ana
Merak edilenler
Fiziksel Bilimlerin Metodolojisi Ve Stratejisi | Fiziksel Bilimlerin Metodolojisi Ve Stratejisi |
|
|
|
| Yazar fizik | |
| Perşembe, 29 Ocak 2009 | |
|
Fiziksel bilimlerde çalışan kuramcı bilim adamlarının izledikleri yöntemleri ikiye ayırmak mümkündür:
1- Deneysel yöntem,
2- Matematiksel yöntem.
Deneysel
yöntemi benimseyen kuramcı
bilim adamları çalışmalarında deneysel verilerden
yaralanırlar. Onun için, sürekli
deneycilerle yakın temasta bulunurlar, onların elde ettiği sonuçlan sürekli
izlerler. İlginç buldukları sonuçlan geniş kapsamlı bir analize ve tatmin edici
bir değerlendirmeye tabi tutarlar.
Matematiği kullanarak kuramsal çalışma yapan bir bilim adamı, öncelikle mevcut
teorileri inceleyerek eleştirisini yapar, Kusurlarını ve yetersizliklerini ortaya koymaya çalışır.
Bu kuramları kusurlarından arındırarak
kapsamını genişletmeye çalışır veya
geliştirme olanaklarını araştırır. Burada önemli bir husus, bunları yaparken, teorinin büyük başarılarını
yok etmeden düzeltilmesine özen göstermektir.
Var
olan bu iki yöntem arasında kesin bir
ayrım yapmak bilim adamları açısından zordur. Bu yöntemleri ayrı ayrı kullananlar
olduğu gibi, her ikisini de kullanan, bu yöntemlerden çalışmalarında yararlananlar bulunmaktadır. Başka
bir deyişle, bu iki ana yöntem arasında, diğer yöntemlerin bir derecelendirilmesi yapılabilir. Benimsenecek yöntem, çalışılacak konuya sıkı sıkıya bağlıdır. Hakkında çok az şey bilinen bir konuda, insanın bir çıkış yolu bulabilmesi için deneylere dayalı
bir yöntemi benimsemesi daha uygun olur. Yeni bir konuda çalışmak
isteyen birisinin yapacağı ilk iş, bu
konuda deneysel fizikçilerin yayınladığı tüm verileri toplayıp bir
sınıflandırma yapmak olmalıdır.
Örneğin, geçen yüzyılda kimyada
periyodik cetveller ile ilgili
bilgimizin nasıl geliştiğine bir bakalım. Önce deneysel veriler toplandı ve düzenlendi. Sistem yavaş yavaş
yapılandıkça ona duyulan
güven de sürekli bir biçimde arttı. En sonunda periyodik cetvel aşağı - yukarı tamamlandığı zaman, arada kalan boşluklardan yararlanarak o güne kadar
bilinmeyen diğer elementler ortaya çıkarıldı.
Bu yoldan varlıkları kestirilen bütün elementler daha sonra doğada teker teker bulundu.
Son
zamanlarda benzer bir durumla yüksek enerji fiziğinde de karşılaşıldı. Gözlenen tüm temel parçacıkların periyodik cetvele benzer bir sistematiği yapıldı. Aralarındaki boş kalan yerlerde
bulunması gereken parçacığın tüm Özellikleri önceden kestirildi ve sonra doğada var mı yok mu diye araştırılması yapıldı. Bunların büyük bir çoğunluğunu zamanla laboratuarda gözlemek mümkün oldu.
Bilimin
çok az bilinen bir
bölgesinde çalışan bir
bilim adamı, yanlış olabileceğini bile bile aşırı Spekülasyonun çok fazla yapıldığı bir çalışma alanı da kozmoloji'dir. Devam etmek için elde çok az sağlam gerçekler olmasına rağmen, kuramcılar bazı varsayımlara dayanarak evren için değişik modeller kurmaya çalıştılar. Bu modellerin dayandığı temel unsurlardan biri doğa yasalarının evrenin
başından beri hep aynı olduğudur. Bu bir varsayımdır,
kanıtı elimizde yoktur. Bu nedenle bu
modeller muhtemel ki yanlış da olabilir, Doğa yasalarının özellikle doğanın
temel sabitlerinin kozmolojik zaman içinde
değişmediğini nasıl bilebiliriz. Böyle değişmelerin
olabileceği düşüncesi şüphesiz modelcileri çok
rahatsız etmektedir.
