4. Baskı

Editörler: Prof. Dr. M. Fatih Taşar

Prof. Dr. Metin Orbay

GENEL FİZİK 1ISBN 978-605-5885-15-1

Kitap içeriğinin tüm sorumluluğu yazarlarına aittir.

© 2014, Pegem AkademiBu kitabın basım, yayın ve satış hakları

Pegem Akademi Yay. Eğt. Dan. Hizm. Tic. Ltd. Şti.ne aittir.Anılan kuruluşun izni alınmadan kitabın tümü ya da bölümleri,kapak tasarımı; mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik, kayıtya da başka yöntemlerle çoğaltılamaz, basılamaz, dağıtılamaz.

Bu kitap T.C. Kültür Bakanlığı bandrolü ile satılmaktadır.Okuyucularımızın bandrolü olmayan kitaplar hakkında

yayınevimize bilgi vermesini ve bandrolsüz yayınlarısatın almamasını diliyoruz.

4. Baskı: Eylül 2014, Ankara

Yayın-Proje Yönetmeni: Ayşegül EroğluDizgi-Grafik Tasarım: Gamze Dumlupınar

Kapak Tasarımı: Gürsel Avcı

Baskı: Ankamat Matbaacılık San. Ltd. Şti.30.Cadde 1344. Sokak No:60

İvedik Organize Sanayi Bölgesi/ANKARA (0312-394 54 94 -394 54 95)

Yayıncı Sertifika No: 14749Matbaa Sertifika No: 13256

İletişim

Karanfil 2 Sokak No: 45 Kızılay / ANKARAYayınevi 0312 430 67 50 - 430 67 51

Yayınevi Belgeç: 0312 435 44 60Dağıtım: 0312 434 54 24 - 434 54 08

Dağıtım Belgeç: 0312 431 37 38Hazırlık Kursları: 0312 419 05 60

İnternet:www.pegem.netE-ileti: pegem@pegem.net

ÖN SÖZ

Elinizdeki Genel Fizik -1 kitabı Newtoncu Kuvvet ve Hareket Teorisi başlığı ile çıkmıştır. Evet, bu kitabın tümünde bir teori irdelenmektedir. Bu teorinin dayandığı gözlemler, deneyler, ortaya atılan temel düşünceler, olgu-lar, ilke ve kanunlar kitabın içeriğini oluşturmaktadır. “Peki bu kadar sayfa tutmasının nedeni nedir?” diye soracak olursanız onun cevabı da bu ilke ve kanunların çeşitli durumlara uygulanması ve sonuçlarının teoriyle nasıl açık-landığının ortaya çıkarılmasıdır. Buradan öncelikle şunu anlıyoruz: Bu kitap-tan öğrenilmesi beklenen şeylerin sayı ve hacmi aslında çok fazla değildir. Ancak bunların tam olarak kavrandığının anlaşılması, karşılaşılan farklı du-rumlara temel ilkelerin başarıyla uygulanmabilmesi ile olasıdır.

Yaygın ve yanlış olarak bilimsel teorilere henüz ispatlanmamış düşünce-ler, savlar gözüyle bakılmaktadır. Ancak bu doğru olmadığı gibi belirli bir alanda bir teoriye sahip olmak o alanda çalışan bilim insanlarının en çok isteyeceği bir şeydir. Çünkü bizler bütünlüklü bir teori sayesinde ancak ince-lemekte olduğumuz doğa olaylarının neden, niçin ve nasıllarını açıklayabili-riz. Bir alanda henüz hiçbir teori ortaya atılamamışsa, bu bazan olabildiğince çok deney ve gözlem verileri elde bulunduğu durumlarda da görülebilir, o takdirde hâlâ bütünlükçü bir anlayıştan yoksunuz demektir. Bir teorinin var-lığı da o alanda bilimsel faaliyetin sonu olmaz. Çünkü daha başka hangi durumların var olabileceği ve bu durumlardaki davranışların nasıl tezahür edebileceği daima baştan kestirilemez. Öyle yeni durumlar ortaya çıkabilir ki, bizi mevcut teorimizi gözden geçirmeye veya terk etmeye zorlayabilir. İlke ve kanunlar da teori içinde yer aldığına göre onlar da mutlak ve değişmez bi-limsel bilgi türleri değildir. Onlar da değişebilir.

O halde biz Newtoncu kuvvet ve hareket teorisini niçin öğreniyoruz? Bu sorunun cevabı, teorinin kendimizinkilerle karşılaştırılabilir büyüklükler, küt-leler ve hızlar için hâlâ geçerli ve aşılamamış oluşudur. Fiziksel nedenlere dayanan, yeterince basit, hassas ve ayrıntılı açıklamaları bu teori sayesinde bu gözlem aralığı için elde edebiliyoruz. Görülüyor ki burada mutlak doğru olmaktan çok, ki hiç bir zaman elde edilemeyecek bir sonuçtur, mevcut göz-lem verilerine uygunluk ve pragmatiklik de rol oynamaktadır.

Newtoncu kuvvet ve hareket teorisi bize günlük gözlemlerimiz hakkında aydınlatıcı bilgiler ve öngörüler sağlamaktadır. Hareket en sıklıkla karşılaşılan bir olgudur: Rüzgar nasıl meydana gelir? Ağaç nasıl büyür? Dünya nasıl hareket eder? Depremlerin sonuçları niçin bu kadar yıkıcı olabilir? Gemiler nasıl hareket eder? Futbol nasıl oynanır? Mevsimler neden meydana gelir?

Güneş olmasa dünya nasıl bir yer haline gelir? Elbette ki bu sorulara sizler de onlarca ekleme yapabilirsiniz. İşte tüm bunları olabildiğince az ilkeye dayanarak ve güvenilir bir şekilde cevaplamak istiyorsak o zaman bilimin sesine kulak vermek zorundayız.

