KELVIN DARWIN’E KARŞI – DÜNYA’NIN YAŞI TARTIŞMASI

Charles Darwin’in 1859’da Türlerin Kökeni‘ni yayınlamasının ardından evrim teorisi şiddetli saldırılara maruz kaldı. Bu saldırılar sadece muhafazakâr kesimden gelmiyordu. Dönemin en önde gelen fizikçileri, hesaplara dayanarak Dünya’nın sadece 20 milyon yıl yaşında, yani evrime imkân vermeyecek kadar genç olduğunu iddia ediyorlardı. Biyologlar ve jeologlar ile fizikçiler arasındaki uyuşmazlık 20. yüzyılın başına kadar sürdü.

Lord Kelvin

Ondokuzuncu yüzyıl İngiltere’sinde, isimleri bugün temel ders kitaplarımıza yerleşmiş birçok bilimci yetişti. Bunlardan en önde gelenlerinden biri, ömrünün sonuna doğru Lord Kelvin ünvanını alacak olan William Thomson (1824-1907) idi.

Thomson 10 yaşında, babasının da hocalık yaptığı Glasgow Üniversitesi’nde eğitime başladı. O dönemde İskoçya üniversitelerinde küçük yaşta eğitime başlamak yaygındı. Genç Thomson Glasgow’da Fransız matematiği ve fiziğini öğrenme fırsatına dört elle sarıldı. Özellikle Fourier’nin Isının Analitik Teorisi kitabını hatmetti. 1841’de, 17 yaşındayken yazdığı ilk makaleleri Fourier’nin çalışmalarıyla ilişkiliydi.

Thomson 1841’den 1845’e kadar Cambridge’de matematik eğitimi gördükten sonra Paris’e kısa bir ziyaret yaptı. O dönemde İngiliz üniversiteleri çok içe kapalıydı ve özellikle Fransa’da geliştirilen güçlü analiz yöntemlerinden habersizdiler. Thomson bu matematiksel yöntemlerin Britanya’ya aktarılmasında kilit rol oynadı. Paris’teyken Sadi Carnot’nun (1796-1832) termodinamik biliminin başlangıcı sayılan çalışmasından haberdar oldu.

Paris’ten döndükten sonra hayatının geri kalan elli üç yılını geçireceği Glasgow Üniversitesi’nde çalışmaya başladı. 1849’da ilk büyük çalışması olan Manyetizmanın Matematiksel Teorisi ‘ni yayınladı. 1851’de yayınladığı Isının Dinamik Teorisi‘nde termodinamiğin yasalarını listeledi, maddenin hareketinin durduğu bir mutlak sıfır sıcaklığı kavramını ortaya attı ve bugün onun adıyla Kelvin ölçeği dediğimiz sıcaklık ölçeğini geliştirdi. 1867’de Tait’le birlikte yazdığı Doğa Felsefesi İncelemesi fiziğin derli toplu olarak sunulduğu bir ders kitabı olarak klasikleşti.

Thomson parlak bir matematikçi olduğu kadar da pratik zekâlı bir uygulamacıydı. Britanya’daki ilk araştırma laboratuvarını kurdu ve deneysel çalışmalar başlattı. Zırhlı gemilerde kullanılabilecek bir mıknatıs başta olmak üzere birçok icat yaptı. İngiltere ve Amerika arasına telgraf döşeme projesinin baş aktörlerinden ve beyinlerinden biriydi, ki bu projeye katkısından dolayı 1866’da şövalye ünvanı aldı. 1892’de asalet ünvanı aldı; üniversite arazisinden geçen Kelvin ırmağının ismini ünvan olarak benimseyerek Lord Kelvin olarak anılmaya başladı. Hayatı boyunca 650 bilimsel makale yazdı, 70 patent başvurusu yaptı.