Bir konuda artan bilgi
ile bir çalışma zeminine sahip olan insan, matematiksel yöntemlerin üzerine doğru daha fazla gidebilir. Matematiksel güzelliği elde etme arzusu insanın sahip olduğu bir motivasyondur. Kuramcı bilim adamları, ortaya koydukları kuramların matematik formülasyonunun bir matematiksel güzelliğe sahip olmasına önem veriler ve buna olan gereksinimi kurama duyulan bir
güven unsuru olarak kabul ederler. Aslında
her kuramın betimlenmesinin matematiksel
bir güzellikte olmasını zorlayan bir neden yoktur, fakat geçmişteki deneyimler onun çok faydalı bir şey olduğunu kanıtlamış bulunmaktadır.
Örneğin, görelilik kuramının öyle evrensel olarak benimsenmesindeki neden onun sadece deneysel verilerle uyumlu olması değil, sahip olduğu matematiksel güzelliktir. Doğa yasalarında matematiksel
güzellik fikri, fiziksel dünyanın matematik vasıtasıyla betimlenebileceği
gerçeğine dayanır. Bu konuda ünlü düşünür Jean's Maxim diyor ki, "Evrenin
büyük mimarı şimdi saf bir matematikçi olarak görünmeye başladı". Matematiksel güzellik
fikri insanın sahip olduğu yüce duygulardan
biridir.
YÖNTEMİN BAŞARISI
Bir kuramcının bilimsel çalışmalarında İzleyebileceği üç ana yöntem vardır:
1. Tutarsızlıkları
gidermek,
2. Önceden ayrı olan kurumlan birleştirmek,
3. Deneysel verileri kullanarak fenomolojik kuramlar yapmak. Bir başka deyişle, gözlemleri betimleyen matematiksel formülasyonlar üretmek ve bu formulasyonları veren
fiziksel modeller geliştirmek.
Birinci yöntemin başarılı sonuçlar verdiği birçok örneği
biliyoruz. Maxwell'in yaşadığı dönemde
Elektromagnetik Teori'nin temel denklemleri arasında
bir tutarsızlık vardı. Bu tutarsızlığı görmek
ve onları düzelterek tutarlı bir sistem haline sokmak için, Faraday'm ve diğerlerinin gözlemlerini sentezleyecek olan Maxwell'İn üstün dehasına gerek vardı. Yapılan düzeltme, o zamanlarda bilinmeyen, fakat ardından deneysel olarak tüm ayrıntılarıyla doğrulanan yeni fiziksel olaylar İçermekteydi. 1865'deki Maxwell’in bu göz alıcı katkısı, yer
değiştirme akımını Ampere yasasının içine yerleştirmekten ibaretti. Ampere
yasasına yapılan bu gerekli ekleme,
elektromagnetik dalgalar kavramının doğmasına neden oldu ve böylece ışığın da
bir elektromagnetik dalga olduğu kanıtlandı.
Klasik fizikteki bu gelişmeler, 19- yy. Sanayi Devriminin doğmasına neden oldu. İngilizler de bu sayede üzerinde güneş batmayan bir dünya imparatorluğu kurdular.
19- yy- sonlarında siyah cismin ışıma ve soğurma spektrumu eğrilerine uyan eğriler elde edilebilmek İçin bilinen, elektromagnetik ve istatistik teorileri
kullanılarak birçok model geliştirildi. Fakat bunların hiçbirinden siyah
cismin deneysel ışıma eğrisine uyan bir eğri
elde edilemedi. Bu kuramdaki tutarsızlığın nereden kaynaklandığını araştıran Max Planck, doğru sonucun ancak ışığın
enerjisinin sürekli değil, kuantumlu olduğu varsayımı yapıldığında elde
edilebildiğini gördü. Yani. Max Planck kaderin zoruyla
istemeyerek ışığın dalga niteliklerinden Ödün
vererek siyah cisim ışımasını açıklayabilmiştir. Böylece İçinde yaşadığımız
yüzyılın fiziği Kuantum Fiziği'nin doğmasına neden olmuştur. Bu konudaki örnekleri daha da çoğaltmak mümkündür.
