ÖLÇÜ BİRİMLERİ
Bütün pozitif bilimler gibi fizik de kuramla deneyin karşılaştırılmasına dayanarak sonuçlara varır, deneydeyse, ölçümlere başvurulur. Yapılan bütün ölçümlerin de hassas ve evrensel olarak bilinen ölçü ayarları (etalon) yardımıyla gerçekleştirilmelidir. Böylesine ölçü ayarlarına dayanan uluslararası birimler sistemini kurmak, korumak ve mümkünse geliştirmek, özellikle metrolojinin (ölçübilim) konusudur.
Aydınlanma çağının eşidikçi düşüncesinin vârisleri olan devrimci dönem bilim adamları, bu yeni doğan disipline evrensel metrik sistem denen ilk sistemi getirdiler. Bu sayede dünyamn her tarafında geçerli ortak ve tek bir ölçü olacaktı. Ama XX. yüzyıl boyunca fizik alanında meydana gelen teknolojik ve kuramsal ilerlemeler, atom enerji düzeyleri arasındaki geçişlere dayanan çok daha hassas zaman ve uzunluk ölçü ayarlarım gerekli kıldı ve böylece atom, evrensel ve doğal ölçü ayarı haline geldi. Her zaman daha fazla evrenselliğin peşinde olan metroloji, şimdi yeni bir evrim göstermektedir: atom ölçü ayarı, yerini fiziğin temel değişmezleriyle (sabit) ile tanımlanan uluslararası birim sistemine bırakır gibi görünmektedir. Nitekim, Evren’in fiziksel değişmezlerine dayanarak tanımlanmış ölçü ayarlan, çok daha evrensel ve değişmezdir. Metrolojideki çağdaş gelişmelere sadece ve hâlâ, Sevr Uluslararası Ölçüler ve Tartılar Bürosu’nda saklanan platin silindirle keyfî ve yapay bir biçimde tanımlanan (bunun nedeni, kütlenin doğası hakkında yeterli bilgimizin olmayışıdır) kilogram direnç göstermektedir.
Uluslararası Sistem (SI)
Uluslararası birim sistemi (kısaltılmışı SI) Metre Antlaşması'nm 47 üyesinin imzasıyla 1985 yılında kabul edildi. Bu sistemde yer alan yedi temel birimle bunların kesin tanımları şöyledir:
Metre (m): Işık tarafından boşlukta 1/299 792 458 saniyede alınan yolun uzunluğu.
Kilogram (kg): Uluslararası Ölçüler ve Tartılar Bürosu'nda yer alan iridyumlu platin prototipin kütlesi.
Saniye (s): Sezyum 133 atomunun temel durumunda iki aşırı ince düzeyi arasındaki geçiş ışınımının 9 192 631 770 periyoduna karşılık gelen süre.
Amper (A): Sonsuz uzunlukta düz ve birbirine paralel, aralarında 1 metrelik açıklık olan, boşlukta iki iletkenin üzerinde metre başına 2 x 107 newton’luk bir kuvvet doğuran akım şiddeti.
Kelvin (K): Suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının 1/273,16 oranı.
Mol : Bir sistem içinde, 0,012 kilogram karbon 12 izotopunda bulunan kadar atom içeren madde miktarı.
Kandela (cd): Belirli bir doğrultuda, 540 x 1012 hertz frekansında ve enerji şiddeti steradyan başına 1/683 watt olan monokromatik bir ışımanın yaydığı ışık şiddeti.
1789 Metroloji Devrimi
Bütün zamanlara, bütün halklara metre sisteminin evrensel amacı, aydınlanma çağına layık bir yüce gönüllülük taşır. İki yüzyıl sonra bile bu sistem, taraftar bulmaktadır.Bu evrensel kelimesi, aydınlanma hareketi düşüncesi öncülerinin, düşüncelerinde ve dudaklarında ner- deyse tutku halinde yer alan ve hep öne sürülen bir kelime olagelmiştir. XVII. yy'ın sonundan itibaren bu kelimeye îsaac Nevvton’da da rastlanır. Nitekim onun sayesinde, XVIII. yy, « evrensel çekim kuramını tanıyacak ve bilimsel padamaya tanık olacaktır. Daha sonra, filozof İmmanuel Kant, bütün insanlarda ortak olan ve evrensel ahlak olarak adlandırılan bir ahlak duygusunun varlığı üzerinde fikir yürütecektir.
O zamanın düşüncesinde, bir kuram veya ilkenin evrensel karakteri, insanı ve onun yaşadığı dünyayı sınırsız olarak tanımak ve ona tam olarak erişmek için gerekli görülüyordu. Ama bu görüş, aynı zamanda, birleştirici olmak isteyen bir eşitlikçilik isteğinin de dile gelmesi demekti ve bu açıdan metre sisteminin kabulü büyük anlam taşıyordu. İlk defa 1795’te resmen oluşturulan ve tanınan metre sisteminin temel ilkesi, bütün zamanlara, bütün halklara anlayışı oldu.
