Bilimde bazı deneyler gerçekten hayranlık uyandıran bir zekayla gerçekleştirilir. Bunlar, evrene dair bazı en basit gerçekleri kaba kuvvetten ziyade yaratıcılıkla ortaya çıkarmış deneylerdir. Modern evren anlayışımız, hepsi binlerce yaratıcı, çalışkan bilim insanı tarafından tasarlanmış ve uygulanmış, yüzyıllara yayılan yüzlerce deney ile şekillendi. Doğal olarak bu deneylerden birkaçı gerçekten çığır açıcı özellikler taşıdı. Çünkü bazı şeylerin nasıl yürüdüğüne dair görüşünüzü anında kökten değiştirdiler.
Foucault sarkacı
Tıpkı antik zamanlarda Dünya'nın eğriliğini tartışmak gibi, 1800'lerin ortalarında Dünya'nın döndüğüne dair görüş sadece bu tür şeyleri düşünmeye istekli olan insanlarca kabul ediliyordu. Ancak insanların fikri gerçekten kavradıkları şüpheliydi. Fizikçi Léon Foucault bu durumu değiştirmek istedi ve zekice bir deney yapmaya karar verdi.
Bir sarkacı aldı ve serbest sallanmaya bıraktı. Sarkaç düzlemini korurken Dünya tam anlamıyla onun altında dönmeye devam ediyordu. Bizim bakış açımızdan zemin sabit görünürken sarkaç aslında gün boyu yön değiştiriyordu. 9 saat geçtiğinde sarkacın özgün sallanma açısı 90 derece değişmişti.
Foucault sarkacı akıllara şu soruyu getirdi: Sarkaç dönme hareketine duyarlıydı ancak tam olarak neyin etrafında? Soru fizik ve felsefede çokça tartışıldı ve bugün de tartışılmaya devam ediyor. 19 – 20. yüzyıl fizikçisi Ernst Mach, Foucault sarkacının bir bütün olarak evrenin dönüşünü ölçtüğünü belirtti. Bir odaya yerleştirilen bir sarkacın tüm evreni ölçmesi gerçekten hayranlık vericiydi.
1851'de Foucault, Paris şehir merkezindeki Panthéon'da böyle bir sarkaç kurdu. Sarkacın yönü saat yönünde yavaşça—saatte 11,3 derece civarında—değişiyordu. Dünya'nın gerçekten döndüğünü göstermişti. Büyük bir gösteriydi ve medya hayran kaldı. Gösteri viral hale geldi (1800'lerde olduğu kadar) ve Foucault'nun sarkacı çok geçmeden dünya çapındaki bilim sergilerinin dayanak noktası oldu.
Arkasındaki pratik zekayla heyecan verici bir deneydi. İnsanlar Dünya'nın döndüğünden bahsediyorlardı. Deney bilimi erişilebilir kılıyor ve insanlara hayatları boyu konuşmaya değer bir şey veriyordu.
Dünya'nın boyutu deneyi
Dünya'nın yuvarlak olduğunun kanıtlarını sunmak son derece kolaydır: Denizdeki gemilerin önce alt kısmı gözden kaybolur, Ay tutulması sırasında Dünya'nın gölgesi daireseldir, Güney Yarımküre'de görülen yıldızlar Kuzey Yarımküre'de görülmez ve benzeri. Yunanlılar dahil pek çok antik halk (en azından bu sorunu düşünme lüksü olanlar) aslında Dünya'nın yuvarlak olduğuna inanıyordu.
Peki bu dev küre ne kadar büyüktü?
Bu sorunun cevabını MÖ 250 civarında İskenderiye'de yaşamış zeki Yunanlı Eratosthenes'e bırakın. Eratosthenes oturduğu şehirden çıkmaya bile gerek kalmadan Dünya'nın çevresini akıl dolu biçimde ölçtü. Güney Mısır'daki Syene şehrinin (günümüz Asuan'ına yakın) yaz gündönümünde gölge almadığını ancak İskenderiye'de gölge oluştuğunu fark etmişti.
Eratosthenes şehrin Syene'ye olan mesafesini biliyordu. Eğer Dünya mükemmel bir küre şeklindeyse ve Syene'de gölge olmamasının sebebi gün dönümünde Güneş'in şehrin tam tepesinde olmasıysa, Kuzey-Güney çizgisinde uzanan İskenderiye ve Syene'yi kullanarak Dünya'nın çevresini ölçebileceğini fark etti. Yapması gereken şey gün dönümü sırasında İskenderiye'deki gölgenin uzunluğunu ölçerek (gölge ne kadar uzunsa Güneş ışını o kadar eğri geliyor demektir) iki şehir arasındaki açıyı bulmak ve bunu geometri denilen yeni çıkmış bir teknikle birleştirerek Dünya'nın çevresini bulmaktı.
Tüm bu isabetli koşullar ve Eratosthenes'in kıvrak zekası Dünya'nın çevresini yaklaşık 45.000 kilometre olarak ölçmesini sağladı. MÖ 250'de yapılmış bir hesaplamaya göre basitti ve deha ürünüydü. Üstelik yalnızca yüzde 10 sapmaya sahipti.
Einstein'ın düşünce deneyleri
Tüm deneyler laboratuvarda yapılmaz; bazen sadece hayalde kurgulanır ve kişi matematiğin kendisini bir sonuca götürmesini bekler. Einstein hayal kurarak deney yapma konusunda bir ustaydı. Einstein'ın aktardığı gibi, onun ilk "gedanken deneyi" (Almanca "düşünce deneyi") ergenlik yıllarında gerçekleşti: Kendisine sordu, bir ışık huzmesinin yanında, ışık hızında bir bisikletle giderse ne görürdü?