Örneğin Modern lazerlerin doğmasına neden olan Einstein'ın önerdiği uyartılma yoluyla ışıma, yine
Einstein'ın Özel Görelilik (Rölativite) Kuramı ile Newton gravitasyonunu birleştirmesiyle elde ettiği "evrensel kütleçekim yasası'' yani, Genel Görelilik Kuramı bugün kozmolojik araştırmalarda yararlanılan temel bir kuramdır.
İkinci yöntem birincisi kadar henüz çok başarılı olamamıştır. Bu metodun amacı, doğanın dört temel
kuvveti olan kütleçekimi, zayıf çekirdek, elektromagnetik
ve kuvvetli çekirdek kuvvetlerini birleştirerek
bir tek kuvvet elde etmektir.
Einstein'ın başlattığı ve bugün de devam eden önemli bir çalışma, Einstein'ın genel görelilik kuramı ile kuantumlu alanlar kuramının birleştirilmesiyle
ilgilidir. Bu ikinci kuram, kütleçekim kuvveti
dışındaki diğer üç temel kuvveti içine almaktadır. Bu başarılabilirse, dört
temel etkileşme kuvveti uzay-zamanın dinamik
geometrisinin ortak kavramlarıyla betimlenebilecektir.
Einstein bu sorunu çözebilmek için bütün
ömrünü verdi, fakat başaramadı. Bugüne kadar bu
dört temel kuvvetin birleştirilmesiyle
ilgili tüm girişimler "onların uyuşmaz
olduklarını daha çok ortaya koymaktan başka
bir işe yaramadı" biçimindeki düşüncelerin taraftar bulmaya başladığı bir
sırada, bu konuda güzel bir gelişme, fizik dünyasında yeni bir umudun doğmasına neden oldu. 1979'da Nobel fizik ödülünü bu
alandaki çalışmalarıyla alan Weinberg -
Salam "Zayıf çekirdek kuvveti ile elektromagnetik kuvveti" birleştirmeyi başardılar.
Ayrı kuramları (etkileşmeleri) birleştirmek için doğrudan yapılan girişimlerin sonuç vermesi çok zor gibi görünüyor. Sonunda bir başarı gelecekse bunun doğrudan değil, dolaylı yoldan gelme olasılığı daha fazla gibi. Bu görüşümüzü destekleyen pek çok örneğe fizikte rastlamak olasıdır.
Üçüncü yöntem, ikinci yöntemin aksine, fiziksel
bilimlerde çok başarılı olduğunu kanıtlamış bulunuyor.
Bir örnek olarak, Bohr'un Hidrojen atom
kuramı verilebilir. Bohr açısal momentumun kuantumlu
olduğunu varsayarak elektronun enerjisinin
kuantumlu olduğunu gösterdi. Buradan da Hidrojen atomunun spektrumunu başarılı
bir biçimde analiz etti. Dikkat edilirse Bohr burada
hiçbir hesaplama yapmadı sadece sonucu bir şans eseri kestirdi. Sonradan
Bohr'un hipotezlerinin yaklaşık olarak doğru olduğu,
kuantum mekaniğinin daha kesin kuramlarının
sonuçlarıyla ortaya çıktı.
İnsanın deneysel veya matematiksel yöntemi izleyip izlemeyeceği
geniş olarak üstünde çalışılan konuya bağlıdır. Fakat
tam böyle de olmayabilir. O biraz kişiye bağlıdır. Kuantum mekaniğinin keşfinde rol oynayan iki fizikçi buna iyi bir örnektir. Modern kuantum mekaniğinin doğuşu sırasında iki
kişinin katkısının çok büyük olduğu görülür.
Bunlar Heisenberg ve Schrödinger'dir. Heisenberg, Arnold Sommerfeld'in yanında
Münih'te doktorasını yaptıktan sonra 1926 yılında bu dönemin en büyük Alman fizikçilerinden olan Max Born ve asistanı Pascual Jordan'ın yanında asistan
olarak çalışmaya başlar. Heisenberg deneysel verilere dayalı bir çalışma
yapmaktadır. Hidrojen spektroskopisi ile uğraşırken, geçiş
genliklerinin basit bir takım sayı dizileriyle
verildiklerini farketmiş ve bunu o dönemin deneyimli
fizikçilerinden hocası Born'a göstermiş. Born, bu dizilerin matrislerden
başka bir şey olmadığını farketmiş.
