Mıknatıs, demir, kobalt vb. metalleri neden çekmektedir? Ayrıca, mıknatısın çekim etkisinin, çok yüksek sıcaklıklarda erimiş haldeki bu tür metallere karşı zayıfladığı (hatta yok olduğu) söylenmektedir. Neden? Erimiş haldeki bu tür metallerin mıknatıs tarafından çekilebilmesi için ne yapmak lazım? (Mesela , mıknatısın gücünü arttırmak veya erimiş haldeki bu metallere elektron bombardımanı uygulamak çözüm olabilir mi?)
Maddelerin manyetik özellikleri o kadar karışık bir konu ki, birinci sorudaki
"neden" çok uzun bir yanıt gerektiriyor. Burada soruyu "bir mıknatıs
neleri çeker?" olarak değiştirip aşağıdaki açıklamalarda mümkün olduğu
kadar, mıknatıslığa neden olan mikroskobik mekanizmalardan bahsetmemeyi uygun
bulduk.
Demirle mıknatıslık arasındaki bağlantı iyi bilinir. Bu nedenle mıknatıslık
özelliği gösteren maddelere "demire benzer manyetik özellikleri olan"
anlamında ferromanyet deniyor. Bilinen ferromanyetler arasında tek bir elementten
oluşan demir, nikel, kobalt ve gadolinyum metalleri ve iki ya da daha fazla
elementten oluşan yüzlerce bileşik madde var. Bunlar arasında manyetit, Fe3O4,
en iyi bilineni. Ferromanyetlerde manyetik alan, atomların içindeki elektronların
çekirdek etrafında ve kendi etraflarında dönmeleri sonucu oluşur. Bu maddelerin
paralel doğrultuda yönelmiş atomik mıknatısların birleşmesinden oluştuğunu düşünebiliriz.
Demirden yapılmış bir mıknatısla, yine demirden yapılmış ama mıknatıslık özelliği
olmayan bir çivi arasında atomik ölçekte herhangi bir fark yok. Çivinin manyetik
özelliğini gizleyen şey, bu maddenin binlerce küçük manyetik bölgeye bölünmüş
olması. Her bir bölge mıknatıslık doğrultusu aynı yönde olan atomlardan oluşuyor
ve bölgenin bildiğimiz anlamda bir mıknatıstan farkı yok. Fakat her bölgenin
yarattığı manyetik alan, diğer bölgelerin yarattığı alanlar tarafından zayıflatıldığı
için, çivinin dışarısında gözlemlenebilir bir manyetik alan oluşamıyor. Bir
mıknatısın bu çividen farkı, ya tek bir bölgeden oluşması ya da bir doğrultudaki
bölgelerin hacminin diğerlerinden fazla olması. Bu sayede dışarıda net bir manyetik
alan oluşabiliyor.
Mıknatıslanmamış bir çivi bir manyetik alan içine konduğunda, manyetik bölgeler
bu alandan etkilenir. Doğrultusu manyetik alanla aynı yönde olan bölgeler genişleyerek
büyür, zıt yönde olan bölgeler de daralırlar. Bazı bölgelerin doğrultularında
hafif dönmeler de olur. Bunun sonucunda çivi manyetik alanla aynı yönde olan
geçici bir mıknatıslık kazanır. Geçici, çünkü dışarıdan uygulanan manyetik alan
çekildiğinde bölgeler genellikle eski hallerine dönerler. Bazen bölge sınırları
rahatça hareket edemediği için değişim kalıcı da olabilir. Uzun süre bir mıknatısla
temasta bulunan bir çivinin, mıknatıs çekildiğinde hafifçe mıknatıslık özelliği
kazandığını bilirsiniz. Bölge sınırlarının serbestçe hareket edememesinden kaynaklanan
bu olaya histerezis deniyor.
Bu geçici mıknatıslığın doğrultusu manyetik alana paraleldir. Örneğin, eğer
mıknatısın kuzey kutbu çiviye daha yakınsa, çivinin mıknatısa yakın kısmı güney,
uzak kısmı da kuzey kutbuna sahip olur. Zıt kutuplar birbirlerini çektikleri
için, bu durumda çivi mıknatısa doğru çekilir.
Şimdi arkadaşımızın birinci sorusunu yanıtlayabiliriz: Mıknatıslar sadece mıknatısları
çekerler. Yani sadece ferromanyet olup, bölgelere bölündüğü için net bir mıknatıslığı
olmayan (bir başka deyişle "gizli" mıknatıslığı olan) maddeler, yukarıda
açıkladığımız mekanizmayla manyetik alanlar tarafından çekilirler.
Bir ferromanyet ısıtıldığında, Curie noktası olarak adlandırılan bir sıcaklıkta
ve üzerinde manyetik özelliğini kaybeder ve tamamen normal bir maddeye dönüşür.
Saf demirin Curie noktası 770 °C'dir. Bu sıcaklığın üzerinde bir demir parçası
ne bir mıknatıs olabilir, ne de bir mıknatıs tarafından çekilebilir. Curie noktasındaki
değişim atomik mıknatısların paralel doğrultuda yönelebilme yeteneklerini kaybetmelerinden
kaynaklanıyor. Bu değişimin erimeyle herhangi bir ilgisi yok. Örneğin demir
1538 °C'de erir. Bir uç örnek vermek gerekirse, Disprosyum metali -185 °C'de,
oda sıcaklığının çok altında, mıknatıslığını kaybeder ve 1411 °C'de erir.
