Doğaya hükmeden 10 temel fizik etkisi

1. DOPPLER FİZİK ETKİSİ

Doppler etkisi ses yayan bir kaynağın alıcıya göre hız veya yön değiştirmesiyle ortaya çıkan ve ses dalgalarının frekansının artması ya da azalmasına yol açan bir etkidir. Ambulansın sesi size yaklaşırken neden tizleşiyor ve sizden uzaklaşırken neden pesleşiyor sorusunun cevabı Doppler etkisidir.

Ambulans örneğinde siren sesinin size yaklaşması, sirenin yaydığı yeni ses dalgalarıyla eski ses dalgaları arasındaki mesafenin ambulansın hareket yönünde kısalmasına yol açıyor. Bu da kalabalık koridorda aniden duran bir kişinin arkasında kuyruk birikmesine benziyor. Ses dalgaları üst üste binince duyulan sesin dalga boyu kısalıyor ve frekansı artıyor. Bu da tizleşmeye neden oluyor. Öte yandan ambulans sizden uzaklaşırken ses dalgaları arasındaki mesafe artıyor ve bu da işittiğiniz sesin pes frekanslara kaymasına sebep oluyor.

KIRMIZIYA VE MAVİYE KAYMA

Doppler etkisi sadece ses dalgalarında değil elektromanyetik dalgalarda da görülür. Işık da elektromanyetik bir dalga olduğu için hem görünür ışık hem lazer ışınları hem de dünyada kablosuz haberleşmeyi sağlayan radyo dalgaları Doppler etkisinden etkilenir.

Örneğin evrenin genişliyor olması nedeniyle uzak galaksilerle aramız sürekli açılıyor ve onlardan gelen ışığın yolu uzuyor. Bu da ışığın kırmızıya kaymasına yol açıyor (seste karşılığı pesleşme). Ancak, Andromeda galaksisi de 3,5 milyar yıl sonra yaşadığımız Samanyolu galaksisiyle çarpışmak üzere bize yaklaşıyor. Bu nedenle Andromeda’nın ışığı maviye kayıyor.

2. GERÇEK KELEBEK FİZİK ETKİSİ
Popüler deyişle ifade edecek olursak bir kelebeğin kanat çırpışları bile iki hafta sonra gideceğiniz tatil yöresinin güneşli veya yağmurlu olmasına yol açabilir. Ancak, kelebek etkisi aslında determinist kaos denilen matematik teorisinin basitleştirilmiş hali ve iki anlama geliyor.

Birincisi: Fiziksel bir sistemdeki değişiklikler azar azar artar ama bu etkiler birikimlidir ve bardağı taşıran son damla gibi aniden güçlü bir etki gösterebilir. Örneğin 541 milyon yıl önce başlayan Kambriyen Patlamasından önce Dünya’nın dış çekirdeği içten içe yeni katılaşmaya başlamıştı.

Ancak, dış çekirdeğin sıvı olduğu son 4 milyar yılda volkanik hareketler de düzenli aralıklarla görülmüş ve bu da Dünya ikliminin sık radikal değişiklikler görülmeden Kambriyen Patlamasına kadar sakin sakin gelmesini sağlamıştı. Kısacası Kambriyen öncesinde fiziki ve coğrafi şartlar oldukça kararlıydı, bu da canlı türleri için güçlü bir evrimsel baskıya yol açmıyordu.
Sonuç olarak 540 milyon yıl öncesine kadar evrim birikimli olarak ve küçük mutasyonlarla ilerledi; ama iç çekirdeğin katılaşması deniz canlılarının karaya çıkmasını tetikleyen ani depremlerle volkanik etkinlikleri tetikledi. Bu da bardağı taşıran son damla olarak türlerin sadece 13-25 milyon yıl süren Kambriyen Patlamasında çok hızlı evrim geçirmesine neden oldu ve canlıların çeşitliliği hızla arttı.

