31. ALANLAR

Hemen hemen herkes okullarda fizik dersi almıştır. Dinlediğiniz derslerde veya okuduğunuz ders kitaplarında şunlara benzer cümlelere sıklıkla karşılaşmışsınızdır:
- Elektriksel yükler kendi etraflarında bir elektrik alanı oluştururlar.
- Bir mıknatıs kendi etrafında manyetik bir güç alanı oluşturur.
- Hareketli bir elektrik yükü, etrafında bir manyetik alan oluşturur.

Altta artı ve eksi elektrik yüklerinin oluşturduğu alan kuvvet çizgileri görülüyor. Soldaki resimde yükler aynı, sağdakinde ise zıttır.

 

Altta solda içinden akım geçen bir bobinin oluşturduğu elektromanyetik alan çizgileri görülüyor, sağda ise bir mıknatısın alan çizgileri görülüyor.

Bu harikulade fotoğrafta Satürn ve etrafındaki halkalar görülüyor. Halka kuşağı çekim kuvveti tarafından şekillendirilmiş durumda.

 

ALAN NEDİR: Fizikte, bir alan Uzay-Zamanın her noktasında bir sayı veya bir tensör şeklinde bir değere sahip olan fiziksel bir niceliktir. (Alıntı Wikipedia)

Tabi ki böyle bir tanım, Alan'ın en primitif tanımıdır. Yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen matematiksel eşitlikler temel alınarak buna uyum sağlamaya yönelik bir açıklama çabasının ürünüdür. Gerçekte alan nedir, bir şeyden mi yapılmıştır, iç yapısı var mıdır, uzayın bir parçası mıdır gibi üretebileceğimiz yüzlerce sorudan hiçbirine cevap veremez. Kuantum Alan Teorisi (QFT), Birleşik Alan Teorisi (UFT) gibi teorilerle genişleyen bu konu esasen dibi olmayan bir kuyudur ve fiziğin en büyük araştırma konusudur, gelecekte de öyle olacağını düşünüyorum.

Alan tanımına tekrar dönüş yapalım. Yukarıdaki "ALAN" tanımı Uzay-Zamanı bir bütünlük içinde ele almakta onu "tek bir alan" olarak tanımlamakta ve onun içindeki her nokta için bir değerin varlığından söz etmektedir. Ancak böyle bir alan tanımı son derece yetersizdir. Çünkü uzaydaki bir noktaya etki, evrende maddeyi oluşturan alt elemanların (ki bunlar atomlar ve daha özel olarak da atomu oluşturan bileşenlerdir) her birinin o noktaya yaptığı etkinin toplamı ile oluşmaktadır. Bir atomu oluşturan her bileşenin uzayın o noktasıyla ilgili atanmış bir değeri vardır. Dolayısıyla uzaydaki her bir nokta için gerçekte sonsuz sayıda atanmış değer vardır. Final etki bütün bu etkilerinin toplamı ile oluşmaktadır. Dolayısıyla yapılan alan tanımı, alt bileşenlerin meydana getirdiği bu final etki değerini tanımlamaktadır. 

Yukarıdaki mıknatıs fotoğrafına tekrar bakalım. Demir tozlarını manyetik alanın kuvvet çizgileri üzerine çeken gücün mıknatıs içindeki elektronların ürettiği toplam güç olduğu bilinen bir durumdur. Şimdi bir soru sorarak kendimizi biraz zorlayalım. Mıknatıstaki elektronlar çevreye saçılmış olan demir zerreciklerine güçlerini hangi yolla iletiyorlar? Öyle ya, madem ki demir tanecikleri etkilenmektedir, elektronların etkisini demir zerreciklerine ileten bir mekanizmanın olması gerekir. Burada mıknatısın içindeki serbest elektronların spinlerinden doğan manyetik kuvvetti kastetmiyorum. Oluşan manyetik kuvvetin demir tozuna nasıl iletildiğinden bahsediyorum. Bu soruya iki ana başlık altında cevap arayabiliriz.