Son olarak, ısıtıldığı için mıknatıslığını kaybeden ve artık manyetik alanlar
tarafından çekilmeyen maddeleri çekmek için ne yapabiliriz? Burada en garanti
çözüm çok güçlü manyetik alan uygulamak olacak. Çünkü bütün maddeler, ferromanyet
olsun ya da olmasın, manyetik alanlardan etkilenirler. Normal maddelerde bu
etki çok zayıf olduğu için, evinizde kullandığınız mıknatıslarla etkiyi hissedebilmeniz
olanaksız. Ancak büyük laboratuarlarda bulunan güçlü elektromıknatıslarla bu
kuvveti gözlemlemek mümkün.
Maddeler kabaca üçe ayrılabilir: ferromanyetler, paramanyetler ve diamanyetler.
Paramanyetler, tıpkı ferromanyetler gibi üzerlerine uygulanan manyetik alanla
aynı doğrultuda, fakat çok zayıf bir biçimde, mıknatıslanırlar. Diamanyetler
de tam ters yönde. Bu nedenle, mıknatıslar paramanyetleri çeker ve diamanyetleri
iter. Normalde ferromanyet olan maddeler, Curie noktasının üzerinde paramanyetiktir.
Yani, çok sıcak bir demir parçasını, hatta erimiş demiri bile güçlü bir mıknatısla
çekmek mümkün.
Diamanyetik maddelere en iyi örnek bildiğimiz su ve canlı maddeler. Diamanyetik
maddenin en ilginç özelliği, mıknatıslar tarafından boşlukta sabit tutulabilmeleri.
Fotoğrafta Hollanda'daki Nijmegen üniversitesinde gerçekleştirilen, zıt yönde
etkiyen yerçekimi ve manyetik kuvvetlerle havada dengede durabilen küçük bir
kurbağa gösteriliyor. Detayları ve aynı deneyin daha değişik diamanyetler için
nasıl yapıldığını görmek istiyorsanız
http://www.sci.kun.nl/hfml/froglev.html
adresini tıklayabilirsiniz.
Bir yıldızın karadeliğe dönüşebilmesi için kütlesinin belli bir limitin üzerinde olması lazım. Ama bir karadeliğin olay ufkuna sahip olması için (teoride) kütlesinin belli bir limit üzerinde olmasına gerek yok. Örneğin bir kalemi bile yeterince sıkıştırabilirsek bir karadelik elde edebiliriz. Burada önemli olan kütlenin değil yoğunluğun belli bir sınırın üzerine çıkması.
Sorum şu: Bir atomun kütlesinin, atomun hacmine oranla çok küçük bir alanda, çekirdekte toplandığını biliyoruz. Acaba atom çekirdeğinin, ondan da öte proton ve nötronların her birinin kendi olay ufkuna sahip olacak yoğunlukları yok mu? Eğer varsa çekirdek içi kuvvetler bununla alakalı olabilir mi?
Yukarıdakilere bir de temel parçacıkların noktasal olduklarının varsayıldığını
eklersek, herhalde sorun biraz daha belirginleşir. Eğer temel parçacıklar, kütlenin
tek bir noktada toplandığı sonsuz yoğunluklu maddeler iseler hepsi birer karadelik
olmalı.
Noktasal parçacıklar varsayımı üzerinde durmak için yeterli yerimiz yok. Sadece,
parçacıkların gerçekten noktasal olup olmadıklarını deneysel olarak sınamanın
mümkün olmadığını, buna karşın parçacıkların bir büyüklüğü olduğu konusunda
da yeterli deneysel veri olmadığını ekleyelim. Normalde atom çekirdeğinin kapladığı
hacim olarak bildiğimiz bölge, aslında çekirdek içindeki, proton ve nötronların
yapı taşlarını oluşturan kuark ve diğer temel parçacıkların uyguladığı güçlü
kuvvetin etki mesafesinden doğuyor.
Gerçi, sicim kuramları temel parçacıkların noktasal olmayıp, ip gibi bir boyutlu
eğriler şeklinde olduğunu iddia etse de yukarıdaki soru bu kuramlar için de
geçerli. Eğer bütün temel parçacıklar noktasalsa, her biri gerçekten bir karadelik
oluşturur mu? Böyle bir şey oluyorsa bu olayın varlığını nasıl anlayabiliriz?
Ne yazık ki bu soruların yanıtları bilinmiyor. Çünkü yanıt ancak kütleçekim
kuvvetinin kuantum kuramıyla verilebilir. Fiziğin bu iki kuramını tek bir kuramda
birleştirme çabaları şimdiye kadar başarısız kaldı ve hâlâ parçacık fizikçilerini
meşgul eden önemli bir problem olma özelliğini koruyor.
ABD'de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda ağır altın iyonlaranın ışığınkine
yakın hızlarda çarpıştırılması sonucu oluşan parçacık yağmurunun kesit görüntüsü.
Çarpışma sonucu oluşacak bir karadeliğin Dünya'yı yutacağı biçiminde medyada
yer alan sansasyonel haberler, laboratuvar yetkililerince gülümsemeyle karşılanmıştı.
Nedeni, karadelik oluşması için çok daha yoğun enerjiler gerekmesi ve oluşsa
bile, böylesine küçük bir karadeliğin anında yokolması.
Fakat neler olabileceği konusunda bir fikir edinmemiz mümkün. Bunu da, kuantum
fiziğini büyük karadeliklere uygulamayı başararak, karadeliklerin aslında tam
kara olmadığını, dışarıya bir tür ışıma yayarak buharlaştığını keşfeden Stephen
Hawking'e borçluyuz. Buharlaşmanın neden kaynaklandığını kısaca hatırlamakta
yarar var. Kuantum fiziğine göre uzay boşluğu, özelliksiz bir boşluk değildir.
