Bilmeniz Gereken 10 Bilimsel Yasa ve Teori

Bilim adamları, doğanın ve evrenin büyük işlerde nasıl çalıştığını açıklamaya çalışırken birçok araç kullanabilirler. Genellikle ilk önce yasalara ve teorilere ulaşırlar. Fark ne?  Bir bilimsel yasa genellikle matematiksel bir açıklamaya indirgenebilir, ampirik verilere dayanan özel bir ifadedir ve gerçekçiliği genellikle belirli bir dizi koşulla sınırlıdır.  Örneğin, E = mc² durumunda, c vakumdaki ışığın hızını ifade eder.

Bir bilimsel teori sıklıkla delil veya belirli olayların gözlemlerini sentezlemeye çalışır.  Genellikle, doğanın nasıl işlediğine dair daha büyük ve test edilebilir bir ifadedir.  Bilimsel bir teoriyi özlü bir ifadeye veya denkleme indirgeyemezsiniz, ancak doğanın nasıl çalıştığı hakkında temel bir şeyi temsil eder.

10. Big Bang Teorisi

Edwin Hubble, Georges Lemaitre ve Albert Einstein tarafından yapılan araştırmalara dayanarak, büyük patlama teorisini, yani evrenin neredeyse 14 milyar yıl önce büyük bir genişleme olayıyla başladığını varsayıyor. O zaman, evren tek bir nokta ile sınırlıydı ve evrenin tüm maddesini kapsıyordu. Bu orijinal hareket, evren dışa doğru genişlemeye devam ettiği için bugün de devam ediyor.

Arno Penzias ve Robert Wilson 1965’te kozmik mikrodalga arkaplan radyasyonunu keşfettikten sonra büyük patlama teorisi bilim camiasında yaygın bir destek kazandı. İki astronom, zamanla dağılmayan kozmik gürültü veya statik alan saptadı. Princeton araştırmacısı Robert Dicke ile işbirliği yapan astronomlar, Dicke’in orijinal büyük patlamanın evrende tespit edilebilir düşük seviyeli radyasyonun ardında bıraktığı hipotezini doğruladı.

9. Hubble’ın Kozmik Genişleme Yasası

Edwin Hubble ile devam edelim. 1920’ler Büyük Buhran ile zor günler geçirirken, Hubble çığır açan astronomik araştırmalar yapıyordu. 

Hubble, Samanyolu’nun yanı sıra başka gök adalar olduğunu kanıtlamakla kalmadı, aynı zamanda bu gök adaların durgunluk olarak adlandırdığı bir hareket ile uzaklaştığını keşfetti .

Bu galaktik hareketin hızını ölçmek için Hubble, Hubble’ın Kozmik Genişleme Yasasını, diğer bir deyişle Hubble yasasını, yani aşağıda belirten bir denklemi önerdi: 

Hız = H × uzaklık 

Hız, galaksinin durgun hızını temsil eder; H, Hubble sabiti veya evrenin genişleme hızını gösteren parametredir; ve uzaklık, galaksinin karşılaştırıldığı mesafedir.

Hubble sabiti zaman içinde farklı değerlerde hesaplanmıştır, ancak mevcut kabul edilen değer megaparsec başına 70 kilometre/saniye, ikinci parametre olan uzaklık ise galaksiler arası mesafedir.

En önemlisi Hubble yasasının, bir galaksinin kendi hızımızla olan hızını ölçmek için özlü bir yöntem sağlamasıdır. Bu yasa, evrenin hareketinin büyük patlamaya kadar giden birçok gök adadan oluştuğunu tespit etti.

8. Kepler’in Gezegensel Hareket Yasaları

Yüzyıllar boyunca, bilim adamları gezegenlerin yörüngeleri hakkında, özellikle de güneşin yörüngesinde gezip gezmedikleri konusunda birbirleriyle ve dini liderlerle savaştılar. 

16. yüzyılda Kopernik, gezegenlerin Dünya’nın değil güneşin etrafında döndüğü güneş merkezli bir güneş sistemi kavramını ortaya koydu. Ancak, gezegenlerin hareketleri için açık bir bilimsel temel oluşturmak; Johannes Kepler, Tyco Brahe ve diğerleri tarafından gerçekleştirilen çalışmalara dayanması gerekiyordu.

Kepler’in 17. yüzyılın başlarında sunduğu üç gezegensel hareket kanunu,  gezegenlerin güneşin yörüngesinde nasıl hareket ettiğini açıklar. Bazen  yörüngeler yasası olarak adlandırılan bu ilk yasa, gezegenlerin güneşin etrafında eliptik bir yörüngede döndüğünü belirtir. 