Fransa’nın her tarafında kullanılan değişik feodal ölçüleri birleştirebilmek için Devrim sırasında görülen atılım gibi metrolojide de siyasi bir atılıma gerek vardı. Talleyrand 1790’da bunu kavramış ve Fransız Milli Meclisi’ne, ağırlıkların ve ölçülerin birleştirilmiş sistemini oluşturmak üzere öneride bulunmuştu. Meclis de uzunluk ölçüsü ayar olarak, enlemde 1 saniyelik devri olan bir sarkacın boyunu esas olarak kabul etmişti. Dünya, kutuplarda basık olduğundan, salınım devri, enleme göre yerçekim etkileriyle değişeceğinden, sabit kalamayacaktı, bu nedenle ölçü ayarının istenen evrensel karakteri yoktu. Belki de bu yüzden, Fransız Bilimler Akademisi süratle karar alarak metreyi, Dünya meridyeni u-zunluğunun 40 milyonda biri olarak tanımladı. 1791 martında meridyen uzunluğunu kesin bir şekilde saptamayı sağlayacak jeodezik ölçümler için işlemlere başlanması talimatı verildi. J.B. Delambre, Dunkerque’ten, P. Méchain, Barcelona’dan hareket ettiler ve iki astronom sekiz sonra buluştular... dönemi, sonra savaş önüne engeller girişimin zaman zaman bir casusluk eylemi olmasından şüphe edildi. Girişimin başlıca teşvikçileri olan Lavoisier ile Condorcet 1799’da sonucu göremedilerse de, uzunluk ve kütle birimlerini temsil eden platinden metre ve kilogram örnekleri kesin olarak belirlenip yasallaştı ve saklanmak üzere Paris Gözlemevi’ne yerleştirildi. Fransa’da ulusal düzeyde metre sistemi uygulaması ancak 1837’de uygulandı ve uluslararası düzeyde geçerli olabilmesi için de 1875’te yapılan Metre Antlaşmasını beklemek gerekti. Bu antlaşmayı imzalayan devleder arasında Osmanlı İmparatorluğu da vardı. Türkiye’de okka, dirhem, arşın gibi eski birimleri kaldıran ve metre sistemine geçmeyi öngören yasa 1 nisan 1931'de kabul edildi.
Doğal, Kesin ve Evrensel Başvuru Aracı: Atom
Metroloji, gezegenin ölçümünden atom ölçeğindeki büyüklüklerin ölçümüne kadar bilimin gelişmelerini, ilerlemelerini izledi ve onun açmazlarına tanıklık etti. Çağdaş fiziğin iki ejderhası olan kuvantum fiziği ile izafiyet (görelilik) kuramı bütün XX. yy boyunca yeni öngörülerin rüzgarını estirip durdu. İster atom fiziğinde olsun veya daha sonraları, çekirdek ve parçacıklar fiziğinde olsun, incelenen olayların nicelikleri çok küçüktü. Nitekim, platin cetvel ayarı kullanılarak ışığın dalga boyunu (10-7 m dolayındadır) nasıl ölçebilirdik? Teknik ilerlemeler, böylesine küçük uzunlukları ölçebilecek duruma gelmişse ölçü ayarlarının da bu iyileştirmeleri izleyerek Metre Aıitlaşması’nın sağlayabileceğinden çok daha üstün bir kesinlik ortaya koyması gerekiyordu. Böylece 1960’lı yıllarda, atom üzerindeki metrolojik çalışmaların ağır bastığı görüldü. Metre, kripton atomunun iki enerji düzeyi arasındaki geçiş sırasında yayımlanan ışınımının dalgaboyunun katı olarak tanımlandı. Başlangıçta dönence yıkna bağlanan saniyeyse, günümüzde de süregeldiği şekilde, sezyum atomunun aşırı ince iki düzeyi arasındaki ışınım süresinin katına bağlanmıştı. Peki atom metrolojiye ne gibi avantaj sağlayabilirdi? Önce evrensellik, bütün sezyum a-tomlan birbirinin aynıdır ve hepsinde saniyeyi tanımlamaya yarayacak süre vardır. Öte yandan, platinden bile olsa değişikliğe uğrayabilecek bir cetvelin aksine, mutlak şekilde sabittir. Atom böylelikle kesinliğin erdemlerini de taşımaktadır. Kesinlik, zaman ayarı için 103 s ve uzunluk ayan için 108 m’dir. Bugün bile, saniye, uluslararası sistemin en şaşmaz kesinlikle tanımlanan birimidir. Kilogramı maddeleştiren 39 mm’lik iridyumdu platinin üzerinden, bir yüzyıllık bilim bizi seyretmektedir. Özenle korunan bu silindir, ortaya çıkanldığı 1889'dan beri, kütle ölçümlerinde egemenliğini sürdürmektedir. Evrensel de doğal da olmayan ve battal bir hiç olarak duran bu örnek, bugün de hükmünü sürdüren tek maddî ve keyfi ağırlık yaran olarak kalmaktadır. 10-9 kg’lik kesinliği (miligramın binde biri), kışın Atlas Okyanusu’ndaki fırtınalardan kaynaklanan mikro sarsıntılardan etkilenen terazilerin aşırı duyarlılığıyla sınırlıdır. Bugüne kadar atom kütlelerinin ölçülmesindeki zorluklar kilogram için bir atom ayarının kullanımını engellemiştir. Bu platin silindir metrolojideki reformların gündeminde değildir ve yakın bir gelecekte gündeme geleceğine dair bir işaret de yoktur.
