Eterin kısa tarihi

Prof. Dr. Sertaç Öztürk - @Sertac_Oztrk

Maddenin kaç tane formu var? Maddenin boş olduğu yerlerde ne var? Bunlar Antik Yunan’dan modern bilime kadar hala önemini koruyan, insanlığın kafa yorduğu güzel sorular. Binlerce yıl insanlar görülemez maddenin yeni bir formunun varlığına inandı, kozmosu onunla doldurdu ve adına eter dedi. Bu yazımda eter kavramına ve onun düşünsel kısa tarihine değinmek istiyorum.

Antik Yunan’da filozoflar tarafından tartışılan önemli sorulardan biri gök cisimlerinin hareket ettiği uzayı dolduran bir maddenin var olup olmadığıydı. Aslında tartışmanın özü boşluk üzerineydi. Aristoteles’e göre boşluk olamazdı. Fizik kitabında bir cismin doğal hareketinin o cismin ağırlığıyla doğru orantılı, ortamın yoğunluğu (yani ortamın direnci) ile ters orantılı olduğunu söyler. Su havaya kıyasla daha yoğun olduğu için bir taş parçası su içerisinde daha yavaş hareket eder. Aristoteles maddesel bir ortamın olmadığı bir durumda cismin hareketine etki eden direncin sıfır olacağını ve böylece cismin sonsuz hızla hareket etmesi gerektiği sonucuna ulaştı. Cisimler için sonsuz hız olamayacağı için boşluk da var olamazdı. Sokrates öncesi filozoflar her şeyin toprak, su, hava ve ateş olmak üzere dört elementten oluştuğunu var saymıştır. Aristoteles’in evren modeli iç içe geçmiş kürelerden meydana geliyordu. Toprak en ağır element olduğu için Dünya merkezdeydi ve onu sırasıyla su, hava ve ateş küreleri sarıyordu. Ayın ötesinde ise kozmosu dolduran beşinci bir element olan eter küresi vardı. Gök cisimleri eter ortamında hareket ediyordu. Birbirine dönüşebilen dört elementin aksine eter değişemez ve yok edilemezdi.

DESCARTES VE NEWTON

Benzer şekilde Rene Descartes tüm uzayın maddeyle dolu olduğuna ve boşluğun var olamayacağına inanıyordu. Ona göre etkileşimler yalnızca basınçla ve çarpışmalarla, yani bir çeşit maddenin aracılığıyla somut bir şekilde oluşturulabilirdi. Maddenin olmadığı alanı dolduran ve etkileşimlere aracılık eden sürekli bir eterin varlığının olması gerekiyordu. Tüm evren birbirine kenetlenmiş eterdeki girdaplar sistemiydi. Örneğin gezegenler girdap şeklinde hareket eden bir eter denizi tarafından taşınarak bizim yer çekimi dediğimiz etkiyi üretiyordu. Işığın güneşten diğer gezegenlere iletilmesi için de yayılmasını sağlayan bir eter ortamı gerekliydi. Descartes uzaktaki anlık bir etkinin mantıklı olmadığını düşünüyordu. Newton kütle çekimi yasası böyle bir kuvvetin boş uzayda nasıl anlık olarak iletilebileceğine dair bir açıklama getiremiyordu. Newton kütle çekiminin bir nesneyi bombardıman eden eter parçacıkları akımından ya da her yeri saran eterdeki değişimlerden kaynaklanabileceğini zaman zaman düşünse de Principia’sında bu kavramlardan söz etmedi.

1690 yılında Christian Huygens ışığın dalga doğası teorisini formüle ettiği Işık Üzerine İnceleme eserini yayınladı. Newton ve Descartes ışığı parçacık olarak görürken Huygens’e göre ışık bir dalgaydı. Nasıl ses dalgalarının yayılması için havaya ihtiyacı varsa ışık dalgalarının da bir yayılma ortamına sahip olması gerekiyordu. Dolayısıyla güneş ve yıldızlardan gelen ışığı görebilmemizi sağlayan bir eter ortamının varlığı kaçınılmazdı. Newton da ışığı parçacık olarak kabul etmesine rağmen eterin varlığını kabul ediyordu. Işık parçacıklarının her yeri kaplayan bir eterdeki titreşimleri uyardığını ya da bu titreşimlere eşlik ettiğini savunuyordu. Dolayısıyla bu dönemde eter Aristotelesçi bir şekilde düşünülmüyor, ışık ve kütle çekimi kuvvetinin iletim aracı olarak görülüyordu. Eterin varlığına yeni bir destek Maxwell’in elektromanyetizma kuramı ile geldi. Maxwell ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu ve boşlukta sabit bir ışık hızıyla yayılması gerektiğini gösterdi. Ancak bu Newton fiziğinde tek bir referans çerçevesinde mümkündü. Eter böyle bir mutlak referans sistemini mümkün kılıyordu. Maxwell’e göre eter uzayı bir akışkan gibi doldurmalı ama sert ve tamamen hareketsiz olmalıydı. Mıknatısın oluşturduğu manyetik alan çizgileri elastik yapıdaki eterdeki değişimlerdi.