1- Elektron gücünü iletmek için uzayı kullanır. Etrafındaki uzayı etkileyerek değiştirir. Gücün iletimini sağlayan ortam uzaydır. Mıknatıstaki elektronların toplam gücünden etkilenen uzay parçası mıknatısın alanını oluşturur. ......................

2- Her elektronun kendisine ait bir alanı vardır. Elektronun sahip olduğu alan, onun çevresiyle olan etkileşimini sağlayan fiziksel bir obje gibidir. Elektron gücünü kendi alanı vasıtasıyla iletir. ......................

Her iki şık içinde kalınarak teori geliştirmek mümkündür, belki başka alternatiflerde yazabiliriz. Ancak ben size ikinci şıkkı anlatmak istiyorum. Çünkü (c+v)(c-v) matematiği doğru olan yolun ikinci şık üzerinde olduğu konusunda büyük ip uçları ve işaretler göstermektedir.

Yukarıdaki fotoğraflara bakıp belki biraz düşünmek isteyebilirsiniz. Bu aşamadan sonra bilinmeyene yolcuk yapacağız. Bunun için kendinizi hazır hissetmeniz gerekiyor. (c+v)(c-v) matematiğine sebep olan doğadaki KÂĞIDI tarif etmeye çalışacağım.

31.1. (C+V)(C-V) MATEMATİĞİNİN OLUŞMA NEDENİ- ALANLAR

Kişisel olarak alan'ın atomu meydana getiren elektron, proton, quark gibi alt elemanlara ait özel yapılar olduğunu, onların doğal bir bileşeni olduğunu düşünüyorum. İşin aslında alan konusunda hiç bir şey bilmiyorum. Ama bu durum bana özgü bir durum değildir. Onun var olduğunu düşünen çok sayıda araştırmacı da vardır, ama onun ne olduğunu hiç kimse tutarlı bir şekilde söyleyememektedir. Bu sebeple Alan Kavramını burada çok genel bir yaklaşımla ve atom bazında ele alacağım. Benim için önemli olan size (c+v)(c-v) matematiğinin nasıl oluştuğunu göstermektir. Bunu da ancak atomlar ve onların alanları yardımıyla gösterebilirim, burada da bunu yapacağım. (c+v)(c-v) matematiğinin beni getirdiği yere, size rehberlik yaparak sizi taşıyacağım. 

İki temel argüman kullanarak anlatımıma başlıyorum.

1. "Her atomun kendisine ait bir alanı vardır" dersem yanlış bir şey söylemiş olur muyum? Bir atom diğer atomlara çekim kuvveti uygulayabildiğine göre ve kuvvetin alan üzerinden transfer edildiği prensipte kabul edersek kendi içinde tutarlı bir cümle kurmuş oluruz.

2. "Bir atomun alanının uzunluğu sonsuza uzanır" dersem yanlış olur mu? Bu da yanlış olmaz, çünkü Evrensel Çekim Kuvveti denkleminde cisimler şu mesafeden sonra birbirine çekim kuvveti uygulayamaz şeklinde bir sınır yoktur. 

Söylenenleri bir figür üzerinde birleştirirsek altta görülen şekilde bir model yapı elde ederiz. Merkezde atom bulunmaktadır. Atomun alanı bir küre gibi atomu çevrelemiştir.

Yukarıdaki iki argümanı genelleştirdiğimizde, atomlar ve onların alanlarından oluşan bir evren yapısını karşımıza çıkar. Atomların alanları uzay dediğimiz boşluğu doldurmuştur. Bunun matematiksel anlamı da şudur: Eğer evrenimiz 10⁸¹ atomdan oluşmuş ise uzaydaki herhangi bir nokta 10⁸¹ adet alanın etkisi altındadır demektir. Uzaydaki her bir atom, diğer atomlara ait alanların içinde yer almıştır ve kendisine n = 10⁸¹ - 1 adet atomun alanı tarafından kuvvet uygulanmaktadır. Görüldüğü gibi en azından çekim kuvveti mekanizması ile uyumlu bir mantıksal model elde ettik. 

