Tarihin en ünlü fizik deneylerine göz atalım. Bir yakıtın arabaya güç vermesi gibi deneyler de bilime güç verir. Son zamanlarda bilim en çok teorilerle ilgilenir hale gelse de özellikle atom gibi küçük parçacıkların nasıl işlediğini anlamamızdan bu yana bilim tarihi birçok yönden deneyler tarihi olmuştur. Dünyayı nasıl algıladığımızı değiştiren en önemli deneyler o kadar ustaca, o kadar basit ve o kadar sarsıcıdır ki kelimenin tam anlamıyla nefesimizi kesmiştir.
Galileo, Nesnelerin Aynı Hızda Düştüğünü Gösterir (1589)
İtalyan bilim adamı Galileo Galilei zamanının çoğunu ışık, hareket ve yerçekimi gibi dünyanın nasıl çalıştığına dair temel konuları anlamaya adadı. 16. yüzyıl İtalya'sında, bilim hala büyük ölçüde antik Yunanlılardan gelen teorilerin egemenliğindeydi. Gerçekten etkili bir Yunan bilim adamı olan Aristoteles daha ağır nesnelerin daha hızlı düştüğünü ve tüy ve taşın bu yüzden farklı hızlarda düşeceğini iddia etmişti.
Galileo ise belki de en ünlü deneyinde bunun yanlış olduğunu kanıtladı. İtalya'daki Pisa Kulesi'nden farklı ağırlıkta toplar bıraktı. Farklı ağırlıklarına rağmen, iki top da tam olarak aynı anda yere ulaştı — Aristoteles'in yanıldığını kanıtlamıştı. Galileo'ya göre tüy yere taştan daha yavaş inerdi çünkü hava direnci tüyü daha fazla yavaşlatırdı. İlginç bir şekilde, Apollo 15 görevinde bilim adamları Ay'a gittiklerinde (tüyleri yavaşlatacak hava direncinin olmadığı bir yere) tüy ve taş deneyini gerçekleştirdi ve Galileo'nun haklı olduğunu kanıtladı. Klibi buradan izleyebilirsiniz.
Isaac Newton Beyaz Işığı Renklerine Ayırır (1672)
Gökkuşağını herkes sever, peki bu muhteşem renkler nereden geliyor? Çoğu insan yağmur damlalarının güneş ışığını ("beyaz" ışık) renklerine böldüğünü ve farklı dalga boylarını farklı miktarda büktüğünü bilir (mavi kırmızıdan daha fazla bükülür, bu nedenle her zaman daha aşağıda olur) ancak 1672'den önce yaşasaydınız cevabı bilemezdiniz. Sıradan ışığın nasıl farklı renkli ışıkların birleşiminden oluştuğunu gösteren bu deney, tartışmasız şimdiye kadar yaşamış en büyük bilim adamlarından olan İngiliz bilim adamı Isaac Newton tarafından gerçekleştirildi. Üçgen şekilli cam kamayı (prizma) penceresinden vuran güneş ışığına tuttu ve ışığın göz kamaştırıcı renklerini ortaya çıkardı.
Henry Cavendish Dünyayı Tartar (1798)
İngiltere'nin Cambridge kentinde, dünyanın en büyük fizik laboratuvarlarından birinin adı, Dünya'yı tartmış 18. yüzyıl bilim adamı Henry Cavendish'ten geliyor. Cavendish'in ünlü deneyi akıl dolu pratikliğe sahiptir. Dünya'nın kültesini (veya gayri resmi olmak istiyorsanız "ağırlığını") ölçmek için Dünya'nın yoğunluğunu ölçmeyi düşündü. Aleti nispeten basitti. Bir çubuğun uçlarına iki küçük top ve ikinci bir çubuğa da iki büyük top yerleştirdi. Küçük toplar, büyük topların kendilerine uyguladığı yerçekimi kuvveti tarafından çekilerek ileri geri döndü. (YouTube'da deney düzeneğini gösteren kısa bir video).
Henry Cavendish'in deneyinde, çubukla birbirine bağlanan iki küçük top ipten asılı bırakılır, böylece serbestçe dönebilir. Küçük toplar, sabitlenmiş çok daha büyük iki topun çekimine kapılır. Küçük toplarla beraber hareket edecek şekilde monte edilmiş aynaya (yeşil olan) yandan bir ışık demeti yansıtılır. Işık oradan ölçeğe yansır. Toplar çekilirken ayna döner, ölçeğe yansıyan ışık yer değiştirir, böylece hareketin ölçülmesine izin verir.
