Mutlak Sıfıra Doğru Giden Bilimsel Savaşta Karşı Karşıya Gelen İskoç ve Hollandalı İki Bilim Adamının Çekişmesi

yıl 1891, londra royal enstitüsünün geniş amfilerinden birinde profesör james dewar her cuma olduğu gibi meslektaşlarına ve halkın önde gelenlerine maddelerin düşük sıcaklıklarda bildiğimiz özelliklerinin ötesinde özellikler gösterdiğini anlatabilmek için sıvı oksijen ile sunumlar yapıyor. genelde bilim insanları dewar'ı sıvı nitrojeni saklamakta kullandığımız kendi icadı olan dewar flask ile tanırlar. bu halka açık cuma derslerinin amacı, sermayeyi elinde tutanlara gündelik hayatta karşılaşamayacakları sihir benzeri şovlar yaparak, aralarından araştırmalarına fon sağlayabilecek olanları etkilemek. bugün olduğu gibi o gün de bilimsel araştırma yapmak aşırı pahalı ve gerekli fonlar sağlanamazsa bilimsel merakı gidermek mümkün değil.

ancak dewal'in bilimsel merakını gidermek dışında bir hedefi daha var. mutlak sıfıra ulaşan yahut ona en çok yaklaşan insan olmak. mutlak sıfır yani -273,15°c yada 0 kelvin, atomların hareketlerinin sıfırlandığı elektronların en düşük enerji seviyesine kadar enerjilerini yitirdiği teoride ulaşılabilir pratikte imkansız bir değerdir. ancak oraya giden yolculukta ilerleyebilmek için aşılması gereken bir dizi gaz sıvılaştırma döngüsü başarılmak zorundadır. zaten bu yarışı bilmeden başlatanlardan biri 1820 yılında basınç altında klorin ve amonia gazlarının sıvılaştığını gösteren michael faraday olmuştur.

basıncın diğer gazları da sıvılaştırıp sıvılaştıramayacağını deneyen faraday ne kadar uğraşırsa uğraşsın kalıcı gazlar dediği oksijen nitrojen ve hidrojen gazlarını basınçla sıvılaştıramaz ve bu çalışma alanını terk eder. faraday'ın çok çabaladığı halde neden bazı gazları basınçla sıvılaştramadığının anlaşılması için 1873 yılında bilim dünyasını sarsacak hollandalı bir bilim insanının kendi teorisini anlatması gerekecektir. johannes diderik van der waals kalıcı gazların basınç altında sıvılaşmaları için kritik bir dereceye kadar soğutulmaları gerektiğini ve bunu sağlayan bağıntıyı açıklayan ilk bilim insanı olmuştur. buna göre oksijeni -182°c'ye, nitrojeni -197°c'ye ve dewal'in zamanında halen aşılmamış bir duvar gibi durmakta olan hidrojeni sıvılaştırmak için -252°c'ye kadar soğutmak gerekmektedir.

bu bilimsel mücadele periyodik tabloda bulunan bütün gazlar sıvılaştırılana ve mutlak sıfıra ulaşana kadar sürecek yeni bir savaş alanı yaratmıştır. dewal'in kendi deyişiyle hidrojen dağı onu aşan insanı sonsuza kadar hatırlanacak bir başarı ile onurlandıracaktır. ancak hidrojen dağına tırmanmaya çalışan tek kişi de o değildir. dewar'in kendisinden 11 yaş küçük olduğu için bir türlü saygı gösteremediği hollandalı fizikçi heike kamerlingh onnes da aynı amaçla hidrojeni sıvılaştırma mücalesini sürdürmektedir. henüz 29 yaşındayken leiden üniversitesi fizik bölümünde profesör ünvanı alan onnes mutlak sıfıra ulaşmak için o güne kadar izlenenden daha farklı bir yaklaşım izlemeye kararlıdır ve sahip olduğu tüm fonu endüstriyel düzeyde büyük bir laboratuvar kurmak için kullanır. bu konuda öyle kararlıdır ki kurulumu tamamladığında üniversitenin fizik bölümü laboratuvardan çok fabrikaya benzemiştir. sonradan mavililer olarak anılan onlarca cam üfleyicisi işe almıştır, bilimsel ekipman üretmek için bir sürü insanı üniversiteye doldurmuştur. günümüzde bile halen aktif olarak işleyen teknik eğitim veren bir bölüm bile açmıştır üniversiteye.

