Herkese merhabalar Gazi Üniversitesi Endüstriyel Tasarım Mühendisliği 4’üncü sınıf öğrencilerinden Kağan Erkul’a hazırlamış olduğu yazı için teşekkür eder , siz okuyucularımıza keyifli okumalar dileriz.

Kimilerine göre dünyanın görmüş olduğu en büyük deha; kimisine göre ‘’Einstein’ın omuzlarında yükseldiği adam’’ ya da kısaca elektromanyetiğin babası James Clerk Maxwell …

            James Clerk Maxwell 1831 doğumlu İskoç teorik fizikçi ve matematikçidir. Ailesinden dolayı varlıklı bir çocukluk geçiren Maxwell, daha 3 yaşındayken ışık ve ses çıkaran her şeye dair merak duymuştur. 8 yaşında annesine konan karın kanseri teşhisi nedeni ile annesini kaybeden Maxwell’e bu süreçte özel bir eğitmen tutulmuştur fakat bu eğitimin onun için işkence olduğunu düşünen küçük James soluğu Edinburgh Akademisinde almıştır.  Maalesef burada da onu  zorlu bir süreç beklemektedir. Okulunda da arkadaşları tarafından akran zorbalığına uğrayan James’e arkadaşları giyim tarzı ve içine kapanık olması nedeniyle kötü davranmış, ona İngilizce aptal anlamına gelen ‘’daft’’ diye hitap etmişlerdir. Arkadaşlarının bu olumsuz davranışlarına karşı mücadele eden James bu sorunların da üstesinden gelmiş ve okuluna devam etmiştir.

Resim 1: James Clerk Maxwell ve annesi

Maxwell bilimsel meraklarının yanında edebiyata da ilgi duymuştur; Milton ve Shakespeare en sevdikleri arasındadır. 13 yaşında bir matematik madalyası kazanan James Clerk Maxwell, ilk bilimsel makalesini ise 14 yaşında elipslerin odakları üzerine yazmış; bu yazısı ilgi görmüş hatta Edinburgh Üniversitesi’nde doğa felsefesi profesörü olan James Forbes tarafından Edinburgh Kraliyet Topluluğu’na (Royal Society of Edinburgh) sunulmuştur.

Resim 2: Genç James Clerk Maxwell

16 yaşında; günümüzün en iyi 10 üniversitesinden biri olan Edinburgh Üniversitesi’nde lisans eğitimi almaya başlayan Maxwell 1850 yılında Cambridge’e geçip 23 yaşında da buradan yüksek dereceyle mezun olarak matematik diplomasını almıştır. 1854 yılında ikinci Wrangler(matematik birincisi) ve ilk Smith ödülünü almıştır. Matematik öğretmeni William Hopkins, Maxwell’in analitik yöntemlerde biraz daha zayıf geometrik yöntemlere yatkın olduğunu söylemiş ve ‘’tanıştığım en olağan üstü adam, fiziksel bir konuda yanlış düşünmesi “imkansız’’ ifadesini raporlarına geçirmiştir. Cambridge Trinity Kolej’de üniversite sonrası çalışmaları sırasında “Cambridge Havarileri” adında seçkin bir topluluğa dahil olmuştur. Cambridge Felsefe Derneği’nde yayınladığı “Yüzeylerin Bükülerek Dönüşümü Üzerine” adlı makalesi onun matematik dehasını ve itibarını ortaya koymuştur.

Resim 3: Elinde bir renk tekeriyle Maxwell

İleri gelen 100 fizikçinin yaptığı Milenyum oylamasında Einstein ve Newton’dan sonra 3. olan Maxwell’in 19. Yüzyılda yaptığı keşiflerinin birçoğu ancak 20. Yüzyılda kullanılabilmiştir. Einstein’ın çalışma odasının duvarında Michael Faraday, Isaac Newton ve James Clerk Maxwell’in fotoğrafının olduğu bilinmektedir. Radyo, televizyon, radar, mikrodalga fırın ve termal görüntüleme gibi cihazların çalışma mantığı Maxwell’in yaptığı keşiflerden gelmektedir.