Kısaca, William Thomson/Lord Kelvin 19. yüzyılın en büyük ve saygın bilimcilerinden biri, fizik konusunda önünde durulmaz bir otoriteydi. Kelvin için bilim sayılara ve sağlam verilere dayanmalıydı. 1883’deki bir konuşmasında yaklaşımını şöyle özetlemişti:

Fizik biliminde herhangi bir konuyu öğrenme yönünde ilk asli adım, sayısal işlem yapma prensiplerini, ve olguyla ilişkili nitelikleri ölçebilmek için uygulanacak yöntemleri bulmaktır. Hakkında konuştuğunuz şeyi ölçebiliyorsanız ve sayılarla ifade edebiliyorsanız onun hakkında birşeyler biliyorsunuzdur. Ama ölçemiyor ve sayılarla ifade edemiyorsanız, bilginiz zayıftır ve tatmin edici olmaktan uzaktır. Bu bilginin başlangıcı olabilir, ama düşüncelerinizde bilim aşamasına ilerlemiş olmazsınız.

Dünya kaç yaşında?

19. yüzyılda yeni yeni serpilmeye başlayan jeoloji bilimi, Dünya’nın kaç yaşında olduğu sorusuna cevap bulamıyordu. 1778’de Fransız doğabilimci Buffon, erimiş demirin soğuma hızının ölçümlerini esas alarak, Dünya’nın 75 000 yaşında olduğunu ileri sürmüştü, ama o zamandan 19. yüzyıl ortasına kadar birbirini tutmayan birçok başka tahmin mevcuttu. Jeolojik süreçlerin yavaşlığına bakarak Dünya’nın çok çok yaşlı olması gerektiğinde herkes hemfikirdi, ama birçok jeolog Dünya’nın yaşını tespit etmenin mümkün olduğundan bile şüphe duymaya başlamıştı.

Kelvin gençlik döneminde Dünya’nın yaşı problemini temel fizik prensipleriyle çözmeye girişti. Fikri basitti: Başlangıçta erimiş halde bulunan Dünya zamanla soğuyacaktır. Fırından çıkmış bir patates gibi, dış kabuğunun serinlemiş olmasına rağmen iç kısımları çok sıcak kalmış olacaktır. Derin madenlerde aşağı inildikçe sıcaklığın arttığı zaten bilinen bir şeydi. Eğer Dünya çok çok yaşlıysa, çok uzun zaman boyunca ısı kaybetmiş olacağından derine gittikçe sıcaklık yavaş yavaş artacaktı. Genç ise tam tersine, sıcaklık metre başına daha hızlı artacaktı.

Kelvin 1846’da madenlerde değişik derinliklerden toplanan verileri bir araya getirerek Dünya’nın 100 milyon yaşında olduğunu ilân etti. Ölçümlerdeki hata paylarını hesaba katınca, bu sayının 20 ila 400 milyon yıl arasında değişebileceğini de ekledi.

Kelvin daha önce, bağımsız bir yöntemle Güneş’in yaşını da hesaplamıştı. Güneş’in ışımasının (başka bir mekanizma bilinmediğinden) maddenin merkeze doğru çökmesi ile enerji kazanan kimyasal reaksiyonlardan kaynaklandığını varsaydı. Bu yaklaşımla Güneş’in en fazla 100 milyon yaşında olabileceğini hesapladı. İki ayrı hesabın sonuçları birbirini tutuyordu.

Türlerin Kökeni‘nin yayınlanmasının ardından kopan fırtınaya Kelvin de dahil oldu. Elde ettiği sonuçlara göre, doğal seçilim ve evrim mekanizması ile bugünkü çeşitliliğe ulaşmak için yeterli zaman olmadığını savundu.

Kelvin evrime inanmıyordu, ama o dönemin yaratılışçılarıyla aynı kafada olduğunu söylemek doğru olmaz. Her şeyden önce, yaratılışçılar Dünya’nın sadece 6000 yaşında olduğuna inanıyorlardı. Kelvin’e göre hayat cansız maddeden ortaya çıkamazdı, ama belki uzaydan düşen meteorlar ilk tek hücreli canlıları Dünya’ya taşımış olabilirdi. Kelvin’in Darwin’e itirazları dine değil, fiziğe ve ölçümlere dayanıyordu.