TÜRBÜLANS FİZİK ETKİSİ İLE ÖRNEK VERELİM
Deniz veya ırmak akıntılarındaki burgaçları veya turbojet motoru yakıt memesindeki türbülanslı yakıt akışını düşünün. Kelebek etkisi denen bu fizik etkisi uyarınca (çünkü matematikten çıkan bu ilke fiziksel sistemleri tanımlar) türbülans halindeki sıvıların akışını kesin olarak öngörmeniz mümkündür.

Motorun başlangıç anında motora ait bütün parçaların kesin yerini bilirseniz bugün ve 20 yıl sonra çalıştırıldığı her anda yakıtın ne tür bir türbülansa yol açacağını da bilirsiniz. Ancak, kelebek etkisine göre uçak motoru veya İstanbul hava durumu gibi karmaşık bir fiziksel sistemin anlık koşullarını kesin olarak bilmeniz imkansızdır.

3. MEİSSNER-OCHSENFELD ETKİSİ
Bu etki uyarınca elektriği neredeyse hiç direnç göstermeden ve dolayısıyla ısınmadan ileten süperiletkenlerin içinde manyetik alan oluşturamazsınız. Bu şekilde anlatınca pek anlaşılmıyor ama bilimkurgu filmlerinde manyetik alanlar üzerinde uçan arabaların (diyamanyetik uçan otolar) temelinde bu etki vardır. Siz de bunu internetteki videolarda görmüş olabilirsiniz.

Bazı metaller -180 derece veya daha fazla soğutulduğu zaman süperiletken özelliği kazanır. Örneğin, sıvı helyum ile soğutulmuş böyle bir metal alır ve manyetik alan yayan bir mıknatıs üzerine yerleştirirseniz süperiletken metal havada yüzecektir. Bunun nedeni, manyetik alan çizgilerinin metalin çevresinden geçerken metal parçaya tıpkı alttan üflenen hava gibi kaldırma kuvveti uygulamasıdır.

Bu bağlamda Japonlar manyetik kaldırma teriminin İngilizce kısaltması olan maglev trenlerini 1964’ten beri kullanıyor. Bunun için de süperiletken Meissner-Ochsenfeld etkisinden yararlanıyor. Yamanaşi Maglev Sergi Salonu’nda saatte 500 km’den hızlı giden manyetik kaldırma özellikli bir kurşun tren bulunuyor.

Japonya 2027’de Tokyo ve Osaka’yı çok daha hızlı bir maglev trenle bağlayacak ve bu hat üzerinde ortalama 500 km saate erişip iki şehir arasındaki mesafeyi istasyona yanaşmayla birlikte 67 dakikaya indirecek. Sonuçta maglev trenler manyetik hava yastıklarının üstünde yükseldiği için raylara sürtünüp sarsılmadan havadan gidiyor. Böylece saatte 500 km hıza ulaşabiliyor.

4. AHARONOV–BOHM FİZİK ETKİSİ
Kuantum dünyasında görülen bu etki aslında temel bir fizik etkisi değil, ama yine de temel etkiler arasında yer alması gereken bir etki: Öyle ki elektron gibi elektrik yükü olan (yani elektrik yükü 0 olmayan) bir parçacığı alırsanız ve manyetik alan ile elektrik alanının 0 olduğu deneysel bir vakum odasına kapatırsanız elektronun enerjisinin sıfıra düşmediğini görürsünüz. Boş uzayda bile elektron en azından elektromanyetik potansiyele sahip olacaktır (φ, A).

Başka bir deyişle bu elektron boş uzaydaki elektromanyetik potansiyelden etkilenerek faz kaymasına uğrayacaktır. Evet, biraz teknik ve soyut bir açıklama oldu ki bu neden önemli derseniz şuna dikkatinizi çekmek isterim: Elektronun faz kaymasına elektromanyetik alan değil, elektromanyetik potansiyel yol açıyor. Bu da boş uzayın bile enerjisi olduğunu gösteriyor!

Uzaydaki bütün parçacıklar ve enerjiyi çıkarırsanız geriye boşluğu dolduran kuantum alanlarının potansiyel enerjisi kalacaktır. Buna boş uzayın enerjisinin 0’a yakın ama 0’dan büyük olmasına sebep olan kuantum salınımları veya sanal parçacıklar da diyebilirsiniz.

