Fizik tarihiyle ilgilenmenin temel amacı, fizikçiler tarafından antik çağlara kadar uzanan birçok keşfi yeniden yorumlamaktır. İnsanlık tarihinde, insanoğlunun evren hakkında daha fazla şey bilmek istemediği bir nokta hiç olmamıştır. Birçok fizikçi, sıradan olayların tam olarak nasıl meydana geldiğini açıklamak için gözlemleri ve matematiği kullanarak toplumsal bilgiye katkıda bulunmuştur. Bu nedenle, evrensel düşüncenin tarihinin izini sürecek ve şu anki anlayış düzeyimize ulaşmamızı sağlayan kilit gelişmeleri aktaracağız.
Fizikte Erken Dönem
Fiziğin tarihi antik çağlara ve derin bir geçmişe dayanır. Arkeologlar, antik insanların keskin bir gözlem gücüne sahip olduklarını şüpheye yer bırakmayacak şekilde göstermişlerdir. Bunu "Stonehenge" gibi günümüze kadar fiziksel anıtlar olarak ulaşan megalitik yapılardan biliyoruz. Tarih öncesi dönem boyunca insanlar evren hakkındaki yoğun meraklarının bilincinde olmuş ve belirli olayları yeniden yaratmaya çalışarak bilimsel yöntemin ilk adımı olan dikkatli gözlemin temellerini atmışlardır.
Buna ek olarak, zamanı ölçmek için kullanılan ilk aletler de insanlık tarihinde bu dönemde ortaya çıkmıştır. Bunların başında İşango kemiği, Abri Blanchard kemikleri ve hatta Stonehenge ve Carnac kayaları geliyordu. Belirli astronomik süreçlerin tanımlanması fiziğin gelişimindeki ilk adımdı. Bununla birlikte, antik çağ fiziği hakkında çok daha kesin bir görüşe sahibiz. Geçen zaman da önemli bir faktördü. Güneş saati, gnomon ve clepsydra (su saati) antik kökenleri olan cihazlardır.
Mancınık gibi savaş makineleri de dahil olmak üzere pek çok çekiş gücü aletinin kökeni Arşimet'e kadar uzanabilir.
Arşimet, Miletli Thales ve Eratosthenes gibi Yunan fizikçiler basit zaman ölçümünün çok ötesine geçen bilgi birikimi oluşturmuşlardır. Bu filozofların çoğu madde ve onun süreçleriyle ilgilendikleri için evren hakkındaki bilgilerimize katkıda bulunmuşlardır. Yunanca atomos terimi "bölünemez" anlamına gelir ve modern "atom" terimini de bu kelimeden almaktayız. Demokritos (MÖ 460-MÖ 370) maddenin boşlukla ayrılmış ayrı parçacıklardan oluştuğunu düşünmekte haklıydı. Bu en küçük ve ayrılmaz birimlere "atom" adını verdi.
Demokritos atomu açıklarken, sert ve kütleli olarak gördüğümüz cisimlerin tutarlılıklarını daha çengelli, daha yakından bağlantılı cisimciklere borçlu olduğunu söyledi. Ona göre, bir sıvının ve doğanın geri kalanının gövdelerini oluşturan pürüzsüz ve yuvarlak cisimciklerdir.
Birçok çekiş aletinin yanı sıra mancınık gibi bazı savaş makinelerinin ataları, günümüzde statik mekaniğin yaratıcısı olarak kabul edilen Arşimet'e (MÖ 287-212) kadar uzanabilir. Bununla birlikte, akışkanlar mekaniği alanına yaptığı katkılar ona en çok dikkat çeken konu olmuştur. "Arşimet ilkesi", bir sıvıya (veya gaza) batırılan her cismin, aşağıdan yukarıya doğru uygulanan ve yer değiştiren sıvı hacminin ağırlığına eşit bir itme aldığını belirtir. Bu keşfin Arşimet'in "Eureka!" (Buldum) diye bağırmasından sonra gerçekleştiği söylenir.