Kelvin’in yüz milyon yıllık tahmini sadece evrimsel gelişim için değil, jeolojik süreçler için de çok yetersiz bir süreydi. Biyolojideki şöhretinin yanı sıra seçkin bir jeolog olarak da isim yapmış olan Charles Darwin, İngiltere’deki Weald vadisinin aşınması için üç yüz milyon yıl gerektiğini hesaplamıştı; elbette Dünya çok daha yaşlı olmalıydı.

1860’lardan sonra fizikçiler ve natüralistler (doğabilimciler) arasında bir uçurum oluştu. Taraflar sözlü ve yazılı tartışmalarla fikirlerini çarpıştırdılar. Doğabilimciler gözlemlerine güveniyorlardı, ama mükemmel bir matematikçi olan Kelvin’in çalışmasında bir hata da bulamıyorlardı. Bazıları jeolojinin basit bir matematiksel modele uydurulamayacak kadar karmaşık olduğunu ileri sürdüler (tamamen haksız da sayılmazlardı).

Darwin 1869’da Alfred Wallace’a şöyle yazdı: “Thomson’ın Dünya’nın yaşına dair görüşleri uzun zamandır en büyük dertlerimden biridir.” 1871’de aynı sıkıntı devam ediyordu: “Eksik halkalar hakkında şimdiye kadar söylediklerimden daha fazla birşey söyleyemem. Silüryen öncesi zamanlara bel bağlasam, Sir W. Thomson korkunç bir hayalet gibi karşıma dikiliyor.”

Evrimsel biyologların sözcüsü Thomas Huxley ise basitçe, Dünya yüz milyon yaşındaysa, evrimin hızlı işlemesi gerektiğini söyledi. Herkes bu çözümü kabul etmedi. Zaten yeni verilerle Thomson Dünya’nın yaşı konusundaki tahminini gitgide aşağı çekmekteydi, ta ki sonunda 20 milyon yıla inene kadar. Bu kadar genç bir Dünya ile jeolojik verileri bağdaştırmak mümkün değildi.

Radyometrik tarihleme

Dünya’nın yaşı tartışması bir sonuca ulaşmadı, hatta yirminci yüzyılın başına kadar sürüp gitti. Ancak yeni yüzyılın keşifleri yepyeni yöntemler geliştirilmesini sağladı.

Bugün, Dünya’nın yaşı için kabul edilen değer dört milyar beşyüzkırk milyon. Kelvin’in en cömert tahmininden kat be kat fazla. Bu önemli sonucu elde etmek ancak 19. yüzyılın sonunda radyoaktivitenin keşfedilmesiyle mümkün oldu.

Radyoaktivite bazı elementlerin atom çekirdeklerinin, istikrarsız olmaları sebebiyle parçalanıp, yeni ve daha hafif elementlere dönüşmeleridir. Radyum, uranyum gibi birçok ağır element radyoaktiftir. Ama karbon gibi hafif elementlerin de bazı izotopları (aynı kimyasal özelliğe sahip ama çekirdeğindeki nötron sayıları farklı olan halleri) radyoaktif olabilir. Radyoaktif bir atom çekirdeğinin ne zaman parçalanacağını bilemesek de, elimizde birçok atom varsa, bu atomların belli bir zaman sonra ne kadarının ortadan kalkacağını bilebiliriz. Her radyoaktif maddenin azalması yarı ömür denilen bir sayıyla gösterilir. Sözgelişi karbon elementinin 14 ağırlıktaki izotopunun yarı ömrü 5370 yıldır. Bunun anlamı, bugün elinizde bir milyar karbon-14 atomu varsa, 5370 yıl sonra beşyüz milyon, 10740 yıl sonra ikiyüzelli milyon tane atom kalacağıdır.

Başka elementlerin yarı ömürleri çok daha uzun olabilir. Sözgelişi, uranyumun en yaygın izotopu olan uranyum-238’in yarı ömrü 4.5 milyar yıl, daha nadir bir izotopu olan uranyum-235’in yarı ömrü ise 704 milyon yıldır.

Radyoaktif bozulma dış etkilerden tamamen bağımsızdır, bir atom takvimi gibi işler. Elinize aldığınız bir taş parçasında belli bir radyoaktif elementten başlangıçta kaç tane atom olduğunu biliyorsanız (veya tahmin edebiliyorsanız), ve şu anda kaç tane kaldığını ölçerseniz, taş parçasının kaç yaşında olduğunu tespit edebilirsiniz.