Born, Heisenberg ve Jordan bir araya gelerek,
şimdi matris mekaniği dediğimiz anlatımı geliştirmişler.
Yani kuantum mekaniğini, matrislerin zaman
içerisindeki değişmeleri cinsinden bugün bildiğimiz
şekliyle formüle etmişler.
Aşağı yukarı aynı yıllarda Zürich'te kendi başına çalışan Avusturyalı fizikçi Ervin Schrödinger var. Klasik fiziği daha çok özümsemiş bir İnsan. Heisenberg gibi deneycilerle pek yakın teması yok. Hidrojen atomunun spektroskopik verilerinden pek haberi olmadığı anlaşılıyor. O matematiksel
metodu kullanarak bir atomun elektronunu tarif
etmek, spektral frekansların değerlerini bulmak için kendi adıyla anılan "Schrödinger dalga denklemi" ni çıkarmayı başardı. 1926 yılı Aralık ayında Noel tatiline gittiği bir sırada oteline kapanıp 3-4 makalelik bir dizi halinde bugün bildiğimiz kuantum mekaniğinin dalga mekaniği formülasyonunu tamamladığını söyler, O sırada, İngiltere'de
Cambridge'de 25 yaşında başarılı bir fizikçi olan Paul Dirac kısa bir süre içinde Heinsenberg ve Schrödinger'in bize sunduğu kuantum mekaniğinin iki ayrı formalizminin, (her ne kadar Schrödinger tarafından 1926 yılında eşitlikleri gösterilmiş ise de) birbirine eşit olduklarını farklı bir yoldan gösterdiği gibi, Kuantum mekaniğinin çok daha güçlü, sonsuz boyutlu vektör uzaylarına dayanan soyut bir formulasyonunu da geliştirmeyi başardı. Bundan sonra kuantum mekaniğindeki gelişmelerde büyük bir ilerleme oldu.
EINSTElN'IN METOLOJİSİ
Bu yüzyılın başlarında kuramsal fizikte altın çağ başladığı zaman, adı henüz bilim dünyasında hiç duyulmamış bir fizikçi vardı. Bu, Annalen der Physık'm 1905 tarihli sayısında "fotoelektrik olayı", "Brown hareketi" ve "özel
görelilik" ile İlgili ünlü üç çalışmasını birden
yayınlayarak üne kavuşan Albert Einstein'dır. Onun fizikteki hayat boyu çalışmaları bilimin felsefesi ve yöntemleri üzerinde büyük etki yaptı. Einstein'ın kendisi bilimci-filozoftu.
O hayranlık uyandırıcı bir şekilde felsefeyi kullanarak bugün modern bilimin önemli bir kısmı olan buluşlarını yaptı ve bunlar insanlık aleminin evrene
bakış açısını kökten değiştirdi. Hiç şüphe yok
ki, Einstein çok özel bir bilim adamıdır ve bir benzerini bilim tarihinde görmek, bulmak olası değildir. O, Planck'ın
buluşunun önemini ilk kavrayanlardan biridir ve bunu fotoelektrik olayının
mekanizmasını açıklamada başarıyla kullanarak Nobel Fizik Ödülü'nü almaya hak kazanmıştır. İstatistik mekaniğe de çok önemli katkılar yapmıştır. Kuantum fiziğinin ilk öncülerindendir. Fiziksel olayların özünü kavramakta olağanüstü yeteneğe sahip idi. Hiçbir kısa özet, onun fiziğin temel
problemlerine yaptığı çok sayıda derin katkıları anlatmaya yetmez. Onun Genel
Görelilik Kuramı, bütün zamanların en
yeterli, en akıllı yapıtlarından biri olarak durmaktadır.
Einstein bilime
yepyeni bir yöntem getirmiştir. Einstein'ın Metodolojisi "modern bilimsel şüphecilik" olarak göz önüne alınabilir. Einstein'daki şüphecilik duygusu, fizikte yerleşmiş bir takım temel kavramları, yeni gözlemler altında yeniden ele alıp inceleme ve sorgulama gereksinimini doğurmuştur.