Yukarıda sayılan türden doğa olayları hakkında insanlar küçük yaşlar-dan itibaren fikir geliştirirler. Ancak araştırmalar ortaya çıkarmıştır ki bu fikir-ler yaygın şekilde bilimsellikten uzak olabilmekte ve de değişime de olabildi-ğince direnç göstermektedirler. Dolayısıyla üniversite mezunları dahi en te-mel olaylar hakkında bilimsel açıklamalarla açıkça çelişen görüşler ortaya atabilmektedir. Bunun nedeni temel kavramların öğrenilmesinde büyük bir güçlük yaşanmasından kaynaklanmaktadır. İvme kavramının ne olduğunu ezbere eksiksiz söyleyebilen bir kişi, onu gözlemlenen olaylara uygulamada başarısız olabilmektedir. Ele alınan kavramların farklı yönlerden irdelenmesi ve daha önceki kavrayışımız ne olursa olsun yeni bir gözle bakılabilmesi anlamlı öğrenme açısından oldukça önemlidir. Hiçbir fizik kavramı tek başı-na anlamlı değildir. Bu yüzden kavramlar arasındaki ilişkilere öğrenme süre-cinde özel önlem verilmelidir. Yine ivme kavramına başvuracak olursak, ivmenin birinci derecede ilişkili olduğu kuvvet, hız, kütle, zaman gibi kav-ramlarla olan ilişkisi nedir? “İvme, hızdaki değişim miktarıdır” tanımı görüle-cektir ki tüm bu ilişkileri ortaya koymakta yetersizdir. İvme bu şekilde kine-matik konusunda tanımlanır. Ancak daha sonra işlenecek olan Newton’un 2. kanunu da bize ivme hakkında ek ilişkiler sunar. O halde, her yeni kavram öğrenilirken daha önce öğrendiklerimizle olan ilişkisini sorgulamak ve açığa çıkarmak şarttır.

Son olarak öğrenci kardeşlerimize burada bir uyarı yapmak istiyorum: Kitabın yazılış tarzı ve konuları ele alışı, açık ve anlaşılır olması, incelikli hu-suslarda uyarılar vermesi önemlidir; dersi işleyen öğretim elemanının tutum ve davranışları, kendi deneyimlerini öğrencilerle ne şekilde paylaştığı ve konuları sunuş şekli de önemlidir; bunlara ek olarak okul binalarının ve tek-nolojik desteğin yeterliliği de sıralanabilir. Fakat bütün bunlar en mükemmel düzeyde olsa bile öğreneni, öğrenme sürecinden soyutlamak olası değildir. Öğrencilerin kendi yaşantılarına, motivasyonlarına, iş görme alışkanlıklarına dikkat etmeleri ve dersle ciddî olarak ilgilenip zaman ve çaba harcamaları öğrenme sürecinin başarıya ulaşmasında birinci derecede etken ve önemli-dir.

Tüm bu düşüncelerle, farklı üniversitelerden akademisyen arkadaşları-mızın katkılarıyla yazılan bu kitabın, öğrencilerin ele alınan doğa olaylarını anlamalarına yardımcı olmasını diliyorum.

M. Fatih Taşar Ankara, Eylül 2014

iv

İÇİNDEKİLER Önsöz ............................................................................................................................. iii İçindekiler ........................................................................................................................ v

1. BölümFizik Nedir?

(ss: 1/25)

Sorular ........................................................................................................................... 2 Bir Bilim Dalı Olarak Fizik .............................................................................................. 3 Bilimsel Yöntem ............................................................................................................. 4 Bilimsel Bilginin Mahiyeti ............................................................................................. 14 Bilim ve Teknoloji Arasındaki İlişki ............................................................................... 18 Fiziğin Dalları................................................................................................................ 20 Niçin Fizik Öğreniyoruz? ............................................................................................... 23 Kaynaklar ............................................................................................................... 25

2. BölümÖlçme ve Birim Sistemleri

(ss: 27/41)

Sorular ......................................................................................................................... 28 Giriş ............................................................................................................................. 29 Ölçme ve Ölçme Yöntemleri ......................................................................................... 29

Doğrudan ölçme ..................................................................................................... 29 Dolaylı ölçme .......................................................................................................... 30

Ölçmede Hata .............................................................................................................. 30 Ölçme Sonuçlarının Değerlendirilmesi ve Hata Hesapları ............................................. 31 Birim Sistemleri ............................................................................................................ 34 Anlamlı Rakamlar ......................................................................................................... 37 Boyut Analizi ................................................................................................................ 39 Bölüm Sonu Problemleri .............................................................................................. 41

3. BölümVektörler

(ss: 43/74)

Sorular ......................................................................................................................... 44 Giriş ............................................................................................................................. 45 Koordinat Sistemleri ..................................................................................................... 45 Vektörler ....................................................................................................................... 46 Vektörlerin Bazı Özellikleri ........................................................................................... 50 Vektörlerde Toplama ve Çıkarma ................................................................................. 51 Vektörlerde Çarpma ..................................................................................................... 56

Skaler Çarpım ......................................................................................................... 56 Vektörel Çarpım ..................................................................................................... 61 Karma Çarpım ........................................................................................................ 70

Bölüm Sonu Problemleri .............................................................................................. 71

4. BölümHareket Bilgisi (Kinematik)

(ss: 75/151)

Sorular ......................................................................................................................... 76 Giriş ............................................................................................................................. 78 Bir-Boyutlu Hareket...................................................................................................... 80

Yerdeğiştirme ve Yol ............................................................................................... 80 Hız ve Sürat ............................................................................................................ 81 Ani Hız ................................................................................................................... 84 Sabit Hızlı Hareket .................................................................................................. 87 Ortalama İvme ve Ani İvme .................................................................................... 90 Sabit İvmeli Hareket ............................................................................................... 93

Serbest Düşme Hareketi ............................................................................................... 99 Düzlemde Hareket ...................................................................................................... 109

Yerdeğiştirme Vektörü .......................................................................................... 110 Hız Vektörü .......................................................................................................... 111 İvme Vektörü ........................................................................................................ 113 Uzaysal Hareket .................................................................................................... 117

Eğik Atış Hareketi ....................................................................................................... 118 Düzgün Dairesel Hareket ............................................................................................ 129 Bağıl Hareket .............................................................................................................. 134