Cavendish, bu aygıtla hem Dünya'nın yoğunluğunu hem de daha sonra Isaac Newton'un evrensel çekim yasası ve Albert Einstein'ın genel görelilik kuramında önemli bir parça haline gelen G yerçekimi sabitini buldu. Cavendish deneyi böylece modern yerçekimi teorilerinin temelini attı.
Thomas Young Işığın Dalga Olduğunu Kanıtlar… Yoksa Öyle mi? (1803)
Isaac Newton, bir ışık huzmesinin gökyüzünde gezinen minik parçacıklardan veya "cisimlerden" oluşan bir trene benzediğini düşündü, ancak başka bir büyük deney onun yanıldığını kanıtladı. 1803'te Thomas Young oldukça klasik bir deney tasarladı: Bir tahta üzerinde iki dar yarık oluşturdu ve aralarına bir ışık demeti yerleştirdi, böylece ışık her iki yarıktan aynı anda arkadaki duvara yansıdı.
Newton ışık konusunda haklı olsaydı Young duvarda her iki yanı karanlık olan merkezi bir parlak alan görmeliydi. Ancak bu deneyi yaptığında gerçekte gördüğü şey iki yarıktan gelen ışık ışınlarının "girişerek" aydınlık ve karanlık alanlar oluşturmasıydı. Bazı yerlerde bir yarıktan gelen ışık diğer yarıktaki ışığa eklenmiş ve parlak bir alan oluşturmuştu; diğer yerlerde ise iki yarıktan geçen ışık kaybolarak karanlık bir alan meydana gelmişti. Bu girişim örüntüsü, ışığın parçacık olarak değil dalgalar halinde hareket ettiğini kanıtladı.
Thomas Young'ın ünlü çift yarık deneyi ışığın bir dalga gibi davrandığını (en azından bazı zamanlarda) göstermiş oldu.
Ancak hikaye burada bitmedi. 1905'te Albert Einstein, ışığın gerçekten de bir parçacık gibi davranabileceğini gösterdi: Bir metale ışık tutarsanız elektronlarını saçarak elektrik akımı oluşturabilirsiniz (fotoelektrik etki olarak bilinen ve Einstein'a Nobel kazandıran fenomen ve bilim dalı).
James Prescott Joule Enerjinin Korunumunu Gösterir (1840)
Bir maraton koşmak istediğinizi varsayalım. Enerjinin korunumu adı verilen temel bilim yasası, bize vücudunuzu 42 km değerinde yiyecekle doldurmanız gerektiğini söyler. İhtiyacınız olan enerji, yapmak istediğiniz işe eşittir.
Bunu deneysel olarak çözen kişi James Prescott Joule'dur. Deneyinde, içinde sabitlenmiş çark olan suyla dolu büyük bir kap kullandı. Çark, etrafına ip sarılı bir aksa bağlıydı. İp makaranın üzerinden geçirildi ve ucuna ağır bir kasnak eklendi. Joule ağırlığı bıraktığında ip makaradan çekilmiş, aksı döndürmüş ve kanatlı çarkı hareket ettirerek suyu ısıtmıştı. Ağırlığı 20 defa bıraktı ve böylece su farkı ölçebilecek kadar ısındı.
Tüm hesaplamaları yaptıktan sonra düşen ağırlıkla kaybedilen potansiyel enerji miktarının, su tarafından kazanılan ısı enerjisi miktarına tam eşit olduğunu buldu. Kaybedilen enerji = kazanılan enerji, yani enerjinin korunduğunu ifade etmenin bir yoluydu: Enerjiyi yaratamaz veya yok edemez ancak onu bir formdan diğerine dönüştürebilirdiniz (bu örnekte, potansiyel enerjiden ısıya).
Hippolyte Fizeau Işık Hızını Ölçer (1851)
Işık, müthiş bir hızla hareket eder; bir ışık huzmesi bir saniyede Dünya'yı 7 kez dolaşır. Ancak ışık bu kadar hızlıysa onu nasıl ölçeriz? Hız, bir şeyin belirli bir zamanda ne kadar uzağa gittiğidir. 19. yüzyılın ortalarında Fransız fizikçi Armand Hippolyte Louis Fizeau Dünya'daki ışık hızını ölçmenin yolunu buldu. Yarı gümüşlenmiş bir aynaya bir ışık demeti yansıttı, ışık saniyede yüzlerce kez dönen çarkın içinden yansıdı. Tıpkı bir dişli gibi, çarkın da dişleri vardı ve ışık bunlardan birinin içinden geçiyordu. Fizeau, bir aynayı aparatından yaklaşık 8,5 km uzağa konumlandırdı, ışık aynaya çarpıp aynı şekilde geri dönüyor ve teleskopuna giriyordu.
