Gökyüzü neden mavidir?

Gökyüzü neden mavidir? Çünkü öyle de ondan!

Her anne babanın çocukları doğduktan sonra heyecanla bekledikleri büyüme evreleri vardır. İlk gülücük, ilk diş, ilk emeklemesi, adımları ve ilk kelimeleri. Konuşmaya başlamış bir evlada sahip anne babaların ilk kelimelerden sonra hissettikleri o mutluluk ve gurur çocuğun  belli bir kelimeyi öğrenmesinden sonra yerini daha karmaşık ve genelde sonunda bıkkınlık dolu hislere bırakır.  O meşum kelime : ” Neden” kelimesidir. Çocuk artık her cümlesine ” Neden” ile başlamanın ve keşfetmenin derin hazzını duyarken ebeveynler de  bol bol ” çünkü” ile başlayan cümleler kurdukları ve  uzun vadede ” çünkü öyle de ondan” cümlesini sabit cevap olarak verdikleri bir sürece girerler. Soru sorma sıklığımdan dolayı kendi ailem ” çünkü öyle de ondan” cevabı ıle sonlandırdıkları bu süreci  3 ay gibi rekor bir sürede yaşamışlardı. O zamanlar Türkiye’de Guinnes temsilcisi olmadığından ailem ve ben kitaba geçme fırsatını kaçırdık. Bu aralıkta doğumgünü olan ve bu yazıyı ithaf ettiğim yeğenim Nisan ise rekorumu kırmak için mücadele ettiyse de başarılı olamadı.

Bugünkü ebeveynler bu konuda daha şanslı. Çocukların ” neden fillerin kuyruğu var?” , ” neden ayaklarım üşüyor?”, ” Neden sadece kızarmış patates ile beslenemem? ”  gibi sorularına cevap verebilecekleri onlarca kaynak var: Ansiklopediler, internet siteleri, kitaplar vs. 5-10 yaş arası çocuğu olup da  “Neden sadece kızarmış patates ile beslenemem?” sorusuna “Elinin körü çocuğum, o kereviz bitecek”’ten daha güzel bir cevap vermek isteyen anne ve babalar ve hatta bu sorunun cevabını hala merak eden güzide okuyucularımız için iki güzel kaynak tanıtmak istiyorum bu ay.

Birinci kitap  Hint asıllı Alman bilimadamı Ranga Yogeshwar’ın İlhan Yabantaş çevirisi ile yayınlanmış  “Başka Sorusu Olan?” (Pegasus Yayınları) adlı kitabı. Ranga Yogeshwar aslında fizikçi kimliğinden çok Almanya’da televizyonda yaptığı yarışma programları ve şovlarla tanınan bir insan. Kendisi günlük hayatta karşılaşılan ve pek de üzerinde durulmayan konulardan, günün popüler bilim konularına kadar geniş bir yelpazeyi halka sevdirmek için uğraşıyor  ve bunun için hem fizikçi altyapısını hem de bilim dünyasındaki ilişkilerini kullanıyor. Fizikçi kimliği bir çok günlük hayat fenomenini bilimsel zeminlere oturtması açısından yardımcı olurken  dört çocuğu, üç kedisi ve köpeği de bu bilimsel zemini basit terimlerle açıklamakta kendini geliştirmesine müthiş katkısı olduğu çok açık. Kedi köpek deyip geçmeyelim, piyasaya en sonunda çevirisi çıkmış yeni popüler bilim kitaplarından birinin adı : “Köpeğinize nasıl kuantum fiziği öğretirsiniz?”.

Ranga Yogeshwar’ın kitabı 10 bölüme ayrılmış durumda ve her bölümde o konu ile ilgili değişik sorular ve bu soruların 2-3 sayfalık cevapları mevcut. “Duyu ve zeka”, “Uzay”, “Hayvanlar”, “Günlük Yaşam” gibi başlıklar yanında “Evinizin içi” gibi evde her gün karşılaştığınız ve üzerinde durmadığınız konular hakkında çeşitli soruların gerçekten eğlenceli bir dille cevaplanmış sorular mevcut. Hem unutmayın, çocuğunuz dillendiğinde ilk evinizin içinden soru sormaya başlayacaktır.