Düşük Hızlarda Bağıl Hareket ............................................................................... 134 Yüksek Hızlarda Bağıl Hareket .............................................................................. 139

Bölüm Sonu Problemleri ............................................................................................ 141

vi

5. Bölüm Kuvvet ve Hareket

(ss: 153/208) Sorular ....................................................................................................................... 154 Giriş ........................................................................................................................... 155 Kuvvet ve Net Kuvvet ................................................................................................. 157 Newton’un Birinci Kanunu ......................................................................................... 159 Newton’un İkinci Hareket Kanunu .............................................................................. 161 Newton’un Üçüncü Hareket Kanunu (Etki-Tepki Etkisi) .............................................. 168 Sürtünme ................................................................................................................... 171

Sürtünme Türlerine Göre Sürtünme Katsayıları .................................................... 173 Newton’un Hareket Kanunlarının Bazı Uygulamaları .................................................. 178 Problem Çözme Stratejileri ve Bazı Öneriler ............................................................... 180 Çözümlü Örnek Problemler ........................................................................................ 182 Bölüm Sonu Problemleri ............................................................................................ 192

6. Bölüm

Enerji

(ss: 209/239) Sorular ....................................................................................................................... 210 Giriş ........................................................................................................................... 211 İş ................................................................................................................................ 211 Hook Kanunu ve Bir Yayda Depolanan Enerji ........................................................... 214 Güç ............................................................................................................................ 215 Evrensel Kütle Çekim Kanunu .................................................................................... 217 Kinetik Enerji .............................................................................................................. 219 Potansiyel Enerji ......................................................................................................... 221 Korunumlu ve Korunumsuz Kuvvetler ve İş ................................................................ 222 Mekanik Enerji .......................................................................................................... 223 Basit Makineler ........................................................................................................... 224

Bir Basit Makinenin Mekanik Yararı ...................................................................... 225 Basit Makine Çeşitleri ........................................................................................... 226

Karmaşık Makineler .................................................................................................... 233 Böüm Sonu Problemleri ............................................................................................. 235

vii

7. Bölüm

Momentum ve İmpuls

(ss: 241/269)

Sorular .................................................................................................................. 242 Giriş ...................................................................................................................... 243 Kütle Merkezi ........................................................................................................ 243 Momentum ........................................................................................................... 246 İmpuls ................................................................................................................... 247 İmpuls-Momentum Teoremi ................................................................................. 247 İmpuls-Momentum Teoremi Uygulamaları............................................................ 248 Momentumun Korunumu ..................................................................................... 251 Momentumun Korunumu Uygulamaları ............................................................... 256 İmpuls-Momentum Kavram Haritası ..................................................................... 263 Bölüm Sonu Problemleri ...................................................................................... 264

8. Bölüm

Dönme Hareketi

(ss: 271/301)

Sorular .................................................................................................................. 272 Giriş ...................................................................................................................... 273 Açısal Hız ve Açısal İvme ...................................................................................... 273 Sabit Açısal İvmeli Dönme Hareketi ...................................................................... 275 Katı Bir Cismin Dönme Kinetik Enerjisi ................................................................. 283 Moment ve Denge ................................................................................................ 288 Açısal Momentum ve Açısal Momentumun Konumu ............................................ 290 Yuvarlanma Hareketi ............................................................................................ 293 Bölüm Sonu Problemleri ...................................................................................... 294

9. BölümMaddenin Mekanik Özellikleri

(ss: 303/335) Sorular .................................................................................................................. 304 Giriş ...................................................................................................................... 305 Madde ve Maddenin Halleri ................................................................................. 305 Yoğunluk .............................................................................................................. 309

viii

Hooke Kanunu ve Esneklik Sabitleri ..................................................................... 311 Young modülü ................................................................................................ 313 Kesme modülü ................................................................................................ 314 Hacim modülü ................................................................................................ 314

Hacim Sıkışabilirliği .............................................................................................. 316 Akışkanların Mekanik Özellikleri ............................................................................ 316

Basınç ............................................................................................................. 317 Katıların Basıncı .............................................................................................. 317 Sıvıların Basıncı ............................................................................................... 318 Gazların Basıncı .............................................................................................. 319

Sıvıların Kaldırma Kuvveti ve Archimedes Kuvveti ................................................ 321 Akışkan Akışı (Hidrodinamik) ve Viskozluk (Ağdalık) ........................................... 325 Süreklilik Denklemi ............................................................................................... 326 Bernoulli Denklemi .............................................................................................. 328 Bölüm Sonu Problemleri ...................................................................................... 333

10. Bölüm Titreşim Hareketi

(ss: 337/362) Sorular .................................................................................................................. 338 Giriş ...................................................................................................................... 339 Basit Harmonik Hareket ....................................................................................... 340 Basit Harmonik Hareketin Bazı Uygulamaları ....................................................... 346

Titreşen Yay .................................................................................................... 346 Basit Sarkaç .................................................................................................... 350 LC devresi ....................................................................................................... 353

İki Basit Harmonik Hareketin Bileşimi .................................................................. 354 Aynı Doğrultu ve Aynı Frekans Durumu.......................................................... 354 Aynı Doğrultu ve Farklı Frekans Durumu ........................................................ 357

Sönümlü Salınımlar .............................................................................................. 358 Zorlanmış Salınımlar ............................................................................................. 361 Bölüm Sonu Problemleri ...................................................................................... 364 Kaynaklar ............................................................................................................. 366 Bazı Temel Sabitler ............................................................................................... 367 Bölüm Yazarları ve Özgeçmişleri ........................................................................... 373

ix

Fizik Nedir? 1

1. Bölüm

FİZİK NEDİR?

Albert Einstein, Paul Ehrenfest, Paul Langevin, Heike Kamerlingh Onnes, ve Pierre Weiss. Yirminci yüzyılın ilk 30 yılı fizik ve bilim dünyası için gerçekten heyecan verici gelişmelere sahne oldu. Fizikçiler bilindiği varsayılan her şeyi yeniden düşünmek ve formüle etmek zorunda kaldılar. Büyük bir yeniden doğuş gerçekleşti. Bunda da azimli ve kararlı bilim insanlarının dönemin kısıtlı iletişim imkânlarına, savaş, kıtlık ve türlü diğer güçlüklerine rağmen özverili çalışmaları ve dayanışmaları hayati rol oynadı.