Veya tersine, radyoaktif bozulma sonucunda ortaya çıkan elementten kaç tane atom olduğunu da sayabilirsiniz. Bazı izotoplar sadece radyoaktif bozulmayla elde edilebildiği için, başlangıçta kaç atom olduğunu bilmenize bile lüzum kalmaz.

Yeryüzünün çeşitli yerlerinden toplanan kayaların ve göktaşlarının radyometrik analizle incelenmesi sonucunda, Dünya’nın milyarlarca yıllık bir tarihi olduğu artık oybirliğiyle kabul edilmiş durumda. Ay’dan getirilen taş numuneleri de bu sonucu destekledi. Böylece konu kapandı, tartışma bitirildi. Artık Dünya’nın gözlenen jeolojik ve biyolojik süreçlere bol bol fırsat verebilecek kadar yaşlı olduğunu biliyoruz. Hatta, Dünya tarihinde birçok kitlesel yokolma yaşandığını (dinozorlarınki bunlardan sadece bir tanesiydi), ve hayatın bu yokolmaların ardından tekrar tekrar çeşitlenip yayıldığını da biliyoruz.

Kim haklı çıktı?

Bilimsel tartışmalara bir boks maçı gibi bakarsak, Kelvin’in haksız olduğunu, jeolog ve biyologların ise öngörülü davranıp haklı çıktıklarını düşünebiliriz, ama bu yanlış bir değerlendirme olur. Bugünden geriye baktığımızda, Kelvin’in hakikaten bazı yanlış varsayımlarda bulunduğunu görüyoruz (aşağıda bunlardan bahsedeceğim), ama Kelvin daha sonra yapılacak keşifleri tahmin edemezdi. Zamanının fizik bilgisi (ki tamamına hakimdi) sınırları içinde çalışmak zorundaydı.

Kelvin çok daha önemli ve çığır açıcı bir iş yaptı: Temel fizik prensiplerini uygulayarak karmaşık bir sistemi basitleştirilmiş bir teorik model ile tasvir etti, ve modeli elindeki verilere göre ayarlayarak matematiksel bir sonuç elde etti. Neden olduğu tartışma jeologları da benzer yöntemler kullanmaya teşvik etti. Sonuç olarak bilimsel çalışmaların çıtasını yükseltmiş oldu, ki bu haklı veya haksız çıkmasından daha önemliydi.

Kelvin radyoaktiviteyi bilseydi fikri değişir miydi?

Olan biten bu kadar, ama yeri gelmişken, bilimsel tartışmaların bugünden geçmişe bakarak hikâye edilmesi hakkında da birkaç söz etmeye değer.

Bu tür tartışmalarda sık sık “efsane”ler yaratılır ve gerek ders kitaplarında, gerekse popüler kitaplarda tekrar tekrar anlatılırlar. Bu efsanelerden biri de, Kelvin döneminde bilinmeyen radyoaktivitenin yerküreyi ısıtacağını hesaba katarsak Kelvin’in tahminini düzeltebileceğimizi ve milyarlarca yıllık bir sonuç elde edeceğimizi söyler. Dünya’nın yaşı tartışmasını aktaran birçok kitapta bu ifadeyi görürsünüz.

Ancak, 1986’da jeolog Frank M. Richter (Richter ölçeğinin isim babası olan değil) bu efsanenin yanlışlığını gösterdi. Richter, dünyadaki bütün radyoaktif elementlerin yerküreye düzgün olarak dağıldığını varsayarak Kelvin’in hesabını tekrarladı. Elde ettiği sonuca göre, radyoaktivite Kelvin’in yüz milyon yıllık tahminini sadece önemsiz bir miktarda değiştirebilirdi.

Yani Kelvin radyoaktif elementler hakkında bugünkü bilgimize sahip olsaydı da tahminini değiştirmezdi.