MAXWELL’İN CİNİ

          Termodinamiğin 2. Yasası üzerine yapılmış bir ‘’düşünce deneyi’’ olan bu kurgu bazı kaynaklarda Maxwell’in Şeytanı olarak da geçmektedir. İkinci yasa, izole sistemlerin entropisinin asla azalmayacağını söylemektedir. Tanımı gereği izole bir sistem; madde ve enerji alışverişi yapmayan bir ortamdır. Evrenin kendisi bir izole sistem olabilir fakat evrenin içinde izole bir sistem yaratmak henüz mümkün değildir. Kısaca entropi kavramını açmak gerekirse; faydasız enerji miktarını, düzensiz enerjiyi ifade eden bir niceliktir. Tamamen düzenli bir sistemin (0 Kelvin) entropisi sıfırdır, buna ‘’Mutlak Entropi’’ ya da termodinamiğin 3. yasası diyebiliriz. Mesela güneşimiz bize sürekli kullanılabilir düzenli enerji aktardığı için yaşam ekolojik bir dengede çalışmaktadır. Her ne kadar entropiyi yavaşlatan etkiler olsa da evren sürekli düzensiz hale geçmekte ve bu yüzden evrenimizin sonunun çok düzensiz, artık entropinin artamayacağı ve dağınık enerjili bir hal olacağı düşünülmektedir. (büyük donma).

Resim 5: Farklı evren genişleme modelleri (büyük çöküş, sonsuz devamlı, büyük donma)

Bazı tanımların üzerinden kısaca geçtiğimize göre Maxwell’in 2. Yasa üzerine yaptığı düşünce deneyini inceleyebiliriz. Aralarında kapı olan ve bunun dışında tamamen yalıtılmış; aynı gazla dolu, eşit sıcaklıkta (moleküllerin ortalama hızı) iki oda düşünelim. 2. Yasaya göre bu kapı ne kadar açılıp kapanırsa kapansın sıcaklık eşit olduğu için herhangi bir ısı akışı olamaz. Maxwell, bu aşamada iki odadaki molekülleri de izleyen bir cin kurgular. Cin, kapıyı kontrol eder ve sürekli bir odadan gelen ortalamanın üzerindeki hızda molekülün ve diğer odadan gelen yavaş molekülün geçişine izin verir. Bu durumda zamanla bir oda soğur diğeri ısınır ve 2. yasa ihlal edilmiş olur.

            Maxwell de olsanız termodinamik gibi bir fizik dalını düşünce deneyleriyle yıkmak hiç de kolay değildir. Maxwell’in cini deneyi de 3 yolla etkisiz bir deney haline gelmiştir.

1. İlk eleştiri, 1929 yılında, Leó Szilárd tarafından yapılmıştır. Bu eleştiri ile odaları kontrol eden cinin, moleküllerinin hızlarını gözlemlerken ve bu hız bilgilerini öğrenirken entropi oluşturduğu, bu entropinin de deneyin genelinde yok sayılan entropiye eşit olabileceği belirtilmiştir.
2. Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi‘ne göre, taneciklerin hız ve konum bilgilerine kesin bir şekilde ulaşmanın bir yolu yoktur; ayrıca bir taneciğin hız bilgisine “kısmen” ulaşıldığında, enerji ve konumunda değişiklikler meydana gelmektedir.
3. Bir diğer itiraz da 1982 yılında Charles Bennett tarafından yapılmıştır. Yapılan bu itiraza göre cinin, taneciklerin hız, konum ve enerji gibi bilgilerini zamanla depoladıkça belleğinde yer kalmayacağı, yeni bilgileri depolayabilmek için eski bilgileri silmesi gerektiği ve bunun da entropi üreteceği belirtilerek, Maxwell’in Cini adlı düşünsel deneyin, termodinamiğin ikinci yasasını yok sayamayacağı gösterilmiştir.       

MAXWELL DENKLEMLERİ

            Belki de bilim dünyasına katmış olduğu en büyük gelişme bu denklemler denebilir. Elektrik ve manyetizmanın bazı pratik sonuçları; mesela akım geçen telin başka telleri çekmesi ya da mıknatısın sallanınca akım oluşturması Faraday döneminde de fark edilmiş ve öne sürülmüştür. Maxwell, 1861’de insanlığın elektromanyetizma bilgisini 20 değişkenli 20 diferansiyel denkleme indirgemeyi başarmıştır. Bu kadar karmaşık oldukları için ilgi görmeyen denklemlerini daha sonraları 4 basit forma dönüştürmüştür ve bu denklemlere Maxwell Denklemleri demiştir. Bu denklemler elektrik ve manyetizma kuvvetlerinin aslında bir madalyonun iki yüzü gibi elektromanyetik kuvvetin farklı yüzleri olduğunu anlatmaktadır. Bunlar o kadar önemli eşitliklerdir ki Albert Einstein New Scientist dergisinin bir sayısında (1991, sayı 130) ‘’Özel Görelilik Teorisi, kökenini Maxwell’in elektromanyetik alan denklemlerine borçludur’’ demiştir.

