Newton Fiziği Nedir? Klasik Mekanik, Nasıl Ortaya Çıktı?

Bilim insanları birkaç denklem kullanarak havada uçan bir topun hareketini ve bir mıknatısın çekimini tanımlayabilmekte ve Ay tutulmalarını tahmin edebilmektedir. Günlük hayattaki nesnelerin ve onlara etki eden kuvvetlerin matematiksel olarak çalışılmasına klasik mekanik denir. Klasik mekanik sıklıkla "Newton Mekaniği" olarak da isimlendirilir, çünkü çalışmaların tamamına yakını Isaac Newton'un çalışmaları ile mümkün olmuş ve geri kalanı da bu çalışmalar üzerine inşa edilmiştir.

Klasik mekaniğin çekirdeğini oluşturan bazı temel yasalar ve prensipleri şu şekilde sıralamak mümkündür:

• Newton'un Birinci Hareket Yasası: Dış bir kuvvet uygulanmadıkça, durmakta olan cisim durmaya, hareket etmekte olan cisim hareket etmeye devam eder.
• Newton'un İkinci Hareket Yasası: Bir cismin üzerine uygulanan net kuvvet, o cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir.
• Newton'un Üçüncü Hareket Yasası: Her hareket için, harekete zıt yönlü ve eşit büyüklükte bir tepki vardır.
• Newton'un Evrensel Çekim Yasası: İki obje arasındaki çekim kuvveti; objelerin kütleleri ile doğru, kütle merkezleri arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olacaktır.
• Enerjinin Korunumu Yasası: Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez. Enerji, bir türden diğerine dönüşebilir. Örneğin: Mekanik enerjinin ısı enerjisine dönüşmesi.
• Momentum Korunumu Yasası: Sürtünme gibi dış kuvvetlerin yokluğunda, iki cisim çarpıştığında cisimlerin çarpışmasından önceki toplam momentum çarpışmadan sonraki toplam momentum ile aynı olacaktır.
• Bernoulli Prensibi: Sürekli bir akış gösteren akışkanın hidrostatik basıncı, akışkanın hızı ve yüksekliği ile zıt bir dengede olacaktır.

Klasik mekanik çoğu "normal" objelerin davranışlarını tam olarak açıklar. "Kaliforniya Üniversitesi Kimya Bölümünün "Dinamik Kimya Ders Kitabı"na göre, nesnelerin "normal" kabul edilebilmesi için "bir molekülden büyük ve bir gezegenden daha küçük", oda sıcaklığına yakın olmalı ve ışık hızından önemli ölçüde düşük hızlarda hareket etmelidir.

Eski Bilim, Yeni İsim

Mekanik fiziğin en eski branşı olmasına rağmen "klasik mekanik" terimi nispeten yenidir. 1900'lerden hemen sonra bir matematiksel devrimler serisi, yeni araştırma alanlarının doğmasına neden oldu: çok hızlı gerçekleşen olaylar ile ilgili olan göreceli mekanik, çok küçük olaylarla ilgili olan kuantum mekaniği.

1900'lerden öncesinde denklemler, günlük hayatta karşılaşabildiğimiz hızlarda ve boyutlarda olan objeleri tanımlamak için her bakımdan uygundu. Ancak iki yeni branşın yanında var olan fiziğin bu eski branşının yeni bir isme ihtiyacı vardı. Klasik mekanik terimi, kuantum etkilerinin ve göreceli etkilerin önemsiz olduğu ölçeklerde gerçekliği tanımlayan denklem dizisini gevşek bir biçimde sınıflandırmak için yaratıldı.

1687 yılında Newton, bedenlerin dış kuvvetlerin etkisi altında nasıl hareket ettiğini anlattığı "Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri" adlı kitabını yayımladı. Bu çalışma, matematiksel muhakeme ile birlikte Dünya yüzeyindeki hareketle ilgili görece yeni fikirleri bilimsel araştırma alanlarının en eskisi olan astronomi ile birleştiriyordu.

Antik Zamanlardan Orta Çağa

Mezopotamya, Mısır ve İndus Vadisi'nin antik medeniyetlerinin tümü Ay'ın, Güneş'in ve yıldızların hareketlerinin anlaşıldığını ortaya koydu. Hatta milattan önce 18. yüzyıldaki tutulmaların tarihlerini tahmin edebiliyorlardı. E. C. Krupp, "Antik Göklerin Yankıları" kitabında, "Yıldızlar ve gezegenler sıklıkla tapınılan hedeflerdi, onların tanrıları temsil ettiğine inanılıyordu." şeklinde anlatmıştır. Bunun gibi doğaüstü açıklama örnekleri, tanım gereği, kanıtlardan yoksundu; ancak gözlem kayıtları, gözlemcilere yardımcı olacak biçimde, kuşaklar boyunca dikkatlice saklandı. Böylece gökyüzü cisimlerinin mekaniği, cisimlerin gökyüzünde nasıl hareket ettiği üzerine çalışılan bir alan haline geldi.

İlk olarak antik Yunanlılar, doğaüstü açıklamaların aksine, istikrarlı bir biçimde doğal açıklamalar aradılar. Charles Singer "19. Yüzyıla Kadar Bilimin Kısa Bir Tarihi" kitabında, şöyle açıklıyor:

Tales (M.Ö 624- M.Ö. 545) gibi filozoflar doğa olayları için yapılan doğal olmayan açıklamaları reddetti ve her olayın doğal bir nedeni olduğunu söyledi.

Örneğin "bedensel mizahlar" ve "Dünyayı çevreleyen kozmik kabuklar" gibi sayısız açıklama gerçekten natüralistti, ancak çoğu, son derece yanlıştı.

