Madde nedir? Enerji nedir? İkisinin arasındaki fark nedir? Neden madde ve enerjiyi birbirinden ayırma gereksinimi duyduk? Hangisi daha üstün? Ve tarih sahnesine dönüp baktığımızda bunun gibi belki de yüzlerce soruyla karşılaşacağız. Tabi bu sorular ortaya çıktıklarında öylece havada asılı kalmadılar. Bilim tarihinin efsane beyinleri o sorulara cevap bulmak için yıllarca çalıştılar. O amaç uğruna koyulan emek kimi zaman cevapları net bir şekilde ortaya koyuyordu kimi zamanda başladığı yere tekrar getiriyordu. Ama bu büyük beyinler aynı zaman da çok çalışmaya değil hayal güçlerine de borçlulardı.

Mantık sizi A noktasından B noktasına götürür. Hayal gücü ise her yere! 

Albert Einstein

Madde nedir?

Madde nedir sorusunun en net cevabını ben lise birde fizik dersimizin ikinci haftasında öğrenmiştim. Ve bu soruya cevap verirken genel bir tanımlama yaparken tanımdan çok özelliklere dayanarak cevap vermiştik. “Maddenin ortak özellikleri nedir?“ diye soruyordu kitaplarda. Ve cevap: belirli bir kütleye sahip olma , uzayda yer kaplayan bir hacminin olması, tanecikli yapıda olması, eylemsizliğinin olması. Tanıma dökecek olursak bunu: Uzayda belirli bir alanı kaplayan hacme sahip, kütlesi olan, tanecikli yapıdaki, eylemsizlik özelliği gösteren canlı veya cansız nesnelerdir.

Peki tüm bu ortak özellikler nereden geldi de biz maddenin tanımını bu şekilde yaptık? Tabiki deneysel sonuçlar yani bilim tarihinde bilim adamlarının yaptığı çalışmalar neticesinde. Burada gözlemsel deneyler daha çok ön plandadır. Ancak en temel haliyle aslında şu şartı öne sürüp bir tanım da yapabilirdik: Beş duyu organımızla algıladığımız her şey. Ki bu zamanda enerjiyi de kümeye dahil etmiş oluruz. Ve ön koşul hatasından yanlış tanım kuralı elde ederiz. Birazdan enerjiden bahseceğiz ancak yine de bu ön şart aynı zamanda enerji ve maddenin ortak bir özelliği olarak da sayılamaz mı? 

Enerji nedir?

Enerji en basit tanımla sistemlerin veya cisimlerin iş yapabilme yeteneğidir. Mesela bir ışık. Yayılım halindeyken bunu elektromanyetik ışıma ile yapar. Yani ışın şeklinde hareket eder. Ve bunun öncüsü fotonlardır. Daha önceki yazılarda fotonların elektromanyetik dalganın öncüsü olduğundan bahsetmiştik. Ve yaptığımız çeşitli araştırma ve kıyaslamalar neticesinde enerjiyi anlatırken bunu foton üzerinden anlatmaya karar verdik. 

Fotonların en bilindik özelliği ışığın temel birimi olmalarıdır. Aynı zamanda elektromanyetik alan etkileşimlerinde temel parçacıktır. Parçacık denince aklınıza madde gelebilir ki fotonda bu zor anlaşılır bir durumdur. İlk olarak Isaac Newton ışığın parçacıklardan oluştuğundan bahsetti. Ardından  Alman fizikçi Max Planck bunu deneylerle ortaya koydu. Ve ışığın kuantalar adını verdiği küçük enerji paketlerinden oluştuğunu kanıtladı. Daha sonra yine Alman fizikçi Alber Einstein bu konuyla ilgili deneylere devam etti ve ışıktaki enerjinin küçük enerji paketleri yani kuantalar ile aktarıldığını gördü.

Foton madde ve enerji kıyaslaması adına güzel bir örnek. Durgun olmayan hâli, ışık hızında hareket etmesi, ömrünün sabit olması gibi etmenler parçacık fiziğinde oldukça yardımcı oluyordu. Bir diğer yanı da parçacık olarak dalga ve tanecik (parçacık) özelliğini göstermesidir. Yani hem dalga hem de parçacık olabiliyor. Buna da dalga-parçacık ikiliği deriz.

Foton kütlesel bir enerjiye mi sahip?

Fotonu iyice tanıdığımıza göre onun enerjiyle olan ilişkisine gelebiliriz. Öncelikle bizler bir şeyi araştırırken onun nasıl oluştuğuna bakarız. Bu durum sayesinde araştırma konumuzda daha sağlam ve yeterli sayıda bilgi elde etmiş oluruz. Fotonların oluşumuna baktığımızda onların en yakınımızda, Güneş’te oluştuğunu göreceğiz. Güneş’teki nükleer füzyon olayları sayesinde Dünya enerji kaynaklarının önemli bir kısmını Güneşten karşılamakta. Bu füzyon olayı basit olarak iki atomun birleşip daha ağır bir atomu oluşturmasıyla sonuçlanıyor. Ki bu arada atomlar birleşirlerken bir kütle kaybıyla karşılaşırız. Ancak bu kütle kaybı bir dönüşüme uğramıştır. Dönüştüğü şey ise enerjidir. Ve bu enerji miktarı oldukça fazladır.