Aksine, boşlukta parçacık karşıt parçacık çiftleri kendiliğinden ortaya çıkarak,
kısa bir süre yaşadıktan sonra birbirlerini tekrar yok ederler. Hawking, bu
olaylar bir karadeliğin olay ufkunun çok yakınında olduğunda, çiftlerden birinin
soğurulduğunu, fakat diğerinin sonsuza kaçarak karadeliğin hafiflemesine neden
olduğunu gösterdi. Buharlaşma diye adlandırabileceğimiz bu olayın hızı sadece
karadeliğin kütlesine bağlı. Kolayca tahmin edilebileceği gibi, karadelik ne
kadar büyükse, buharlaşma da o kadar yavaş oluyor. Öyleyse, her karadelik yeteri
kadar bir süre sonra (eğer bu arada başka kütleler yutarak daha da büyümemişse)
buharlaşarak yok olacaktır.
Büyük yıldızların doğal evrimleri sonucu oluşmuş karadeliklerin yaşam süreleri
çok uzun: Evrenin bugünkü yaşından kat kat daha uzun. Fakat aynı şeyi daha küçük
kütleli karadelikler için söylemek mümkün değil, çünkü bir karadeliğin yaşam
süresi kütlesinin küpüyle ters orantılı. Eğer 10 gramlık bir kurşun kalemi sıkıştırıp
bir karadelik elde etmek mümkün olsaydı, (kalemi çekirdeğin çapından 10 katrilyon
kat daha küçük bir bölgeye sıkıştırabilseydik) bu karadelik 10-22 saniye içinde
buharlaşarak yok olurdu. Aslında bu kadar kısa sürede olan buharlaşmayı "patlama"
olarak adlandırmak daha doğru. Yani küçük karadelikler, daha çevresindeki maddeyi
yutarak büyümeye zaman bulamadan patlayacaklardır.
Proton kütlesindeki bir parçacık için bu buharlaşma süresi çok çok daha küçük.
Fakat daha temel parçacıklar ölçeğine inmeden Hawking'in sonuçları geçerliliğini
kaybeder. Bunun da nedeni kısaca şu: Karadelik küçüldükçe, buharlaşma daha hızlı
oluyor, yani kütle ve enerjisini daha hızlı kaybediyordu. Bu, bir saniye içinde
karadelikten ayrılan ışınımdaki parçacıkların ortalama sayısının ve ortalama
enerjisinin daha fazla olması anlamına geliyor. Karadeliğin kütlesi 10 mikrogram
seviyesine indiğinde, kaçan parçacıkların ortalama kütlesi de 10 mikrogram büyüklüğüne
erişiyor. Bu tip kütlelerde geride kalanın mı yoksa kaçan her bir parçacığın
mı asıl karadelik olduğunu söylemek zor. Bu nedenle daha küçük kütleler için
olayın fiziğinde önemli bir değişiklik var ve parçacık fizikçilerinin aydınlatmaya
çalıştığı asıl alan burası. Daha küçük karadelikler için belki hâlâ niteliksel
olarak bir buharlaşmadan söz edilebilir, ama Hawking'in sonuçlarının buraya
uygulanması zor.
Tekrar temel parçacıklara dönersek: olayın fiziğinde büyük bir değişim olduğundan
dolayı parçacıklar bildiğimiz anlamda karadelik özellikleri taşıyamazlar. Problemin
nereden kaynaklandığı belli: Parçacık kütleleri ölçeğinde bir karadelik olsa
bile bu karadeliğin diğer kütleleri yutarak büyümesi imkansız.
Bunun dışında, kütle küçüldükçe olay ufkunun da küçüldüğünü, ve parçacıklar
için olay ufkunun bildiğimiz tüm uzunluk ölçeklerinden küçük olduğunu ekleyelim
(10-54 metre). Hiç bir hızlandırıcıda parçacıkların bu kadar yakın olması sağlanamadığı
için bu mesafelerde kütleçekim yasasının hangi formda olduğunu henüz bilmiyoruz.
Yukarıda bu soruya yanıtımızın neden "bilmiyoruz" şeklinde olduğunu
açıklamaya çalıştık. Şu anda elimizden ne yazık ki bu geliyor. Bu soruya verilecek
ilk yanıt büyük bir olasılıkla kuramsal alandan gelecek ve bir olasılıkla kütleçekim
kuvvetinin doğanın diğer üç kuvvetiyle ilgisi de bu arada ortaya çıkacaktır.
