Herkesin Bilmesi Gereken Fizik Fikirleri, Denklemsiz Anlatım

Bilmeye en değer fizik fikirleri, sıradan şeylere bakışınızı değiştirenlerdir: nesneler, onları bir şey durdurmadıkça hareket etmeye devam eder, enerji ne yaratılır ne yok edilir, düzensizlik artma eğilimindedir, zaman ve uzay harekete bağlıdır ve küçük ölçeklerde doğa ayrık parçalar ve olasılıklar halinde gelir. Hiçbirini anlamak için denklem gerekmez. Her biri için iyi bir örneğe ve olağan yanlış anlamanın net bir kavrayışına ihtiyacınız var.

İşte yaklaşık keşfedildikleri sırayla beş fikir.

#1. Hareketin sürmesi için itmeye gerek yok

Yaklaşık iki bin yıl boyunca, çoğunlukla Aristoteles'e dayandırılan sağduyulu görüş, hareket eden şeylerin doğal olarak yavaşlayıp durduğu, dolayısıyla hareketin sürekli bir nedene ihtiyaç duyduğu yönündeydi. Bu, günlük deneyimle örtüşür. Bir kutuyu yerde itin, itmeyi bırakın, durur.

Galileo, ardından Newton bunu tersine çevirdi. Bir nesne, ona bir kuvvet etki etmedikçe aynı hızda ve aynı yönde hareket etmeye devam eder. Kutu durur, çünkü sürtünme bir kuvvettir. Sürtünmeyi kaldırın, uzayda olduğu gibi, fırlatılmış bir anahtar sonsuza dek yoluna devam ederdi.

Bu, Newton'un birinci yasasıdır ve giriş fiziğinde en sık yanlış anlaşılan fikirdir. Fizik öğrencileri üzerindeki çalışmalar, birçok kişinin ders aldıktan sonra bile daha eski, sezgisel görüşü sürdürdüğünü defalarca ortaya koymuştur. Araba hızlanırken koltuğa "geri itildiğinizi" hissettiyseniz, bu eylemsizliktir: vücudunuz olduğu gibi devam ediyordu ve koltuğun sizi ileri itmesi gerekti.

#2. Enerji korunur, yalnızca biçim değiştirir

Enerji yaratılamaz ya da yok edilemez. Bir biçimden diğerine geçer: yemekteki kimyasal enerji vücudunuzda ısıya ve harekete dönüşür, barajın arkasındaki suyun kütleçekimsel enerjisi bir türbinde elektrik enerjisine dönüşür.

Enerji kaybolmuş gibi göründüğünde genellikle ısıya dönüşmüştür. Frenle duran bir araba hareket enerjisini kaybeder ve frenler ısınır. Hiçbir şey kaybolmadı; yayıldı.

Bu kuralın arkasında daha derin bir neden var. 1918'de matematikçi Emmy Noether, korunum yasalarının simetrilerden doğduğunu kanıtladı. Enerji korunur, çünkü fizik yasaları bugün de dün olduğu gibidir. Bu, bilimdeki daha güzel sonuçlardan biridir ve fizik dışında pek bilinmez.

Yaygın bir yanlış anlama: evde "enerji tasarrufu" yapmak bu yasayı çiğnemez. Elektrik gibi yararlı enerjinin daha az yararlı düşük sıcaklıklı ısıya dönüşmesinden kaçınmak anlamına gelir.

#3. Entropi: yumurtayı neden geri çırpamazsınız

Enerji her zaman korunuyorsa, onu neden sonsuza dek yeniden kullanamayız? Cevap entropi ve termodinamiğin ikinci yasasıdır: yalıtılmış bir sistemde entropi artma eğilimindedir.

Entropi çoğu zaman "düzensizlik" olarak anlatılır; bu kabaca ama kaygan bir kısayoldur. Daha iyi bir resim Ludwig Boltzmann'dan gelir. Entropi, atomların dışarıdan aynı görünecek kaç mikroskobik düzenlemesi olduğunu sayar. Bir gazın moleküllerinin bir odaya yayılmasının, bir köşeye sıkışmasından çok daha fazla yolu vardır; bu yüzden gaz yayılır ve kendiliğinden asla geri toplanmaz. Boltzmann'ın entropi formülü Viyana'daki mezar taşına kazılıdır.

Saymanın çözümlü bir örneği şöyle. 4 yazı tura atın. Dört tura gelmesinin tam olarak 1 yolu vardır, ama iki tura iki yazı gelmesinin 6 yolu vardır. 4 madeni parayla fark küçüktür. Bir ağız dolusu havadaki yaklaşık 10²³ molekülle, "karışık" düzenlemeler "düzenli" olanları o kadar ezici biçimde aşar ki, düzenli durum tesadüfen fiilen asla gerçekleşmez.

Olağan itiraz: canlılar çok düzenlidir, o halde yaşam ikinci yasayı çiğnemez mi? Hayır. Dünya yalıtılmış bir sistem değildir. Güneş ışığı alır ve uzaya ısı yayar; düzenin bütününün toplam entropisi yine de artar. Yaşam, başka yerdeki daha büyük bir artışla ödenen yerel bir azalmadır.