5. TENİS TOPU FİZİK ETKİSİ
Hep kuantumdan bahsetmeyelim diye bu kez size günlük hayatta ayağı yere basan tenis etkisini anlatacağım: Elinize üç boyutlu bir nesne alır ve onun kendi çevresinde topaç gibi dönmesini sağlayarak havaya atarsanız bu nesnenin havada sağa ya da sola doğru bir eğri çizerek uçtuğunu göreceksiniz. Tenis topunun falso almasının ve futbol topunun kaleciyi aşıp gol olmasının sebebi budur!

FİZİK ETKİSİ SEBEBİNE GELİNCE
Tenis topu kendi çevresinde dönerken (spin atarken) stabil olacaktır; ama bu sadece en kısa ve en uzun eksen için geçerlidir. Tenis topu kendi çevresinde en kısa ekseni ve en uzun ekseni üzerinde dönerken stabil olacaktır; yani yalpalamadan dönecektir. Ancak, birbirine dik açı yapan uzun ile kısa ekseni birleştiren bir köşegen eksen üzerinde stabil olmayacak ve kendi çevresinde yalpalayarak dönecektir.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam tenis ve futbol topu yuvarlaktır. Hatta simetrik küre şeklindedir ve dolayısıyla iki ekseni yoktur. Dünya gibi tek ekseni vardır.” İdeal olarak öyle ama şunları hesaba katın: 1) Evrende kusursuz küre yoktur. Tenis topu da kusursuz bir küre değildir. Bu sebeple boş uzayda az da olsa falso alacaktır.

6. HALL FİZİK ETKİSİ İLE MARS’A GİTMEK
Bu başlığı kullandım; çünkü fizikçiler Hall etkisini kullanarak Mars’a gitmek için tasarlanan iyon ve plazma roketlerine turboşarj yapmayı planlıyor. Bu şekilde güçlendirilen roketlerle Mars’a az yakıt yakarak daha hızlı gitmek istiyor. Peki bu etki nasıl etkiyor?

Elektrik yükü olan iletken bir levhayı alıp manyetik alan içine yerleştirirseniz manyetik alan da plakanın yüzeyindeki elektronların hareketini etkileyecektir. Özellikle de bu levhayı manyetik alan çizgilerine dikey olarak hizalarsanız plakanın iki ucundan elektrik akımının geçtiğini görüp voltajını ölçebilirsiniz. Dahası voltaja bakarak manyetik alanın şiddetini de ölçebilirsiniz.

Dahası plakalar çok inceyse, sıfırın altında -100 derece veya daha fazla soğutulmuşsa ve manyetik alan çok güçlüyse Condor-Tivoli etkisini de görebilirsiniz. Öyle ki plakadaki elektronlar elektrik akımı yaratırken kısa sıçramalar yaparak hareket edecektir. Buna Hall etkisi deriz ve şurada belirttiğim gibi Hall etkisi iyon motorlarının verimliliğini artırmakta kullanılır.

Plaka üzerinde oluşan elektrik akımı bize dinamo etkisini de hatırlatıyor: İletken bir malzeme alıp bunu manyetik alan içinde döndürürseniz elektrik akımı üretirsiniz ve tersini yaparsanız bu kez de manyetik alan üretirsiniz. Dünya’nın atmosferini Güneş’in morötesi ışınları ve güneş rüzgarından koruyan manyetik güç kalkanı bu şekilde oluşuyor. Keza enerji santrallerindeki türbinler böyle elektrik üretiyor.

7. HAWKİNG FİZİK ETKİSİ
Stephen Hawking 1970’lerde kara deliklerin Hawking radyasyonu ile buharlaştıklarını buldu. Kara delikler Hawking radyasyonu olarak adlandırılan bir tür termal ışınım yayıyor (uzaya ısı yayıyor) ve ısı yaydıkça kütle kaybına uğrayarak küçülüyor. Bu sebeple kara delikler çok uzak bir gelecekte buharlaşarak yok olacaklar.

