Fizik Bilimine Giriş

Fizik neyi inceler?

Fizik; madde, enerji ve bunların birbiriyle etkileşimini inceleyen bilimdir. Bir elmanın düşmesi, bir telefonun şarj olması, gökkuşağının oluşması ya da Güneş'in milyarlarca yıl boyunca ışık saçabilmesi aynı bilimin farklı sorularıdır. Fizik bu soruları ölçülebilir büyüklüklerle ve bu büyüklükler arasındaki matematiksel ilişkilerle yanıtlamaya çalışır. "Sıcak", "hızlı" ya da "ağır" gibi günlük sözcükler fizikte yeterli değildir: ne kadar sıcak (kaç kelvin), ne kadar hızlı (kaç m/s), ne kadar ağır (kaç newton) olduğunu söyleyebilmek gerekir.

Fiziğin bir başka özelliği evrensel olmasıdır. Ankara'daki bir laboratuvarda ölçülen yer çekimi ivmesiyle Tokyo'da ölçülen yer çekimi ivmesi aynı yasaya uyar. Yasalar yerden ve gözlemciden bağımsızdır; bu yüzden bir fizik yasası, ancak dünyanın her yerinde tekrarlanabilen deneylerle doğrulandığında kabul görür.

Fiziğin alt dalları

Fizik çok geniş bir alanı kapsadığı için alt dallara ayrılır. Sınavda genellikle bir teknoloji ya da olay verilir ve hangi alt dalın ilgi alanına girdiği sorulur. Bu yüzden her dalın neyi incelediğini ve tipik bir uygulamasını birlikte öğrenmek gerekir.

Bazı teknolojiler birden fazla dalı birlikte kullanır. Bir MR cihazı elektromanyetizmayı (güçlü mıknatıslar), atom ve çekirdek fiziğini (hidrojen çekirdeklerinin davranışı) ve katıhal fiziğini (süper iletken bobinler) bir araya getirir. Bir güneş paneli katıhal fiziğine dayanır ama ürettiği enerjinin iletimi elektromanyetizmanın konusudur. Sınavda "en doğrudan ilgili" dal sorulduğunda olayın temel ilkesine bakılır.

Fizik başka bilimlerle de iç içedir. Biyofizik canlılardaki fiziksel olayları (sinir iletimi, kan akışı), astrofizik yıldızları ve gökadaları, jeofizik depremleri ve yer kabuğunu, tıp fiziği görüntüleme ve tedavi yöntemlerini inceler. Mühendislik dalları da fiziğin uygulamasıdır: inşaat mühendisi mekaniği, elektrik mühendisi elektromanyetizmayı kullanır.

Bilimsel yöntem: hipotez, teori, kanun, model

Bilim insanları bir olayı açıklamak için belirli bir yol izler. Önce gözlem yapılır ve bir problem belirlenir. Ardından problem için sınanabilir, geçici bir açıklama önerilir: buna hipotez denir. Hipotez deneylerle sınanır; deneyde yalnızca bir değişken değiştirilir (bağımsız değişken), onun etkilediği büyüklük ölçülür (bağımlı değişken), diğer bütün koşullar sabit tutulur (kontrol edilen değişkenler). Veriler hipotezi desteklemezse hipotez değiştirilir ve süreç yeniden başlar.

• Teori (kuram): Çok sayıda deneyle desteklenmiş ve bir olaylar grubunu neden ve nasıl sorularıyla açıklayan geniş kapsamlı açıklamadır. Atom teorisi ve görelilik teorisi örnektir.
• Kanun (yasa): Doğadaki bir olayın nasıl gerçekleştiğini, genellikle matematiksel bir bağıntıyla özetleyen ifadedir. Newton'un hareket yasaları, Ohm yasası ve kütle çekim yasası örnektir.
• Model: Doğrudan gözlemlenemeyen bir sistemi anlamak için kurulan basitleştirilmiş temsil ya da benzetmedir. Atom modelleri, ışığın ışın modeli ve iyi bilinen "güneş sistemi benzeri atom" çizimi birer modeldir.

Bilimsel bilginin bir başka özelliği sınanabilir olmasıdır. "Evrende görünmeyen ve hiçbir şeyle etkileşmeyen bir enerji var" gibi hiçbir deneyle sınanamayan bir iddia bilimsel bir hipotez sayılmaz.

Fiziksel büyüklükler ve birimler

Bir büyüklüğü ölçmek, onu aynı türden ve standart kabul edilen bir birimle karşılaştırmaktır. Bir ölçüm sonucu her zaman sayı ve birimden oluşur: "5" anlamsızdır, "5 m" bir uzunluktur. Dünyada ortak dil olarak Uluslararası Birim Sistemi (SI) kullanılır.

Temel büyüklükler başka büyüklükler cinsinden tanımlanamaz; SI'da yedi tanedir: uzunluk (m), kütle (kg), zaman (s), elektrik akımı (A), sıcaklık (K), madde miktarı (mol) ve ışık şiddeti (cd). Türetilmiş büyüklükler temel büyüklüklerin çarpımı ya da bölümüyle elde edilir:

Newton, joule, watt ve pascal "özel adlı" türetilmiş birimlerdir; temel birim değildir. Sınavda en sık yapılan hata, kuvvetin (N) ya da enerjinin (J) temel büyüklük sanılmasıdır.

Birim analizi: formül denetlemenin en hızlı yolu

Bir eşitliğin iki tarafının birimleri her zaman aynı olmalıdır. Ayrıca yalnızca aynı birime sahip büyüklükler toplanıp çıkarılabilir: 3 m ile 2 s toplanamaz. Bu iki kural, ezberlemediğin bir formülü denetlemenin ya da bilinmeyen bir sabitin birimini bulmanın en hızlı yoludur.