Arşimet'in prensibindeki "itme" terimi bu özel itme mekanizması için icat edilmiştir. Burada tüm antik fizikçilere yer vermemiz mümkün olmasa da, en azından Eratosthenes'i (MÖ 276-194) vurgulamak önemlidir. Eratosthenes sadece bir çubuk ve bazı temel matematik kullanarak Dünya'nın boyutunu belirlemiştir.
Eratosthenes, İskenderiye'de gün ortasında dikey bir çubukla Güneş ışınlarının açısını ölçmüş ve 7 derecelik bir açı bularak Güneş ışınlarının paralel olduğu varsayımını desteklemiştir. Benzer şekilde, İskenderiye'nin güneyinde, neredeyse aynı meridyen üzerinde yer alan Syene'de de Güneş ışınları günün aynı saatinde hiç gölge oluşturmamıştır (0 derece). Eratosthenes, orantısal bir ilişki kullanarak (Dünya'nın 360 derecelik bir küre olduğunu varsayarak) Dünya'nın çevresini 40.349 kilometre olarak hesaplamıştır ki bu, bugün sahip olduğumuz tahminden yaklaşık yüzde 10 oranında farklıdır.
Gözlem, hipotez testi ve teoriler oluşturmak için matematiksel araçların kullanılması, fiziğin ilerlemesini ve bilgi birikimini sağlayan araçlardır.
Fizik Alanındaki İlerlemeler
Orta Çağ'ın yerleşik hale gelmesiyle birlikte ihtilaflar çoğaldı. İstilalar, fetihler ve savaşlar nedeniyle Antik Yunan bilgi birikimi kaybolmuştur; yine de Boethius (MS 480-524) gibi bazı düşünürler Quadrivium aracılığıyla Antik Çağ'ın bazı bilimsel miraslarını korumuştur. Arap-Müslümanlar tarafından gerçekleştirilen bilimsel ilerlemenin altın çağı, Batı karanlık bir çağdayken gerçekleşmiştir ve bu süre zarfında Yunanlıların bilimsel çalışmaları Arap-Müslümanlar tarafından devam ettirilmiştir. Özellikle keşiflerin yazılı kayıtlarını muhafaza ettiler ve bunları genişleterek bilgiye dayalı bir medeniyetin temellerini attılar.
İbn Rüşd (1126-1198) gibi matematikçilerin cebir ve matematik çalışmaları, sıfırın Araplar tarafından kullanılmaya başlanmasının matematikte nasıl bir devrim yarattığını ve bu alandaki ilerlemelerin önünü açtığını göstermektedir. Astronom İbn-i Heysem (965-1039) ilk su teleskopunu yaptığında, bu alanı derinden değiştirecek yeni bir keşif çağını başlatmıştır. Örneğin Ay'ın belirli zamanlarda neden daha büyük göründüğü ya da neden parladığı sorulduğunda, İbn-i Heysem mantıklı bir açıklama getirebilmiştir.
İbn-i Heysem ayrıca daha sonraki bilim insanlarının geliştireceği bir kavram olan kırılma kavramından da ilk kez bahsetmiştir. Galileo Galilei sonunda İbn-i Heysem'in önerdiği mekanikteki eylemsizlik fikrini benimsemiş ve Isaac Newton da birkaç yüzyıl sonra kütle çekimi fikrini büyük ölçüde benimsemiştir. Rönesans döneminde birçok bilim insanı fizik alanına çığır açan katkılarda bulunmuştur.
Bir sonraki önemli isim, teleskop gibi yenilikler sayesinde yaygın bir üne kavuşan astronom ve fizikçi Galileo Galilei'dir (1564-1642). Dinamikler üzerine çalışması, kariyeri boyunca edindiği bir içgörü olan gezegenlerin izlediği yolları anlamasını sağlamıştır. Bunun yanı sıra Galileo, bir cismin herhangi bir kuvvete ya da bileşeni sıfır olan kuvvetlere maruz kalmaması halinde ya hareketsiz ya da düzgün doğrusal hareket halinde olduğunu söyleyen eylemsizlik kavramını ortaya attı.