Modelimizi şimdi biraz geliştirelim. Küre şeklindeki alanın merkezinde atom bulunmaktaydı. Atomun alanı atomun varlığından kaynaklandığı için bir şekilde birbirine bağlı bir yapı söz konusudur. Böyle bir durumda atom hareket ettiğinde atomun alanı da aynı yönde hareket edecektir. Atom hangi yönde hareket ederse alanda aynı yönde hareket edecektir. 

Şimdi alana bazı özellikler ekleyelim. Alanın son derece rijit bir yapıda olduğunu varsayalım. Yani onu jöle gibi titremeyen, lastik gibi esnekliği olmayan son derece mükemmel bir yapı olarak hayal edelim. O kadar ki atomu hareket ettirdiğimizde alanın sonsuz uzaklıktaki dış kenarları aynı şekilde hareket ediyor olsun. 

Şimdi alana bir başka özellik daha verelim. Alan elektromanyetik dalgaları kendi içinde iletebiliyor olsun. Bir elektromanyetik dalganın hızı içinde gittiği alana göre daima "c" yani sabit olsun. Son bir ekleme yaparak tamamlayalım. Alan bir şekilde kendi içinde giden bir elektromanyetik dalgayı alan merkezine doğru gidecek şekilde yönlendirebilsin. 

Böylelikle (c+v)(c-v) matematiği ile tam uyumlu bir model elde etmiş olduk. Herhangi bir noktadan alana bırakılan bir elektromanyetik dalga doğruca alan merkezine doğru yönlenecektir. Hangi alana bırakılmış ise, o alanın sahibi olan atomuna gidecektir. Alan merkezindeki atoma göre kendisine doğru GELEN elektromanyetik dalganın hızı daima "c" olacaktır. 

Şimdi geçmişte mola vermek zorunda bırakan sorulara göz atalım. Bakın kaç soru birden otomatikman cevaplanmış durumdadır.

1) Bir elektromanyetik dalga yayınlanma esnasında varma hedefini nasıl bilebilir? 
2) Varma hedefinin hareketli olduğu bilgisi elektromanyetik dalgayı yayınlayan kaynağa nasıl iletiliyor?
3) Varma hedefi kaynağa göre hareket halinde ise elektromanyetik dalga kendi hızını varma hedefine göre "c" olacak şekilde nasıl ayarlayabiliyor? 
4) Fabrika ayarları olarak frekansı f0 ve dalgaboyu λ0 olarak imal edilmiş bir sinyal kaynağı nasıl oluyor da farklı dalgaboylarında dalga yayınlayabiliyor? 
5) Yukarıdaki sorular eğer cevaplanabiliyor ise, kaynak ve hedef arasında inanılmaz mesafeler olması durumunda da bunu nasıl başarabiliyor, ki burada binlerce belki de milyonarca ışık yılı mesafeden bahsediyoruz?

Görüldüğü gibi bütün sorular cevaplanmış durumdadır, ancak beşinci soru için hala bir soru işareti koyabiliriz. Bir alanın uzunluğunun sonsuza uzanması nasıl mümkün olabilmektedir? Açıklıkla söylemek isterim ki bu sorunun cevabı (c+v)(c-v) matematiğinin içinde değildir. Bu konuyla ilgili düşüncemi Dördüncü Bölümde aktaracağım.

"(c+v)(c-v) matematiği doğada var mıdır, yok mudur?" tartışması artık saçma bir tartışmadır. O vardır. Var olduğuna göre bir nedeninin de olması gerekir. Doğada öyle bir altyapı tarif edilmelidir ki (c+v)(c-v) matematiği oluşabilsin. Burada anlattıklarım bu çabanın bir ürünüdür. Sonuçta ben burada (c+v)(c-v) matematiğini sağlayabilecek bir model tarif ettim. 

