Atomların var olduğunu nasıl biliyoruz?

Prof. Dr. Sertaç Öztürk - @Sertac_Oztrk

İnsanın en önemli özelliklerinden biri, hikayeler yaratıp onlara inanmasıdır. Olayları, doğayı, insanları ve kendisini anlamlandırmak için nedensellik odaklı hikayeler uydurur. İlk çağlarda bu hikayeler genellikle doğayı anlamlandırmak içindi ve tanrılar doğa olaylarının nedeni olarak kabul edilirdi.

Örneğin, depremler Poseidon’un üç çatallı mızrağını yere vurmasıyla gerçekleşirken, karın yağması ya da yıldırımların düşmesi Zeus’un yeryüzüne attığı oklar olarak görülürdü. İnsanlar yarattıkları mitlerden vazgeçip akıllarını kullanmaya cesaret ettiklerinde, göremedikleri atomların varlığını bile öngörmeyi başaracaklardı.

LOGOS’A GEÇİŞ

Mitos’tan Logos’a geçiş, Muğla yakınlarındaki Milet’ten başlar. Doğaüstüne başvurmadan doğayı somut gerekçelerle anlamaya çalışan ilk kişiler Thales, Anaksimandros ve Anaksimenes’ti. Aristoteles’in “ilk fizikçiler” olarak adlandırdığı bu üçlü, doğadaki her şeyi oluşturan “arkhe” adını verdikleri temel yapı taşını merak ediyorlardı. Thales, temel yapı taşını su olarak tanımlarken, Anaksimandros buna “aperion” (sınırı olmayan ve belirsiz) ve Anaksimenes de hava demişti. Her şeyin değiştiğini savunan Herakleitos’a göre ise arkhe, değişime neden olan ateşti. Zamanla, Antik filozoflar tek bir arkhe fikrinden vazgeçip birden fazla temel yapı taşı olduğuna inandılar. Empedokles’e göre dört arkhe vardı: Toprak, su, hava ve ateş. Empedokles, modern bilimde maddenin dört hali olarak kabul ettiğimiz katı, sıvı, gaz ve plazma formlarını arkhe olarak görmüştü. Anaksagoras’a göre ise arkhe, sonsuz sayıda tohum anlamına gelen “sperma”ydı. Örneğin saç veya kemik, onların özü olan ayrı spermalardan meydana gelirdi.

Sonsuzluk kavramı Antik Çağ’da yaygın olarak kabul gören bir olguydu. Elinizde belirli uzunlukta bir ip parçası olduğunu düşünün. Onu önce ikiye bölün, sonra elde ettiğiniz parçaları tekrar ikiye bölün ve bu işleme devam edin. Bölmenin bir sınırı var mıdır ve bu sınır nerededir? Leukippos ve öğrencisi Demokritos’a göre, maddenin belirli bir aşamadan sonra artık bölünemeyeceği bir sınır vardı. Onlara göre her şeyin yapı taşı, Yunanca “bölünemeyen şey” anlamına gelen atomlardan oluşuyordu. Tüm evren, içinde sayısız atomun hareket ettiği boş bir uzaydı. Atomların biçimlerinden başka herhangi bir özelliği yoktu; şekil ve büyüklük açısından birbirlerinden ayrılıyorlardı. Kimi atomlar yuvarlak, kimisi pürüzlü, kimisi ise çengelliydi. Atomlar bir araya gelerek evreni ve maddeyi oluşturuyordu. Tıpkı sınırlı sayıda müzik notasından Mozart, Bach ve Beethoven’ın yaratabileceği senfoniler gibi, temel atomlar birleşerek dünyanın sınırsız çeşitliliğini oluşturabilirdi. Demokritos’a göre atomların hareketi yalnızca mekanik bir zorunluluktu ve evrenin işleyişinin bir amacı yoktu. Günümüze ulaşan az sayıda fragmanlarından birinde, Demokritos “Tatlı bir kanıdır, acı bir kanıdır, sıcak bir kanıdır, soğuk bir kanıdır, renk bir kanıdır; tek gerçek atomlar ve boşluktur.” diyerek tüm evreni, boş uzayda amaçsız hareket eden atomlar olarak tanımlıyordu.