#4. Görelilik: zaman ve uzay nasıl hareket ettiğinize bağlıdır

Einstein'ın özel göreliliği (1905) iki fikirle başlar. Fizik yasaları sabit hızla hareket eden herkes için aynıdır ve ışığın boşluktaki hızı her gözlemci için aynıdır, saniyede yaklaşık 300.000 kilometre. İkisini de kabul ederseniz bir şeyin ödün vermesi gerekir. Ödün veren zaman ve mesafedir. Hareket eden saatler sizinkine göre yavaş işler ve hareket eden nesneler hareket yönleri boyunca daha kısadır.

Bu etkiler günlük hızlarda çok küçüktür; yüzyıllarca kimsenin fark etmemesinin nedeni budur. GPS için küçük değildir. Uydular hızlı hareket eder, bu saatlerini hafifçe yavaşlatır; ayrıca Dünya'nın kütleçekiminde daha yüksekte dururlar, ki genel görelilik (1915) bunun saatlerini hafifçe hızlandırdığını söyler. Net etki, uydu saatlerinin günde yaklaşık 38 mikrosaniye kazanmasıdır. Mühendisler bunu düzeltir. Bu düzeltme olmasa konum hataları günde kilometrelerce birikirdi.

Sonra özel göreliliğin bir sonucu olan E = mc² var: kütle, çok yoğunlaşmış bir enerji biçimidir. Hızlı bir hesap bunun ne kadar yoğun olduğunu gösterir. Bir gram kütle, tamamen dönüştürülürse 0,001 kg × (3 × 10⁸ m/s)², yani yaklaşık 9 × 10¹³ joule verir. Bir gigavat üreten büyük bir santral bunu yaklaşık bir günde üretir. Uygulamada nükleer tepkimeler yakıtlarının kütlesinin yalnızca küçük bir kısmını enerjiye dönüştürür ve sıradan kimya ölçülemeyecek kadar küçük bir kısmını.

Bırakılması gereken bir yanlış anlama: görelilik "her şey görelidir" demez. Işığın hızı ve fizik yasalarının kendisi dahil, herkes için aynı olan şeyler üzerine kuruludur.

#5. Kuantum mekaniği: parçalar, olasılıklar ve sınırlar

Atom ölçeğinde üç fikir öne çıkar.

Kuantumlanma. Bazı nicelikler yalnızca ayrık miktarlarda gelir. Bir atomdaki elektronlar yalnızca belirli enerjilere sahip olabilir; bu yüzden her element kendine özgü renklerde ışık yayar. Gökbilimcilerin uzak yıldızların neyden yapıldığını bilmesinin yolu bu parmak izidir.

Olasılık. Kuantum mekaniği tek tek kesin sonuçları değil, sonuçların olasılıklarını öngörür. Bu öngörülerde olağanüstü doğrudur. Bu rastgeleliğin temel mi olduğu, yoksa daha derin bir şeyi mi yansıttığı, fizikçilerin hâlâ tartıştığı sorulardan biridir.

Belirsizlik. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, bir parçacığın aynı anda tam olarak tanımlı bir konuma ve momentuma sahip olamayacağını söyler. Bu çoğu zaman "ölçüm parçacığı bozar" diye açıklanır, ama bu onu küçümser. Sınır, aletlerimizdeki bir kusur değil, bir kuantum durumunun ne olduğunun içine yerleşmiştir.

En büyük popüler efsane, bilinçli bir gözlemcinin "gerçekliği yarattığıdır". Fizikte ölçüm, bir dedektör ya da çevreyle etkileşim demektir. Kuantum mekaniğinin yorumları farklıdır ve tartışma gerçektir, ancak ana akım anlatımlar bir insan zihni gerektirmez. "Kuantum" kelimesinin şifa ya da manifest satmak için kullanıldığını gördüğünüzde, bunun fizikle bir ilgisi yoktur.

#Fizik öğrenmeye devam etmenin iyi bir yolu nedir?

Bu listeden bir fikir seçin ve ona ikinci bir açıdan bakın. Entropi ilginizi çektiyse ısı makinelerini okuyun. Görelilik çektiyse, atmosferin yüksek katmanlarında oluşan ve iç saatleri yavaş işlediği için yere büyük sayıda ulaşabilen parçacıklar olan müonları araştırın. Düzgün keşfedilen bir fikir, göz gezdirilen ondan iyidir. Okulda sayılar sizi geri tuttuysa, yetişkinken matematikte daha iyi olmak rehberimiz pratik bir yoldaş.

Fizik, Topicly kataloğundaki konulardan biridir ve her kısa yazı, daha ileri gitmek için dokunabileceğiniz birkaç ilgili kavramla bitebilir; bunu bu ipi çekmeye devam edin yazısında anlatıyoruz. Bunu "Her gün termodinamikten bir fikri açıkla" gibi bir özel konu ile daraltabilirsiniz. Yazılar yapay zekâ tarafından yazılır ve hata içerebilir; önemli bir şey için bir ders kitabına bakın.

Sonraki adımınız: bu hafta bu beş fikirden birini, bizimkini değil kendi örneğinizi kullanarak, birine yüksek sesle anlatın. Topicly Android için ücretsiz indirilebilir, iPhone sürümü yakında geliyor, ayrıntılar için indirme sayfasına bakın.