Bu modelde iki ana fikir vardır. Birincisi adına alan dediğimiz yapının doğada var olduğunu ve bunların birer fiziksel obje olduklarını prensipte kabul etmektir. Bilimsel kitaplara ve makalelere, ders notlarına baktığımızda şuna benzer bir cümleler ile mutlaka karşılaşırsınız. "İçinden akım geçen bir bobin etrafında elektromanyetik bir alan oluşturur." veya "elektrik yüklü bir cisim etrafında elektrik alanı oluşturur". Bu tür cümleler son derece yanlıştır. Açıklıkla söylüyorum ki OLUŞTURAMAZ. Var olan bir şeyi oluşturamazsınız. Alan zaten vardır. Bobinden elektrik akımı geçirdiğinizde bobinin içindeki atomların (elektronların) var olan alanlarını aktif hale geçirmiş olursunuz. Bir cisme statik elektrik vererek onu yüklerseniz, cismin var olan alanlarını uyarmış olursunuz. Alan hep vardır, maddenin var oluşunun doğal bir özelliğidir, onun bir parçasıdır. Alan daima madde ile birlikte ele alınması gereken gerçek fiziksel bir objedir. Evet, onu bir cisim gibi göremiyoruz ama etkilerini açıkça görüyoruz, hatta ondan yararlanarak bütün uygarlığımızı inşa ettik. Alan oluşturulamaz ve yaratılamaz. Çünkü o her zaman vardır.

İkinci fikrimi şimdi burada dile getireceğim. "Bir alan kendi merkezine doğru daimi bir akış içindedir ve bu akışın hızı "c" dir" şeklinde bir varsayımda bulunuyorum. Böyle bir varsayımda artık elektromanyetik dalganın kendisine ait bir hızının olmasına gerek yoktur, o artık bir enerji paketi haline dönüşmüştür. Bu paketi bir alanın üzerine koyarsanız paket zorunlu bir şekilde alan akışı sebebiyle alan merkezine yani orada bulunan atoma doğru gidecektir. Paketi hangi atomun alanına koyarsanız, paket o atoma gider. Alan merkezindeki atoma göre kendisine doğru GELEN paketin hızı daima "c" olur. Bu şekildeki bir kurgu (c+v)(c-v) matematiğini hiç zorlanmadan sağlar. 

Alanın kendi içine akışı sebebiyle olsun veya elektromanyetik dalganın kendi hızı ile olsun, bir elektromanyetik dalganın içinde bulunduğu alana göre hızının "c" olduğu (c+v)(c-v) matematiğinin bize işaret ettiği bir sonuçtur. Ben bu noktada önermemi yapıp kenara çekilmek durumundayım. Alan nedir, neden yapılmıştır, maddeyle olan birlikteliği nasıl sağlanmaktadır? gibi cevap verilmesi ağır soruların cevaplarını bu konu üzerinde çalışan/çalışacak bilim insanlarına bırakıyorum.

 

31.2. ALANLAR İLE DÜŞÜNMEK

 

Alan konusunda anlattıklarımın mutlaka doğru olduğunu tabi ki iddia edemem. Ama şurası gerçektir ki, evvelce anlattığım ve burada şimdi anlatacağım ALAN MANTIĞI içinde düşünürseniz (c+v)(c-v) matematiğini çok daha kolay yorumlayabilirsiniz. Bir olayı analiz ederken nasıl bir sonuç elde edileceği konusunda oldukça tutarlı öngörülere ulaşabilirsiniz.






Alanlar İle Düşünmek.....

Bir cismi oluşturan atomların alanlarını düşüncelerimizde birleştirebilir ve onu tek bir alan gibi ele alabiliriz. Uçağın alanı, gözlemcinin alanı, dünyanın alanı vs. gibi. (c+v)(c-v) matematiğinde sonuca ulaşmak için cisimlerle ve onların alanlarıyla düşünmek çoğu durum için yeterlidir. 

"Bir referans sistemi nedir?" sorusunun cevabı (c+v)(c-v) matematiği için şöyledir: Cisim ve ona ait alan beraberce cismin referans sistemini oluşturur. 