Hawking etkisi aslında Unruh etkisine ve kara deliklerin olay ufkuna bağlıdır. Hawking radyasyonu ve Unruh etkisini önceden yazdığım için burada tekrarlamayacağım. Sadece iki konuyu birleştiren temel detayları belirtmekle yetineceğim:

Görelilik teorisinden türeyen tamamlayıcılık ilkesine göre, uzaydaki parçacıkların gözlemlenmesi onlara bakan kişinin bakış açısına bağlıdır. Örneğin kara deliğe düşmekte olan bir astronotun zamanı dışarıdan bakan birine göre gittikçe daha yavaş akar ve tam kara deliğin üzerinde zaman donar.

Astronotun görüntüsü de donup kalır, bize göre aşırı kırmızıya kayarak soluklaşıp görünmez olur. Bu nedenle bizim için astronot kara deliğe asla düşmemiştir. Oysa astronotun kendisi kara deliğe düştüğünü görecektir. Tamamlayıcılık ilkesine göre her iki gözlem de aynen geçerlidir!

9. CASİMİR FİZİK ETKİSİ
Yukarıda boş uzayın bile kuantum alanlarıyla dolu olduğunu söylemiştim. Ancak, kuantum alanlarının varlığını kanıtlayan bir deneysel fizik etkisi daha var: Casimir etkisi. Hepimiz zıt yüklerin birbirini çektiğini biliriz. Siz de biri negatif ve diğeri pozitif yüklü iki metal plakayı vakumda birbirine çok yaklaştırırsanız bunların birbirini çektiğini göreceksiniz.

Öte yandan nötr plakalar da vakumda birbirini çeker. Bu da kuantum salınımlarından kaynaklanır. Nasıl oluyor derseniz tam açıklaması kuantum köpük yazısında; ama özetle iki levhanın arasındaki boş uzay, iki levhanın dışındaki uzaydan küçüktür. Dolayısıyla iki levhanın arasındaki kuantum salınımlarının sayısı da levhaların dışındaki kuantum salınımlarından azdır.

Bu da negatif basınca yol açar ve levhaların birbirine yaklaşmasına yol açar. Gerçi levhaları dış uzaydaki kuantum salınımlarının ittiğini sanmayın. Bunun yerine levhalar arasında oluşan negatif basınç iki levhayı içeriden birbirine doğru çekiyor (Sağduyuya aykırı bu durumu kuantum köpük başlığına ek olarak karanlık enerji yazısında da okuyabilirsiniz).

10. KUANTUM TÜNELLEME FİZİK ETKİSİ
Böylece geldik Casimir etkisini anlamak kadar zor olmasa da en ilginç kuantum fiziği etkisine. Kuantum tünelleme veya diğer adıyla doğal kuantum ışınlama temelde iki şeye yol açar: 1) Birbirine yakın iki parçacığın aniden birbirine değecek kadar yakınlaşması (adeta kendilerini birbirinin yanına ışınlamaları) ve 2) kuantum parçacıkların beton duvarın içinden sanki hayalet gibi geçmesi.

Bunların her ikisi de belirsizlik ilkesine bağlıdır. Ancak, ilkini belirsizlik ilkesiyle anlatmak daha kolay: Belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumunu aynı anda aynı kesinlikle bilemeyiz. Bu sebeple parçacıklar rastlantısal olarak kısa mesafelere anında sıçrayabilir ve adeta ışınlanabilirler.

Örneğin Güneş’in çekirdeğindeki yüksek ısı ve basınç altında atomlar kaynaşarak enerji üretiyor. Bu da Güneş’in Dünyamıza hayat verecek şekilde ısı ve ışık saçmasına yol açıyor. Oysa çekirdekteki basınç bile atomları sıkıştırıp yapıştırarak kaynaşmasını sağlamaya yeterli değil. Neyse ki protonlar kuantum tünelleme sayesinde diğer atom çekirdeklerine çok yaklaşıyor ve yapışarak atomları kaynaştırabiliyor.