Hız zamana bölünmüş mesafedir. Einstein hızın aynı olması için mesafe ve zamanın FARKLI olması gerektiğini düşündü. Bu da zamanda kuşkulu bir şeyler olduğunu gösterdi. Bana göre zaman ve mesafenin farklı olması gerekmiyor. Başka bir deyişle Einstein'ın ışık hızının mutlak, uzay ve zaman aralıklarının izafi olduğunu düşünmesi bana çok ters düşüyor. Şöyle ki Newton kuralları daha geçerli gibi gözüküyor: zaman ve mesafe aralıkları mutlaktır ve ışık hızı izafidir. Bunun açıklamasını da Einstein'ın kendi verdiği bir örnekle gösterebilirim. Elimizde bir yolcu vagonu olsun ve vagonun ortasında bir adam olsun, bu adamın elinde her iki tarafa aynı anda ışık saçabilen bir alet olsun. Adam aletin düğmesine bastığında vagonun sonundaki kapı ile başındaki kapıya ışık ulaştığında kapılar açılsın. Bu adamı da dışarıdan izleyebilen başka bir adam olsun. Şimdi tren giderken adam bu aletin düğmesine bastığında kapılar trenin içindeki adama göre aynı anda açılır ama dışarıdaki gözlemciye göre arka kapı daha önce açılır. Burada göreceli bir kavram söz konusu. Şimdi Einstein'ın söylediğiyle ne kadar tezat olduğunu göstermek ve sorumu sormak istiyorum. Albert Einstein diyor ki: Işık nasıl yayılırsa yayılsın hareket eden kişi de duran kişi de ışığı aynı hızda gittiğini görür. Burada durmak istiyorum. Tren örneğine dönelim: Trenin dışındaki gözlemci arka kapının daha erken açıldığını görüyor; bu durumda Einstein'ın söylediği gibi ışık hızı herkes için aynıdır yargısı yok oluyor. Eğer aynı olsaydı dışardan trene bakan kişi de kapıların aynı anda açıldığını görmüş olmaz mıydı? Bir şey daha söylemek istiyorum. Diyelim ki ışık hızından 6.279mil/sn hızla daha yavaş giden bir araçta olduğumuzu düşünelim ve arkamızdan ışık ışını yollansın. Bu durumda ben Einstein'ın dediği gibi ışığın hızını 186.279mil/sn mi? yoksa Newton'un dediği gibi 186.279-180=6.279mil/sn olarak mı görürüm?
Newton'un kuralları (daha doğrusu Galileo'nun kuralları) bize normal gelse
de, doğanın bizim düşündüğümüz gibi çalışması zorunluluğu yok. Şüphesiz Einstein
da eski zaman kavramının anlaşılmasını daha kolay bulmuştur. Ne var ki, 19.
yüzyılın sonlarında yapılan bir çok deney işlerin bu kadar basit olmadığını
söylüyordu.
Önce "hızların eklenmesi yasasından" başlayalım. Bu Galileo'nun ünlü
görelilik yasası. "Dünya dönüyor" dedikçe, "o zaman niye bıraktığımız
bir taş düşerken yana savrulmuyor?" gibi itirazlar sürekli geldiği için,
Galileo görelilik yasasını geliştirmek zorunda kalmıştı. Bugün bu yasayı anlamakta
zorlanmıyoruz. Eğer 1 m/sn hızla gidiyorsanız ve ileriye doğru 2 m/sn hızla
bir taş atarsanız, taş 3 m/sn hızla gider. 19. yüzyılın sonunda, birçok bilim
adamı bu yasayı kullanarak Dünya'nın uzaydaki hızının bulunabileceğini düşündüler.
Dünya Güneş çevresinde dönerken, saniyede 30 km.lik bir hız yapıyor (bu ışığın
boşluktaki hızının 10,000'de biri). Güneş'in de bir hızı olduğunu düşünürsek,
Dünyanın "gerçek" hızı, hangi yöne doğru gittiğine bağlı olarak bundan
fazla ya da az olabilir. Galileo'nun görelilik yasasına göre Dünya'dan yayılan
ışık, Dünya'yla aynı yönde gidiyorsa biraz hızlanmalı, ters yönde gidiyorsa
da biraz yavaşlamalı. Hızda 10,000'de birlik bir değişme pek fazla olmasa gerek.
Işık 1 metre kadar bir mesafe kat etmişse, normalden 0.1 mm civarında bir ilerleme
ya da gecikme söz konusu demektir. Bu pek ölçülebilir bir uzaklık gibi görünmüyor.
Ama ışığın dalga yapısı düşünüldüğünde, 0.1 mm ışığın yarım mikron civarında
olan dalga boyundan çok fazla olduğu için, bu kadar bir fark bile 19. yüzyılın
basit aletleriyle ölçülebilir.
Bu deneylerden en ünlüsü olan Michelson ve Morley deneyi yapıldığında Dünya'nın
hareket etmediği gibi bir sonuç ortaya çıktı! Dünya Güneş çevresinde dönerken
hız yönünü sürekli değiştirdiği için, Güneş'in hızını da hesaba katarak, uzayda
hareket ederken en azından bir anlık dursa bile diğer zamanlarda saniyede 30
km mertebesinde bir hıza sahip olması gerektiğini rahatlıkla söyleyebiliriz.
Dünya'nın hızı sürekli değiştiğine göre sorun Dünya'nın hareketinde değil, Galileo'nun
görelilik ilkesinde olmalı. Dünya hangi hızla hareket ederse etsin, sanki Dünya
yerinde duruyormuş gibi ışık her yöne eşit hızla yayılıyor.
Sorunun ışığın kendisinde değil, boşluktaki hızında olduğu da anlaşıldı. Örneğin,
ışık suda yayılırken 1.5 kat daha yavaş hareket ettiğini biliyoruz. Akan bir
su içinde ışığın hızı ölçüldüğü zaman beklenen oluyor. Işık suyla aynı yönde
gidiyorsa biraz daha hızlı, ters yönde gidiyorsa biraz daha yavaş gidiyor. (Tabi
burada Galileo'nun hızların eklenmesi yasasının yanlış olduğu görülmeye başlıyor.)
Bu deney, garip olan şeyin ışığın "fiziksel yapısı" olmayıp, boşlukta
yayılırken gitmeyi tercih ettiği hızda olduğunu gösteriyor. Örneğin nötrino
dediğimiz parçacıklar, bir olasılıkla ışık hızıyla hareket ediyorlar. Eğer aynı
deney nötrinolarla yapılsaydı aynı sonuçlar bulunurdu.
