Her Şeyin Atomlardan Oluştuğunu ve Atomun Büyük Bir kısmının Boşluk Olduğunu Nasıl Keşfettik?
Burnumun ucundaki bir hücrede bulunan hidrojen atomu, zamanında bir filin hortumunun parçasıydı. Jostein Gaarder
Silahı kullanmaya hiç niyetimiz yoktu. Ama öylesine başbelası bir ırktılar ki. Aksinin geçerli olduğunu göstermek için harcadığımız tüm çabalara rağmen, bizi “düşman” olarak algılamakta ısrar ettiler. Tüm nükleer stoklarını mavi gezegenlerinin yörüngesindeki gemimize ateşlediklerinde sabrımız taşmıştı. Silah basit, fakat etkiliydi. Maddenin içindeki tüm boşluğu çekip çıkardı. Sirian keşif seferimizin komutanı, kesiti ancak bir santimetre olan, parlak metalik küpü incelerken birincil kafasını umutsuzca salladı. “insan ırkından” geriye kalanın yalnızca bu olduğuna inanmak hiç de kolay değildi! Şayet tüm insan ırkının bir küp şekerin hacmine sığabileceği fikri bilimkurgu gibi geliyorsa, bir daha düşünün. Normal bir maddenin hacminin yüzde 99,9999999999999’unun boşluk olması dikkate değer bir gerçektir. Vücudumuzdaki atomların içerdiği boşluğun tümünü çekip çıkarmanın bir yolu olsaydı, insanlık gerçekten de bir küp şekerin sahip olduğu hacme sığabilirdi.
Atomların bu ürkütücü boşluğu, maddenin yapı taşlarının sıra dışı özelliklerinden yalnızca biri. Bir diğeri ise elbette ki, boyutları. Bu sayfadaki tek bir noktanın enini kapsamak için 10 milyon atomu uç uça dizmek gerekir. Bu durum akıllara şu soruyu getirecektir: Her şeyin atomlardan oluştuğunu nasıl keşfettik?
Her şeyin atomlardan oluşmuş olduğu fikri ilk defa, MÖ 440 yıllarında, Yunan filozof Demokritos tarafından öne sürülmüştür. 1 Demokritos , eline bir taş alarak kendisine şu soruyu sormuştu: “Şayet bunu ikiye böler ve parçalardan birini tekrar ikiye bölersem, sonsuza dek bunu yapmaya devam edebilir miyim?” Cevabı kesin bir hayır oldu. Maddenin sonsuza dek bölünebilmesi, Demokritos için tasavvur edilemez bir durumdu. Önünde sonunda, maddenin artık daha küçük parçalara bölünemeyecek bir taneciğe dönüşeceği çıkarımında bulundu ve “bölünemeyen” sözcüğünün Yunancası “a-tomos” olduğundan, maddenin söz konusu varsayımsal yapı taşlarına “atom” adını verdi.
Atomlar duyularla algılanamayacak kadar küçük olduğundan, varlıklarını kanıtlamak her zaman için güç olacaktı. Ne var ki, 18. yüzyılda yaşamış İsviçreli matematikçi Daniel Bernoulli tarafından bir yol bulundu. Bernoulli , atomların doğrudan gözlemlenmesi imkansız olsa da, dolaylı olarak gözlemlenebilmelerinin mümkün olabileceğini anladı. Daha net bir ifadeyle ortaya koyacak olursak, Bernoulli , çok sayıda atom bir arada hareket ettiği takdirde, bunun gündelik yaşantımızda fark edilebilecek kadar büyük bir etkiye neden olabileceğini düşünmüştü. Tek yapması gereken, doğada bunun gerçekleştiği bir yer bulmaktı. Buldu da: bir “gazın” içinde. Bernoulli , hava veya su buharı gibi bir gazı, bir kovan dolusu kızgın arıyı andıracak şekilde, çılgınca hareket eden milyarlarca ve milyarca atomun oluşturduğu bir topluluk olarak düşünüyordu. Bu net görüş, aynı zamanda, şişirilmiş bir balonun bu şekilde kalmasını sağlayan ve buhar makinesinde pistona kuvvet uygulayan gazın “basıncına” da açıklama getiriyordu. Bir kaba hapsedildiğinde, gazın ihtiva ettiği atomlar, dolu tanelerinin teneke bir çatıyı dövmesi gibi , kabın çeperlerine insafsızca çarpmaktaydı. Neden oldukları bileşik etki ise kaba duyularımız tarafından kabın çeperlerini zorlayan sabit bir kuvvet olarak algılanan, gergin bir güç yaratıyordu.
