Brown Hareketi ve atomların büyüklüğü | Bilim ve Ütopya
Dalton’un 19. yüzyıl başlarında ortaya attığı atom kuramı, kimyasal tepkimelerdeki stokiyometrik bağlantıları oldukça basit bir şekilde açıklayarak kimyanın gelişmesinde önemli bir rol oynamıştır. Atom kuramının bu başarısına rağmen, kuramın genel kabul görmesi oldukça uzun bir süre almıştı. 20. yüzyıl başlarına bile atom kuramını reddeden ve maddenin sürekli bir yapıya sahip olduğuna inanan tanınmış bilim insanları vardı. Bunlar, atom kuramını sadece işleri kolaylaştıran yararlı bir varsayım olarak görüyorlardı.
Bugünkü bakış açımızdan bakıldığında bu oldukça şaşkınlık verici bir durum; ama kısmen anlaşılabilir. 19. yüzyılda atom kuramı; kimyasal tepkimelere giren madde miktarları, gazların davranışı ve ısı gibi sadece makroskopik dünyamızda karşılaştığımız bir takım olaylarda görülen düzeni açıklamak için kullanılıyordu. Yani, başka kuramları türetmek için kullanılan bir kuramdı. Doğrudan atomların etkilerinin görülebileceği herhangi bir gözlem bulunmuyordu. Örneğin, bu türetmelerde atomların ne kadar küçük olduklarının bir önemi yoktu. Aynı açıklamayı, atomları gerçekte olduklarından daha büyük ya da çok daha küçük varsayarak da yapabilirsiniz. Bir şekilde atomların büyüklüğü, değeri bilinmeyen başka sabitlerin içinde kayboluyor ve makroskopik maddenin davranışı atomların büyüklüğünden bağımsız çıkıyordu. Böyle bir serbestlik söz konusuysa, atomları sonsuz küçük varsayarak da aynı sonuçlara erişebilirsiniz. Dolayısıyla, bazı bilim insanlarının atom kuramını reddetmeleri anlayışla karşılanabilir. Bu insanlara, atomların varlığını açıkça gösteren başka kanıtlar göstermek gerekiyordu. Bu nedenle, 1905 yılında Albert Einstein’ın Brown hareketini açıklaması ve Jean Perrin’in izleyen yıllarda yaptığı deneyler, atomların varlığının bağımsız olarak kanıtlanması açısından tarihsel bir öneme sahiptir.
1827 yılında, İskoç botanikçi Robert Brown mikroskop altında sulu bir ortam içindeki polenleri incelerken, polenlerden ayrılan bir takım küçük parçacıkların sürekli bir şekilde hareket ettiğini fark etti. Önceleri bu hareketin yaşamsal bir kaynağı olduğundan kuşkulandı, ama inorganik malzemelerden elde edilen parçacıkların da aynı hareketi yaptığını görünce olayın biyolojik olmadığı sonucuna vardı. Hareket daha önce de fark edilmişti, ama çoğu bilim insanı bunu Brown’ın çalışmalarından öğrendiği için bu olgu “Brown hareketi” adıyla anılmaktadır.
Brown hareketinin önemli birkaç özelliğini burada saymakta yarar var. Öncelikle hareket tamamen düzensiz, rastgele bir hareket. Mikroskop altında parçacıklar bir ileri bir geri hareket ediyor gibi görünüyor ama bu bildiğimiz titreşim hareketinden çok farklı. Titreşim hareketinde sabit bir nokta etrafında belirgin bir periyoda sahip bir hareket söz konusuyken, Brown hareketinde herhangi bir periyot olmadığı gibi, parçacıklar hareket sonucu yerlerini değiştirebiliyorlar.
Einstein’ın Brown Hareketi konusundaki çalışması
İzleyen yıllarda Brown hareketi konusunda çok sayıda çalışma yapıldı, ancak Einstein’ın 1905 yılındaki makalesine kadar tatminkar bir açıklama sağlanamadı. Hareketin, parçacığa çarpan sıvı moleküllerinden kaynaklandığı düşüncesi de Einstein’dan önce ortaya atılmıştı, ama olayın kuramsal analizleriyle deneysel gözlemler tam olarak bağdaştırılamamıştı.
1905 yılı Albert Einstein’ın birbirinden farklı üç alanda devrimsel nitelikte katkılar yaptığı bir yıldı. Einstein’ın adıyla özdeşleşen görelilik kuramı ile ışığın tanecikli yapısının savunulduğu ve fotoelektrik etkinin açıklandığı makaleler bu yıl çıkmıştı. Einstein’ın devrimsel nitelikte görülen üçüncü katkısı da bu yazıda bahsettiğimiz, Brown hareketi hakkındaki makalesiydi. Aslına bakılırsa, makaledeki ifadeler Einstein’ın Brown hareketi ile ilgili daha önce yapılan çalışmalar hakkında pek bir bilgisinin olmadığını gösteriyor. Einstein’ın makaleyi yazmaktaki esas amacı, atomların var olması ve kuramcıların tahmin ettiği şekilde davranıyor olmaları durumunda, mikrometre mertebesindeki parçacıklarda bu türden bir hareketin zorunlu olarak gözlenmesi gerektiğini göstermekti.