Buna benzer bir çok deney, ışığın boşlukta yayıldığı hızın, nerede ölçülürse
ölçülsün aynı olduğunu söylüyordu. Eğer deney sizin kuramlarınıza aykırı bir
şey söylüyorsa, kuramlarınızın, belki de bu kuramların kullandığı kavramların
yanlış olduğu kesin. Zamanın bir çok ünlü beyni bu problem üzerinde uğraşmış,
ama ancak Einstein yeni kavramlarla geldiğinde problem tam ve çelişkisiz olarak
çözülebilmiş.
Einstein, bu problemi çözmek için iki varsayımdan hareket ediyor. İlk olarak,
Galileo'nun görelilik yasasını özde kabul ederek, detayda yanlış olabileceğini
düşünüyor. Yani, hareket eden bir cismin (örneğin trenin) içinde yapılan bir
deney, cisim dururken yapılsa da aynı sonuçları verir. Böylece, Galileo'nun
istediği oluyor: Piza kulesinden bırakılan taşlar, bu yeni görelilik ilkesine
göre de yana savrulmuyor. Fakat "hızların eklenmesi yasası" büyük
bir olasılıkla geçerli değil. Varsayımın en önemli sonucu, Dünya'nın hızını
Dünya'dayken ölçmemizin artık mümkün olmaması.
Einstein'ın kabul ettiği ikinci varsayım, bütün deneylerin söylediklerini kabul
etmek oluyor. Yani, kim tarafından ölçülürse ölçülsün, ışığın boşluktaki hızı
aynıdır.
Bu iki basit varsayım, biri görelilik ilkesi, diğeriyse önemli bir deney sonucu,
yüksek hızlardaki bu gizemi çözmek için yeterli. Fakat artık o iyi bildiğimizi
sandığımız uzay-zaman kavramlarından vazgeçmemiz gerekiyor.
Tren örneğindeki kapıların açılması, zaman kavramında nelerden vazgeçmemiz için
iyi bir örnek. Trendekine göre kapılar aynı anda açıldığı halde, dışardakine
göre kapılar farklı zamanlarda açılıyor. Böylece, günlük deneyimlerimizle sorgulamadan
kabul ettiğimiz bir eşzamanlılık kavramının artık geçerli olmadığını görüyoruz.
İki farklı olayın, aynı zamanda olup olmaması gözlemciden gözlemciye değişen,
göreli bir olgudur. Bu zaman kavramının mutlak olmadığını, yani her olayın ne
zaman olduğunu söyleyecek kesin bir zamanının olmadığını söylüyor. Kabul etmesi
biraz zor, ama ne yazık ki doğa bu şekilde işliyor. Onun ne dediğini kabul etmekten
başka bir çaremiz yok.
Yeryüzünden bakıldığında yarım daire şeklinde görülen gökkuşağının uçaktan bakıldığında çember şeklinde olduğunu öğrendim. Gökkuşağının oluşması neden çember şeklinde oluyor?
Bu soruyu tam olarak yanıtlayabilmek için "Gökkuşağı nasıl oluşur?"
sorusunun da yanıtlanması gerekir. Özellikle yağmurlu havalarda gördüğümüz gökkuşağı,
aslında, Güneş'in garip bir "ayna"da oluşan bir görüntüsü. Söz konusu
"ayna" ise, böyle zamanlarda havada bulunan sayısız su damlacıkları
tarafından oluşturuluyor. Olay, Güneş'ten gelen ışık ışınlarının küresel su
damlacıkları içinde kırılarak, bir kaç iç yansımadan sonra dışarı farklı bir
yönde çıkmasından kaynaklanıyor.
Küresel bir su damlacığı üzerine düşen ışığın izleyebileceği yollar Şekil 1'de
gösteriliyor. Damlaya kırılarak giren ışın, damlanın yüzeyine çarptığında bir
kısmı dışarı çıkar (A ışını), fakat bir kısmı da iç yansımayla su içine geri
döner. İçeride kalan ışın da damlanın yüzeyine tekrar değdiğinde yine bir kısmı
dışarı çıkarak (B ışını), geri kalan kısmı yansır. Bu şekilde, damla içinde
kalan ışın, sayısız iç yansıma sonucu her defasında dışarıya bir kısmını bırakarak
gittikçe zayıflar.
Ana gökkuşağı, damla içinde sadece bir iç yansıma geçiren B ışınları tarafından
oluşturuluyor. Bunlar, neredeyse geriye, Güneş'in olduğu tarafa doğru yönelirler.
Şekil 2'de kırmızı ışık için, damla üzerine düşen ışınların damlaya girdiği
yere bağlı olarak izledikleri yollar gösteriliyor. Doğal olarak çıkan ışının
hangi doğrultuya yöneleceği, gelen ışının damlaya nereden girdiğine bağlı.
Burada ilk bakışta pek ilginç görünmeyen bir olay oluyor. Her ışın farklı açılarla
geriye dönse de, bunlardan biri en yüksek açıya sahip. Kırmızı ışık için bu
en yüksek açı 42°. Diğer bir deyişle, damlanın özel bir yerine düşmeyen bütün
ışınlar 42°'den daha az bir açıyla geriye yansıyorlar. Böyle bir en yüksek geri
dönme açısının olması gökkuşağının oluşumu için şart. Çünkü ışınlarının büyük
bir kısmı bu en yüksek açıya yakın açılarda geri dönüyorlar. Örneğin, gelen
kırmızı ışınların %20'si 41°-42° arasındaki 1 derecelik aralıktan çıkarken,
geri kalan %80'iyse, 0o-41° arasındaki 41 derecelik oldukça büyük aralıktan
çıkıyorlar. Bu durumda, ışığın şiddeti daha fazla olduğu için, 42°'den çıkan
ışınları görmemiz daha kolayken, diğer açılardan çıkanların görülebilmesi çok
zor; özellikle geri tabandan gelen ışık düşünülürse.