Ranga Yogeshwar’ın kitabının güzel tarafı sorulara verdiği cevapları, muhtemelen televizyoncu altyapısından dolayı, mümkün olduğunca sade, eğlenceli ve günlük hayata referanslı bir şekilde toparlamış olması. Hiç fizik, kimya, biyoloji ve matematik altyapınız olmasa bile soruların cevaplarını anlayıp çocuğunuza aktarabilirsiniz. Aslında kitap sadece çocukların soruları  değil, yetişkin insanların da sorabileceği, merak ettiği soruları  içeriyor. Bunların arasında en önemlileri: “Kadınların ayakları neden soğuktur?”,  “Duş yaparken duş perdesi neden içeri doğru kıvrılır?”, “Lotoda neden 1,2,3,4,5,6 sayılarını işaretlememeliyiz” ve tabi ki en önemlisi “İndirimli alışverişlerde aklımız neden durur?”.

Bu yazıda tanıtmak istediğim diğer kitap Türkiye İş Bankası Kültür Yayınlarından “Bettina Stiekel”’in Elif Günçe çevirisi ile yayınlanmış “Çocuklar soruyor, Nobel’liler cevaplıyor”  adlı kitabı [3]. Bettina Stiekel Der Stiegel’de çalışan bir gazeteci aslında, bilimkadını değil. Suddeutsche Zeitung’ta editör olarak çalıştığı dönemde çocuklardan sorular toplayarak bunlara Nobel almış insanlardan aldığı cevapları derleyerek oluşturmuş kitabı.

Kitap aslında daha çok evrensel sorulara odaklanmış durumda. Bir çok çocuğun tüm dünyada sorduğu “Neden okula gitmek zorundayım?” , “Neden fakir ve zengin var?”, “Neden oğlanlar ve kızlar vardır?” ve herhalde cevaplanması en zorlarından biri olan “Annem ve babam neden işe gitmek zorunda?”.  Her soruyu o soruya en yakın konuda çalışmış insanın cevaplanması amaçlanmış. Mikhail Gorbaçov’un “Siyaset nedir?” veya  en azından “Savaşlar neden var?” soruları yerine “Nasıl Nobel ödülü sahibi olurum?” sorusunu cevaplaması ise müthiş bir ironi. Şaka bir yana, hakkını vermek lazım gerçekten güzel cevaplamış soruyu. İlerde Obama’nın da “Bir şey yapmadan nasıl Nobel ödülü alırım?” sorusunu  cevaplamasını içtenlikle temenni ediyorum. Yes, we can!

Kitabın en güzel yanı sorulara verilen cevapların bilimadamları tarafından belli bir düzen içinde verilmiş olması. Her soru önce parçalarına ayrılıp sorunun temeli irdeleniyor, daha sonra konunun Nobel’li uzmanı sorunun –varsa eğer- tarihsel köklerini sunuyor ve daha sonra sorunun cevabına doğru adım adım okuyucuyu getiriyor. Burada bence en önemli nokta okuyan bir çocuğun bilimsel yöntemi idrak edebilecek olması. Nobel’li insanların soruları basitleştirebilme ve hatta çocuklara kendilerinin cevaplaması için yeni sorular yaratma gücüne hayran kalmamak elde değil. Bence bu kitap sadece çocuklar tarafından değil bir çok yetişkin tarafından da okunması gereken bir kitap.

Her ne kadar kitap “Nobel’liler cevaplıyor” dese de aslında Nobel ödülü sahibi olmayan iki kişi var kitapta. Bunlardan biri Enrico Bombieri, kendisi matematik dünyasının en önemli ödüllerinden biri olan “Fields” madalyası sahibi. Diğeri ise “Alternatif Nobel”[5] sahibi George Vithoulkas. Açıkçası en kritik sorulardan biri olan “Neden hasta oluruz” sorusunun cevabının bir biyolog veya doktorun değil de kendisinin seçilmesi hem şaşırtıcı hem üzücü. Zira Vithoulkas cevabında temel doğruları aktarırken aynı zamanda modern tıp tarafından kabul edilmeyen ve kesinlikle etkin olmadığı ispatlanmış “Homeopati” yöntemini öne çıkarmakta ve cevabını homeopati etrafında kurgulamaktadır [6].  Sorunun cevabının en yakındaki aile doktorunuz tarafından daha bilimsel şekilde açıklanabileceğinden emin olabilirsiniz bence.