Öte yandan Bernoulli’nin basınç için getirdiği mikroskobik açıklama, gazın içinde olup bitenleri zihnimizde canlandırmanın kolay bir yolu olmanın ötesinde de faydalar sağladı. Artık kesin bir öngörüde bulunabiliyorduk. Eğer gaz ilk hacminin yarısına sıkıştırılırsa, atomların, kabın çeperlerine çarpmak için daha önce katettikleri yolun yalnızca yarısını katetmesi gerekecekti. Bu sebeple de, kabın çeperlerine iki kat daha çok çarparak basıncı iki katına çıkaracaklardı. Şayet gaz, hacminin üçte birine kadar sıkıştırılırsa, atom çarpışmaları ve dolayısıyla basınç da üç katına çıkacaktı. Bu böyle devam ediyordu. Söz konusu davranış İngiliz bilim adamı Robert Boyle tarafından gözlemlendi ve Bernoulli’nin gaza yönelik ortaya koyduğu açıklama onaylanmış oldu .
Bernoulli atomları boşlukta oradan oraya uçuşan küçük tanecikler olarak açıkladığından, bu durum atomların varlığını destekliyordu. Bu başarıya rağmen, atomların var olduğuna dair kesin kanıt 20. yüzyılın başlarına dek ortaya çıkmayacaktı. Kesin kanıt “Brown hareketi” adı verilen muğlak bir olgunun içinde saklıydı. Brown hareketi, adını 1801 yılındaki Flinders keşif seferiyle Avustralya’ya yelken açan bitkibilimci Robert Brown’dan almıştır. Brown güney yarımkürede geçirdiği zaman boyunca Avustralya’ya özgü 4000 bitki türünü sınıflandırmış ve bu süreçte canlı hücrelerinin çekirdeğini keşfetmiştir. Fakat Brown esas olarak, 1827 yılında suda asılı polen tanecikleri üzerine yaptığı gözlemle tanınır. Büyütecinin ardındaki Brown, sudaki taneciklerin, meyhaneden çıkıp evin yolunu bulmaya çalışan sarhoşlar gibi zikzaklar çizerek heyecanlı bir hareket içinde olduğunu gözlemlemiştir. Brown asi polen taneciklerinin sırrını hiçbir zaman çözemedi. Bu konudaki asıl ilerleme için, bilim tarihindeki en büyük yaratıcılık patlamasının merkezinde bulunan 26 yaşındaki Albert Einstein’ı beklemek zorundaydık.
“Mucizevi yılı” olan l905’te Einstein, harekete dair Newtoncu fikirlerin yerini alacak özel görelilik teorisiyle Newton’un egemenliğine son vermekle kalmadı, aynı zamanda Brown hareketinin 80 yıllık sırrına da vakıf oldu. Einstein’a göre polen taneciklerinin çılgınca dansının nedeni, küçük su molekülleri tarafından sürekli bir bombardımana maruz kalıyor olmalarıydı. İnsan boyunu aşan bir şişme topun geniş bir alanda birçok kişi tarafından itildiğini düşünün. Şayet herkes diğerlerinden bağımsız olarak kendi yönünde bir itme gücü uygularsa, herhangi bir anda topun bir tarafına kıyasla diğer bir tarafına daha fazla itme gücü uygulanıyor olabilir. Bu dengesizlik topun düzensiz hareketler yapması için yeterlidir. Benzer şekilde, polen taneciğinin düzensiz hareketlerinin nedeni de, polenin bir tarafına kıyasla bir diğer tarafında daha çok su molekülü baskısı olması olabilir.
Einstein, Brown hareketini tanımlayabilmek için matematiksel bir kuram geliştirdi. Söz konusu kuram, polen taneciğinin ne kadar hızla ve ne kadar uzağa gideceğini belirleyen şeyin, polenin çevresini sarmış olan su moleküllerinin uyguladığı acımasız ataklar olduğunu öngörüyordu. Bütün olay su moleküllerinin boyutlarıyla bağlantılıydı; zira moleküller ne denli büyükse, polen taneciğine uygulanan kuvvetin dengesizliği de aynı ölçüde artacak ve dolayısıyla bu da Brown hareketinin düzeyini belirleyecekti.
Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin, gamboge adı verilen ve Kamboçya’da bir ağaç türünden elde edilen sarı renkte zamksı reçinenin suda asılı haliyle yaptığı gözlemlerini, Einstein’ın kuramının öngörüleriyle karşılaştırdı. Perrin bu gözlemlerinde, öncelikle su moleküllerinin, bunun sonucunda da, molekül yapılarını oluşturan atomların boyutlarını belirlemeyi başardı ve atomların çapının bir metrenin 10 milyarda birine denk geldiği sonucuna ulaştı. Yani bu sayfadaki tek bir noktanın enini kapsamak için 10 milyon atomun yan yana dizilmesini gerektirecek kadar küçüktü boyutları. Atomlar aslında o kadar küçüklerdi ki, bir nefesin ihtiva ettiği milyarlarca ve milyarlarcası dünyanın atmosferine eşit olarak dağılmış olsaydı, atmosferin her bir nefeslik biriminde bu atomların bir kısmı bulunurdu. Bir başka ifadeyle, aldığınız her nefes Albert Einstein (veya Jül Sezar, Marilyn Monroe, hatta dünya üzerinde yürümüş son Tyrannosaurus Rex) tarafından verilmiş nefesten en az bir atom içermektedir.
Dahası, biyosferdeki atomlar düzenli olarak geri dönüşüme tabi olur. Bir organizma öldüğünde çürür ve onu oluşturan atomlar zaman içinde hayvanlarla insanların yiyeceği bitkileri oluşturmak üzere toprağa ve atmosfere geri döner. Norveçli romancı Joestein Gaarder Sofi’nin Dünyası isimli kitabında, “Kalp kasımdaki bir karbon atomu zamanında bir dinozorun kuyruğundaydı,” demiştir.
Brown hareketi atomların varlığını ortaya koyacak en kuvvetli kanıttı. Mikroskoptan bakıp da, acımasız bir saldırı altındaki polen taneciklerinin çılgın dansını gören hiç kimse, dünyanın esasında bu minik, kurşunvari parçacıklardan yapılmış olduğundan şüphe edemezdi. Fakat öte taraftan serseri polen taneciklerini (yani atomların etkisini) seyretmek, atomları gerçekten görmekle aynı şey değildi. Bunun içinse, taramalı tünelleme mikroskobu [STM: scanning tunnelling microscobe] adı verilen kayda değer bir aygıtın 1980 yılındaki icadına kadar beklemek durumundaydık. STM’nin ardındaki fikir çok basitti. Kör bir insan, bir başkasının yüzünü, parmağını bu yüzün üzerinde gezdirip zihninde oluşturduğu bir resim aracılığıyla “görebilir.” STM de benzer bir şekilde çalışmaktadır. Aradaki fark ise STM’deki “parmağın,” eski gramofon iğnelerini andıran küçük metal bir iğne olmasıdır. İğneyi maddenin yüzeyinde gezdirip, gerçekleşen yukarı-aşağı hareketleri bilgisayara aktararak, atom düzeyindeki dalgalanmaları detaylı bir şekilde resmetmek mümkündür.
Elbette durumun bundan biraz daha karmaşık olduğunu söyleyebiliriz. İcadın çalışma prensibi ne denli basit olursa olsun, uygulamada aşılması gereken ciddi engeller mevcuttu. Örneğin atomları “hissedebilecek” kadar hassas bir iğnenin bulunması gerekiyordu. Nobel komitesi bu güçlüklerin hakkını verdi ve STM mikroskobunun ardındaki IBM araştırmacıları Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, 1986 yılında Nobel Fizik Ödülü’yle onurlandırıldı.
Binnig ve Rohrer, tarih boyunca bir atomu gerçekten “gören” ilk kişiler oldu. STM’yle elde ettikleri görüntüler, dünyanın, ayın ıssız griliği üzerinde yükselişi ya da DNA’nın dönemeçli sarmal merdiveninin yanında, bilim tarihinin en önemli noktalarından biriydi. Atomlar küçük futbol toplarını andırıyor, kasalara istiflenmiş portakallar gibi gözüküyordu.
Fakat her şeyden daha çok, Demokritos’un 2400 yıl önce tüm açıklığıyla zihninde canlandırdığı gibi, küçük ve sert madde taneciklerine benziyorlardı. Tarihte hiç kimse, deneysel olarak teyit edilmeden önce, Demokritos kadar ileri bir öngörüde bulunamamıştır. Fakat STM, atomların yalnızca bir yönünü ortaya koyabilmişti. Demokritos’un da fark ettiği gibi, atomlar sürekli hareket halindeki küçük parçacıklar olmaktan çok daha fazlasıydı.