Eğer Güneş sadece kırmızı renkte ışığa sahip olsaydı, bu ışınların gökyüzünde
oluşturacağı görüntü Şekil 2'deki gibi olurdu (abartılı çizildi). Burada en
net şekilde görülebilen çemberin dış kısmı olacaktır. Bu nedenle, pratikte,
bu tip ışınların 42°'lik bir koni üzerinde geri yansıdığını söylüyoruz.
Diğer renklerin geri dönme açısı farklı: Örneğin, görülebilir tayfın diğer ucundaki
mor ışık suda daha fazla kırıldığından, en yüksek geri dönme açısı 40.5°'dir.
Güneş'ten gelen beyaz ışık değişik dalga boylarında birçok renkten oluştuğu
için, damlaya girdikten sonra tek bir iç yansımayla dışarı çıkınca, 40.5° ile
42° arasında bileşen renklerine ayrılır; mor en içte, kırmızı en dışta olmak
üzere.
Bu geri dönen ışığın, Güneş'in atmosferdeki su damlalarından garip bir yansıması
olduğunu düşünebiliriz: Yani gelen ışınlar, bir koni üzerinde geri yansır. Bu
yansıma gözle algılandığında da Güneş'in bu "garip ayna"daki görüntüsü
olan gökkuşağını görüyoruz. Şüphesiz bu görüntü, normal bir aynadakine hiç benzemiyor.
Gökkuşağına baktığımızda, örneğin mavi olarak gördüğümüz kısımlar, bakış doğrultusundaki
damlalardan geri dönen mavi ışıklardan oluşuyor. Bu damlalardan geri dönen diğer
renklerse, başka yönlere gittikleri için sizin tarafınızdan görülemezler. (Tabii
başkaları bu damlaları değişik renklerde görebilirler.)
Gökkuşağının oluştuğu yerse, Güneş ışınlarının gittiği doğrultunun 40° civarındaki
yönler. Doğal olarak bu bir çember. Fakat gökkuşağı renklerini açık seçik görebilmek
için, bakılan doğrultuda yeteri sayıda su damlası olmak zorunda. Yerden yapılan
gözlemlerde, Güneş ufkun üzerinde olduğu için, gökkuşağının alt yarısından daha
büyük bir kısmı yerle örtüşür. Yani, ya baktığınız doğrultuda yere çok yakınsınızdır
ve burada yeterli sayıda damlacık yoktur, ya da vardır ama geri tabandaki yerin
görüntüsü, zayıf gökkuşağını seçebilmenizi engeller. Tabii bunlar bir uçaktan
ya da yüksek bir dağın tepesinden bakanlar için geçerli değil.
Yine aynı nedenle, öğlen Güneş tam tepedeyken gökkuşağını göremezsiniz. Kuşağı
görebilmeniz için, Güneş'in ufkun en fazla 42° üzerinde olması gerekir.
Son olarak, Şekil 1'deki C ışınının da, benzer şekilde 50°-53° arasında renklerin
ters sıralandığı (kırmızı içte, mor dışta) bir kuşak oluşturduğunu ve uygun
hava koşullarında bunu görmenin mümkün olduğu da ekleyelim. Fakat A ışını için,
yukarıda bahsettiğimiz en büyük açı olmadığından, bu ışınlar renkli bir kuşak
oluşturamıyor.
Uzun zamandır merak ettiğim bir şeyi size sormak istiyorum. Madem ışık fotonlardan oluşuyor; niçin camdan geçiyor da diğer maddelerden geçemiyor? Eğer fiziksel nedenini açıklarsanız sevinirim...
Bu soruyu bütün elektromanyetik spektruma genelleştirmek gerekir. Çünkü ışık
olarak algıladığımız şey aslında elektromanyetik dalgaların çok küçük bir kısmı.
Çok uzun dalga boylu radyo dalgalarından, dalga boyu atomun çapından çok küçük
gama ışınlarına kadar olan bu spektrumun, dalga boyu 0.4 mikronla 0.7 mikron
arasında kalan kısmını gözlerimiz algılayabiliyor. Bu nedenle bir fizikçiye
"ışık" dediğinizde çoğunlukla tüm elektromanyetik spektrumu anlayacaktır,
sadece "görünür ışık" dediğimiz sınırlı kısmı değil. Tüm canlıların
gözlerinin neden bu geniş spektrumun sadece küçük bir kısmını algıladığıysa
daha değişik bir soru.
Öyleyse, tüm elektromanyetik spektrumu düşünürsek, soruyu "neden belli
bir dalga boyuna sahip ışığı bazı maddeler geçirir de bazıları geçirmez?"
şeklinde sorabiliriz. Bunu yanıtlamaya kalktığımızda maddelerin birbirlerinden
farklı olmadığını görürüz. Yani her maddenin saydam olduğu bazı dalga boyları
ve saydam olmadığı bazı başka dalga boyları vardır.
Örneğin bildiğimiz bütün metaller görünür ışığa karşı saydam değildir. Bu kızılötesindeki
bütün düşük dalga boyları için de geçerli. Fakat morötesi ışıklar kullandığımızda
her metal, dalga boyu belli bir değerden küçük ışıklar için saydamlaşır. Morötesi
saydamlaşması denilen bu olay sadece metallere özgü değil. Bütün maddeler düşük
dalga boylu morötesi ışınlar, X ışınları ve gama ışınları için saydamdırlar.