İkinci yasa, alanların kanunu, bir gezegeni güneşe bağlayan bir hattın eşit zaman dilimlerinde eşit bir alanı kapsadığını belirtir. Başka bir deyişle, Dünya’dan güneşe bir çizgi çizerek ve 30 gün boyunca Dünya’nın hareketini izleyerek oluşturulan alanı ölçüyorsanız, ölçümler başladığında Dünya’nın yörüngesinde nerede olursa olsun alan aynı olacaktır.

Üçüncüsü, dönemler kanunu, bir gezegenin yörünge dönemi ile güneşten uzaklığı arasında açık bir ilişki kurmamıza izin verir. Bu yasa sayesinde, Venüs gibi nispeten güneşe yakın bir gezegenin Neptün gibi uzak bir gezegenden çok daha kısa bir yörünge dönemine sahip olduğunu biliyoruz.

7. Evrensel Yerçekimi Kanunu

300 yıldan fazla bir süre önce Sir Isaac Newton devrimci bir fikir önerdi: kütleleri ne olursa olsun, herhangi iki nesne birbirine doğru yerçekimi kuvveti uygular. Bu yasa, birçok lise öğrencisinin fizik dersinde karşılaştığı bir denklem ile temsil edilmektedir.

F = G x [(m₁ m₂ ) / r² ]

F , Newton cinsinden ölçülen iki nesne arasındaki çekim kuvvetidir. m₁ ve m₂ ise, iki nesnenin kütleleridir. r, bunların arasındaki mesafedir. G yerçekimi sabitidir (6.672 × ^10-11 N m ² kg ^-2 ).

Evrensel yerçekimi yasasının yararı, herhangi iki nesne arasındaki yerçekimini hesaplamamıza izin vermesidir. Bu yetenek; bilim adamları, uyduyu yörüngeye yerleştirmeyi veya ayın seyrini çizmeyi planladıklarında yararlıdır .

6. Newton’un Hareket Yasaları

Newton’un diğer ünlü yasalarına geçelim. Üç hareket kanunu, modern fiziğin önemli bir bileşenini oluşturmaktadır. Birçok bilimsel yasa gibi, basitlikleri açısından oldukça zariftirler.

Üç kanundan birincisi, dışarıdan bir kuvvet tarafından hareket edilmedikçe, hareket halindeki bir nesnenin hareket halinde kaldığını belirtir. Zeminde yuvarlanan bir top için, bu dış kuvvet top ile zemin arasındaki sürtünme olabilir veya topu başka bir yöne tekmeleyen bir çocuk olabilir.

İkinci yasa, bir cismin kütlesi (m) ile ivmesi (a) arasında F = m × a denklemi şeklinde bir bağlantı kurar. F, Newton cinsinden ölçülen kuvveti temsil eder. Aynı zamanda bir vektör, yani yön bileşeni vardır. Hızlanması nedeniyle, zeminde yuvarlanan topun belirli bir vektörü, içinde hareket ettiği bir yönü vardır ve kuvvetini hesaplamaktan sorumludur.

Üçüncü yasa oldukça özlüdür ve size aşina olmalıdır: Her eylem için eşit ve zıt bir tepki vardır. Yani, bir nesneye veya yüzeye uygulanan her kuvvet için, o nesne eşit kuvvetle geri iter.

5. Termodinamik Yasaları

Termodinamik, ister motor ister dünyanın çekirdeği olsun, enerjinin bir sistemde nasıl çalıştığının incelenmesidir. C.P. Snow termodinamik yasalarını aşağıdaki şekilde özetlemiştir:

• Kazanamazsın.
• Hatta kırılamazsın.
• Oyundan çıkamazsın.

Bunları biraz açalım. Kazanamayacağınızı söyleyerek, madde ve enerji korunmuş olduğu için, diğerinden vazgeçmeden birini elde edemeyeceğiniz anlamına geliyor (yani, E = mc²). Ayrıca, bir motorun iş üretmesi için, ısı sağlamak zorunda olduğunuz anlamına gelir, ancak mükemmel bir şekilde kapalı bir sistemden başka bir şeyde, dış dünyada bir miktar ısı kaçınılmaz olarak kaybedilir, bu da ikinci yasaya yol açar.

İkinci ifade – hatta kırılamazsın – sürekli artan entropi nedeniyle aynı enerji durumuna geri dönemeyeceğiniz anlamına gelir. Bir yerde yoğunlaşan enerji her zaman daha düşük konsantrasyonlu yerlere akacaktır.

Son olarak, üçüncü yasa – oyundan çıkamazsın – sıfır Kelvin veya (eksi 273.15 Santigrat derece veya eksi 459.67 Fahrenheit derece) olarak ölçülen mutlak sıfır, mümkün olan en düşük teorik sıcaklık anlamına gelir. 