Genel Fizik 1 2

Sorular

1. Fizik hangi tür olaylar ve varlıklarla ilgilidir?

2. Bir bilim olarak fizikte kullanılan yöntem veya yöntemler nelerdir?

3. Bilimsel yöntem tek midir? Yoksa farklı yöntemler mi vardır?

4. Deney olmadan bilmsel faaliyet yapılabilir mi?

5. Deney ve gözlemin fizkteki yeri ve önemi nedir?

6. Bilim insanları nasıl bir yaşam ve uğraş içindedirler?

7. Fiziğin çaşitli dalları arasında bir ilişki var mıdır?

8. Farklı bilim dalları arasında bir ilişki var mıdır?

9. Bilim ile teknoloji arasındaki ilişki nedir?

10. Teknoloji nedir?

11. Bilimsel olgu, gözlem, kontrollü deney, hipotez, kanun ve teori ne-dir? Bunlar arasında nasıl bir ilişki mevcuttur?

12. Bilimsel kanunların mahiyeti nedir? Bilimsel kanunlar değişebilir mi? Neden?

13. Bilimin amacı çok sayıda kanun ve ilkeye ulaşmak mıdır yoksa az sayıda kanunla ve ilke ile olabildiğince çok sayıda olay ve durumu açıklamaya çalışmak mıdır?

14. Bilimde tekrarlanabilirlik ve gözlemlenebilirlik kavramlarının yeri ve önemi nedir?

15. Bilim, evrenin oluşumu gibi geçmişte olmuş ve bir daha asla tekrar-lanamayacak olayları açıklayabilir mi? Bu ne kadar bilimsel bir ça-badır? Tartışınız.

Fizik Nedir? 3

FİZİK NEDİR?

1.1. Bir Bilim Dalı Olarak Fizik

Fizik, doğa olaylarını inceleyen ve açıklamaya çalışan insanların ortaya koyduğu bir bilim dalıdır. Başlangıçta ‘doğa felsefesi’ olarak adlandırılmış-tır. Daha sonra felsefe ve bilimin birbirinden ayrılması ile bağımsız bir dal haline gelmiştir. Ancak, tüm bilim insanları gibi fizikçilerin de varoluş hak-kındaki temel sorulara yönelik ilgisi devam etmiştir. Çünkü doğayı anlama-ya çalışırken kaçınılmaz olarak ‘Biz kimiz? Evrende ne yapıyoruz? Evren nedir? Sınırları var mıdır? Evrendeki varlıkların birbirleriyle ilişkisi nedir? Evrendeki mikro ve makro ölçeklerde gerçekleşen olayların arkasındaki mekanizmalar nelerdir?’ gibi soruların cevapları merak edilir ve araştırılır.

Fizikçiler doğa olaylarının insanlar tarafından anlaşılabilir olduğuna inanırlar. Kuşkusuz bu ön kabul olmadan bir bilimsel faaliyete girişmek mümkün değildir. Bu yönüyle metafizik olaylar, fiziğin alanı dışındadır. Tüm bilim dalları birer beşeri faaliyet alanı olduklarından bireyler ve insan topluluklarının içinde bulundukları durumlardan etkilenirler. Dolayısıyla kültürel, sosyolojik, psikolojik, bilişsel ve hatta siyasal kaynaklı etkilere ma-ruz kalırlar.

İnşa edilmiş, var olan kavramsal çerçeve içinde bilimsel faaliyetler yürü-tülür. Bilim eğitimi de esas itibariyle ve öncelikle bu kavramsal çerçevenin yeni nesillere aktarımı üzerine oturtulur. Ancak ortaya çıkan yeni gözlem ve deney verilerinin yadsınamaz boyutlara ulaşması ve mevcut kavramsal çer-çeveyi temelden sarsması durumunda; o güne kadar geçerli kabul edilen kavramlar, ilkeler, kanunlar ve bunlar çerçevesinde oluşturulan kapsayıcı açıklamalar (teoriler) yerlerini artık ‘modern’ olarak adlandırılacak yenile-rine terk etme aşamasına gelir. Fakat bu değişimin de bir iç dinamiği vardır ve sadece istemekle gerçekleşmez. Mevcudu terk etmek daima herkes için cazip değildir. Doğal olarak da başlangıçta değişim taraftarlarının sayısı azdır. Bundan dolayı eski teori mümkünse ekleme, çıkarma ve modifikas-yonlarla kurtarılmaya çalışılır. Bu son çırpınışlar ise eski teoriyi sonuna ka-dar tükenme noktasına götürür. Böylece en fazla bir müddet sonra yeni ‘modern’ teori zaferini ilan eder; ancak, onun da ne kadar geçerli kalacağını hiç kimse önceden kestiremez.

