası büyük bir çalkalanmanın içindeydi. Hatta termodinamikte çalışmaları olan biliminsanı Lord Kelvin durumu şöyle özetlemiştir:

Işık ve ısının dinamik teorileri üzerinde 19. yüzyılın kara bulutları dolaşıyor.

(Günümüzde evrende her etkiyi ya da parametreyi %100 şekilde hatasız olarak ölçemezsiniz. Ölçümlerde bir takım ölçüm aletlerinin yetersizliğinden ve ayrıca atomik boyutta Heisenberg Belirsizlik İlkesi gereği, bir takım “hatalar ya da eksiklikler” barınmaktadır. Dolayısıyla belirli bir hata payı içinde olasıklılıklar vardır. (Bknz: Kaos Teorisi Yazı Dizisi)

Boltzman’ın öne sürdüğü bu istatistiksel teori maalesef o öldükten sonra kabul görmeye başladı. Tabii bu yeni teori artık bilim camiasında yaygınlaşmaya başlayınca Maxwell de bu konu üzerinde yoğunlaştı. Gazların Kinetik Teorisi üzerine uğraşan Maxwell, Boltzmann’ın teorisi olmadan bunun başarılamayacağını gösterdi ve literatürde ilk defa “istatistiko-mekanik” kavramını kullandı.

Artık Boltzmann ve onun istatistiksel teorisi hakettiği değeri alıyordu. 1902 yılında J. W. GibbsElemantary Principles of Statistical Mechanics” eserini yayınladı ve fizik camiasında yeni bir devir başlamış oldu. Artık olasılıklar vardı!

Bu yeni teoriyle 20. yüzyılın en büyük başarıları olan “Kara Cisim Işıması” ve “Brown Hareketi”, Max Planck ile Albert Einstein tarafından başarılı bir şekilde açıklandı. İstatistiksel yaklaşım oldukça iyi sonuçlar vermekteydi. Bu yaklaşımla diğer bilim insanları (Bose, Fermi, Dirac, Pauli ve Landau) istatistik mekanik yöntemleriyle o güne dek açıklanamayan fizik problemlerini açıklamayı başardılar.

Kara Cisim Işıması
Kara Cisim Işıması
Wikipedia

Sonuç olarak istatistik mekanik fizikte oldukça büyük bir öneme sahiptir. Oldukça da büyük başarıları vardır ve günümüz fiziğinde popüler bir çalışma alanıdır.

Tüm Reklamları Kapat

Neden İstatistik Mekanik?

Yukarıda da değindiğimiz gibi çok sayıda parçacıktan oluşan mikroskobik sistemlerin davranışını incelemek adına istatistiğe ihtiyaç duyarız. Sebebi belli, bunu bir örnekle açıklayalım:

Fizikçiler, klasik mekanikte bir parçacığın hareketini, her tt anındaki xx konum vektörü ile PP momentum vektörüyle tanımlar. Dolayısıyla bunlardan yola çıkarak sistemin hareketini Newton denklemlerini (Langrange ya da Hamiton) çözerek elde ederiz. Örneğin basit bir örnek seçelim, bir bardak suyun içindeki su moleküllerinin hareket denklemlerini elde etmeye çalışalım:

Bir bardak suda yaklaşık Avogadro Sayısı (NA=6.02214199×1023N_A= 6.02214199\times{10}^{23}) kadar molekül vardır. Sadece bir su molekülü için 3 konum (x, y, z) ve 3 momentum (Px, Py, Pz) olmak üzere toplam 6 bileşen vardır. Peki bunu bir bardak suya uyarlarsak o zaman 6×NA=6×6.02214199×1023=10246\times{N_A} = 6\times6.02214199\times{10}^{23} = 10^{24} yaklaşık 102410^{24} tane bilinmeyen karşımıza çıkar. İsterseniz bu sayıyı şöyle ifade edelim: 1 rakamının yanında 24 tane 0 olduğunu düşünün: 1.000.000.000.000.000.000.000.000 bilinmeyen!

Tüm Reklamları Kapat

Bu kadar fazla bilinmeyenin olduğu bir sistemi çözebilir miyiz? Can alıcı soru bu! Prensipte evet çözebiliriz ama bu istemin çözümünü yapmaya günümüzün en güçlü bilgisayarları dahi yetmez. Yetse dahi çok ama çok uzun yıllar alacaktır. Dikkat edelim ki bu sadece bir bardak suyun hareketi! Daha büyük cisimlere ya da sistemlere (makro uzaya) geçmedik henüz.