Işık demetinin ne kadar uzağa gittiği bilgisine sahipti, bu yüzden ölçmesi gereken tek şey ışığın ne kadar sürede döndüğüydü. Dönen dişli çark onun saati oldu: Kaç tane dişi olduğunu ve ne kadar hızlı döndüğünü bildiğinden çarkın hızını ayarladı ve uzak aynadan dönen ışığı engelleyene dek devam etti. Bu noktada artık ışık huzmesinin lambadan aynaya yalnızca bir kez gittiğini ve döndüğünü biliyordu (bildiği bir mesafe) ve ışık huzmesinin ayrılıp geri gelmesi arasında ne kadar zaman geçtiğini de hesaplamıştı. Yani ışık hızını hesaplamak için tek yapması gereken mesafeyi zamana bölmek oldu. Rakam yaklaşık 3,1×108 m/s idi, bu değer gerçek değerden sadece %5 yüksektir.
Fizeau'nun aparatı daha sonra Léon Foucault tarafından geliştirildi. Dişli çark yerine dönen ayna yerleştirdi ve bu da ışığın hızını 2,98×108 m/s olarak verdi; bugün kullandığımız değerden sadece %1 azdır.
Robert Millikan Elektronun Yükünü Ölçüyor (1909)
Elektronlar elektrik taşır, bu nedenle sahip olunabilecek en küçük elektrik miktarı bir elektronun taşıdığı yüke eşittir. Bu kadar küçük bir şeyin yükünü nasıl ölçebilirsiniz? Robert Millikan, yatay olarak asılan iki elektrik yüklü plaka arasına yağ damlacıkları püskürterek en küçük elektrik yükünü ölçmenin yolunu buldu. Yağ damlacıklarına uyguladığı voltajı değiştirerek onları havadayken yukarı ve aşağı hareket ettirebildiğini gördü. Damlacıkların hareket hızını ölçerek sahip oldukları yükü hesapladı.
Her şey gibi yağ damlacığının da kütlesi vardır ve terminal hıza (son hıza) ulaşıncaya kadar yerçekimi kuvvetiyle aşağı doğru çekilir. Millikan damlacıklara negatif elektrik yükü verip plakaya pozitif voltaj uyguladığında düşmelerini önlediğini fark etti. Böylece ağırlıkları elektrik kuvvetine denk olmuştu. Uygulanan güce göre bazı damlaların daha yavaş düştüğünü, bazılarının hareket etmeyi bıraktığını ve hatta bazılarının yukarı doğru hareket ettiğini gördü. Biraz dikkat ettiğinde damlaların temel elektrik yükü biriminin katlarını (yani birden fazla elektron) taşıdığını ve bunun voltaj açıkken ne kadar hızlı yükselip alçaldıklarını etkilediğini fark etti. Güç açıkken terminal hızlarını ölçtü ve bunu güç kapalıyken ki hızla karşılaştırdı.
Ernest Rutherford (ve arkadaşları) Atomu Böler (1897–1932)
Antik Yunanlılar, maddenin atom adı verilen temel yapı taşlarından oluştuğunu düşünüyordu; bu kelimeyi kasıtlı olarak seçmişlerdi çünkü "bölünemeyen bir şey" anlamına geliyordu. Atomların aslında daha da küçük şeylerden oluştuğunun netleşmeye başladığı 19. yüzyılda bilim adamlarının şaşkınlığını ve sevincini hayal edin. Yaklaşık 1897'den 1932'ye kadar bir grup parlak bilim insanı atomların içindeki parçaları tanımlamaya başladı. Atom bölme deneyleri, J.J. Thomson'ın 1897'de elektronu keşfi, Ernest Rutherford ve Frederick Soddy'nin "transmutasyon" deneyleri (atomları diğer atomlara dönüştürme), James Chadwick'in 1932'de nötronu keşfi ve aralarında en ünlü deneylerden olan 1909 Geiger-Marsden veya altın folyo deneyi olarak sıralanır.
İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'nde çalışan Rutherford, iki öğrencisi Hans Geiger ve Ernest Marsden ile pozitif yüklü (alfa) parçacıklarını ince bir altın folyo tabakasına ateşledi. Beklendiği gibi, parçacıkların çoğu dümdüz fırladı, ancak küçük bir kısmı (kabaca 8000'de biri) büyük bir açıyla yol alıyordu ve hatta bazıları hemen geri sıçrıyordu. Rutherford ve meslektaşları şaşkına döndü. Ünlü sözünde belirttiği gibi: "Bir kağıt mendil parçasına 15 inçlik bir mermi ateşlemiş ve geri gelip size çarpmış gibi neredeyse inanılmazdı."