Genel Fizik 1 4

1.2. Bilimsel Yöntem

Bilimsel yöntem olarak adlandırılan ve Milli Eğitim Bakanlığı’nın 2005 tarihli ilköğretim fen ve teknoloji müfredatında da ‘bilimsel süreç becerileri’ olarak açıklanan bilimsel iş görme basamaklarına burada bir göz atalım: gözlem, karşılaştırma-sınıflama, çıkarım yapma, tahmin, kestirme, değişken-leri belirleme, deney tasarlama, deney malzemelerini ve araç-gereçlerini tanıma ve kullanma, ölçme, bilgi ve veri toplama, verileri kaydetme, veri işleme ve model oluşturma, yorumlama ve sonuç çıkarma, sunma. Bu on-dört beceri öğrencilerin de bilim eğitimi sırasında kazanmaları arzulanan bilimsel işleyişe yönelik becerilerdir. Ancak bunları mutlak olarak anlama-mak ve yorumlamamak gerekir. Şöyle ki: Bilimde yalnız bir tek yöntem yoktur. Bilimsel problem çözme sırasında bu ve benzeri süreçlerden fayda-lanılır. Ancak sıra ve süreç olarak mutlak bir tek listeden bahsetmek müm-kün değildir. Kaldı ki teorik fizikçiler deneysel yöntemlerle teori inşa etme-ye pek sıcak bakmazlar. Mümkün olsa sadece düşünce, muhakeme, hayal gücü ve matematik yardımıyla temel ilkelerden yola çıkarak bir teori inşa etmeyi ve bunun da gözlemlere yol göstermesini arzu ederler. Böyle bir yol kuşkusuz ki teorik düşünmenin gücünü ispat etmede mükemmel bir yoldur. Ancak, ne yazık ki, çoğu durumda mümkün değildir ve olmamıştır. Bazen umulmadık bir keşif, bazen deneyler yoluyla elde edilen kanıtlar ve bazen de hayal gücü vb. etkenler bilimde önemli roller oynamıştır. Bunu bilim tarihinden bir örnekle açıklayalım:

Richard P. Feynman birçok eseri dilimize de çevrilmiş, Nobel fizik ödü-lü ile taltif edilmiş, geçen yüzyılın çok önemli bir fizikçisi ve de renkli bir siması idi. Ayrıca CalTech’de bir defaya mahsus verdiği temel fizik dersleri üç ciltlik The Feynman Lectures on Physics (Feynman Fizik Dersleri) adı ile yayınlanmış ve eğitimci yönü de bu sayede ortaya çıkmıştı. Belirtmek gere-kir ki tüm iyi fizikçiler aynı zamanda iyi birer eğitimci olmak zorunda değil-lerdir ve olmamışlardır da. Bunun da bir örneği Albert Einstein’dır. Feyn-man ise böyle de olunabileceğinin en güzel örneklerindendir. Feynman’ın CalTech’de bu seri dersleri verdiği saatlerde neredeyse tüm kampusta hayat duruyor ve diğer üniversitelerden gelen meraklılarla birlikte dolan büyük anfide herkes onun derslerine odaklanıyordu. Kendisinin modern teorik fiziğe katkısı hem hâlâ hayatta iken ve hem de daha sonra büyük takdir gördü. Kuvantum elektrodinamiği üzerine yapılan çalışmalara verilen 1965 yılı Nobel Fizik Ödülünü diğer iki fizikçiyle paylaştı. Aşağıdaki kısımda çok özel kişiliği ve üstün bilim adamlığı vasıflarıyla yaşamı boyunca ve hâlâ fizik-teki birçoklarını derinden etkileyen Richard Feynman’ın fiziğe bakışını yan-

Fizik Nedir? 5

sıtan ve yakın çalışma arkadaşları tarafından anlatılan bilgiler yer almakta-dır [1].

Resim 1.1. Richard Feynman, California Institute of Technology’de dört yıl

sürdürdüğü meşhur temel fizik derslerinden birini verirken görülüyor.

Kuvantum elektrodinamiğinin üstatlarından ve bu alanda çok kullanışlı teorik teknik ve yöntemlerin mucidi olan Feynman 1950’li yıllarda süperi-letkenlik ile de ilgilenmiştir. Aynı dönemde transistoru keşfederek ünlenmiş olan John Bardeen de dikkatini bu yöne çevirmiş bulunmakta idi. Bardeen bir ekip kurmaya karar verdi ve ilgili alanlarda tecrübeli ve yetenekli bir fizikçi olan Leon N. Cooper kendisine tavsiye edildi. Ondan başka, Bar-deen’in o dönem doktora öğrencilerinden olan Schriffer de ekibe katıldı. Bazı zorluklara rağmen Feynman’ın ortaya koyduğu rekabetin de etkisiyle bu ekip üstün bir çalışma ortaya koyarak mikroskopik düzeyde bir süperi-letkenlik teorisine ulaşmaya muvaffak oldu. Ortaya çıkan şey muhteşem nitelikte bir formülasyondu ve burada elektronlar uyumlu bir taban durumu oluştururken çiftler halinde tek-parçacık durumlarını doldurmak üzere etki-leşiyorlar böylece de fononlardan kaynaklanan zayıf çekici etkileşimin karşı-ladığı sistem enerjisindeki azalmanın optimizasyonu gerçekleşiyordu. Bu teori, süperiletkenliğin çözüm bekleyen başlıca tüm yönlerini açıklamada ve diğer yandan da hemen kısa süre sonra deneylerle onaylanacak yeni öngö-rülerinde başarılı oldu. Böylece süperiletkenliğin, keşfinden yaklaşık 50 yıl sonra artık açıklanabildiğini söylemek makul karşılandı.

Bu sıralarda neler yaptığını Feynman şöyle açıklıyor: “O dönemde sü-periletkenliği anlamak için inanılmaz çok zaman harcadım. Yaptığım hesap-

Genel Fizik 1 6

lamalar ve geliştirdiğim yöntemlerin haddi hesabı yok. Fakat çözmeye çalış-tığım temel problemi ben çözmedim, ki problem süperiletkenliğin nereden geldiği idi. Çok emek harcamama rağmen o sıralar hiçbir yayın yapmadım. Özgeçmişimdeki o döneme ait görülen boşluk budur. Süperiletkenlik prob-lemini çözmeye giriştim ancak bunu gerçekleştirmede başarısız oldum”. Feynman’ın o dönemde Uluslararası Teorik Fizik Kongresi’nde sunduğu süperiletkenlik ve süperakışkanlık hakkındaki tek bir makalesi çıkmıştı (1956). Burada kendisi helyumun süper akışkanlığının (sürtünmesiz akış) niteliksel olarak artık anlaşıldığını ifade etmekte, fakat süperiletkenliğin hâlâ niteliksel olarak anlaşılamadığından bahsetmektedir. Burada niteliksel diyerek kastettiği şey “aşağı yukarı nasıl bir işleyişin olduğu”dur. “Her şey bir yana, Schrödinger denklemi temelinde sürtünme nasıl açıklanır?” diye soruyordu. Bir sürtünme katsayısı hesaplamamamıza rağmen, sürtünmeyi “aşağı yukarı” anladığımızı düşünmekteyiz. Feynman’a göre süperiletkenlik için yoksun olduğumuz anlama işte bu türdendi.