Yaklaşık 2000 yıl boyunca Aristo'nun çalışmalarına dayanan, hareketle ilgili kuvvetli bir dizi yanlış fikir oluşturuldu. "İvme Teorisi" olarak adlandırılan bu çalışma, M.S. 6., 12., ve 14. yüzyıllarda önemli ölçüde yeniden gözden geçirilecekti. Böylece yeryüzü mekaniği, nesnelerin Dünya yüzeyinde nasıl hareket ettiğini ve etkileştiğini inceleyen bir çalışma alanı oldu.

Rönesans

16 . yüzyılda bilim insanları, ivme teorisinin özellikle toplardan ve mancınıklardan fırlatılması gibi birçok fenomeni açıklamakta yetersiz kaldığını fark etmeye başladılar. Teoriye göre, fırlatılan mermi itici gücü bitene kadar havada uçmalı ve sonrasında doğrudan yere düşmeliydi. Gerçekte merminin yolu spesifik bir kavis çiziyordu.

Bernard Cohen'in "Yeni Fiziğin Doğuşu" kitabına göre bilim insanları, yapılan bu gözlemleri anlamlandırmak için yerçekiminin düzgün ivmelenme ile nesneleri çekmesi hakkında düşünmeye başladılar. 1638 tarihli "İki Yeni Bilimle İlgili Diyaloglar" adlı yayınında Galileo Galilei (1564-1642), tekdüze hızlanmanın mermilerin gözlemlerle eşleşen parabolik yörüngelerde hareket etmesine neden olacağına dair ilk matematiksel kanıtı yayımladı ve bu sayede yeryüzü mekaniğinin matematik tarafından kontrol edildiğini gösterdi.

16 . yüzyılda da benzer şekilde, gök cisimleri mekaniğinin matematik ile oldukça güçlü bağları olduğu gösterildi. Davis S. Landes'in "Zamanda Devrim" kitabına göre Tycho Brahe (1546-1601), gök cisimlerinin hareketini izleyebilmek için kadranlar ve sekstanlar ile birlikte dakika ve saniyeleri sayabilen saatler kullanan ilk astronomlardan biriydi (denizci dürbünü henüz ilk teleskoplara dönüştürülmemişti). Johannes Kepler (1571-1630), Brahe'nin Mars'ın hareketi için olan verilerinin üstüne gezegen hareketleri ile ilgili 3 yasasını oluşturdu. Bu yasalardan ilki, 1609'da yayımladığı "Astronomia Nova" adlı çalışmasında, gezegenlerin Güneş'in etrafındaki eliptik yörüngelerde hareket ettiğini gösterdi.

Büyük Birleşme

70 yıl sonra Newton, gökyüzündeki eliptik hareketlerin ve yeryüzündeki parabolik hareketlerin tek ve zarif bir matematiksel yasayla açıklanabileceğini göstermek için Galileo ve Kepler'in çalışmalarının üzerine Evrensel Çekim Yasası'nı inşa etti. Ek olarak, hareket yasalarını matematiğin dili ile tanımlanabilecek şekilde formüle etti.

Bilim insanları, Newton'un yasalarını kullanarak ve yine icadında Newton'un da yer aldığı cebir ve kalkülüs ile birlikte sembolik matematiği, henüz gözlemleyemedikleri fenomenleri gözlemlemek için kullanmaya başladılar. Klasik mekanik 18. ve 19. yüzyıllar boyunca optikten, akışkanlardan ve ısıdan; basınca, elektrik ve manyetizmaya kadar her şeyi tanımlamak için gelişti.

Ta ki... Newton'un açıklamalarının da bir sınırı olduğu görülene dek. Sonradan anlaşıldı ki Newton'un "Evrensel Çekim Yasası", aslında Evren'in doğasını doğru bir şekilde açıklayamıyordu; sadece bir yakınsamadan ibaretti. Newton, uzay ve zamanı birbirinden ayrı olgular olarak tanımlamıştı; bu, yanlıştı. Newton, zamanı mutlak olarak almıştı; bu, yanlıştı. Yani Newton'un açıklamaları, bir yasa değil, modern zamanlarda anladığımız tabiriyle, çok güçlü birer bilimsel teori idi. Ancak gerçeği tam olarak izah etme gücünden yoksundu.

Bunu nihai olarak gösteren kişi, Albert Einstein oldu. Genel Görelilik Teorisi ve Özel Görelilik Teorisi olarak ikiye ayrılabilecek izafiyet teorilerinde, uzay ve zamanın tek bir bütünlük olduğunu, zamanın mutlak değil göreli olduğunu, ışık hızınınsa diğer cisimlerden farklı olarak, vakum içerisinde sabit olduğunu gösterdi. Bu teori, zamanın ve bilimin her türlü sınavını başarıyla geçmeyi başardı ve Newton'un tüm izah ettiklerini açıklamakla kalmayıp, izah edemediği olguları da başarıyla açıkladı.

Ta ki... Einstein'ın teorilerinin de bir sınırı olduğu görülene dek... Günümüzde izafiyet teorilerinden bile kapsamlı bir açıklama olarak ne geliştirileceği pek net değil; fizikçiler halen bu konu üzerinde çalışıyorlar. Ancak Kuantum Alan Teorisi veya Her Şeyin Teorisi gibi teoriler, Einstein'ın göreliliğini bir adım daha öteye götürerek, parçacık fiziğinden kütleçekimine, en küçükten en büyüğe kadar her şeyi açıklayabilecek bir güce ulaşmayı hedefliyorlar. Sonuçları zaman gösterecek.