Getirdiği açıklama zekice ama basitti: Buna göre atomları saran geniş boş alanda elektronlarla birlikte pozitif yüklü bir çekirdek olmalıydı. Alfa parçacıklarının çoğu bu elektron bulutunun içinden geçmiş ve etkilenmemişti. Sapan birkaç tanesi ise çekirdeğin çok yakınına gelmiş ve parçacığın pozitif yükü oradaki pozitif yük tarafından itilmişti. Merkezi bir çekirdek ve etrafında elektronlar ile atomun içeriğini doğrulayan bu deney oldu.
Enrico Fermi Nükleer Zincir Reaksiyonunu Gösterir (1942)
Deneyler dünyayı değiştirme gücüne sahiptir ve İtalyan fizikçi Enrico Fermi'nin Aralık 1942'de gerçekleştirdiği deney bunu en derin şekilde gösteren örnektir. Bu noktaya kadar bilim adamları atomun yapısını anlamıştı. Einstein'ın şaşırtıcı teorik kavrayışları sayesinde madde ve enerjinin aynı şey olduğu ve küçük bir miktar maddenin teoride muazzam miktarda enerjiye dönüşebildiği de biliniyordu. Bu ikisi ele alındığında ortaya atomları birbirinden ayırarak devasa enerji açığa çıkarmanın mümkün olduğu görüldü.
Fermi bunu Chicago Üniversitesi'nde "atomik yığın" olarak adlandırdığı deneysel düzenekle test etti. Deneyinde, bir nötronu (atomun çekirdeğindeki yüksüz parçacık) bir uranyum-235 atomuna ateşledi (göreli atom kütlesi 235 olan uranyum — diğer bir deyişle toplam 235 proton ve nötron). Amacı onu daha büyük uranyum-236 atomuna dönüştürmekti. Uranyum-236, eklenen nötron sayesinde uranyum-235'ten bir daha fazla kütle birimine sahiptir, ancak o kadar kararsızdır ki, hemen iki küçük atoma ve iki nötrona ayrılır. Bu daha küçük atomların ve nötronların toplam kütlesi, onları üreten uranyum-236 atomunun kütlesinden azdı ve bu kütle Einstein'ın ünlü denklemi E = mc2'ye göre enerjiye dönüşmüştü. İki nötron uçtu ve diğer iki uranyum-235 atomuna çarparak iki reaksiyon daha gerçekleştirdi… O da dört reaksiyona daha neden oldu… vb. Bu ünlü zincirleme reaksiyon nükleer bombalara ve nükleer santrallere güç verir.
Rosalind Franklin X Işınlarıyla DNA'yı Fotoğraflar (1953)
Francis Crick ve James Watson'ın DNA'nın yapısını (canlının genetik materyalini taşıyan iki iplikli molekül) keşfettikleri iyi bilinir. Bu mükemmel çalışma için 1962 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü aldılar ve ödülü Crick ve Watson'ın kullandığı X ışını kırınım çalışmalarından bazılarını yapmış olan Maurice Wilkins ile paylaştılar. X Işını kırınımı biraz gölge oyunu kuklası gibidir, ellerinizin gölgesiyle duvarda hayvan silueti oluşturmak için el fenerini kullanmak yerine, materyalin atomik yapısının gölgesini fotoğraf plakasında oluşturmak için X Işınını kullanırsınız. Ortaya çıkan fotoğraf, atomların nasıl bir kristalin içinde dizildiğini ve aralarındaki mesafeyi ortaya çıkarır.
Crick, Watson ve Wilkins keşifleri için kutlandılar ancak ekibin önemli bir üyesi Nobel yoklamasında eksikti: Dört yıl önce 1958'de kanserden ölen 37 yaşındaki Rosalind Franklin (Nobel Ödülleri asla ölümden sonra verilmezdi). Franklin özellikle önemli bir X ışını kırınım fotoğrafı çekmişti. Bu fotoğraf DNA'nın yapısına dair büyük miktarda bilgiyi ortaya çıkarmıştı. Çalışmaları önemi bilim adamları tarafından doğrulanmış olsa da asla Crick, Watson ve Wilkins ile aynı tanınmaya sahip olmadı; bilim adamı olmayanların çoğu onun adını bile bilmez.