Herhangi bir cismi düşüncelerimizde daha küçük parçalara da ayırabiliriz. Ayırdığımız her parça gene bir cisim olacaktır, kendisine ait bir alana sahip olacaktır ve kendi başına bir referans sistemi teşkil edecektir. Figürde koşucuların beden parçalarına ait bir kaç alan tasvir edilmiştir. Alanlarla düşündüğümüz zaman sporculara giden ışığın nasıl bir davranış içinde olacağın kolaylıkla fark edebiliriz.

Yukarıdaki figürde, gözlemci gördüğü uçağın koordinatlarını kendi referans sistemine göre (x1,y1,z1) olarak tanımladığı zaman, farkında olmadan kendi alanı üzerindeki bir noktayı tanımlamıştır. Yazdığı koordinat değeri gözlemcinin kendi alanı üzerindeki bir koordinat değeridir.

 

Alanlarla düşünmek bir cismin imajının nerede görüleceği konusunda kesin ve açık bilgi verir. Soldaki figürde uçak (Kaynak Obje) A noktasındayken kendi görüntüsünü oluşturan sinyalleri gönderiyor. Gözlemcinin alanına bırakılan bu sinyaller, gözlemciye doğru gelirken, gözlemcinin alanındaki AO doğrusunu takip edecektir. Sağdaki figürde ise sinyallerin gözlemciye vardığı durum gösteriliyor. Gözlemci uçağın İmaj Objesini A noktasında görecektir, çünkü sinyaller kendisine ait alanın A noktasından gelmiştir. Gözlemci hareket halinde bile olsa, A noktasının konumu gözlemciye göre hiç bir zaman değişmeyecektir, çünkü gözlemci hareket ettiğinde kendi alanını beraberinde taşımaktadır. Hangi yönde ve hangi hızda ederse alanı da aynı hızda aynı yönde yer değiştirecektir. Dolaysıyla, gözlemci alanı taşıdığında A noktasını da beraberinde taşımış olur.

Alanlarla düşünmek, görünmeyende gerçekleşen olayları bizim için görünür hale getirir. Bayt Kayması örneğimize bir dönüş yapalım. Figürde sinyal alıcılarına ait alanlar görülüyor. Uçaklara ait alanlar, uçakların hareket yönü doğrultusunda taşınmaktadır. Her sinyal gurubunun hızı içinde gittiği alana göre hızı "c" olduğu için, alıcılar her zaman için kendilerine GELEN sinyali c hızıyla alacaklardır. Ancak, uçaklara ait alanların uçakların hareket yönü doğrultusunda taşınması sebebiyle, sinyal vericisinin referans sistemine göre uzaklaşan uçağa GİDEN sinyalin hızı (c+v), yaklaşan uçağa GİDEN sinyalin hızı (c-v) olur. Sinyal gruplarının gökyüzünde giderken gittikçe birbirinden ayrışacağı alanlarla düşünüldüğünde çok açık olarak görülür.

Alanın hareket yönünde taşınması Doppler Kaymasının oluşmasına, yani elektromanyetik dalganın yayınlanması esnasında dalgaboyunun değişmesine sebebiyet verir. Sinyalin alana bırakılması esnasında alanın taşınması, sinyal dalgaboyunun sıkışmasına veya genleşmesine neden olmaktadır. Elinize bir avuç kum aldığınızı düşünün. Elinizi biraz gevşeterek kumu yürüyen bir bandın üzerine dökün. Avucunuzdaki kum bittiğinde bandın üzerinde oluşan kum çizgisinin uzunluğunu ölçün. Sonra, aynı hareketi tekrarlayın ama bu sefer yürüyen bant makinesi bir kişi tarafından ileri veya geri itiliyor olsun. Bu durumda elinize göre yürüyen bandın hızı değişecektir. Bandın hızı elinize göre artmış ise bandın üzerine döktüğünüz kum daha uzun bir çizgi oluşturacaktır. Elinize göre bandın hızı azalmışsa kum çizgisinin uzunluğu daha kısa olacaktır. Dalgaboyu değişimi de tamamen benzer bir mekanizma ile oluşmaktadır. Alanlar ile düşündüğünüzde sinyal dalgaboyunun sinyalin yayınlanma esnasında değişeceğini
hemen fark edersiniz.