Ve gelelim her iki kitabın da ortak sorusu ve bu yazının başlığı olan sorunun cevabına, yani her çocuğun mutlaka sorduğu “Gökyüzü neden mavidir?” sorusu. Nobel’lilerden ne eksiğim var diyerek kendi fizik bilgimi kullanarak soruyu cevaplamak istiyorum. En azından Mikhail Gorbaçov’dan daha iyi fizik bildiğim kesin.  Soruyu yanıtlarken önce biraz temel fizik bilgisi vereceğim, sıkılan okuyucu direk sona  atlayıp daha eğlenceli bir başka  cevabı görebilirler .

Bu yazının konusu olmadığından ışığın özellikleri ve tarihçesine girmeyeceğim [7]. Ancak ışığın kabul edilmiş özelliklerinden biri olan “Dalga” özelliğini anlatacağım. Görünür ışık aslında aynı bir su dalgası gibi dalgalardan oluşmaktadır [8].  Durgun bir denizde her iki elinizden aynı büyüklükte iki taşı suya attığınızı hayal edin. Taşların suya değdiği noktadan başlayarak yayılan dalgalar göreceksiniz. Eğer durgun bir suya taşları düşük bir hızla bıraktıysanız dalgalar düzgün oluşacak ve sanki sabit aralıklarla tepe-çukur-tepe-çukur şeklinde yayılıyor olacaktır. İki dalga tepesi arasındaki uzaklığa “dalga boyu” denir. Resim 4 dalga boyunu gösteriyor. İki tepe arası (veya iki çukur) mesafe o ışınımın dalga boyunu gösteriyor.

Dalga yayılımlarının bir özelliği de frekansı olmasıdır. Frekans dalga boyunun tersi olup, 1 saniyede belirli bir noktadan geçen 1 tam devri ifade eder. Kafanızda basitleştirmek için şöyle düşünün: Denizde ayakta dururken size belli aralıklarla dalgalar çarpıyor. Eğer dalgalar sık çarpıyorsa dalga boyu kısa (iki dalga arası mesafe) ve frekansı (sıklığı) yüksektir. Eğer dalgalar uzun aralıklarla çarpıyorsa dalga boyu uzun ve frekansı düşüktür. Frekans aynı zamanda o dalga yayılımının enerjisine işaret eder. Yüksek frekans yüksek enerji, düşük frekans ise düşük enerjili ışınım demektir. Yani, dalga yayılımının üç önemli özelliği (Dalga boyu, frekans ve enerji) birbiri ile bağıntılıdır. Yüksek dalga boyu düşük frekans ve düşük enerji demek iken, düşük dalga boyu ise yüksek frekans ve yüksek enerji demektir.

Peki bütün bunların renklerle ne ilgisi var? Şöyle, renk dediğimiz şey aslında gözümüzün o rengin dalgaboyu ve frekansını beynimize iletilmesi sonucunda çıkan bir optik imgedir. Işık dediğimiz olgu aslında bir elektromanyetik dalga yayılımıdır, sudaki dalgalar gibi aynen. Misal, çok güzel kırmızı bir arabaya bakarken aslında arabanın yüzeyinden yansıyan ışığın gözümüze çarptığındaki dalgaboyu beynimize “o arabanın rengi kırmızı ve maaşın asla öyle bir arabayı almaya yetmeyecek” diyor. Aşağıdaki tablo renkler ve karşılık gelen dalgaboylarını gösteriyor.

Resimden de görüldüğü gibi aslında gözümüz çok dar bir dalgaboyu aralığını algılayabilir. Nasıl köpekler bizlerden daha tiz sesleri duyabiliyor, biz duyamıyorsak aslında gözümüz de sadece belli renkleri algılayıp digger dalgaboyundaki renk veya imgeleri algılayamamaktadır. Morötesi ve kızılötesi dalgaboyundaki ışınımları gözünüz algılayamaz. Misal, tabloda görüldüğü üzere morötesi ışığın dalga boyu görünür ışığın dalga boyundan daha kısadır, yani frekansı ve dolayısı ile enerjisi yüksektir. Yazın korumasız güneşe çıktığınızda vücudunuza çarpan morötesi ışığı (yani UV) gözünüz görmeyecek ancak o ışık size akşam dayanılmaz acılar olarak geri dönecektir. Halk arasında buna “ıstakoz gibi kızarmak” da denir.