Bir sistem mutlak sıfıra ulaştığında, moleküller tüm hareketi durdurur, yani kinetik enerji yoktur ve entropi mümkün olan en düşük değerine ulaşır. Ancak gerçek dünyada, uzayın girintilerinde bile, kesinlikle sıfıra ulaşmak imkansızdır, sadece ona çok yaklaşabilirsiniz.

4. Arşimet’in Suyun Kaldırma Kuvveti Prensibi

Suyun kaldırma prensibini keşfettikten sonra, eski Yunan bilgin Arşimet “Eureka!” diye bağırarak Syracuse şehrinde çıplak olarak koştu. Keşif bu kadar önemliydi. 

Arşimet’in prensibine göre,  kısmen su altında veya tamamen suya batmış bir nesneye uygulanan kuvvet nesnenin yer değiştirdiği sıvının ağırlığına eşittir.

3. Evrim ve Doğal Seleksiyon

Şimdi evrenimizin nasıl başladığına ve fiziğin günlük yaşamımızı nasıl etkilediğine dair bazı temel kavramları oluşturduğumuza göre, dikkatimizi insan formuna ve nasıl dönüştüğümüze çevirelim. Çoğu bilim adamına göre, Dünya’daki tüm yaşamın ortak bir atası var. Ama bütün canlı organizmalar arasındaki bu muazzam farkın oluşması için bazı türleri evrime yani dönüşüme uğraması gerekmektedir.

Temel anlamda, bu farklılaşma evrim yoluyla meydana geldi. Organizmaların popülasyonları mutasyon gibi mekanizmalar yoluyla farklı özellikler geliştirdi. Kahverengi rengi ile bir bataklıkta kamufle olma özelliğine sahip olan bir kurbağa hayatta kalma şansına sahip olmuş, yani doğal bir seleksiyona uğramıştır.

2. Genel Görelilik Teorisi

Albert Einstein’ın genel görelilik teorisi önemli bir keşif olmaya devam ediyor, çünkü evrene bakış açımızı kalıcı olarak değiştirdi. Einstein’ın büyük atılımı, uzay ve zamanın mutlak olmadığını ve yer çekiminin sadece bir nesneye veya kütleye uygulanan bir kuvvet olmadığını söylemekti. Daha ziyade, herhangi bir kütle ile ilişkili yer çekimi, etrafındaki alanı ve zamanı (genellikle uzay zamanı olarak adlandırılır) büker.

Bunu kavramsallaştırmak için, Kuzey Yarımküre’de bir yerden başlayarak doğuya doğru düz bir çizgide Dünya üzerinde seyahat ettiğinizi düşünün.  Bir süre sonra, bir kişi konumunuzu bir harita üzerinde belirleyecek olsaydı, aslında orijinal konumunuzun hem doğusu hem de çok güneyinde olacaktınız. Çünkü Dünya kavislidir. Doğrudan doğuya gitmek için, Dünya’nın şeklini dikkate almanız ve kendinizi biraz kuzeye açmanız gerekir.

Uzay için de hemen hemen aynısı geçerlidir. Örneğin, Dünya’nın etrafında dönen bir mekik, uzayda düz bir çizgi üzerinde seyahat ediyormuş gibi görünebilir. Gerçekte, etraflarındaki uzay-zaman, Dünya’nın yer çekimi tarafından (bir gezegen veya kara delik gibi muazzam yer çekimi olan herhangi bir büyük nesnede olduğu gibi) kavislidir ve hem ileriye doğru hareket etmelerine hem de Dünya’nın yörüngesinde görünmelerine neden olur.

Einstein’ın teorisinin astrofizik ve kozmolojinin geleceği üzerinde muazzam etkileri olmuştur. Merkür’ün yörüngesindeki küçük, beklenmedik bir anomali, yıldız ışığının nasıl eğildiğini ve kara delikler için teorik temelleri nasıl ortaya koyduğunu gösterdi.

1. Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi

Einstein’ın daha geniş görelilik teorisi bize evrenin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla şey anlattı ve kuantum fiziğinin temelini atmaya yardımcı oldu Ancak, aynı zamanda teorik bilime daha fazla karışıklık getirdi. 1927’de, evrenin yasalarının bazı bağlamlarda esnek olduğu düşüncesi, Alman bilim adamı Werner Heisenberg tarafından çığır açıcı bir keşfe yol açtı.

Belirsizlik Prensibini öne sürerken Heisenberg, bir parçacığın iki özelliğini yüksek bir hassasiyetle aynı anda bilmenin imkansız olduğunu fark etti. Başka bir deyişle, yüksek bir kesinlik derecesine sahip bir elektronun pozisyonunu bilirsiniz, ancak momentumunu bilemezsiniz.