öte yandan dewar günümüzün bilim anlayışından uzak bir kafadadır. derslerinde bile soğutmaya dair kullandığı ekipmanları saklamak için içi gözükmeyen kutular kullanmaktadır. değil bilimsel rakipleri öğrencileri bile hocalarının neyi nasıl yaptığını tam olarak bilemezler. hırsları bu mucadeleyi kazanmak için her veriyi kendisine saklamasına neden olmaktadır. sonradan hakkında yazılan eserlerde dewar için, "kaba kuvvetle bilim yapan hırslı bir adamdı." denmesinin sebebi de budur.

onnes, dewar'ın aksine yaptığı her çalışmayı aylık bir makale olarak halka açık şekilde yayınlıyor. yapacağı her deneyi yakın arakadaşı van der waals ile detaylıca planlıyor öyle harakete geçiyordu.

yaklaşımları farklı olsa da iki bilim insanı da hidrojeni sıvılaştırmak için aynı yöntemi kullanıyorlardı. yönteme göre önce kolay sıvılaşma gösteren bir gaz basınç altında sıvılaştırılıyor sonra bu sıvı başka bir gazı soğutmak için kullanılıyor sonra bu yeni gaz başka bir gazı sıvılaştırmak için kullanılıyor ve kelvin merdiveninde yavaş yavaş aşağı iniliyordu. sonunda varılmak istenen elbette çok yüksek basınç ve -252°c sıcaklık ile hidrojeni sıvıya dönüştürmekti.

ancak dewar eski, bakımsız ve döneminin teknolojisinin bile gerisinde ekipmanlarla her gün tehlikenin içinde çalışıyordu. her an patlama riski barındıran bu ekipmanlar sık sık bekleneni veriyor havaya uçuyorlardı. bu süreçte yardımcıları havaya savrulan cam parçalarından kör oluyor, vücutları yanıyor kendisi de zaman zaman yaralanıyordu. dewar kendi notlarında detaylıca ekipmanlarının başına neler geldiğini yazıyor ama nedense yardımcıları yahut kendisi hakkında tek bir not bile almıyordu. o zaman da şimdi olduğu gibi dewar'ın çalışmalarına, insan hayatından fazla önem verdiğini düşünenler olmuş olacak ki kazalar artınca laboratuvarı iki yıl boyunca kapatılıp çalışmalarına son veriliyor. sayısız protesto mektubu yazmasına rağmen sonuç alamayan iskoç bilim adamı savaşın henüz başlarında yenilgiyi kabullenip beklemek zorunda kalıyor.

bu süreçte onnes ise yarış havasından uzakta, halen kendi laboratuvarını olabilecek en mükemmel hale getirmekle meşgul durumdaydı. yemeden içmeden hesaplamalarla uğraşıyor, detayın detayı konularla günlerini düzgün bilim üretmek için harcıyordu.

son 20 yılını hidrojeni sıvılaştırma hayaliyle geçirmiş olan dewar 1898 yılında yeniden işinin başına döndüğünde hiç olmadığı kadar hırslı ve istekliydi. hızlı sonuç almak için büyük riskler alması ilk kez işine yaramış ve yeniden açtığı laboratuvarını sınırlarına kadar zorlayan dewar henüz deneylerinin ilk günlerinde yardımcılarının şaşkın bakışları arasında 20 cm3 sıvı hidrojen üretmeyi de başarmıştı. 