Örneğin bir öğrenci yol için \(x = v\,t^2\) yazarsa sağ tarafın birimi (m/s)·s² = m·s olur; bu bir uzunluk değildir, demek ki formül yanlıştır. Doğrusu \(x = v\,t\) (m/s · s = m) ya da ivmeli harekette \(x = \tfrac12 a\,t^2\) (m/s² · s² = m) biçimindedir. Sayısal katsayılar (½ gibi) birimsizdir; birim analizi onları bulamaz.

Skaler ve vektörel büyüklükler

Yalnızca büyüklüğü (sayı ve birim) ile tam olarak ifade edilen büyüklüklere skaler denir: kütle, zaman, sıcaklık, uzunluk, alınan yol, sürat, hacim, özkütle, enerji, iş, güç, elektrik yükü, basınç. Büyüklüğünün yanında yönü de belirtilmesi gereken büyüklüklere vektörel denir: yer değiştirme, hız, ivme, kuvvet, ağırlık, momentum, itme, elektrik alan, manyetik alan.

Skaler büyüklükler sıradan sayılar gibi toplanır: 2 kg ile 3 kg her zaman 5 kg eder. Vektörel büyüklüklerde sonuç yönlere bağlıdır: aynı yöndeki 3 N ile 4 N'luk kuvvetlerin bileşkesi 7 N, zıt yöndekilerin 1 N, birbirine dik olanların 5 N'dur. Vektörler okla gösterilir; okun uzunluğu büyüklüğü, ucu yönü belirtir.

Alınan yol hareket boyunca izlenen yolun toplam uzunluğudur ve skalerdir. Yer değiştirme başlangıç noktasından bitiş noktasına çizilen vektördür. Bir koşucu 400 m'lik pistte bir tur atıp başladığı yere dönerse 400 m yol almış ama yer değiştirmesi sıfır olmuştur. Aynı ayrım hızda da vardır: sürat = alınan yol ÷ zaman (skaler), hız = yer değiştirme ÷ zaman (vektörel).

Ölçme, duyarlılık ve hata

Bir büyüklük ölçü aletiyle doğrudan okunabiliyorsa doğrudan ölçme yapılmış olur (cetvelle uzunluk, kronometreyle süre, terazide kütle). Başka büyüklüklerin ölçümünden hesaplanıyorsa dolaylı ölçmedir: bir cismin özkütlesini kütlesini ve hacmini ölçüp bölerek buluruz.

Hiçbir ölçüm tam olarak doğru değildir. Bir ölçü aletinin duyarlılığı, okunabilen en küçük değerle (en küçük bölmeyle) belirlenir: milimetrik cetvel milimetreyi, kumpas onda bir milimetreyi okuyabilir. En küçük bölmesi küçük olan alet daha duyarlıdır.

• Sistematik hata: Her ölçümü aynı yönde ve aynı miktarda etkiler. Sıfır ayarı bozuk terazi, yanlış kalibre edilmiş termometre ya da ölçüme hep aynı açıdan bakmak (paralaks) örnektir. Ölçüm tekrarlanarak giderilemez; aletin ayarlanması gerekir.
• Rastgele hata: Ölçümden ölçüme farklı yönde ve miktarda değişir; kronometreye basma anındaki tepki gecikmesi gibi. Ölçüm birçok kez tekrarlanıp ortalama alınarak azaltılır.

Ölçüm sonucunu verirken aletin duyarlılığından daha fazla basamak yazılmaz. Milimetrik cetvelle ölçülen bir uzunluk "12,3 cm" yazılabilir ama "12,347 cm" yazılamaz.

Ön ekler, bilimsel gösterim ve birim dönüşümleri

Fizikte çok büyük ve çok küçük sayılar sık geçer. Işığın hızı yaklaşık 300 000 000 m/s, bir atomun çapı yaklaşık 0,000 000 000 1 m'dir. Bunları bilimsel gösterimle yazmak hem kolay hem de hatasızdır: \(3 \times 10^{8}\) m/s ve \(10^{-10}\) m. Bilimsel gösterimde katsayı 1 ile 10 arasındadır: 4 500 = \(4{,}5 \times 10^{3}\), 0,000 45 = \(4{,}5 \times 10^{-4}\).

Uzunluk dönüştürülürken katsayının kendisi, alan dönüştürülürken karesi, hacim dönüştürülürken küpü alınır:

Hızda en sık kullanılan dönüşüm \(1\ \text{m/s} = 3{,}6\ \text{km/sa}\) dönüşümüdür, çünkü 1 km/sa = 1 000 m ÷ 3 600 s'dir. Km/sa'den m/s'ye geçmek için 3,6'ya böl, tersine 3,6 ile çarp: 72 km/sa = 20 m/s, 108 km/sa = 30 m/s. Özkütlede \(1\ \text{g/cm}^3 = 1\,000\ \text{kg/m}^3\)'tür: suyun özkütlesi 1 g/cm³ ya da 1 000 kg/m³'tür.

Bilim araştırma merkezleri

Günümüz fiziği büyük ekiplerle ve büyük laboratuvarlarda yapılır. Türkiye'de TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) bilimsel araştırmaları destekler ve yürütür; TENMAK (Türkiye Enerji, Nükleer ve Maden Araştırma Kurumu) nükleer enerji ve radyasyon alanında çalışır; ASELSAN ve TUSAŞ savunma ve havacılık elektroniği ile uzay teknolojileri geliştirir. Dünyada CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) parçacık fiziğinin, NASA ve ESA uzay araştırmalarının en bilinen kurumlarıdır. Türkiye CERN'e ortak üyedir. CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda 2012'de Higgs bozonunun keşfi duyurulmuştur.