Deneysel fizik

Deneysel fizik, evren hakkında bilgi toplamak için fiziksel olguları gözlemleyen fizik disiplinleri ve alt disiplinleridir. Yöntemleri, Cavendish deneyi gibi basit deney ve gözlemlerden, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi komplike deneylere kadar disiplinleri arasında farklılıklar gösterir.

Genel bakış

Sir Ernest Rutherford laboratuvarı, 20. yüzyıl başları

Deneysel fizik, fiziğin veri toplama, veri toplama yöntemleri, detaylı kavramsallaştırmalar (basit düşünsel deneylerin ötesinde) ve laboratuvar deneylerinin gerçekleştirilmesiyle ilgilenen tüm disiplinlerini kapsar. Deneysel fizik sıklıkla, daha çok doğanın fiziksel davranışıyla ilgili bilgi toplamak yerine bu davranışı tahmin etmek ve açıklamakla ilgilenen teorik fizikle karşılaştırılır. Deneysel ve teorik fizik doğaya farklı açılardan yaklaşsa da her ikisinin de ortak amacı onu anlamaktır ve aralarında simbiyotik bir ilişki vardır. İlki evrenle ilgili onu anlamak için analiz edilebilecek bilgiler sağlarken ikincisi bu veriler için açıklamalar getirir ve nasıl daha iyi veri toplanıla bilineceği ve nasıl deneyler dizayn edilmesi gerektiğini anlamaya çalışır. Teorik fizik ayrıca hangi bilgilerin evreni daha iyi anlamamız için gerekli olduğu ve hangi deneylerin bunları elde edebilmek için kullanılması gerektiğini araştırır.

Tarih

Ayrı bir alan olarak deneysel fizik erken dönem modern Avrupa'sında, Bilimsel Devrim veya Reform dönemi olarak bilinen dönemde, Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Johannes Kepler, Blaise Pascal ve Sir Isaac Newton gibi fizikçiler tarafından kurulmuştur. 17. Yüzyılın başlarında Galileo deneyleri fiziksel teorileri sınamak için sıklıkla kullandı, bu modern bilimsel yöntemin de temelidir. Galileo dinamiğin birçok sonucunu, özellikle de daha sonra Newton'un hareket kanunlarından ilki olacak dönüş eylemsizliği kanununu formüle etti ve başarıyla sınadı. Galileo'nun İki Yeni Bilim Üzerine adlı diyaloğunda karakterler Simplicio ve Salviati bir geminin hareketini ve geminin yükünün bu hareketle ilişkisini tartışır. Huygens ise momentumun korunumunun ilkel bir halini açıklamak için bir geminin bir Hollanda kanalındaki hareketini kullanır. Deneysel fiziğin 1687'de Sir Isaac Newton'un (1643-1727) Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri) kitabını yayımlamasıyla olgunluğa ulaştığı kabul edilir. Principia'yı 1687'de Newton iki kapsamlı ve başarılı fizik teorisini; daha sonra klasik mekaniği ortaya çıkaracak olan Newton'un hareket kanunlarını ve kütleçekiminin temel kuvvetini açıklayan Newton'un kütleçekim kanununu ayrıntılandırmak için yayımladı. Her iki teoride deneylerde başarılı sonuçlar verdi. Principia ayrıca akışkan dinamiğiyle ilgili teorileri de içeriyordu. 17. Yüzyılın sonlarından itibaren termodinamik Robert Boyle, Thomas Young gibi fizikçiler ve kimyagerler tarafından geliştirildi. 1733'te Bernoulli istatistiksel kanıtları ve klasik mekaniği kullanarak termodinamiğe ilişkin elde ettiği sonuçlar istatistiksel mekanik alanının doğmasına önayak oldu. 1798'de Benjamin Thompson mekanik işin ısı olarak korunduğunu gösterdi, 1847'de ise James Prescott Joule enerjinin korunumu kanunun ısı için de mekanik enerji gibi geçerli olduğunu gösterdi. 19. Yüzyılda Ludwig Boltzmann istatistiksel mekaniğe modern halini verdi. Klasik mekanik ve termodinamik dışında elektriğin doğası da deneysel fiziğin ilgilendiği en önemli konulardan birisidir. Robert Boyle, Stephen Gray ve Benjamin Franklin'nin 17 ve 18. Yüzyılda yaptığı gözlemler bu konudaki sonraki çalışmaların temelini oluşturdu. Bu gözlemler ayrıca elektrik yükü ve elektrik akımı hakkındaki temel anlayışımızı oluşturdu. 1808'de John Dalton farklı elementlerin atomlarının ağırlıklarının farklı olduğunu fark etti ve modern atom teorisini ortaya attı. Elektrik ve manyetizma arasında bir ilişki olduğu fikri ilk kez pusula iğnelerinin elektrik akımlarının yakınında saptığını gözlemleyen Hans Christian Ørsted tarafından ileri sürüldü. 1830'ların başlarında Michael Faraday elektrik akımlarının manyetik alan ve değişen manyetik akıların da elektrik akımı yarattığını gösterdi. 1864'te James Clerk Maxwell Royal Society'ye (The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge-Kraliyet Akademisi) elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi tanımlayan 4 denklem sunmuştur. Maxwell'in denklemleri ayrıca ışığın bir elektromanyetik dalga olduğunu göstermişlerdir. Astronomiden başlayarak doğa felsefesinin prensipleri devam eden yüzyıllarda fiziğin temel kanunlarında kristalleşmiş ve gelişmiştir. 19. Yüzyıldan itibaren bilim adamları fiziğin alanındaki konularda farklı uzmanlıklara ayrılarak belirli araştırmalarda uzmanlaşmışlardır. Zaten bilimin geldiği nokta düşünüldüğün herhangi bir bilim dalında tek bir bilim adamının tüm araştırma konularına hakim olması ve hepsinde çalışabilecek kadar uzmanlaşması mümkün değildir.

