Fiziğin kavram ve ilkeleri

SILA_20 · 05-02-2008, 01:33

Fiziğin kavram ve ilkeleri, FİZİĞİN KAVRAM VE İLKELERİ. Fizik biliminin yapısına temel oluşturan üç düşünce ana hatlarıyla şöyle sıralanabilir:

Korunum yasaları ve bakışım. Fizikteki korunum yasaları, yalıtılmış bir fiziksel sistemdeki kimi ölçülebilir niceliklerin zaman içinde değişmeyeceği kuralını koyar. Korunum yasalarının varlığı, doğanın bakışım yasalarıyla, yani uzaysal ve zamansal koordinatların döndürme, ötelenme, yansıma gibi çeşitli bakışım işlemleriyle değişmezliği kuralıyla doğrudan ilişkilidir. En yaygın korunum yasası, maddeyle ilgili olanıdır. Yasa, bilimsel olarak ilk kez 18. yüzyıl sonunda Fransız kimyacı A. Lavoisier tarafından ifade edildi. Buna göre, evrendeki madde toplamı değişmez, yani madde ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Enerjinin korunumu yasası, 19. yüzılda matematik formülasyonuna kavuştu. Bu yasa da, evrendeki toplam enerji niceliğinin sabit kaldığını bildirir. Einstein'ın kütle ile enerjinin eşdeğerliğini veren denkleminden sonra iki yasa birleştirilmiştir.

Newton mekaniğinde, bir sistemin üzerine bir dış kuvvet etkimediği durumlarda toplam doğrusal momentumun sabit olduğunu belirleyen bir korunum yasası vardır. Bu yasa, geometrik uzayın ötelenme bakışı-mıyla ilişkilidir. Benzer olarak, boş uzayın her bölgesinin birbiriyle özdeş olduğunun kabulü, tam bir döngüsel bakışım bulunduğu anlamını taşır. Bu da, bir cismin kütlesine ve açısal hızına ilişkin olan ve açısal momentum denilen fiziksel niceliğin korunumu yasasıyla ilgilidir.

Temel parçacıklar düzeyinde kuvantum mekaniği ve özel görelilik kuramı önem kazanmaktadır. Korunumun yasaları ve bunlara ilişkin bakışımlar da birincil rollerde bulunur. Kuvantum kuramı, kristaller, atomlar, çekirdekler ve temel parçacıklar gibi görece daha basit sistemlere uygulanır. Bunlarda dinamik ve içkin bakışımları gözlemek daha kolaydır. Kuvantum mekaniğinin ortaya koyduğu bakışımlardan biri uzamsal bakışımdır (p bakışımı). Uzay evirtim işlemcisine (operatör) parite (eşlem) işlemcisi denir. Bir parçacığın üç boyutlu koordinat sistemindeki durumunu belirleyen dalga denkleminde x, y ve z yerine — x, -y ve z değerleri konduğunda dalga fonksiyonu değişmiyorsa, paritesi +1, değişiyorsa —1 kabul edilir. Parkenin korunumu yasası doğanın sağ vida ya da sol vida referans ^sistemleri arasında bir ayrım yapmayacağını öngörür. Zamansal bakışım (T bakışımı), hareketin zaman içinde geri dön-dürülüşüyle ilgilidir. Fizik yasalarının bir hareketin oluşumuna izin verdiği kabul edilirse ters hareket de izinli olmalıdır. Zamanın tersinirliği şöyle anlatılabilir: Bir sistemin hareketi, özgül koordinat ve hızlarla belirtilen durumlar dizisi olarak betimlendiğinde, tüm hareket doğrultuları, yani tüm hızlar, karşıt değerleriyle değiştirilirse sistem ters doğrultuda gene aynı durumlardan geçer. Geriye oynatılan bir sinema filminde herhangi bir resmin gene görülmesi bu bakışıma örnek olabilir. Uzay ye zamanın evirtim bakışımları yük eşlenimi adı verilen bir başka bakışımla birleşmiştir. Yük eşlenimi, her yüklü temel parçacığın karşıt parçacık olarak adlandırılan zıt yüklü bir eşleniği olacağını öngörür. Karşıt elektron ya da pozitron, karşıt proton, karşıt nötron, karşıt hidrojen gibi parçacıkların varlığı deneysel olarak kanıtlanmıştır.

Bu bakışımların birleştirildiği CPT bakışımı gibi değişmezlikler, ayrı ayrı yük ve parite korünumlannın söz konusu olmadığı zayıf etkileşimler durumunda geçerli olmaktadır. Bunlardan başka iç bakışımlar grubu içinde kimi mutlak, kimi yaklaşık bakışımlar da bulunmaktadır. Kesinlikle korunum-lu yükler, izospin bakışımı, 51/(3) bakışımı bunlara örnek olarak verilebilir.