Resim 7: Maxwell denklemleri

MAXWELL-BOLTZMANN DAĞILIMI

          1860 yılında çalışmalarını gazların kinetik teorisi üzerine yoğunlaştırmış ve adeta Ludwig Boltzmann’a yol göstermiştir. Daha sonraları Boltzmann bir gazın sıcaklığının atomların veya moleküllerinin hareketi ile nasıl ilişkili olduğunu açıklayan ve daha sonra Maxwell-Boltzmann Dağılımı adı verilen dağılımı geliştirmiştir.

Resim 8: X eskseni tanecik hızı, y ekseni tanecik sayısı(mol); kırmızı en soğuk moleküllerin, mavi en sıcak moleküllerin grafiği

Maxwell-Boltzmann dağılım grafiğinin y ekseni birim sürat başına molekül sayısını verir. Eğrinin altındaki toplam alan, gazın toplam molekül sayısına eşittir.

‘’FİZİKTEKİ İKİNCİ BÜYÜK BİRLEŞME’’

          Maxwell ‘in denklemleri olarak anılan devrimsel denklemler, elektrik ve manyetizmayı aynı formülde birleştirdiği gibi optik üzerinde de kullanılabilmektedir. Çünkü elektromanyetik dalga aslında bir ışımadır. Newton’un uzay ve dünyanın kütle çekimini birleştirmesinden sonra Maxwell’in bu devrimi fizikteki ‘’ikinci en önemli birleştirme’’ olarak anılmaktadır.

İLK RENKLİ FOTOĞRAF

          Çocukluğundan beri renklere merakı hiç bitmedi ve bu onu insanın renkleri nasıl algıladığı ile ilgili araştırmalara itti. “Renk Üzerine Deneyler” adlı makalesiyle bugün kullandığımız ekranlardaki RGB (Red, Green, Blue) renk modelini oluşturmuş oldu. İnsan gözündeki reseptörlerin de bu kırmızı, yeşil, mavi renkleri kullanarak çalıştığını anlatan bir sunumunda (1861, Londra Kraliyet Kurumu) üç tane kurdele fotoğrafı alarak bunları kırmızı, yeşil ve mavi filtrelerle duvara yansıtmıştır; duvardaki renkli kurdele görseli ilk renkli fotoğraf olmuştur.

Resim 10: İlk renkli fotoğraf(kurdele)

Resim 11: Maxwell Renk Üçgeni

IŞIK HIZININ İLK DEFA HESAPLANMASI

          Elektrik alanların manyetik, manyetik alanların da elektrik alan ürettiğini keşfeden Maxwell; bu ikisinin birbirini sürekli besleyerek bir akış oluşturmasına ‘’elektromanyetik dalga’’ demiştir. 1862’de King’s College’da verdiği bir ders sırasında elektrik ve manyetizma kuvvetlerini kullanarak yaptığı hesaplama ile elektromanyetik dalganın hızını bulmuştur. Işık hızına eşit olan bu sayı sayesinde Maxwell, ışık hızını hesaplayan ilk insan olmuştur.

ALANLAR KAVRAMI

Elektrik ve manyetizmaya ‘’alan’’ kavramını getirmiştir; bununla birlikte insanlığı böylesine görünmez kuvvetlerle tanıştırmıştır. Bu görünmez kuvvetlerin keşfedilmesi bakış açımızı artık tamamen değiştirmiş, fizikteki en önemli gelişmelerden biri olmuştur. Alanlar kavramı sayesinde Maxwell bize kızılötesi, radyo dalgası, x ışınları ya da gördüğümüz ışığın aslında elektromanyetik ışıma olduğunu anlatmıştır.

SATÜRN’ÜN HALKALARI          Teorik olarak Satürn’ün halkalarını incelemiş; sıvı halkalar birleşir, katı halkalar kararlı olamaz fikirleriyle bu halkaların bağımsız küçük parçalardan oluştuğunu öne sürmüştür. Bundan 120 yıl sonra gönderilen Voyager aracı Satürn’ün yanından geçerken bu teoriyi doğrulamıştır. Sabit olmayan halkaların zaman içinde Satürn’ün yer çekimine yenik düşeceği anlaşılmıştır.