Zaten X ışınlarını kullanan Röntgen filmleri bu olay sayesinde kullanılabiliyor.
En ilginç örnekse herkesin bildiği en saydam madde olan su. Görünür ışığın hepsini
geçirmesine rağmen, bu pencerenin dışındaki bizim göremediğimiz ışınların çoğuna
karşı saydamlığını kaybeder. Su, morötesinden başlayarak bir kaç Angströmlük
dalga boylarına kadar ve kızılötesinden başlayarak radyo dalgalarına kadar bütün
elektromanyetik dalgaları güçlü bir şekilde soğurur. Bu oldukça garip bir durum.
Eğer bir gün, gözlerini bizim gördüğümüz ışık yerine, elektromanyetik spektrumun
başka bir kısmını görmek için kullanan bir "uzaylıyla" karşılaşırsak,
ve onlardan suyu tarif etmelerini istersek yanıt "simsiyah bir sıvı"
olacaktır! Peki neden sadece suyun geçirgen olduğu dalga boylarını görebiliyoruz?
Bu bir rastlantı mı, yoksa suyun atmosferde ve hayatın başladığı denizlerde
bol miktarda bulunmasının gerektirdiği bir zorunluluk mu? Bunun yanıtını siz
verin.
Peki maddelerin hangi dalga boyunda saydam olacağı nasıl belirleniyor? Elektromanyetik
dalgalar maddedeki elektronlarla etkileşirler. Yani ışık maddeden geçerken,
elektronlar tepki vererek hareketlerini değiştirirler. Bu etkileşimin sonuçlarını
kuantum kavramlarıyla açıklamak daha kolay. Kuantum kuramına göre maddedeki
elektronlar sadece belli enerji seviyelerinde bulunabilirler ve bu seviyeye
özgü bir hareket yaparlar. Burada önemli olan elektronların enerjilerinin sadece
belli değerler alabilmesi. (Doğal olarak bu seviyeler maddeden maddeye değişiyor.)
Eğer bir elektron bir seviyeden daha yüksek bir başka seviyeye geçmek isterse,
çevreden bir şekilde iki seviyenin enerji farkı kadar enerji almak zorunda kalır.
Benzer şekilde, elektron daha düşük bir seviyeye geçmek istiyorsa, fark kadar
enerjiyi çevreye bir şekilde vermek zorunda.
Elektromanyetik dalgalar da foton olarak adlandırdığımız paketlerle enerji taşırlar.
Örneğin 0.4 mikron dalga boylu mor ışık 3.1 eV'luk enerji taşıyan paketlerden
oluşmuştur. (1 eV bir elektronun 1 voltluk bir gerilim altında hızlanmasıyla
kazandığı enerji). Bu bizim için oldukça küçük, ama elektronlar için tipik bir
enerji. Fotonlar elektronlarla etkileştiklerinde iki farklı durum söz konusu:
Ya fotonun enerjisi, elektronu bulunduğu seviyeden başka bir seviyeye çıkarmak
için gereken enerjiye eşittir, ya da değildir.
Eğer foton enerji farkına eşit enerji taşıyorsa, elektron bu fotonu soğurarak
üst seviyedeki hareket durumuna geçer. Böylece gelen ışık soğurulmuş ve maddeyi
geçememiş olur. Bundan sonra elektronun ne yaptığını da kısaca anlatmakta yarar
var. Elektron üst seviyelerde oldukça kararsızdır ve bir süre sonra değişik
yöntemlerle tekrar alt seviyelere düşer: Ya elektron kaybetmesi gereken enerjiyi
bir foton olarak rasgele bir yöne yayar (bu olaya, yani soğurulmadan hemen sonra
gerçekleşen ışık yayınımına, flüoresans deniyor) ya da elektron enerjisini madde
içindeki atomların hareket enerjisine çevirir. (bu da maddenin ısınmasıyla sonuçlanır.)
Fotonun soğurulması için enerjisinin tam olarak enerji seviyeleri farkına eşit
olması gerekmediğini ekleyelim. Biri Doppler etkisi olmak üzere bir çok değişik
nedenden dolayı, elektronlar fotonların biraz az ya da biraz fazla enerjisi
olmasını hoş görüyle karşılayarak bunları memnuniyetle soğururlar.
Diğer durumda, yani gelen fotonun enerjisi, madde içindeki elektron seviyelerinden
ikisinin farkına eşit değilse, bu fotonun soğurulma olasılığı yoktur. Böyle
bir foton madde içinden geçer gider. Maddelerin saydamlığı soğurulmanın mümkün
olmadığı durumlarda ortaya çıkar.
Artık, örneğin kırmızı renkli bir camın neden böyle olduğunu rahatlıkla açıklayabiliriz.
Böyle bir cam sadece kırmızı ışığı geçirir (çünkü içinde kırmızı ışığı soğurabilecek
herhangi iki seviye yoktur) ve diğer ışıkları soğurur. Bu nedenle camın içine
baktığımızda sadece bu kırmızı rengi görebiliriz.
Bir belgeselde, bir astronotun su içmesini gördüm. Burada ilgimi çeken şey, su kütlesinin, yerçekimsiz ortamda dağılmadan küre şeklini aldığıydı. Normalde sıvılarda, atomların çekim kuvveti katılara göre daha zayıf olduğundan, sıvılar ancak bulundukları kabın şeklini alabilmektedirler. Herhangi bir kap olmadığı zaman sıvılar bir bütün gibi davranamaz ve saçılırlar.