Demokritos’un atom öğretisi, ilginç bir şekilde metafiziksel olgulara da değinir. Örneğin ruh, bedenden bağımsız ve ebedi bir şey olmayıp, ince ve şeffaf atomların bir araya gelmesiyle oluşan bir öğedir. Ölüm, ruhu oluşturan atomların bedenden ayrılmasıyla gerçekleşir. Ruhu meydana getiren atomlar da dağılabilir ve ruh yok olabilir. Demokritos’un ruhu ölümlü gören materyalist metafizik yaklaşımı radikaldi ve bu durum çağdaşı olan Platon’u rahatsız etmişti. Platon’un, Demokritos’un öğretilerini tarih sahnesinden silmek için onun kitaplarını toplatıp yaktırdığı rivayet edilir. Gerçekten de Demokritos’un atom öğretisinden başka ahlak, tıp, müzik, politika, coğrafya ve daha birçok konu üzerine 70’ten fazla eseri varken günümüze yalnızca birkaç tane fragmanı ulaşabilmiştir. Demokritos’un neredeyse tüm eserlerinin yok olması, insanlık için büyük bir kayıptır. Ortaçağ ve Hristiyanlık, Platoncu öğretiler yerine Demokritosçu bir bakış açısıyla şekillenseydi, belki de bugün çok daha gelişmiş bir dünyada yaşıyor olabilirdik, kim bilir! En azından atom kuramından etkilenerek sonsuz gezegenler ve güneş sistemleriyle dolu sonsuz bir evren düşüncesini savunan Giordano Bruno, Roma’da diri diri yakılmazdı.

Felsefe kısmından bilime geçersek, atomların gerçekten var olduğunu ve Demokritos’un öngörüsünde haklı olduğunu nasıl biliyoruz? 19. yüzyılın sonlarına kadar, atomların varlığı bilim dünyasında geniş çapta kabul görmüyordu. Özellikle fizikçi ve filozof Ernst Mach gibi isimler, atomların varlığına inanmayıp, onları kimyasal reaksiyonları daha anlaşılır kılmak için geliştirilmiş soyut bir kavram olarak görüyorlardı. 1897’deki bir konferansta Mach, Boltzmann’ın sunumundan sonra herkesin önünde atomların varlığını reddetti. O dönemde birçok bilim insanı, kimyagerlerin suyun iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluştuğu gibi formüllerini gerçek birer varlık değil, sadece kimyasal işlemleri açıklayan bir yöntem olarak görüyordu. Atomların var olduğu düşünülemiyordu, çünkü görünmezlerdi ve görünmeleri de mümkün değildi.

Brown Hareketi

Atom hipotezinin kesin olarak kanıtlanması için 1905 yılına kadar beklemek gerekti. Bu yılda Albert Einstein, fizikte çığır açan üç önemli makale yayınladı ve bunlardan biri, atomların varlığını kesin olarak kanıtladı. Einstein, Demokritos ve Leukippos’un yüzyıllar önce öne sürdüğü atom fikrini destekleyen bir çözüm geliştirerek, atomların boyutlarını hesaplamayı başardı. Yani moleküllerin ve dolayısıyla atomların sonlu bir boyutu vardı. Einstein’ın çözümü basit bir gözleme dayanıyordu: Sıvılar içerisindeki küçük parçacıkların, örneğin toz zerreciklerinin rasgele zikzaklar çizerek hareket etmeleri. Bu hareket, Robert Brown tarafından dikkatle incelendiği için “Brown hareketi” olarak adlandırıldı. Brown’un gözlemi, havadaki polen gibi küçük parçacıkların rasgele itilerek hareket ettiklerini gösteriyordu. Bu hareket, parçacıklara çarpan hava ya da sıvı moleküllerinin etkisinden kaynaklanıyordu. Moleküller sağdan ve soldan çarptığında genellikle dengeli bir etki yaratırlardı; ancak moleküllerin sınırlı sayıda olması nedeniyle her an tam bir denge oluşmaz ve parçacıklar küçük de olsa bir hareket sergilerdi. Eğer moleküller sonsuz derecede küçük ve sonsuz sayıda olsalardı, sağdan ve soldan gelen çarpmaların etkisi herhangi bir anda tam olarak birbirini dengeler ve tanecik hareket etmezdi. Einstein, bu düzensiz hareketlerden yola çıkarak moleküllerin boyutlarını matematiksel hesaplarla belirledi. Bu keşif, Demokritos’un atomlarla ilgili sezgilerini doğruladı ve maddenin gerçekten de tanecikli bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. Einstein, atomların boyutlarını hesaplayarak bilim dünyasında o zamana kadar kuşkuyla yaklaşılan atom teorisini kesin olarak kanıtlamış oldu.

Demokritos’tan yaklaşık 22 yüzyıl sonra Dalton ve Ruhterford kendi atom modellini geliştirdi. Kuantum mekaniğinin doğuşu ile artık atomun doğasını daha net bir şekilde anlamaya başladık. Atomları bölüp en yıkıcı silahları da yaptık, atomun alt parçacıklarını kullanarak muhteşem teknolojiler de geliştirdik. Demokritos ile başlayan atomu anlama serüveni, hala insanlığı peşinden sürüklemeye devam ediyor.