Sıcak ve soğuk sudaki Brown hareketi
Sıcak ve soğuk sudaki Brown hareketi
Endras Tia Fadhilah (YouTube)

O halde başka bir soru: Peki sistemin davranışını açıklayabilmek için bu kadar sayıda veriye ihtiyaç var mı? Cevap: Elbette yok! Çünkü istatistik mekanik ve termodinamik yasaları “mikroskobik değişkenlerin sadece istatistiksel ortalamaları makroskobik dünyaya yansımaktadır.” diyor. Yani sistemin davranışını betimleyen sıcaklık, hacim, basınç gibi 3-5 değişken bize yeterlidir. Bunların ortalamaları ya da en olası değerleri hesaplanırsa sistemin gelecekteki davranışı için öngörülerde bulunabiliriz.

Evet tüm bunları hesapladıktan sonra elde edeceğimiz sonuçlara ya da öngörülere ne kadar güvenebiliriz? Ne de olsa bunlar birer olasılık, öyle değil mi? Bu da başka bir can alıcı soru!

Cevap, %99,99999 (pentasigma seviyesi) güvenebiliriz; çünkü bu bulunan sonuçlar belirli standart sapma ve hata payı testlerinden yani bir “otokontrol”den geçen sonuçlar.

Tüm Reklamları Kapat

Agora Bilim Pazarı
  • Dış Sitelerde Paylaş

Bir Sistem İstatistiksel Olarak Nasıl İncelenir?

Fizikçiler sistemleri istatistiksel olarak incelemeye başlarken şu adımları takip eder:

• Sistemin makroskobik davranışına sebep olan mikroskobik etkilerin neler olduğunu bulmaya çalışır.

• Sonra bu mikro etkilerin durum olasılıklarını hesaplar.

• En sonunda da bu durum olasılıklarından sistemin makro durumuna geçiş yapar.

Yazı dizimizin bu kısmını toparlayacak olursak; istatistik mekaniğin tarihçesini ve tanımını incelemiş olduk. Dolayısıyla, neden fizikçiler için vazgeçilmez bir araç olduğuna değindik. İleriki yazılarımızda bu konuları daha detaylı olarak incelemeye örnekler vererek devam edeceğiz. Ludwig Boltzmann'ın sözleriyle kapatacak olursak:

Hiçbir şey iyi bir teoriden daha pratik değildir.
Bu Makaleyi Alıntıla
Okundu Olarak İşaretle
46
0
  • Paylaş
  • Alıntıla
  • Alıntıları Göster
Paylaş
Sonra Oku
Notlarım
Yazdır / PDF Olarak Kaydet
Bize Ulaş
Yukarı Zıpla

İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!

Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.

Soru & Cevap Platformuna Git
Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Tebrikler! 26
  • Merak Uyandırıcı! 11
  • Bilim Budur! 8
  • Muhteşem! 6
  • Umut Verici! 6
  • İnanılmaz 5
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 4
  • Korkutucu! 1
  • Güldürdü 0
  • Üzücü! 0
  • Grrr... *@$# 0
  • İğrenç! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  • Prof. Dr. Bekir Karaoğlu. (2012). İstatistik Mekaniğe Giriş. ISBN: 9789750217777. Yayınevi: Seçkin Yayıncılık.
  • ^ D. Goodstein. (2014). States Of Matter. ISBN: 9780486649276. Yayınevi: Dover Publications.
Tüm Reklamları Kapat

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 18/06/2024 22:47:41 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/8362