Yöntem

Deneysel fizik, araştırmalarında iki temel yöntem kullanır; kontrollü deneyler ve doğal deneyler. Kontrollü deneyler genellikle laboratuvar deneyleridir ve laboratuvar kontrollü bir ortam sağlar. Doğal deneyler ise, örneğin astrofizik alanında deneye etki eden değişkenlerin kontrol edilmesinin imkânsız olduğu göksel objeler incelenirken kullanılır.

Süremekte olan deneyler

CMS detektörünün görünüşü, LHC, CERN.

• Relativistic Heavy Ion Collider (Kütleçekimsel ağır iyon çarpıştırıcısı): altın iyonu gibi ağır iyonları ve protonları çarpıştırır. İnşa edilmiş ilk ağır iyon çarpıştırıcısıdır. (Brookhaven Ulusal Laboratuvarı, Long Island, ABD)
• HERA(Hadron Elektron Ring Anlage): elektron veya pozitronlarla protonları çarpıştırır. DESY'nin (Deutsches Elektronen-Synchrotron) bir parçasıdır. (Hamburg, Almanya)
• LHC (Large Hadron Collider/Büyük Hadron Çarpıştırıcısı): 2008'de inşaatı tamamlanan tesis teknik aksaklıklar nedeniyle ancak 2009'da çalışmaya başlayabildi. Dünyanın en yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcısıdır. Fransa-İsviçre sınırında, Geneva yakınındaki CERN laboratuvarlarının bir parçasıdır.
• JWST(James Webb Uzay Teleskobu): 2018'de fırlatılması planlanmaktadır. Hubble Uzay Teleskobunun varisi olacaktır. Amacı evrenin ilk safhaları hakkında bilgi toplamak, yıldız oluşumu, galaksi oluşumu ve yaşamın kaynağı konusundaki verileri toplamak olacaktır.

Ünlü deneyler

• Bell test deneyi
• Bumerang deneyi
• Cavendish deneyi
• Kozmik ardalan keşifçisi
• Cowan-Reines nötrino deneyi
• Davisson-Germer deneyi
• Çift yarık deneyi
• Foucault sarkacı
• Franck–Hertz deneyi
• Geiger–Marsden deneyi
• Hafele–Keating deneyi
• Homestake deneyi
• Yağ damlası deneyi
• Michelson–Morley deneyi
• Sloan Dijital Sky araştırması
• Stern–Gerlach deneyi
• Wu deneyi

Deneysel yöntemler;

• Kristallografi
• Elipsometri
• Faraday Kafesi
• İnterferometre
• NMR(nükleer manyetik rezonans)
• Lazer soğutma
• Lazer Spektrumu
• Raman Spektrumu
• Sinyal İşleme
• Spektroskopi
• STM (yüzeylerin atomik boyuttaki görüntülemesini sağlayan mikroskop)
• Boşluk Tekniği
• X-Ray Spektrumu

Önemli Deneysel Fizikçiler

• Alhazen (965–1039)
• Al-Biruni (973–1043)
• Al-Khazini (fl. 1115–1130)
• Galileo Galilei (1564–1642)
• Isaac Newton (1643–1727)
• Laura Bassi (1711–1778)
• Michael Faraday (1791–1867)
• Ernst Mach(1838–1916)
• John William Strutt(3. Rayleigh Baronu) (1842–1919)
• Wilhelm Röntgen(1845–1923)
• Karl Ferdinand Braun (1850–1918)
• Henri Becquerel (1852–1908)
• Albert Abraham Michelson (1852–1931)
• Heike Kamerlingh Onnes (1853–1926)
• J. J. Thomson (1856–1940)
• Nikola Tesla (1856–1943)
• Jagadish Chandra Bose (1858–1937)
• William Henry Bragg (1862–1942)
• Marie Curie (1867–1934)
• Robert Andrews Millikan (1868–1953)
• Ernest Rutherford (1871–1937)
• Lise Meitner (1878–1968)
• Max von Laue (1879–1960)
• Clinton Davisson (1881–1958)
• C. V. Raman (1888–1970)
• William Lawrence Bragg (1890–1971)
• James Chadwick (1891–1974)
• Pyotr Kapitsa (1894–1984)
• Charles Drummond Ellis (1895–1980)
• John Cockcroft (1897–1967)
• Patrick Blackett (Baron Blackett) (1897–1974)
• Ukichiro Nakaya (1900–1962)
• Enrico Fermi (1901–1954)
• Ernest Lawrence (1901–1958)
• Walter Houser Brattain (1902–1987)
• Pavel Cherenkov (1904–1990)
• Carl David Anderson (1905–1991)
• Ernst Ruska (1906–1988)
• John Bardeen (1908–1991)
• William Shockley (1910–1989)
• Chien-Shiung Wu (1912–1997)
• Charles Hard Townes (1915–2015)
• Rosalind Franklin (1920–1958)
• Owen Chamberlain (1920–2006)
• Nicolaas Bloembergen (1920–)
• Vera Rubin (1928–)
• Mildred Dresselhaus (1930–)
• Gerd Binnig (1947–)
• Steven Chu (1948–)
• Wolfgang Ketterle (1957–)
• Andre Geim (1958–)
• Lene Hau (1959–)

Benzer başlıklar

• Deneycilik
• Fizik
• Teorik Fizik
• Ölçüm Araçları
• Deneysel Bilim

Konuyla ilgili yayınlar

• Taylor, John R. (1987). An Introduction to Error Analysis (2nd ed.). University Science Books. ISBN 0-935702-75-X.