Niels Bohr daha sonra Heisenberg prensibini açıklamaya yardımcı olan bir keşif yaptı. Bohr, bir elektronun kuantum fiziğinin temel taşı haline gelen dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen bir kavram olan hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olduğunu buldu. Dolayısıyla, bir elektronun pozisyonunu ölçtüğümüzde, onu uzaydaki belirli bir noktada, belirsiz bir dalga boyuna sahip bir parçacık olarak ele alıyoruz.  Momentumunu ölçtüğümüzde, onu bir dalga olarak ele alıyoruz, yani dalga boyunun genliğini bilebiliriz, ama yerini değil.

Kaynaklar

• Bir Astronom’a sorun. “İzafiyet teorisi.” Cornell Üniversitesi Astronomi Bölümü 21 Mart 2008. (5 Ocak 2011) http://curious.astro.cornell.edu/relativity.php
• Bragg, Melvyn. “Termodinamiğin İkinci Yasası.” BBC. 16 Aralık 2004. (5 Ocak 2011) http://www.bbc.co.uk/programmes/p004y2bm
• Glenn Araştırma Merkezi. “Termodinamiğin Birinci Yasası.” NASA. 11 Temmuz 2008. (5 Ocak 2011) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html
• Lambert, Frank L. “Shakespeare ve Termodinamik: İkinci Yasa Barajı!” Occidental Koleji. 2008. (5 Ocak 2011) http://shakespeare2ndlaw.oxy.edu/
• LaRocco, Chris ve Blair Rothstein. “Büyük patlama.” Michigan üniversitesi. (5 Ocak 2011) http://www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm
• Lightman, Alan. “Görelilik ve Evren.” PBS Nova. Haziran 2005. (5 Ocak 2011) http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/relativity/
• Matson, Ronald H. “Bilimsel Yasalar ve Teoriler.” Kennesaw Eyalet Üniversitesi. (5 Ocak 2011) http://science.kennesaw.edu/~rmatson/3380theory.html
• Nave, CR “Hubble yasası ve genişleyen evren.” Georgia Eyalet Üniversitesi. (5 Ocak 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/hubble.html
• Nave, CR “Kepler’in Yasaları.” Georgia Eyalet Üniversitesi. (5 Ocak 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kepler.html
• Nave, CR “Belirsizlik İlkesi.” Georgia Eyalet Üniversitesi. (5 Ocak 2011) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/uncer.html
• PBS. “Büyük patlama teorisi tanıtıldı.” 1998. (5 Ocak 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html
• PBS. “Heisenberg belirsizlik ilkesini belirtiyor.” 1998. (5 Ocak 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27un.html
• PBS. “Penzias ve Wilson kozmik mikrodalga radyasyonunu keşfederler.” 1998. (5 Ocak 2011) http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp65co.html
• Pidwirny, Michael. “Termodinamiğin Yasaları.” Fiziksel coğrafya. 6 Nisan 2010. (5 Ocak 2011) http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6e.html
• Deprem Stephen. “Pratik olarak saf.” New York Times. 8 Kasım 2009. (5 Ocak 2011) http://www.nytimes.com/2009/02/18/opinion/18iht-edquake.1.20274600.html
• Stern, David P. “Kepler’in Üç Gezegensel Hareket Yasası.” Phy6.org. 21 Mart 2005. (5 Ocak 2011) http://www.phy6.org/stargaze/Kep3laws.htm
• Stern, David P. “Newton’un ‘Evrensel Yerçekimi’ teorisi.” NASA. 24 Mart 2006. (5 Ocak 2011) http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sgravity.htm
• California Üniversitesi Paleontoloji Müzesi (UCMP). “Evrimi Anlamak: Evrime bir giriş.” (5 Ocak 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/0_0_0/evo_02
• California Üniversitesi Paleontoloji Müzesi (UCMP). “Evrimi Anlamak: Doğal seleksiyon.” (5 Ocak 2011) http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/evo_25
• Tennessee Üniversitesi, Knoxville, Fizik ve Astronomi Bölümü. “Newton’un Üç Hareket Yasası.” (5 Ocak 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newton3laws.html
• Tennessee Üniversitesi, Knoxville, Fizik ve Astronomi Bölümü. “Sir Isaac Newton: Evrensel Çekim Yasası.” (5 Ocak 2011) http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newtongrav.html
• Weisstein, Eric W. “Yerçekimi Sabiti.” Wolfram Araştırma. (5 Ocak 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/GravitationalConstant.html
• Weisstein, Eric W. “Kepler’in Yasaları.” Wolfram Araştırma. (5 Ocak 2011) http://scienceworld.wolfram.com/physics/KeplersLaws.html
• Beyaz, Martin. “Hubble Genişlemesi.” California Üniversitesi, Berkeley. (5 Ocak 2011) http://astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/hubble.html