Demir ve Kehribardan Özel Göreliliğe: I – Elektrik ve Manyetizma

Bu yazı dizisinde Antik Çağ’dan, hatta muhtemelen daha eskiden süregelen elektrik ve manyetizma ile insan arasındaki ilişkinin nasıl özel göreliliği doğurduğunu göreceğiz. Daha sonrasında ise özel görelilikten doğan iki “paradoksu” (aslında çözümleri olduğu için paradoks değiller) ele alacağız.

Manyetizma olgusu günlük hayatta özellikle buzdolabı magnetlerinden aşina olduğumuz garip bir olgu. Garip desem de aslında bizim için sıradanlaşan bu olgu şüphesiz ki Antik Çağ insanları için hayrete düşürücü bir şey olmalı. İnsanın manyetizma olgusu ile tanışması muhtemelen Demir Çağı’na denk düşmektedir çünkü demiri çeken mıknatıs taşları demir yataklarının yanında bulunur. Bazı kaynaklarⁱ manyetizma [ing. magnetism] adının Manisa’nın antik adı olan Magnesia’dan geldiğini belirtiyor – Manisa’da zengin maden yatakları olduğunu hatırlatayım.ⁱⁱ Biliyoruz ki, ilerleyen yıllarda Çinliler mıknatıs taşının yön bulmada kullanılabileceğini keşfetti; böylece bir nevi ilk pusulaları yaptılar. Takvimler 1269’u gösterdiğinde Fransız Peter Pelerin de Maricourt mıknatıs taşlarının ikiye bölündüğünde iki ayrı mıknatıs olduğunu gözlemledi ve yazdı. İlk kez “kutup” kelimesini manyetizma için kullandı.

Öte yandan insanların elektrik olgusu ile ilişkileri manyetizmayla ilişkilerine kıyasla daha geriden geliyordu. Kehribarın bazı şeylere (mesela kumaş) sürtüldüğünde saman benzeri şeyleri çektiği eskiden beri biliniyordu fakat bu bilgiler bilimsel bilgiden ziyade uzunca yıllar eğlenceli tuhaflıklardan ibaretti. Bugün bu tuhaf olgunun statik elektrikten yani durgun yüklerin çekim kuvvetinden kaynaklandığını biliyoruz. Zaten “elektrik” kelimesi de Latince “electricus” yani “kehribardan” ya da “kehribarımsı” kelimesinden gelir. 17. yy’da insanlar barometreyiⁱⁱⁱ hızlıca salladıklarında ışık saçtığını fark ettiler. Aslında statik elektriğin keşfine tekrardan tanık oluyorlardı. Fakat o zamanlar karanlıkta ışık yayan zehirli bir çeşit mantar ve bozulmuş balık gibi nesnelerin içerdikleri fosfor nedeniyle ışık saçtıklarını biliyorlardı ve barometreden çıkan ışığı da fosfora bağladılar. Yine de deneyler ve insanları (özellikle zenginleri) eğlendiren şamatalar devam ettikçe bir “elektriksel sıvı” fikri ortaya çıkmaya başladı. Takip eden yıllarda İngiliz Stephen Gray (1646-1736) bir cam tüpü kumaşa sürterek elektriklendirdikten sonra ucuna bir mantar tıpa taktı. Ardından bu mantar tıpayı saman çöplerine yaklaştırdığında samanın camla birlikte mantara da yapıştığını gözlemledi. Yani elektrik cisimler arasında iletilebiliyordu! Mantarın ucuna da bir çivi çaktı ve aynı etkiyi çivide de gözlemledi. Gray’in insanların bu şekilde iletişim kurabileceği fikrini düşündüğü de söyleniyor.

Hollandalı biliminsanı Pieter van Musschenbroek (1692-1761) tarihte bilinen ilk çarpılma vakasını yaşadı. Musschenbroek elektriksel sıvının bir şişeye konabileceğini iddia ediyordu ve bunu kanıtlamaya girişti. Deney düzeneğini basitçe şöyle anlatabiliriz: cam bir şişenin yarısına kadar su doldurdu ve suyun içine iletken olduğunu bildiği bir metal tel daldırdı. Sonrasında bilinen bir statik elektrikleme yöntemiyle elektriklediği cismin üzerinde biriken yükü metal tel yardımıyla suya taşımaya çalıştı. Cam şişeye eliyle dokundu fakat bir şey olmadı. Ardından metal topuzuyla dokundu ve korkunç bir şekilde çarpıldı. Bu olay Musschenbroek’u o kadar korkuttu ki “tüm Fransa’yı verseler bile” deneyi bir daha tekrarlamayacağına yemin etti ancak yeminini sadece bir gün tutabildi. Yaşadığı kötü deneyimi bir kenara bırakırsak aslında Musschenbroek amaçladığı şeyi başarmıştı. Yaptığı şey çok ilkel bir sığaçtı [ing. capacitor]: su elektriği depolamış ve metal topuzun ucuyla dokununca zavallı Musschenbroek’un üstüne boşaltmıştı. Bu deneyden sonra Avrupa’da elektrik şoku modası başladı. Krallar askerlerin şok etkisiyle sızlanmalarını izleyip gülüyor, fırsatçılar şehirlerde gösteriler düzenleyerek halkı eğlendirirken paraya para demiyordu.

Benjamin Franklin (1706-1790)^iv ise Avrupa ziyaretlerinin birinde bu modadan nasibini almış ve elektrikle ilgilenmeye başlamıştı. Franklin, doğada her maddenin bir elektrik dengesinin olduğunu ve bir maddeden diğerine elektriksel sıvı geçince o maddenin pozitif, elektriği verenin de negatif yüklendiğini söyledi. Böylece elektriksel sıvının günümüz karşılığını elektron olarak düşünürsek bugün doğrusunu bildiğimiz olgunun tam tersini söylemiş oldu.

Elektrik ve manyetizmanın aslında bir paranın iki ayrı yüzü olduğundan tabii ki haberleri yoktu; o nedenledir ki ayrı olgular olarak inceleniyorlardı. Fark edeceğiniz üzere, bütün bu yıllar boyunca gerçekten ilginç deneyler ve eğlenceler geliştirilse de insanlığın elinde elektrik ve manyetizmayı ele alan düzgün matematiksel herhangi bir model yoktu. Yalnızca “bugün şu maddeyle şöyle yaptım; ne ilginçtir ki böyle oldu” şeklinde tarif edici gözlemler vardı. Fakat 18. yy’ın sonuna girerken donanma aletlerinin sağlamlığından sorumlu mühendis ve fizikçi Fransız Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) ile bu durum değişecekti.