Metrolojinin en son amacı, bütün birimleri, bilinen kesin ve değişmez büyüklükler olan fiziğin temel değişmezleriyle tanımlamak olacaktır. Atom ayarlarının kullanımını, gene de, metreyle saniye arasındaki kesin hassasiyet farkından doğan zorluklar göstermektedir. Saniyenin olağanüstü kesinliği (10-13) ölçüme bir doğruluk kazandırabilecekken, metrenin nispeten düşük hassasiyeti (10-8) bu kesinliği ortadan kaldırmaktadır. Özellikle, elektromanyetizmada dalgaboyu uzunluğu λ ve frekans v ile tanımlanan ışık hızı c’nin c=λv şeklinde hesaplanmasında, bu durum çok belirgindir. Metre cinsinden ölçülebilmiş olan dalgaboyu uzunluğunun yetersiz kesinliği, saniye cinsinden tanımlanmış frekansın çok daha üstün olan kesinliğine gölge düşürmektedir. İşte bu yüzdendir ki 1983 yılında, Einstein’ın görelilik kuramındaki temel değişmeze dayanan zaman ayarı esas alınarak metreyi tanımlama kararına varıldı. Bu değişmez, boşluktaki ışık hızı c’dir. Metre böylece, ışığın boşlukta 1/c saniye süresince aldığı yol olmakta, c ise olabildiğince kesin olarak şu değeri kazanmaktadır: 299 792 458 m/sn. Ve metre, kesinlik açısından 5 büyüklük basamağına kavuşmuş oluyordu. Ama, her türlü ölçümle erişilmesi mümkün olmayan c’yi belirli bir değerle tanımlamak, ışığın hızına saptırılmış bir değeri sokmak olmaz mı? Aslında bunun böyle olmadığının mantıklı bir açıklaması vardır, gerçekten de iki ayardan birini seçerek bunlar aracılığıyla yapılan ölçümün c için bir değer vermesiyle, bir ayar ve c değeri belirleyerek bunlardan diğer ayarın tanımına geçmek arasında fark yoktur. Zaman ayarına dayanan metre için izlenen yol bu olmuştur, bunun sonucunda uzunluklar artık temel birim olarak saniye cinsinden ifade edilebilecektir. Bu gelişmeye metrenin tadının kaçması da denebilir... Fiziğin temel değişmezlerinden destek alan birimler metre ile saniyeden ibaret değildir, elektrik birimleri bu işi çok daha dolaysız yoldan yapmaktadır. Nitekim, gerilim birimi olan volt 2e/h oranına, direncin birimi ohm ise h/e2 oranına bağlıdır; burada h, kuvantum
fiziğindeki Planck değişmezi ve e elektronun yüküdür. Bu bağıntılar, metrolojik deneylerle ortaya çıkarılmış kuvantum etkilerinden türemektedir. Metrolojideki araştırmaların, fizikteki temel değişmezleri esas alan çok sayıda birim tanımına doğru yönlendiği anlaşılmaktadır. Diğer taraftan kuramsal fizikte ileriye dönük çalışmaların, kuvvetlerin büyük ölçüde birleştirilmesi kuramında yeterli ilerlemeyi sağlayabilmek için temel değişmezlerden, boyutian olmayan değişmezleri uzaklaştırmak yönünde geliştiği fark edilmektedir. Bu durumun metrolojinin de işine yaradığım görmek ilginçtir. Gerçekte de, metroloji birimlerini, kendine hiçbir boyut sunmayan değişmezlere dayandırarak tanımlamak mümkün olmayacaktı. Bu konuda bir diğer ilgi çekici nokta da, esas olarak birbirlerinden çok uzaklaşmış olan ölçü fiziğiyle kuramsal fiziğin temel değişmezler konusunda aynı hedefe doğru yönelmiş olmasıdır.