Birkaç yıl sonra Newton'un Birinci Yasası bu fikre dayanacaktı. René Descartes (1596-1650) optik çalışmalarına daha fazla zaman ve enerji ayırmış, sonunda ışığın kırılması kuralının matematiksel ifadesini ve tabii ki yansıma yasasını formüle etmiştir.
Bununla birlikte, fizikçi Isaac Newton'un (1643-1723) katkılarının 17. yüzyılın en önemli katkıları olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Optik, mekanik ve matematik de dahil olmak üzere birçok disipline katkıda bulunan Newton, evrene bakışımızı kökten değiştirmiştir. Işığın kırılması üzerine yaptığı çalışmalarla Newton, Descartes (ve Willebrord Snellius) tarafından yapılan keşiflerin üzerine bir prizmanın ışığı bileşen renklerine ayırdıktan sonra bunları yeniden birleştirerek beyaz ışık oluşturduğunu gösterdi.
Ayrıca görüntü netliği açısından Galileo'nunkinden daha iyi performans gösteren Newton teleskopunu icat etti ve difraksiyonu (kırınımı) araştırdı.
Isaac Newton, cisimlerin hareketinden sorumlu kuvvetleri temsil etmek için vektörleri kullanan matematiksel bir mekanik teorisi geliştirdi. Arkadaşı astronom Edmund Halley'in (1656-1742) yardımıyla, "Newton Yasaları" olarak bilinen üç kuralı formüle etmeyi başardı ve ayrıca her ikisi de Newton'un Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri adlı kitabında yayınlanan evrensel çekim yasasını belirterek yerçekiminin nasıl çalıştığını açıklamayı başardı.
Son olarak, Gottfried Leibniz (1646-1716) o dönemde fizik alanında önemli bir figürdü. Enerjinin korunumuna ve uzamsal ve zamansal boyutların teorik modellemesine ilişkin teorik bulguları, sonraki bilim insanlarına son derece yardımcı olmuştur.
Newton'dan Sonra Fizik Bilimi
Enerji ve hareketin (kinematik ve dinamik) anlaşılması, daha önce birbirinden ayrı olan çalışma alanlarını bir araya getiren bir bilim dalı olan termodinamiğin gelişmesine yol açmıştır. Adını eski Yunanca ısı (thermos) ve güç (dunamis) kelimelerinden alan fiziğin bu alt alanı, hareket ve enerji arasındaki bağlantıları inceler (ısı yalnızca enerjinin taşınması için bir araçtır). Sanayinin ilerlemesi (endüstriyel dönemde) ve buhar makinelerinin geliştirilmesi fiziğin bu yeni konusuna borçludur.
James Clerk Maxwell (1831-1879) bir başka yeni fizik alanı olan elektromanyetizmayı ortaya atmıştır. Bu yeni alan elektrik ve manyetizmayı bir araya getirdi ve bunu basit deneylerle (ve teorik ve matematiksel analizlerle) yaptı: Bir telde hareket eden bir elektrik akımı bir manyetik alan üretir. Serbest elektronlar hareket ettiğinde, bir elektrik akımı ve bir manyetik alan oluştururlar.
Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşan Edward Morley (1838-1923) ve Albert Abraham Michelson (1852-1931) tarafından bir interferometre kullanılarak ışığın hızının ölçülmesi, tartışmasız yüzyılın en önemli keşfiydi. Keşifleri, ışık hızının aynı ortamdaki tüm referans çerçevelerinde sabit olduğunu bularak fiziğin dinamiklerini sarstı. Bu, hareket hızları ne olursa olsun ışık hızının tüm gözlemciler için aynı olduğu anlamına geliyordu.
Ancak gerçekte, fiziğin dinamikleri, yüksek hızdaki bir fotonla aynı yönde hareket eden bir gözlemcinin, fotonun bu gözlemci için (aynı referans çerçevesindeki) hareketsiz bir gözlemciye göre daha yavaş gittiğini algılaması gerektiğini dikte eder. Sadece George FitzGerald'ın (1851-1901) ve daha sonra Hendrik Lorentz'in (1853-1928) uzunluk daralması kavramı bunu açıklayabiliyordu. Bu varsayım, Albert Einstein bunu açıkça ortaya koyana kadar klasik mekaniğin ilkeleriyle doğrudan çelişiyordu.
