300 yıldan uzun bir süre önce ortaya atılan bir efsaneyi hepimiz duymuşuzdur. Ağacın altında uykuya dalmış bir fizikçinin kafasına düşen bir elma... Isaac Newton, bu olayla şöyle bir bağdaştırma yaptı: Elmanın yere düşmesinin mekanizması ile gezegenlerin birbirleri tarafından çekilmesi aynı prensiple açıklanabilir mi? Newton bu düşüncesiyle aynı zamanda dünyadaki ve gökyüzündeki olayları ilk defa birleştiriyordu. Bir kitabında bundan bahsetti. Ardından bir kuvvet yasası ortaya çıkmış oldu: Evrensel Çekim Yasası...
Modern fizikte (özellikle de Einstein için) birçok yerde nakavt edilmeye çalışan bu yasanın izahı oldukça basittir. Matematiksel izahı da bir o kadar basittir ancak tüm bunlara rağmen zaman zaman eleştirilere sahip olmuştur. Hatta bu çekim yasasının aslında büyük kütleli cisimlerin uzayı bükmelerinden kaynaklandığı ortaya atılmıştı. Yani kütle çekimi denen şey aslında modern fizikte uzayın bükülmesinden kaynaklanıyor olabilirdi. Ama biz burada çekim yasasının kuantum mekaniğindeki geçerliliğinden ziyade; "nasıl oluştuğunu" tartışacağız. Hem bu yasa şu an klasik fizikte sorunsuz bir şekilde kullanılabilmektedir.
Evrensel çekim yasasının izahı
1687 yılında Newton, Doğal Bilimlerin Matematik İlkeleri adlı kitabında evrensel çekim yasasını yayınladı. Evrensel çekim yasası: Evrendeki her parçacık, başka bir parçacığı, kütlelerinin çarpımıyla doğru orantılı ve aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olan bir kuvvetle çeker. Diyelim ki iki cisim var. Kütleleri m1 ve m2 olsun. Aralarında da “d” kadar bir uzaklık var. Newton’un ifadesine göre bu iki cisim birbirlerine kuvvet uygulayacak. Bu kuvvetin büyüklüğü;
F = Gx[(m1xm2)/(d^2)] olacaktır.
Burada “G” evrensel çekim sabiti isminde bir sabittir. Bu değer deneysel olarak ölçülüp kanıtlanmıştır ve her yerde sabittir. Değeri;
G = 6,673x(10^-11) N.(m^2)/(kg^2) ile ifade edilir.
Ters kare yasası
“F” şeklinde bahsettiğimiz yasa genelde ters kare yasası olarak da bilinir. Böyle denmesinin sebebi kuvvetin büyüklüğünün, aradaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak değişmesindendir. Biz bir kuvvetten bahsettik ve kuvvetler vektörel bir büyüklüktür. Dolayısıyla da çekim kuvvetleri de vektörel bir büyüklüktür. Bu tanımlamayı “d’12” benzeri bir birim vektör yardımıyla yapabiliriz.
m1 kütleli cisimden m2 kütleli cisme bir kuvvet vektörü yönelmiş olduğunda; m2 üzerine m1’den dolayı etki eden kuvveti formülize edecek olursak;
F’12 = - Gx[(m1xm2)/(d^2)]d’12 şeklindedir.
Buradaki eksi işareti m2’nin m1’e çekildiğini gösterir. Bu da kuvvetin m1’e yönelmiş olduğunu gösterir. Burada aynı zamanda Newton’un üçüncü yasası olan etki-tepki yasasını da hesaba katarsak şöyle bir bağıntı elde ederiz:
F’12 = -F’21
Kütle çekim sabitinin (G) ölçülmesi
1978 yılında Henry Cavendish, oldukça pratik ve önemli bir deneyle kütle çekim sabitini belirledi. Bu deneyde Henry Cavendish bir düzenek, daha doğrusu bir alet tasarladı. Aletin adı da Cavendish aletidir. Cavendish aleti, m kütleli iki kürecikten meydana gelmektedir. Bu küreler yatay ve hafif bir çubuğun uçlarına yerleşmiştir. Bu yatay çubuk da ince bir tel yardımıyla (fiber veya ince metalden) asılmıştır. Ardından başka bir yatay çubuğun uçlarına bağlanmış M kütleli küreler bu m kütleli çubuklara yaklaştırılmıştır. Bunun sonucunda da büyük küreler ve küçük küreler birbirlerine kuvvet uygulayacak ve asılı çubuğun dönmesine vesile olacaktır. Daha sonra asılı tel yeni bir denge konumuna ulaşacak.
Bu asılı çubuğun döndüğü açı, bir ayna ve ışık kaynağı yardımıyla bulunabilir. Burada ayna askılığa yerleştirilmiş olup ışık demetini yansıtarak bu dereceyi saptamayı sağlar. Ardından bu deney farklı kütleli kürelerle tekrarlanır ve elde edilen sonuçlar arasında bir bağıntı yakalanmaya çalışır. Böylece hem G için sabit bir değer hem de ters ve doğru orantıların doğruluğu kanıtlanmış olur.