bilinen son kalıcı gazı sıvılaştıran adam olarak tarihe geçeceğini düşünen dewar alacağı ödüllerin kutlamalarına hazırlandıysa da öyle bir ödülü hiç elde edemedi. çünkü hidrojen dağına tırmandığı o günlerde yeni keşfedilen helyum çoktan van der waals bağıntısına göre yeni hedef olarak belirlenmişti. artık kimse hidrojenin son durak olduğunu düşünmüyor helyumu sıvılaştıranın asıl büyük başarıyı elde edeceğini düşünüyorlardı. -268°c sıvılaşma sıcaklığı ile helyum dünyada bulunabilen en düşük sıcaklıkta sıvılaşma gösteren gazdı.

o anda dewar bu yeni eşiği de aşmaya en yakın insandı. çünkü helyumu keşfeden william ramsay ve lord henry hemen yan laboratuvarda çalışıyor ve onunla işbirliği yapmak için de can atıyorlardı. ancak dewar kibirli tavrıyla onları kısa sürede kendisine düşman etmeyi başardı. herhangi bir amaçla bilgi paylaşmıyor sadece onları deney yapmak için kendisine helyum vermeye ikna etmeye çalışıyordu. aynı dönemde onnes de dewar'a iş birliği teklifinde bulunmuş helyuma erişim konusunda destek verirse beraber çalışmak konusunda istekli olduğunu söylemişti ama dewar her işi kendisi becermek ve çevresindeki kimseyi eğitmemek konusunda kararlıydı. bu hatası beceriksiz yardımcısının elindeki az miktarda helyumu havaya saçarak ziyan etmesi ile 6 aylık bir gecikmeye sebep olunca da dewar için her şey kötüye gitmeye başladı.

1908 yılına gelindiğinde onnes'in endüstriyel yaklaşımı meyvelerini verdi. kendi helyumunu elde ediyor çevresindeki eğitimli personelin faydasını fazlasıyla görüyordu. yaz aylarına gelindiğinde bilim dünyasındaki herkes bir şeylerin başarılmak üzere olduğunu biliyor her gün onnes'in laboratuvarından gelecek sonucu takip ediyorlardı. onnes öyle sıkı çalışıyordu ki zaman zaman eşi çalışması sırasında ona eliyle yemek yedirmek zorunda kalıyordu. yine böyle bir yaz günü onnes ve ekibi helyumu yani dünyada bulunan sıvılaştırılmamış son soy gazı sıvılaştırarak kendisine ve ekibine nobel ödülünü getiren çalışmasını tamamladı.

dewar bu yenilgiyi haber gelmeden çok önceden kabullenerek sabun köpüğü fiziği üzerine çalışmalarına çoktan başlamış olsa da helyumun sıvılaştırıldığını duyduğunda asistanını azarlayarak geri dönmemek üzere üniversiteden ayrılmasına sebep olmuştu.

bana göre entersan olan ise dewar'ın bugün onnes'ten daha çok bilinen bir isim olması laboratuvar ortamlarında. sanırım kalıcılığın önemli sırlarından biri yaygın kullanıma sahip bir lab ekipmanı keşfetmek. yazı boyunca biraz gömdüysem de dewar çalışma biçimi açısından günümüzden uzak bir yaklaşıma sahip olması dışında bilime duyduğu arzu ile örnek alınabilecek nitelikte bir bilim insanı. onu ve yaptığı çalışmaları daha iyi anlamak için hakkında biraz araştırma yapmanızı tavsiye ederim.

onların bu çabası sonucunda ilerleyen mutlak sıfır yolculuğu günümüzde bose-einstein yoğuşması kuramının doğrulanmasına varmıştır. mutlak sıfıra 0.0000000000001 ile yaklaşarak maddenin kuantum durumuna geçmesini sağlayan wolfgang ketterle, eric allin cornell ve carl wieman bu başarılarıyla 2001 yılında nobel fizik ödülünü almışlardır.

sıkıntıdan bayılmamanız için onların bu başarılarını ve bose-einstein yoğuşmasını daha sonraya bırakıyorum.

oksijen -182°c
nitrojen -197°c
hidrojen -252°c
helyum -268°c
mutlak sıfır -273.15°c

kaynaklar

mutlak sıfır
james dewar
heike kamerlingh onnes
michael faraday
johannes diderik van der waals ismine kurban.
bose–einstein condensate
wolfgang ketterle