 

Yavaş yavaş madde ve enerji arasındaki ilişkiye geliyoruz ancak foton hakkında çok önemli ayrıntılar var. Öncelikle fotonlar sürekli hareket hâlinde. Durgun olduklarına dair bir kanıt yok. Teorik olarak mümkün olabilir. Ve o durgun hâlde duru bir kütleye sahip olacaktır. Ki bu çok ama çok az bir miktar: 1x10^-18 eV/(c^2)’den bile küçük bir değer söz konusu. Ama inatçı birisi çıkıp da kütle ne kadar az olursa olsun, var mı var diyebilir. Ancak füzyondaki kütle kaybını hatırlatırım oradaki minimal düzeydeki kütle kaybı devasa boyutlarda enerji açığa çıkartıyordu. Döteryum ve trityum füzyona katılırsa (Bunun için 5,104x10^7 kelvin sıcaklık gerekir.) açığa 2,0416x10^11 kelvin sıcaklığına eş değer bir enerji çıkar. Ve bu inanılmaz küçük boyutta atom altı bir parçacığın kaybıyla sonuçlananan değer (Burada E=mc^2 kullanılıyor.).

Fotonun da bir kuanta yani enerji taşıyan paket olduğunu unutmayalım. Yani burada içinde kinetik enerji depolanmış bir şey söz konusu. Ve ayrıca asla durgun değil. Yani eylemsizliğin bahsini bile yapamayız. İşte bu yüzdendir ki foton madde değil enerjidir. Belki de içerisinde depoladığı kinetik enerjinin paketlenmesi fizik yasaları gereği oldukça küçük olsa da bir kütleye vesile olmuştur. 

Madde bütünlüğünün yok oluşu

Bir madde farklı hâllerde olabilir. Sıvı, katı, gaz gibi. Bir maddeyi incelerken duruma göre hangi hâl gerekliyse onu kullanırız. Ancak hâl ne olursa olsun maddenin tanımı hep aynıdır. Ancak maddeyi incelerken enerji hakkında bilgi sahibi olmak isteyecek olsaydık tek bir atomu incelememiz daha ideal olurdu. Bunun sebebi ise madde bütünlüğü ve düzeninin bozduğumuzda her zaman bir enerji çıkışıyla karşılaşmamızdır. 

Mesela katı bir buzu iki parçaya ayırmak için bir kuvvet uygularız. Ki kuvvet için de enerji şarttır. Yani buza bir enerji aktarımı yaparız. Buna, enerji almaya endotermik denir. Ve bu bir tepkime türüdür. Buz endotermik tepkimeyeler enerjiyi kuvvet aracılığıyla alır ve düzeninde biz bozunma yaşar. Ve bu bozunma moleküler arası etkileşimlerin kopması demetleri. Moleküller arası etkileşimler de alan parçacıklarıyla oluşur. Bu etkileşimleri bozduğumuzda da açığa enerji çıkar. Yani buzu ikiye ayırırsanız bir enerji açığa çıkacaktır. Bunu net olarak görmeyebilirsiniz. Ama çok az da olsa bir enerji açığa çıkmıştır.

 

Peki daha da küçük boyuta inecek olursak bizi ne beklerdi? Milyarlarca H2O molekülü var. Bunların her birini alıp atom olarak tek inceleyelim. Hidrojen veya oksijen atomları belirli bir düzene sahip. Elektronlar, merkezdeki proton ve nötron çekirdeği etrafında bulutlarında inanılmaz hızda dönmektedir. Elektron, proton ve nötronların toplamı bir kütle meydana getirir. Aynı zamanda hacim de söz konusudur. Ve bir atom durgun halde eylemsiz özellik gösterir. Atomun daha küçük taneciklerden oluştuğunu da söyledik. Yani hidrojen, oksijen, karbon… bunlar atom hâliyle bile bir maddedir. 

Füzyonda atomlar yani maddeler birleşip yeni ve daha ağır bir madde oluşturuyordu. Ancak bu esnada bir kütle kaybı söz konusuydu. Ve bu kütle enerjiye dönüşüyordu. Yani madde enerji oluyordu. Ve bunu Albert Einstein E=mc^2 ile ortaya koymuştu. Yani madde aslında yok olmaz. Sadece sınırlarını, bütünlüğünü ve düzenini kaybederek enerjiye dönüşür. Enerji de yine asla yok olmaz. Farklı formalara dönüşür. Ve eğer enerjiyi alıp hapsederseniz maddeyi keşfedeceksinizdir.