Işık, elektrik ve manyetizma dalgasından oluştuğundan, Einstein bu dalgaları hareketsiz olarak göreceğine karar verdi. Sonra düşündü, etrafımızda ve evrende hiçbir yerde hareketsiz elektrik ve manyetizma dalgaları görmüyorduk. Nedeni, ışık hızında yol almanın imkansız oluşu olabilirdi. Bu düşünceyle başladı, biraz matematik yaptı ve özel görelilik teorisini geliştirdi.
Einstein, hayatının ilerleyen döneminde de benzer hayaller kurdu. Penceresiz bir asansördeyken biri halatı kesip serbest düşüşe geçerseniz ne olurdu? Einstein düşündü ve düşmekte olan asansörde ayaklarınızın yerden kesileceğini ve boşlukta havalanarak ağırlıksız hissedeceğinizi söyledi.
Çünkü bir sistemin hızlanıp hızlanmadığının gözlemi yerçekimi etkisine bağlıydı. Ağırlıksız ve boşlukta böyle bir etki olamazdı. Yerçekimi denen şey aslında hızlanma etkisiydi. Eylemsizlik kütlesi (cismin, üzerine etki eden kuvvete tepkisi), kütleçekim kütlesi (nesnenin yerçekimine tepkisinin gücü) ile aynıydı. Bu basit kavramdan yola çıkarak uzaydaki büyük kütleli nesneler üzerinde düşündü ve genel görelilik teorisini ortaya çıkardı.
Millikan'ın yağ damlası deneyi
Fizikçiler Robert Millikan ve Harvey Fletcher tarafından 1909'da gerçekleştirilen bu deneyin ardındaki zeka ustaca tasarımı veya doğayı kendi oyununda alt etme girişiminde değil, basit yapısı ve yılmaz ölçüm dürüstlüğünde gizlidir. Millikan deneyi bilim tarihine yön vermiş olmasına rağmen yeteri kadar hatırlanmaz.
Bilim adamları o zamanlar elektrik yükünün var olduğunu biliyordu ancak hakkında fazla bilgiye sahip değildi. Temel parçacıkların yükü var mıydı? Tıpkı kütle gibi her şeyin bir yükü olabilir miydi? Peki bir elektronun yükü neydi?
Millikan, elektrik yüklü yağ damlalarını bir hazneden damlatan bir cihaz yaptı. Düşen damlalar çok hızlı bir şekilde en yüksek hıza (terminal hızı) ulaşıyordu (yerçekiminin etkisiyle düşerken elde edilecek maksimum hız). Havanın yoğunluğu, yağın yoğunluğu ve yerçekiminin gücü bilindiğinden Millikan yağ damlasının terminal hızını ölçerek kütlesini buldu.
Millikan ardından x-ray cihazı yardımıyla, yerleştirdiği iki metal levha arasındaki gaz moleküllerini iyonize etti ve bir elektrik alan meydana getirdi. Üst metalden iyonize gazın içine düşen yağ damlaları şimdi eksi yük alıyordu. İki metal arasındaki voltajı artıran Milikan yağ damlalarının yavaşlamaya başladığını fark etti. Voltaj çok yüksekse düşen damlalar yükselmeye başlıyor ve biraz kısılıp yerçekimi kuvveti elektrik kuvvetine dengelenirse yağ damlası havada asılı kalıyordu. Bu yolla her damladaki yükü ölçebilir hale geldi.
Millikan ölçümlerini defalarca tekrarladıktan sonra iki sonuç çıkardı: Tek bir elektronun üzerindeki yük eksi 1,6×10-19 coulomb'tu ve bu yük temeldi yani tüm yükler bu boyuttaki birimlerden meydana geliyordu (kuarklar ve onların kesirli yükleri çok sonra keşfedilmiştir).
İlk dış gezegen
1992'de Plüton'un keşfedilmesinden bu yana 60 yıldan fazla zaman geçmişti ve gökbilimciler yeni bir gezegen bulmak için can atıyordu. Aradıkları şey Güneş sisteminde değil başka bir yıldızın etrafında bir gezegendi. Uzaktaki yıldızlardan gelen ışığın dalga boyunun yol boyunca değiştiğini biliyor ve buna kırmızıya kayma veya maviye kayma diyorlardı. Yıldız ışığı, bir gezegeni keşfetmenin anahtarıydı.
Ne yazık ki o sıralarda bir yıldızın yörüngesindeki gezegenleri takip etmeyi sağlayacak hassas aletler mevcut değildi. Ancak pulsarlar için durum farklıydı. Bunlar ölerek süpernovaya dönüşen yıldızın geriye kalan parlak kalıntısıydı. Patlamadan sonra boyutu küçüldüğü için son derece hızlı dönen bu nötron yıldızları (veya pulsarlar) bir deniz feneri gibi dönerek ışık yaymaktadır.
Sıra dışı şekilde tutarlı olan bu ışık sinyalleri Dünya'mıza kadar ulaştığında bilim adamları tarafından yıldızın yörüngesinde dış gezegen olup olmadığını tespit etmek için kullanılır. Göz atılan şey yerçekimi etkisidir. Yerçekimi etkisi pulsarın sinyalini değiştirir.
Peki bir pulsar nasıl gezegen sistemi barındırabilir? Zira yıldızın ölümü ve hatta son günleri yörüngesini ve çevresini yok edecektir. Bunun cevabı henüz bilinmiyor ancak belirlenen ilk dış gezegenler pulsar PSR B1257+12'nin yörüngesindeydi.
Bu bilimi zekice yapan kısım ortadadır: İmkansız görünen bir tespiti ortaya çıkarmak için doğanın kendisinin ürettiği şaşırtıcı derecede hassas bir sistemdeki bozulmadan yararlanılır.