Resim 1.2. Feynman oldukça özel ve çok yönlü bir kişiliğe sahipti. Kendisi resim ve müzik gibi sanat dalları ile de yakından ilgiliydi. Dans etmeyi severdi ve özel-

likle bongo çalması ünlüydü.

Fizik Nedir? 7

Feynman, katı hal fiziğinde hiç kimsenin o güne kadar deneysel sonuç-lar çıkmadan herhangi bir şey hesapladığını düşünmediğini belirtmekte ve “böylece, sadece ne gözlemlediysek onunla uyumlu tahmin yaptık!” diyerek bilimde önce tahmin (hipotez kurma) sonra deneysel onay gelir şeklindeki yargıya pratikte ne derece uyulduğunu eleştirerek ortaya koymaktadır. Aşikârdır ki önce gözlemlenen bir şeyin daha sonra tahmin edilmeye giri-şilmesi ironiktir. Benimsediği felsefe “ilk ilkelerden yola çıkarak bazı özel-likleri doğru bir şekilde açıkladığımız sürece, neyi açıkladığımız fark etmez” şeklindedir.

Geriye baktığımızda Feynman’ın süperiletkenlik problemi karşısında başarısız olduğunu biliyoruz. Burada problemin altında aslında kendi ma-tematiksel yaklaşımıyla asla elde edilemeyecek bir çözümlemenin varlığı rol oynamıştır. Ne var ki, Feynman tüm temel fiziği özümsemiş, neyin önemli ve neyin önemsiz olduğunu anlamış ve çözülecek problemin tam olarak ne olduğunu iyi bilen bir kişiydi. Onun çok kuvvetli bir girişim yapması ve başa-rısız olması, yine çok kuvvetli bir girişim yapan ve başarılı olan Bardeen, Cooper ve Schrieffer’ın elde ettiği abidevî muvaffakiyete karşı büyük bir takdir ifadesi olarak durmaktadır.

Resim 1.3. Feynman, CalTech yıllarında.

Süperiletkenlik kalesi başkalarının eline düşmeden hemen önce, tam da o hissî anlarda Feynman ânın olgunlaştığını biliyordu ve şöyle ifade ediyor-du: “Biz teorik fizikçiler neden hâlâ bu problemi çözemedik? Yeterli deney-ler olmadığı gibi bir bahanemiz yok … Biz deneylere bile bakmak zorunda olmamalıyız. Bir başka deneye her bakışımızda, problemi daha da kolaylaş-

Genel Fizik 1 8

tırırız. Bu, cevap için kitabın sonuna bakmaya benzer. Bu süperiletkenlik problemini çözemeyişimizin tek sebebi yeterli hayal gücüne sahip olmayışı-mızdır.” Feynman bunları yazdıktan birkaç ay sonra şubat 1957’de Bardeen, Cooper ve Schrieffer günümüzde artık ünlü olan teorilerini Physical Review dergisine yolladılar ve böylece yeterli hayal gücüne sahip olanların onlar olduğu anlaşıldı. Feynman’ın bu keşfi kaçırmaktan dolayı hayal kırıklığı yaşayıp yaşamadığı bilinmez, ancak konuya yönelik heves ve ilgisini hiç yi-tirmemiştir. Müelliflerinin adlarının baş harfleriyle anılan BCS teorisi girift süperiletkenlik fenomenini fethetme yolunda bir çok cephede hızlı ilerle-menin önünü açmıştır, fakat aynı zamanda Feynman’ı özellikle memnun eden şaşırtıcı bir teorik ilerlemeye de yol açmıştır: Cambridge’de bir dokto-ra öğrencisiyken Brian Josephson 1961 ve 1962’de süperiletken kuvantum durumunun iki süperiletken numune arasındaki bir engelden sızma yapaca-ğını öngörmüştür ki bu bir dizi olağanüstü sonuçlar doğurmuştur. Feynman da ‘Josephson olayı’ olarak adlandırılan bu özelliği artık ölümsüzleştirilmiş olan ünlü ders serisinde ele almış ve hatta aynı derste anlattıklarını bir de tıpkısıyla lisansüstü öğrenciler ile öğretim üyelerinin katıldığı CalTech’teki haftalık kolokyumda sunmuştur. Bu konuşmasında küçük ölçeklerde olanla-rın kuvantum davranışını halka anlatmada bilim insanlarının güçlük yaşadı-ğını fakat, Josephson olayını kastederek, artık büyük ölçekte de bu olayların tezahürlerinin ortaya çıkmasıyla bu türden davranışların teknisyenlerin uğ-raştığı elektrik devrelerinin bir parçası olacağını dolayısıyla onların da fizik-çilere hasredilen bir takım bilgileri edinmek durumunda kalacağını söyle-miştir.

Resim 1.4. Feynman ilerlemiş yaşlarında her zamanki muzip ve neşeli haliyle.

Feynman, katı hal fiziğinde işlerin çoğunluğunun deneyi müteakip ya-pılmasına rağmen, büyük takdir beslediği Josephson’un henüz hiç kimse bir deney yapmadan çok ilginç bir şey keşfettiğini vurgulayarak ‘Josephson olayını’ ve buna dayanarak James Mercereau’nun Ford Laboratuvarları’nda

Fizik Nedir? 9

icat ettiği iki Josephson ekleminin paralel bağlanmasıyla elde edilen ve kısa adı SQUID olan süperiletken kuvantum girişim aygıtını anlatmıştır.

Süperiletkenlik tarihi incelendiğinde bilim insanları ve bilimin işleyişi hakkında oldukça ayrıntılı bilgiler edinmek mümkündür. BCS teorisinin ortaya çıkışı Bardeen, Cooper, Schrieffer adlı üç bilim adamının yoğun ça-baları sonucu olmuştur. Olayın yazılan ve aşağıda kısaca anlatılan tarihi ve kahramanlar arasında geçen olaylar [2] her şeyi gözler önüne sermektedir.