MICHELSON VE MORLEY

Eğer her yeri dolduran bir eter ortamı varsa ve ışık onun aracılığıyla taşınıyorsa böyle bir maddenin varlığını bir şekilde deneysel olarak ispatlayabilir miyiz? 1887 yılında Albert Michelson ve Edward Morley bu soruya cevap aramak için bilim tarihinin en önemli deneylerinden birini gerçekleştirdiler. Dünya güneş etrafında dönerken eterin içinde hareket etmeli ve bu da dünya üzerinde bir eter rüzgârı oluşturmalıydı. Bu eter rüzgârın herhangi bir noktadaki yönü ve şiddeti günün saatine ve mevsime göre değişiklik göstermeliydi. Işıkta eter de hareket ettiği için ışığın hareketi eter rüzgarının yönüne göre değişmeliydi. Bunu anlamak için akıntılı olan bir nehir hayal edin. Aynı noktadan yarışa başlayan iki yüzücüden bir tanesi nehrin karşısına kadar yüzüp geri dönsün. Diğer yüzücü ise nehrin genişliği kadar bir mesafede akıntı ile aynı yöne doğru yüzüp sonra akıntıya ters yönde yüzerek başladığı noktaya geri gelsin. Eğer nehirde akıntı yoksa iki yüzücü aynı anda yarışı bitirecek ama akıntı varsa aralarında bir fark olacaktır. İşte bu mantıkla Michelson ve Morley deneylerinde farklı doğrultularda aynalar kullanarak ışığın bu aynalar arasındaki yansımaları sonucunda yaptıkları girişimlere ve kırınımlara baktı. Eğer eter rüzgârı varsa bir doğrultudaki ışık gecikecek ekranda kırınımlar görünecekti. Yıllarca süren deney sonucunda aynalar arasında ışığın hızında bir değişim olmadığı anlaşıldı. Eter adı verilen, her yeri dolduran ve ışığın iletilmesinden sorumlu bir madde yoktu. Einstein’in özel görelilik kuramının ve fizikte alan kavramının ortaya çıkmasıyla beraber ışığın doğasını eter olmadan açıklayabiliyoruz.

Her ne kadar aynı isimle çağırılsa da Aristoteles’ten Maxwell’e kadar eter farklı şeyleri ifade etti, semantik olarak farklı kullandı. Günümüzde de eter fikri farklı anlamlarda kendine hâlâ yer bulmakta. Evrenin her yeri dolduran, madde ile etkileşen yeni bir tür eter tanımımız var. Buna Higgs alanı diyoruz. Bir olimpik havuzu evren olarak hayal ederseniz o havuzun içini dolduran su da Higgs alanıdır. Madde Higgs alanı ile etkileşerek kütle kazanır. Eğer Higgs alanı olmasaydı bütün parçacıklar kütlesiz olurdu ve ışık hızında hareket ederdi. Böyle bir evrende atomlar oluşmaz, yıldızlar parlamazdı. Aristoteles’in yaklaşık 2500 yıl önce boşluk ile ilgili düşüncesi ile Higgs alanı arasındaki benzerliğe dikkat ettiniz mi?

İnsanlığın evreni, maddeyi, kuvveti ve değişimi anlamak için çıktığı bu yolculukta eter düşüncesi insanın anlama yetisinin ve doğayı anlamlandırma çabasının en güzel süreçlerinden biridir. İleriye doğru atılan her bir adımda evreni bir nebze daha iyi anlıyoruz, ya da anladığımızı sanıyoruz. Günümüzde sahte bilimcilerin simya, eter ve düz dünya üzerinden ortaçağa doğru geri adım atma eğilimlerine rağmen aklını kullanma cesaretini gösterenler sayesinde bu güzel yolculuk hala devam ediyor.