Alan kuramı. Fizikte bir alan, uzay ve zamanda gözlenebilir bir niceliğin sürekli dağılımı olarak tanımlanabilir. Ölçülebilir olması gereken bu gözlenebilir nicelik, bir sıvının rengi, atmosferdeki toz yoğunluğu, Yer'i çevreleyen magnetik alan gibi olaylar çeşitlemesinden herhangi biri olabilir. Gözlenen nicelik, uzayda değişim gösterip zaman içinde değişmiyorsa statik alandan, aksi halde ise zaman değişimli alandan söz edilir. Bir alanın matematiksel tanımı, onun uzayın bir fonksiyonu olduğu kabulüne dayanır. Alandaki herhangi bir nokta, uzayda öbür noktalara göre konumu cinsinden belirlenir. Ölçülen özellik, doğrultudan ba-ğımsızsa skaler niceliktir, doğrultuya bağlıysa vektördür.

Alanları sınıflandırmanın çeşitli yolları vardır; ama başlangıçta bunları maddesel olan ve maddesel olmayan alanlar olarak ikiye ayırmak gerekir. Maddesel alanlarda gözlenebilir nicelik, bir gazın sıcaklığı, bir sıvının hızı ya da yoğunluğu gibi, maddenin bir özelliğini gösterir. Maddesel olmayan alan ise herhangi maddesel bir özelliği betimlemez; belli koşullar altında uzayın bir noktasında ortaya çıkacak bazı gizli etkileri betimler. Örneğin, elektrik alanı böyledir. "Gözlenebilir" alan, alan fonksiyonuyla verilen ve uzayın x, y, z koordinatlarıyla tanımlanan bir noktasındaki değeri bulunabilen elektrostatik alandır. O noktada gerçekten var olan herhangi bir şey yoktur. Eğer bir elektrik yükü, x, y, z koordinatlarıyla tanımlanan noktaya yerleştirilirse, alan fonksiyonuyla orantılı bir kuvvetin etkisinde kalacaktır. Magnetik alan, kütleçekimi alanı ve olasılık alanları bu türden alanlara örnektir.

Alanlar, gözlenebilir fonksiyonlarının skaler, vektör ya da tensor oluşlarına göre de sınıflandırılabilir. Bir skaler nicelik, büyüklüğü olan, ancak yönü olmayan niceliktir. Kütle, yoğunluk, sıcaklık skaler niceliklerdir. Vektör, uzayda yönlenmiş niceliktir. Kuvvet, elektrik ve magnetik alan şiddetleri vektör niceliklerine örnek verilebilir. Alanın ölçülebilir niceliği yalnızca skaler ya da vektörel niceliklerle ifade edilemiyorsa ve böylesi birçok niceliğin bir arada ele alınması gerekiyorsa bir tensor kurulması gerekir.

Atmosferde herhangi bir noktadaki basınç, gaz molekülleri ile Yer arasındaki kütleçekimi etkisinden doğar. Bir yandan yeryüzüne doğru gaz moleküllerinin hızlanmasına yol açan bu çekim etkisinden, öbür yandan yüklendikleri ısıl enerji yüzünden birbirleriyle çarpışan moleküllerin atmosferin genişlemesini sağlayan etkisinden kaynaklanan iki karşıt eğilim arasında bir kararlı durum oluşur. Böylece atmosfer basıncı, yeryüzünden yüksekliğin azalan bir fonksiyonu olur. Bu durum skaler alanlar için en basit örneklerdendir. Sıcaklık alanı, kütleçekimi alanı, hareketli akışkanların yoğunlukları gibi alanlar da benzer skaler alanlardır.

Elektromagnetik alan fizikteki en önemli vektör alanı sayılabilir. Her ikisi de vektör alanı olan elektrik ve magnetik alanlar, durgun olmadıklarında karakteristik bir biçimde etkileşir.

Tensor alanlarına örnek, bir hidrodinamik sistemdeki basınç alanıdır. Bu durum, akışkan içindeki farklı noktaların farklı sıcaklıklarda olduğu karmaşık hareketler sistemine karşılık olur.

Fiziksel sabitler. Fiziğin temel kuramlarının formülleştirilmesinde ve bunların gerçek dünyaya uygulanmasında temel fiziksel sabitler denilen kimi değişmez nicelikler ortaya çıkar. Bu temel sabitler arasında ışığın vakumdaki (boşluk) hızı (c), temel yük (e), elektronun kütlesi (mej, Planck sabiti (h) ve ince yapı sabiti sayılabilir.

Temel sabitlerin sayısal değerlerinin kesin doğrulukla bilinmesi iki nedenle önem taşır.

Fiziğin temel kuramlarının nicel öngörüleri, kuramlardaki sabitlerin sayısal değerlerine bağlıdır. Ayrıca, bu sabitlerin fiziğin farklı alanlarındaki çeşitli deneylerden sağlanan sayısal değerlerinin dikkatle incelenmesi, fizik kuramlarının doğruluğunu ve genel tutarlığını denetleyebilme olanağını verir. Temel sabitler, genellikle milyonda birkaç kısımlık doğrulukla ölçülmüştür. Doğruluk niceliğine yüklenen anlam; kuram ya da deneyin sınırlılığı nedeniyle, herhangi bir niceliğin sayısal değerinin, gerçek değerden ne kadar uzak olduğunu gösteren belirsizliğin bağıl boyutudur. Doğruluk ya da belirsizlik, uygulamada milyonda kısım (ppm) olarak gösterilir.

Fiziğin kavram ve ilkeleri

Fizik, Kimya ve Biyoloji