Spektrumda dikkati bir noktaya daha çekmek isterim, ilginç bir noktaya. Psikolojik olarak kırmızı sıcak mavi ise soğuk bir renk olarak algılanır. Oysa fiziksel olarak bu tam terstir, mavi yüksek enerjili bir renk iken kırmızı düşük enerjili bir renktir.

Peki, dalgaların özelliklerini, dalgaların birbirleri ile olan ilişkilerini ve rengin ne olduğunu gördüğümüze gore artık gökyüzünün neden mavi olduğunu açıklayabiliriz.

Güneşten dünyamıza doğru yola çıkan ışık aslında görünür ışığın bütün dalgaboylarını içeren bir pakettir. Bu dalga atmosfere girdiğinde, aynı bir engelle karşılaşan dalgalar gibi, kırılmaya ve saçılmaya başlar.  Bunu keşfeden bilimadamının onuruna bu saçılmaya Rayleigh saçılması [11] denir. Rayleigh saçılması saçılmanın dalgaboyunun dördüncü dereceden kuvveti ile ters orantılı olduğunu anlatır.  Yani dalgaboyu ne kadar küçükse (mavi ve mor tonlar) saçılma o kadar şiddetli olacaktır.  Atmosferimizdeki oksijen ve azot molekülleri ışığı saçarken kısa dalgaboylu ışığı daha fazla saçarlar. Yani aslında gökyüzümüz mor, mavi ve yeşil’in karışımı bir mavidedir öğlen saatlerinde. Işık dik olarak gelmekte, havada kısa dalgaboyları çokça saçılmaktadır.  Akşama doğru, gurup vakti, ise göğümüz kırmızı görünür çünkü ışık gözümüze daha yatay pozisyondan gelmekte ve dolayısı ile öğlen vaktinden daha kalın bir atmosferden yani yoldan geçmektedir. En kısa dalga boyları saçıla saçıla geriye daha uzun dalga boyları yani kırmızı tonlar kalır. Bu yüzden günbatımı kırmızıya boyanır.  Uçakta giderken gün batımına yakın gökyüzünde her tonu görmenizin sebebi de budur. Saint Exupery’nin ünlü kahramanı Küçük Prens’in gün batımlarını sevmesinin sebebi de bu olabilir. Her ne kadar kendisi günbatımlarını hüzünlü bulsa da aslında gün batımları bir renk şölenidir [12].

Artık fiziksel açıklamayı biliyorsunuz. Gökyüzümüze beyaz olarak gelen ışık gündüz vakti kısa mesafede saçılırken gökyüzüne mavi rengini, akşam ise uzun mesafeden dolayı kırmızı rengini vermekte.

Peki çocuğunuza bunu , muhtemelen daha da basitleştirerek, aktardınız ve çocuğunuzun sıkıldığını fark ettiniz. Çok doğal, ben de o yaşlarda olsam ve  bana “Rayleigh saçılması, azot , oksijen, uçak” diyen bir ebeveyn görseydim ben de sıkılırdım. Çocuğunuza gökyüzünün neden mavi olduğunu sadece fiziksel olarak açıklamak zorunda değilsiniz, sanatı kullanarak da anlatabilirsiniz.  Hem de gene işin içine “dalga”yı sokarak. Bakın nasıl :

İşim gücüm budur benim

Gökyüzünü boyarım her sabah

Hepiniz uykudayken

Uyanır bakarsınız ki mavi

Dalgacı Mahmut –Orhan Veli

Meraklısına ilave notlar:

Dalgaların en önemli özelliği ise birbiri ile etkileşime girebilmesidir. İki ayrı kaynaktan yayılan dalgaların birbiri ile karşılaştığını hayal edin. Deniz kıyısında iki elinizden bıraktığınız taşlar iki ayrı kaynaktan dalga yayılımı yapmıştı hatırlarsanız. Şimdi bu dalgaların birbiri ile karşılaştığını hayal edelim. Bazı tepe noktalar (dalganın denizin yüzeyinden yukarı çıktığı noktalar) çukur noktalar ile (dalganın deniz yüzeyinden aşağı indiği noktalar) karşılaşacak, veya bazı tepe noktalar gene tepeler ile karşılacak. Yanda benzer bir durumu gösteren resmi inceleyebilirsiniz:

Dalga ve çukur karşılaştımı birbirini söndürür, yani deniz yüzeyini düzleştirir. İki tepe birbirinin üstüne bindimi daha büyük bir dalga tepesi oluşur  ve iki çukurun bir araya gelmesinde de bu durumun tam tersi oluşur. Yukarıdaki resimde karanlık noktalar dalgaların birbirini söndürdüğü , yani dalga tepesi ile çukurunun karşılaştığı yerleri gösterirken aydınlık noktalar ise dalga tepelerinin üst üste bindiği alanları göstermektedir. Bu girişim deseni ışığın dalgalardan oluştuğunun en önemli kanıtı iken 1905 yılında Albert Einstein yazdığı bir makale ile ışığın aslında parçacık (yani küçük küçük toplar gibi düşünün) özelliği olduğunu kanıtlamıştır. Her iki özelliği (yani hem dalga hem parçacık) kanıtlayan bir sürü deney var olduğu için fizikçiler uzun süre ışığın dalga mı parçacık mı olduğunu anlayamamıştır. Daha sonra De Broglie basit bir anlatım ile ışığın aslında hem dalga hem parçacık olduğunu kanıtlamıştır. Buna De Broglie dalga/parçacık ikililiği denmektedir.  Sezen Aksu ise “İkili Delilik” demektedir bu duruma.

Kaynakça:

1.       Resim www.speakersacademy.eu/speakers/ adresinden alınmıştır
2.       Resim  www.kitapkusak.com adresinden alınmıştır
3.       Kitap hakkında yazar ile ilgili yapılmış bir söyleşi için: http://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=1540342
4.       Resim www.imge.com.tr adresinden alınmıştır
5.       Alternatif Nobel Ödülü Jacob Von Uexküll tarafından Nobel ödüllerine karşı geliştirilmiş bir ödüldür.
6.       Bu yazının konusu olmadığından Homeopati ve homeopati hakkında yapılmış çalışmalara girmiyorum. Ancak konu ile ilgili meraklısına Simon Singh’in “Trick or Treat” adlı kitabını önermek isterim.
7.       Işık hakkındaki en güzel kaynaklardan biri Tübitak yayınlarından çıkmış Hüseyin Gazi Topdemir’in “Işığın Öyküsü” adlı kitabıdır, meraklısına önerilir. İlk çağlardan günümüze ışığın ve optik biliminin öyküsünü anlatan muhteşem bir kaynek eser.
8.       Konunun meraklıları ve uzmanları hemen “fotoelektrik etki” ve De Broglie Dalga-parçacık ikilisi  kavramlarını hatırlatacaktır. Yazının konusu olmadığından sadece ışığın dalga özelliğini aktarmaktayım. Elbette modern fiziğe gore ışık hem dalga, hem parçacıktır. Siz bunu bir de Schrödinger’in kedisine anlatmayı deneyin. Konu ile ilgili olarak aşağıda “Meraklısına notlar” kısmını öneririm.
9.       Resim  http://tr.wikipedia.org/wiki/Dalgaboyu adresinden alınmıştır.
10.   Tablo http://tr.wikipedia.org/wiki/Dosya:EM_Spectrum_Properties_edit_tr.svg adresinden alınmıştır.
11.   Rayleigh saçılması için : http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering  ve türkçe: http://web.itu.edu.tr/~kkocak/optik.htm
12.   “Günbatımını izlemeye bayılırım. Haydi, günbatımını izlemeye gidelim,”  “Bir gün,” demiştin bana, “günbatımını tam kırk dört kez izledim!”     Sonra da, “Biliyor musun,” diye ekledin. “İnsan günbatımını çok üzgün olduğunda seviyor.” .   “O sırada çok üzgün müydün?” diye sorduydum. Hani şu kırk dört günbatımı izlediğinde?”
Ama küçük prens hiçbir şey söylemedi bu soruma karşılık.
13.   Resim  http://en.wikipedia.org/wiki/File:SDIM0241b.jpg adresinden alınmıştır