Kuramcı fizikçilerin çalıştığı atmosferi iyi anlayabilmek için görelilik kuramının büyük etkisini takdir etmemek mümkün değildir. Uzun ve zor bir dünya savaşının ardından görelilik kuramı büyük bir etkiyle bilimsel düşünce dünyasında bir bomba gibi patladı. Herkes savaşın stresinden uzaklaşmak için göreliliğin ve kuantum kuramının altında
yatan felsefeyi ve düşünceyi büyük bir istekle öğrenme çabasına girişti.
Heyecan, bilim tarihinde görülmemiş derecede,
tahminlerin çok üstünde idi.
Öte yandan aynı zamanda fizikçiler atomun kararlılığınınesrarını anlamaya çalışıyorlardı. Herkes
gibi, Schrödinger de yeni fikirlere kapılmıştı. Kuantum mekaniğini görelilik
kavramının çerçevesinde geliştirmeye çalıştı, fakat başaramadı. Uzay-zamanda her şeyi vektör ve tensörlerle ifade etme zorunluluğu vardı ve bu bir şansızlıktı. Rölativistik kuantum mekaniği için zaman henüz tam
olgunlaşmamıştı. Bu yüzden Schrödinger'in çabası başarısızlıkla sonuçlandı; ama bizce, sadece buluşu gecikmiş oldu.
Schrödinger, De Broglie'nin parçacıkları ve dalgaları birleştiren o güzel fikirlerini rölativistik bir yoldan çalışıyordu. De Broglie'nin düşüncesi sadece serbest parçacıklara uygulandı ve Schrödinger onu bir atomun bağlı elektronuna genelleştirmeye çalıştı. En sonunda bunu rölativistik çatıya
bağlı kalarak başardı. Fakat kuramını hidrojen atomuna uyguladığı zaman, deneyle uyuşmadığını gördü.
Uyuşmazlığın o zamanlar henüz bilinmeyen elektron
spinlerinin hesaba katılmamasından ileri geldiği,
kısa bir süre sonra Dirac tarafından kanıtlandı.
Schrödinger'in kuantum kuramıyla özel rölativite
kuramını birleştirme çabalarının sonuçları, Dİrac'a
doğru kuram oluşturmada büyük katkı yapmıştır.
Sonunda, Schrödinger farketti ki, kuramının,
rölativistik olmayan yaklaşımlar için doğru olan
kuramlardan bir farkı yoktur.
Bu hikâyeden çıkarılacak ders şudur: insan Çok fazla şeyi bir evrede tamamlamaya çalışma-malıdır. Fizikte, insan mümkün olduğunca güçlükleri birbirinden ayırmalı ve sonra tek tek düzene koymalıdır.
FİZİKSEL SİSTEMLERİN İNCELENMESİNDE BENİMSENEN STRATEJİ
Bir temel bilimcinin
fiziksel bir sistemin incelemesini yaparken izlemesi gereken belli bir stratejinin bulunması gerekir. Fakat bu konudan konuya değiştiği gibi, bilimciden bilimciye göre de değişebilir. Geçmişte büyük buluşlar yapmış, temel
bilimlere büyük katkılarda bulunmuş bilim adamlarının çalışmalarına baktığımız zaman onların benimsediği ve bizlerin de bugün genelde kendimize rehber
edindiğimiz temel araştırma stratejilerini
şöyle özetlemek mümkündür:
1- Kuramcılar, deneysel çalışmaların
sonuçlarıyla yakından ilgilenmelidirler. Araştırma
yaptıkları bir konuda deneylerin sadece bir grubuyla
değil, diğer bütün deneylerin gelişmeleriyle de
yakından ilgilenmelidirler. Ancak böyle
yapıldığında kalıcılığı olan, kapsamı geniş, deneysel
verilerle daha uyumlu olan, hatta yeni öngörülerde bile bulunabilen kuramlar geliştirmek olasıdır. Bu yoldan geliştirilmiş gerçek iyi bir kuram, öngörülerini doğrulamak için yeni ve İlginç deneylerin yapılmasını da önerebilir. Kuramcılar, deneysel çalışmaların sonuçlarıyla yakından ilgilenmelidirler.