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Keşfet
Akış
İçerikler
Gündem
Diş Hekimi
Kimyasal Element
Korku
İnsanlık
Nörobilim
Değişim
Neandertal
Şempanzeler
Besin
Doktor
Maymun
Balık Çeşitliliği
Kök Hücre
Homeostasis
Yaşlılık
Viral
Sağlık Personeli
Tardigrad
Enfeksiyon
2019-Ncov
Dalga
Elektrik
Dil
Fobi
Zehir
Aklımdan Geçen
Komünite Seç
Aklımdan Geçen
Fark Ettim ki...
Bugün Öğrendim ki...
İşe Yarar İpucu
Bilim Haberleri
Hikaye Fikri
Video Konu Önerisi
Başlık
Gündem
Kafana takılan neler var?
Bağlantı
Kurallar
Komünite Kuralları
Bu komünite, aklınızdan geçen düşünceleri Evrim Ağacı ailesiyle paylaşabilmeniz içindir. Yapacağınız paylaşımlar Evrim Ağacı'nın kurallarına tabidir. Ayrıca bu komünitenin ek kurallarına da uymanız gerekmektedir.
1
Bilim kimliğinizi önceleyin.
Evrim Ağacı bir bilim platformudur. Dolayısıyla aklınızdan geçen her şeyden ziyade, bilim veya yaşamla ilgili olabilecek düşüncelerinizle ilgileniyoruz.
2
Propaganda ve baskı amaçlı kullanmayın.
Herkesin aklından her şey geçebilir; fakat bu platformun amacı, insanların belli ideolojiler için propaganda yapmaları veya başkaları üzerinde baskı kurma amacıyla geliştirilmemiştir. Paylaştığınız fikirlerin değer kattığından emin olun.
3
Gerilim yaratmayın.
Gerilim, tersleme, tahrik, taciz, alay, dedikodu, trollük, vurdumduymazlık, duyarsızlık, ırkçılık, bağnazlık, nefret söylemi, azınlıklara saldırı, fanatizm, holiganlık, sloganlar yasaktır.
4
Değer katın; hassas konulardan ve öznel yoruma açık alanlardan uzak durun.
Bu komünitenin amacı okurlara hayatla ilgili keyifli farkındalıklar yaşatabilmektir. Din, politika, spor, aktüel konular gibi anlık tepkilere neden olabilecek konulardaki tespitlerden kaçının. Ayrıca aklınızdan geçenlerin Türkiye’deki bilim komünitesine değer katması beklenmektedir.
5
Cevap hakkı doğurmayın.
Bu platformda cevap veya yorum sistemi bulunmamaktadır. Dolayısıyla aklınızdan geçenlerin, tespit edilebilir kişilere cevap hakkı doğurmadığından emin olun.
Ekle
Soru Sor
Sosyal
Yeniler
Daha Fazla İçerik Göster
Popüler Yazılar
30 gün
90 gün
1 yıl
Evrim Ağacı'na Destek Ol

Evrim Ağacı'nın %100 okur destekli bir bilim platformu olduğunu biliyor muydunuz? Evrim Ağacı'nın maddi destekçileri arasına katılarak Türkiye'de bilimin yayılmasına güç katın.

Evrim Ağacı'nı Takip Et!
Yazı Geçmişi
Okuma Geçmişi
Notlarım
İlerleme Durumunu Güncelle
Okudum
Sonra Oku
Not Ekle
Kaldığım Yeri İşaretle
Göz Attım

Evrim Ağacı tarafından otomatik olarak takip edilen işlemleri istediğin zaman durdurabilirsin.
[Site ayalarına git...]

Filtrele
Listele
Bu yazıdaki hareketlerin
Devamını Göster
Filtrele
Listele
Tüm Okuma Geçmişin
Devamını Göster
0/10000
Bu Makaleyi Alıntıla
Evrim Ağacı Formatı
APA7
MLA9
Chicago
A. Kocabaldır, et al. Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir?. (23 Mart 2020). Alındığı Tarih: 18 Haziran 2024. Alındığı Yer: https://evrimagaci.org/s/8362
Kocabaldır, A., Özdil, A. Ş. (2020, March 23). Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir?. Evrim Ağacı. Retrieved June 18, 2024. from https://evrimagaci.org/s/8362
A. Kocabaldır, et al. “Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir?.” Edited by Ayşegül Şenyiğit Özdil. Evrim Ağacı, 23 Mar. 2020, https://evrimagaci.org/s/8362.
Kocabaldır, Anıl. Özdil, Ayşegül Şenyiğit. “Mikro Evrenden Makro Evrene: İstatistiksel Fizik ve İstatistik Mekanik Nedir?.” Edited by Ayşegül Şenyiğit Özdil. Evrim Ağacı, March 23, 2020. https://evrimagaci.org/s/8362.
ve seni takip ediyor

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close