Bardeen çözülecek problemleri saptayan, ekibi kuran, bir arada tutan, yöneten, cesaretlendiren, kısaca “azmettiricilik” yapan kişi idi. Öte yandan Cooper ve Schrieffer de gençlik ve enerjileri yanında derin bilgileri ile prob-lemin çözüme ulaşmasına katkılar sağladılar. Bardeen yaklaşık 20 yıldır ilgilendiği ve hep aklının bir köşesinde tuttuğu süperiletkenliğin teorik ola-rak açıklanması problemini nihayet Illinois (İlinoy) Üniversitesi’ndeki göre-vine başladığında kapsamlı bir şekilde ele alma fırsatı buldu. Konu o sıra Bardeen’in bir doktora öğrencisi olan Schrieffer’in de oldukça ilgisini çek-mekteydi. Bardeen daha sonra özel bazı konu ve hesaplamalarda uzman bir kişiye ihtiyaç duyduğunda kendisine Cooper önerildi ve böylece ekip ta-mamlandı.

Bir süperiletkenlik teorisi kurmak için bazı özel yetenekler gerekiyor-du: Kuvantum mekaniği ve katı hal fiziğini tümüyle ve derinlemesine anla-ma, problemin çözülebilirliğine inanma, fenomen hakkında sezgi geliştirme, uygulanabilir bir problem çözme yaklaşımı, sabır gösterme, takım çalışması yapma, arkası arkasına gelen başarısızlıklara rağmen vazgeçmeyi reddetme. Şu betimleme ilgi çekicidir. 1930’ların sonlarında John Bardeen süperilet-kenlik problemini ele almasından itibaren, ekibi ile birlikte 1957’de çözene kadar, problemi bir bulldog köpeğinin bir et parçasını kavraması gibi kavra-mış ve bırakmamıştır.

Resim 1.5. BCS üçlüsü: Soldan sağa John Bardeen, Leon Neil Cooper ve John

Robert Schrieffer.

Genel Fizik 1 10

Daha çok henüz geliştirilmemiş olan hesaplama yöntemleri yüzünden bu problem kuvantum mekaniksel olarak ele alınamıyordu o sıralar. Bunu çözmeye çalışmak “çok-cisim” kuramını da geliştirmeyi gerektiriyordu bir bakıma. Böylece elektronlar arasındaki ve elektronlar ile örgü arasındaki etkileşimler uygun tarzda halledilebilecekti. Bardeen’in hocası olan büyük fizikçi Wigner Princeton’dayken ona şu temel soruyu yöneltti: “Metaller içindeki elektronlar nasıl etkileşir?” Bu soru Bardeen’i o kadar cezbetti ki, neredeyse 60 yıllık fizik kariyeri boyunca bu sorunun peşini hiç bırakmadı. Bardeen sezgisel olarak süperiletkenliğin kuvantum mekaniksel bir tanım-lama gerektirdiğine inanıyordu. Bu sezgiyi bir temele oturtmak onun yakla-şık 20 yılını aldı.

1933 yılında Meissner olayının, yani süperiletkenlik halinde maddenin içine manyetik alan nüfuz edememesi gözleminin, sıfır dirençten daha temel bir özellik olduğu ortaya çıkmıştı. London teorisi ile makroskopik-fenomenolojik olarak direncin sıfırlanması elde edilebiliyordu ancak Bar-deen bunu birincil ilkelere dayanarak elde etmenin mümkün olduğunu his-setti. 1950 yılında Bernard Serin izotop etkisi olarak bilinen, kütlenin azal-masıyla malzemenin süperiletkenliğe geçiş sıcaklığının artması durumunu deneysel verilerle belirledi. Bu durum bağımsız olarak aynı sıralarda Em-manuel Maxwell tarafından da belirlendi. Bardeen bu durumdan “elektron-örgü etkileşiminin süperiletkenliği belirlemede önemli olduğu” sonucunu çıkardı. Ayrıca bu deneysel bulgulardan hemen önce aynı yıl Herbert Fröh-lich teorik olarak bunu öngörmüştü ve böylece o da teorik yarışa katılmıştı.

Bu arada Bardeen Bell Laboratuvarlarındaki işini bırakarak, daha iyi çalışma koşulları bulduğu Illnois Üniversitesine geçti. Probleme hocası Wigner’in ona öğrettiği şekilde yaklaştı: Problemi küçük parçalara ayırma, baş edilebilir tüm parçaları inceleme, daha sonra büyük resmi görmek için parçaları bir araya getirme. Daha önceki tecrübelerine dayanarak ekip kurma yoluna da gitti ve meslektaşlarından yardımlar aldı. Pines ile birlikte Bohm-Pines çok-cisim kuramını uyarlamaya çalıştı. Bu çalışmada çekici fonon tetiklemeli etkileşim ile itici Coulomb etkileşimini karşılaştırdıkların-da enerji aktarımının küçük olduğu durumlarda çekici olanın daha büyük olduğunu buldular. Bardeen bu bulgunun önemini anında kavradı: Fermi yüzeyine yakın elektron çiftleri için net elektron-elektron etkileşimi çekici-dir! Bu arada diğer bazı gelişmeler de kaydetmesine rağmen başka radikal yeni fikirlerin gerektiğini artık iyice hissediyordu. Alan teorisini iyi bilen, doktorasını tamamlamış Cooper ve kendi doktora öğrencisi Schrieffer ile birlikte nihai ekibi 1955 yılında kurdu. Aralarında aile tarzı bir iş-birliği başladı. Bardeen ile Cooper üniversitede aynı odayı paylaşıyorlardı ve Sch-rieffer onlardan biriyle konuşmaya geldiğinde hep beraber sandalyeleri

Fizik Nedir? 11

çekip tartışıyorlardı. Bu süreçte Cooper ve Schrieffer, Bardeen’den çok şey öğreniyorlardı: Onun fizikten aldığı haz, deneye dayanan yöntemi, problem-leri parçalara ayırma huyu ve olabildiğince az teorik donanım kullanma yolundaki basit tarzı.