Albert Einstein Fizik Dünyasını Sonsuza Dek Değiştirdi
Bu beklenmedik bulgu Albert Einstein'a (1879-1955) kadar hiçbir zaman mekanik ile uyumlu hale getirilemedi. 1905 yılında Einstein, ışık hızı sabit kalsa bile hareketin uzay ve zamanın bozulmasından kaynaklandığını gösteren özel görelilik teorisini sundu. Sonuç olarak Einstein, Paul Langevin'in (1872-1946) ikizlerinin hayali deneyinde gösterildiği gibi (İkiz paradoksu), uzay ve zamanın sabit olmadığını, aksine genişlediğini ve daraldığını göstermiştir; bu ikizlerin yaşları, yüksek hızda seyahat edip etmemelerine bağlı olarak değişecektir (bazı referans çerçevelerine göre).
Einstein'ın 1907-1915 yılları arasında geliştirdiği genel görelilik kuramı sayesinde özel görelilik ile yerçekimi kuramını bağdaştırmak artık mümkündü. Gerçekten de Albert, kendi görüşüne göre yerçekiminin yalnızca uzayzamanın bükülmesinden ibaret olduğunu gösterdi. Bir top gibi bir cisim kauçuk bir levhanın üzerine konulduğunda, levha çökecek ve bu deformasyonun yarattığı yerçekimi çizgileri veya jeodezikler nedeniyle levha cismi çekecekti.
Genel görelilik nedeniyle, Newton fiziğinin uygulamasının sınırlı olduğu ortaya çıktı; artık çok yüksek hızlarda hareket eden nesneler için geçerli olmayacaktı. Genel görelilik aynı zamanda yeni keşfedilen kara delik gibi yeni fikirlere de kapı açtı. Bir fizikçi olan Edwin Hubble (1889-1953) da galaksilerin birbirlerinden uzaklaştığını gösterecek (Newton fiziğinin varsaydığımızın aksine) ve böylece daha sonra "Büyük Patlama" olarak adlandırılan bir olayın ardından evrenin genişlemesi kavramını ortaya çıkaracaktı.
Ernest Rutherford (1871-1937) kuantum mekaniği alanındaki çalışmalarıyla nükleer fizikte eşi benzeri görülmemiş atılımların önünü açtı. Rutherford radyoaktiviteyi ve alfa ve beta parçacıkları gibi iyonlaştırıcı radyasyonu ortaya çıkardı. Atomun pozitif yüklerini birleştiren ve ona kütlesini veren çekirdek, Rutherford'un altın üzerinde yaptığı bir deney sayesinde keşfedilmiştir.
Modern Fizik
Günümüzde fizik alanı, üzerine inşa edilebilecek ve önemli ilerlemeler kaydedilebilecek sağlam bir temele sahiptir. Bununla birlikte, kuantum fiziği ile genel görelilik arasındaki temel farklılıklar henüz uzlaştırılmamıştır. Şu anda fizikçiler tarafından önemli bir araştırma konusu olan her şeyin teorisi ve bir ana eşitlik kavramı, önceki iki yüzyılın tüm keşiflerinin aynı noktaya gittiği, yakınsadığı gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Fizik alanındaki ilerlemeler, daha hızlı ve daha doğru ilerlemeye olanak tanıyan bilgisayarlar ve makineler tarafından kolaylaştırılmaktadır.
CERN'deki (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), maddenin doğası ve evrenin erken dönemleri hakkında pek çok yeni ve heyecan verici şeyi ortaya çıkarmayı vaat ediyor. Kısmen matematik, bilgisayar ve teknolojideki gelişmeler sayesinde, fizik bilimleri ilerleme kaydetmeye ve bu güzel çalışma alanının tarihi olan kitaba bölümler eklemeye devam ediyor.