Suyu ağırlıksız ortamda dağılmaktan koruyan şeyin su molekülleri arasındaki
kuvvetler olduğunu öncelikle belirtelim. Üstelik bu kuvvetler, katı halden sıvı
hale geçildiğinde pek fazla değişmezler. Bunu anlamanın en basit yolu faz değişimi
için gerekli ısılara bakmak. Bir gram buzu (0 °C'de) eritmek için 80 kalori
ısı harcamak gerekiyor. Buna karşın, bir gram suyu (100 °C'de) buharlaştırmak
içinse 540 kalori gerekir. Bu ısılar, moleküller arasındaki bağları zayıflatmak
için gerekli enerji olarak yorumlanırsa, buradan erime sırasında su molekülleri
arasındaki bağın ancak yedide bir kadarı zayıflıyor anlamını çıkarabiliriz.
Su dışındaki diğer bütün maddelerde de durum aynı. Kısacası, moleküller arasındaki
kuvvetlerin büyüklüğü açısından, sıvılar katılardan pek farklı değil.
Sıvıyı küre şekline sokmaya çalışan kuvvete "yüzey gerilimi" deniyor.
Sıvı içindeki herhangi bir molekül, her taraftan diğer moleküllerle çevrili
olduğu için, yani her yöne ortalama olarak eşit miktarda çekildiği için, yine
"ortalamada" herhangi bir kuvvet hissetmez. Ama sıvının yüzeyinde
olan moleküller, sadece sıvının olduğu taraflardan çekildiği için, bunları sıvının
içine çeken net bir kuvvetin varlığından söz etmek mümkün. Böylece, moleküller
arasındaki etkileşim, sıvının yüzeyini içeri doğru çeken net bir kuvvete neden
oluyor.
Bu kuvvet, aynı zamanda sıvının yüzeyini mümkün olduğu kadar küçültmeye çalışıyor.
Yüzeydeki moleküllerin bir taraflarının boş olması, bu moleküllerin içerdekilere
göre daha fazla enerjiye sahip olması anlamına geliyor. Öyleyse bir sıvının
ne kadar büyük yüzeyi varsa, yüzey molekülleri toplam enerjiyi o kadar artırırlar.
Bütün fiziksel sistemler, enerjilerini azaltacak şekilde hareket ettiği için,
sıvılar yüzey alanlarını küçültmeye çalışırlar. Bu anlamda yüzey, şişirilmiş
bir balon gibi düşünülebilir. Balonun, içerdeki havayı sıkıştırması ile yüzey
alanını küçültmeye çalışması aslında aynı şey.
Bu olgu kendini en açık biçimde, yerçekimi kuvvetinin olmadığı, ağırlıksız ortamlarda
gösterir. Böyle bir durumda sıvının alacağı şekil iki bin yıldır bilinen eski
bir matematik problemine dönüşür: Sabit hacimli bir cisim, hangi şekli aldığında
en küçük yüzey alanına sahip olur? Bu sorunun çözümü ileri matematik gerektirse
de, yanıtı oldukça basit: küre.
Üstelik, aynı olayı Dünya üzerinde de görmek mümkün. Musluktan damlayan, yağ
içinde yüzen ya da cam üzerinde yoğunlaşan su damlaları, hatta çaydanlıkta kaynayan
suyun içindeki kabarcıklar; aynı olgu nedeniyle mümkün olduğu kadar küreye yakın
şekillere girmeye çalışırlar. Bu tip yerlerde diğer kuvvetler de (yerçekimi,
sürtünme, kaldırma kuvveti vs.) işin içine girdiği için, ideal şekil mükemmel
bir küre değildir.
Burada dikkat edilmesi gereken önemli nokta şu: Yüzey geriliminin kendini açık
bir şekilde gösterebilmesi için, yüzey enerjisi diğer enerjilere oranla büyük
olmalı. Bu da, yüzeyin hacme oranı büyük olduğunda mümkün oluyor. Yüzey/hacim
orantısını bir küre için hesaplarsanız, küre küçüldüğünde oranının büyüdüğünü
görürsünüz. Kısacası, su damlalarınız ne kadar küçükse, yüzey gerilimi o oranda
etkin olur ve damlalar mükemmel küre şeklini almaya başlar. Tabii, uzaydaki
ağırlıksız ortamda, diğer kuvvetler olmadığı için, su kütlesinin ne kadar büyük
olduğu önemli değil.
Yüzey gerilimi bütün sıvılarda ve her sıcaklıkta vardır. Belki değişen sıcaklık
ve sıvı içindeki yabancı moleküller (sudaki sabun gibi) yüzey geriliminin büyüklüğünü
değiştirebilir, ama nitel etki her zaman aynıdır. Yani, erimiş demir de uzayda
küre şeklini alacaktır.
Üstelik aynı olgunun katı cisimlerde de var olduğunu söylemek mümkün, ama önemli
bir farkla: Yüzey enerjisi yüzeyin hangi doğrultuda yöneldiğine bağlı olduğu
için, katının en ideal şekli bir küre değil, fakat simetrik, düzgün yüzlü şekillerdir.
Örneğin tuz kristalleri kırıldıklarında ya da kristal büyütmeyle oluşturulduklarında
düzgün küpler ortaya çıkar.
Gazlarda, moleküller arası etkileşim çok zayıf olduğu için, bu etkileşimlerin
bir sonucu olan yüzey gerilimi de oldukça düşük olmalı (ölçülemeyecek kadar
düşük). Üstelik, gaz genleşip idealliğe yaklaştığında, yüzey gerilimi daha da
düşmeli. Bu nedenle, uzayda kendi haline bırakılan bir gaz kitlesi, bir kere
genleşmeye başlayınca sonsuza kadar genleşmeye devam edecektir.