2- Bir bilimci başkalarının
çalışmaları hakkında bir dereceye kadar şüpheci
olabilir, fakat aynı alana yönelik çalışmalara
tamamıyla ilgisiz bir tutumda da olmamalıdır.
3- Bilimciler yeni düşüncelere
açık olmalıdırlar. Bilimde tutuculuk İyi
değildir, bilimin ilerlemesini önler.
4- Fizikte bir sistemin
analizinde, basit sistemlerin özelliklerinden her zaman yararlanabiliriz. Bir
sistemin incelemesinde araştırmacı, onun davranışını etkileyen her tür faktörü
(unsuru) ayrı ayrı ele almak ister. Bu
faktörlerin her biri asıl sistemle bazı yönden
ilişkilidir, fakat bunların ancak birkaç
tanesinin sistemin davranışına olan etkisi hayatî öneme sahiptir. Daha basit
olarak, bu sistemlerin özellikleri iyice
anlaşılıncaya kadar basit sistemlerin Özelliklerinden
yararlanarak incelenmelidir. Bir başka
husus da, fiziksel bilimlerde çalışmak için kişinin iyi derecede matematik
bilmesidir. Bilindiği gibi matematik,
fiziksel bilimlerin dilidir.
Gerçekten
matematik, fiziksel sistemlerin incelenmesinde
nicel mantıksal ilişkilerin izlenebilmesi için
önemlidir. Tüm bunun gibi ilişkileri yöneten kurallar matematiğin konusudur.
Böylece, matematik işlemlerinin ve
kurallarının çoğu uygulamada fiziksel bilimlerin
anlaşılmasına doğrudan büyük katkı sağlar. Deneysel
bulguların analizinde, yasaların formüle edilmesinde, hareket denklemlerinin
çıkarılması ve çözülmesinde hep matematikten
yararlenırız. Fiziğin neredeyse tamamını diferansiyel
denklemlerle temsil etmek olasıdır. Uygulamalı
matematiğin birçok kuralı ve yöntemi fiziksel
bilimlere doğrudan uygulanabilmektedir. Bilimdeki
yeni gelişmeler matematikteki gelişmelere
çok yakından bağımlı hale gelmiş bulunuyor. Bugün
fizikte birçok problemin çözülebilmesi için mevcut
matematiğin yeterli olmadığı gibi düşünceler
bulunmaktadır. Ama, bu demek değildir ki matematik,
fiziksel bir bilim; veya tersi. Gerçekte, matematiksel
bir tartışmadan bir sonuç elde ettiğimiz
zaman ilke olarak, sonucun deneysel doğrulanması
ve onu elde etmek için kullanılan basamakların
fiziksel anlamlarıyla yakından İlgileniriz.
Fiziksel sistemlerin
incelenmesinde kullanılan stratejinin tüm bu karakteristik nitelikleri insan aklının en güçlü buluşlarından biridir. Onun meyveleri İnsanlığın yaşam biçimini, düşüncesini, alışkanlıklarını tamamıyla değiştirmiş bulunmaktadır.
Uzunca bir süredir, fiziksel bilimlerin stratejisinin kullanımı, bilimin bütün alanlarına yayıldı. Gerçekten, psikoloji, ekonomi ve sosyoloji gibi bazı alanlar bir dereceye kadar bilimsel stratejiden yararlandıkları için "bilimsel'' olarak nitelenmektedirler. Her şeye rağmen strateji en başarılı olarak fizikte uygulanmaktadır. Zira fiziğin asıl ilgilendiği göreceli olarak basit sistemler olduğu için özellikle uygundur. Kısacası, fizik en basit sistemlerle ilgilendiği için en sade bilimdir. Bu nedenle fizik, diğer bütün bilimlerin temelini oluşturmaktadır.
FİZİKSEL BİLİMLERİN KRALİÇESİ FİZİKTİR
Prof. Dr.
|
| < Önceki | Sonraki > |
|---|
| ana |
| sözlük |
| özel dosyalar |
| lise1 |
| lise2 |
| lise3 |
| Video fizik |
| Blog |
| üniversite |