Cooper 1955 yılında bir ilerleme kaydetti ve bazı varsayımlarla tek bir çift elektronun birbirine bağlı bir durum oluşturabileceğini gösterdi. Ancak ekip bu “Cooper çifti”nden bir “çok-elektron teorisine” geçişte tıkanmıştı, çünkü çift sayısı birden fazla olunca üst üste binmeler oluşacaktı. Schrieffer bir analoji ile problemi betimledi: Kalabalık bir sahnede birçok çiftin dans etmesi. Bu durumda çok uzun süreler dansın sürmesine ve çiftlerin birbirle-rinin arasına girmesine rağmen, her çift eşli birer ikili olarak kalır. İşte problem bunu, matematiksel olarak ifade etmeye kalıyordu.

Bu arada Bardeen’e transistorun keşfinden dolayı Nobel Fizik Ödülü verildiği duyuldu. Aynı sıralar Schrieffer’ın da kafası karışıktı çünkü biran önce tezini bitirip aldığı çok iyi bir teklifi değerlendirerek işe girmeyi arzu-luyordu. Bardeen’in Nobel almasına sevinmekle beraber kendi geleceğini de düşünmek durumundaydı. Bardeen ödülü almak üzere Stockholm’e doğru yola çıkmadan önce, mevcut tıkanmışlığı göz önüne alarak tez konusunu değiştirmeyi istediğini ona söyledi. Bardeen ise öğrencisine engel olmak istememekle birlikte durumu ondan çok farklı okuyordu ve Schrieffer’a “bir, bir buçuk ay daha zaman tanı”masını söyledi. “Ben dönüp tekrar işe koyulana kadar bekle. Belki de bir şeyler olur ve sonra bu konuyu tekrar tartışırız” dedi.

Bardeen, Feynman’ın da sahip olduğu derin alan teorisi bilgisiyle prob-lemin üzerine gittiğini biliyordu ve Nobel Ödülü seyahati için ayıracağı za-mana bir anlamda kayıp gözüyle bakıyordu. İcat ettiği transistor bir aygıt idi ve teorik fizik onun nazarında daha değerliydi. Bardeen döner dönmez tek-rardan işe koyuldu. Bu onun konuyla ilgili inanılmaz bir merak ve heves içinde olduğunu göstermektedir. Zaten böyle olmadan da olmaz. Bilim in-sanlığı işte böyle bir şeydir. Kişinin gözünü ne dünyanın en büyük taltif ve maddi ödülü, ne de başka bir şey bürüyebilir. Doğanın işleyişine karşı derin bir merak ve onu çözme isteği duymadan bilim insanı olunamaz. Bardeen bunun en güzel örneklerindendir. O yılın Noel tatilinde bile kızının dediğine göre “başka bir dünyada yaşıyor gibi” ortamdan kopuk işine koyulmuş du-rumdaydı. Çünkü onun için en büyük mükâfat üzerinde yıllardır uğraştığı problemi çözmek olacaktı. Fakat ne aralıkta, ne de son günlerine kadar ocak ayında bir ilerleme kaydedilebildi, ta ki ocağın son günlerine kadar. Schrieffer ve Cooper Amerika’nın doğu sahillerindeki Hoboken ve New York şehrinde çok-cisim problemi üzerine düzenlenen toplantılara katılı-yordu. Schrieffer bu şehriler ve New Jersey’de yanında kaldığı arkadaşının

Genel Fizik 1 12

evi arasında gidip gelirken aklında birden herşey yerli yerine oturdu. O an-dan itibaren çalışmalarının seyri değişti ve önemli bir merhale aşılarak neti-ceye gidilebildi. Birbiri ardına yapılan hesaplamalarla artık eldeki bütün parçaların anlamlı bir bütünlük oluşturduğu görüldü.

1957 yılı başlarındaki bu olaydan hemen sonra birçok kurumda gerçek-leştirilen birçok deneyle teori desteklendi. Bardeen genç meslektaşlarının da bu başarıdaki rollerinin yeterince tanınmasını istiyordu. Bu nedenle he-men o dönemde düzenlenmekte olan bir konferansa geç katılım makaleleri gönderdiler ve Bardeen bu sunumları kendisi yapmak yerine gençleri gön-dermeyi tercih etti. Hemen sonra da Physical Review dergisindeki tarihi makaleleri çıktı.

İlginç bir yaşantı da şu şekilde gelişti: Birçok teorisyen BCS teorisini eleştirel ve sorgulayıcı bir tarzda karşıladılar. Bu itirazlardan birisi ayar değişmezliği adı verilen durumun eksikliği hakkındaydı. Bu problemi ele alıp irdeleyen bilim adamları sonuçta “simetri kırılması” adı verilen önemli bir yan ürün elde ettiler. Bu fikrin, BCS teorisinin ilk itirazcılarında biri tarafından daha sonra parçacık fiziğine uyarlanması, parçacık ve alanların Standart Modelini inşa etmeye yardım etti. Bu da bilimde eleştirinin rolü ve önemini bize bir kez daha kanıtlamaktadır.

Bu şekilde teorik ve deneysel çalışmaların BCS teorisini destekleyici sonuçlar vermesi ile fizik camiasında süperiletkenlik probleminin artık çö-züldüğü kanısı yaygınlaştı. Yıllar içinde teori ile gözlemler arasında uyumlu-luk belirlendi. Teoriyi sarsacak derecede aykırı bir gözlem ortaya çıkmadığı için BCS teorisinin süperiletkenliğin malzeme içinde nasıl gerçekleştiğini açıkladığı düşünülmeye başlandı. Onbeş yıl sonra 1972 yılında John Bar-deen, Leon Neil Cooper ve John Robert Schrieffer’a bu başarılı çalışmala-rından dolayı Nobel Fizik Ödülü verildi.

Resim 1.6. İlk başarılı süperiletkenlik teorisinin müellifleri Bardeen, Cooper ve

Schrieffer.