Zaten Kelvin radyoaktiviteden habersiz değildi. Ömrünün sonuna kadar yeni keşifleri takip etti. Ünlü atom fizikçisi Ernest Rutherford, radyoaktif atomların parçalanmasıyla, atom içinde saklı enerjinin açığa çıktığını ilk keşfedenlerdendi. 1904’de, Kelvin’in de katıldığı bir toplantıda bazı güncel sonuçları sundu. Rutherford o günü şöyle aktarıyor:

“Loş odaya girdiğimde, dinleyiciler arasında Lord Kelvin’i hemen farkettim ve Dünya’nın yaşına dair konuşmamın son kısmındaki, onunla çelişen görüşlerim yüzünden başıma iş açılacağını idrak ettim. Derin uykuya dalmasıyla rahatladım ama önemli noktaya geldiğimde ihtiyar kuş doğruldu, bir gözünü açtı ve bana kötü bir bakış fırlattı! Ani bir ilhamla, Lord Kelvin’in yeni bir ısı kaynağı keşfedilmemesi şartıyla Dünya’nın yaşını belirlediğini söyledim. Bu kehânet bugün konuştuğumuz konuyla, radyumla ilgili. Ve gördüm ki ihtiyar delikanlı bana gülümsedi.”

Doğru cevabın radyoaktivitede gizli olduğuna dair efsane, Rutherford’un sık sık aktarılan bu anısından kaynaklanmış gibi görünüyor.

Ancak Kelvin radyoaktiviteden haberdar olduktan sonra hesaplarını baştan yapmadı. Dünya’daki radyoaktif malzemenin Dünya’yı ısıtmakta yeterli olmadığını savundu. O zamanki bilgiler çerçevesinde haklıydı. Radyum hem çok nadirdir, hem de yarı ömrü sadece 1600 yıldır, milyonlarca yılın yanında bir göz açıp kapama süresi. Uranyum ve toryum gibi daha uzun yarı ömürlü ve daha yaygın, dolayısıyla yeryüzünü ısıtmakta daha fazla rol oynayan elementler daha sonra keşfedildi. Öte yandan, Richter’in gösterdiği gibi, bütün radyoaktif malzeme bile Dünya’yı yeterince ısıtmaya yetmeyecektir zaten.

Peki Kelvin’in yanlışı burada değilse neredeydi?

Hatalı varsayım

Kelvin’in asıl hatası yerküreyi kaldırım taşı gibi tekdüze bir cisim olarak ele almasıydı. Bugün biliyoruz ki, yerkabuğunun altında çok kalın bir manto tabakası mevcut. Bu manto tabakasında bulunan malzeme çok koyu bir sıvı gibi, uzun zaman ölçeklerinde akar ve hareket eder. Merkezdeki yüksek sıcaklık sebebiyle mantodaki magma, bir tencerede ısınan süt gibi yukarıya doğru yükselir, yerkabuğuna gelince daha yükselecek yeri kalmadığı için yanlara döner, ve tekrar aşağı iner. Yerkabuğu plakalarını hareket ettiren, depremlere sebep olan mekanizma da budur.

Magmanın aşağı yukarı hareketi mantoyu karıştırır, ve manto içinde sıcaklığın düzgün dağılmasını sağlar.

Kelvin ısı iletiminin bu karışmayla sağlanabileceğini hesaplarına dahil etmemişti, o yüzden onun matematiksel modelinde sıcaklık Dünya’nın merkezinden dışına doğru düzenli olarak azalıyordu. Ama eğer yerkabuğunun altındaki malzeme sürekli karışıyorsa, çekirdek ile yerkabuğu arasındaki derinliklerde sıcaklık değişmemeliydi. Bu da işleri çok değiştirebilirdi.

Bu durumu incelemeyi Kelvin’in eski asistanlarından John Perry akıl etti. Perry, Kelvin ile aynı verileri kullanarak gerekli hesaplamaları yaptığında Dünya’nın iki milyar yaşında olmasının mümkün olduğu sonucuna vardı. Sonuçlarını 1895’de Nature dergisinde yayınladı.

Perry’nin yeni hesabı ve eleştirisi çok önemli idi, ama döneminde fazla ses getirmedi ve sonradan unutuldu. Jeologların çoğu basitleştirilmiş matematiksel modellere sırt çeviriyordu; onlara göre jeoloji bu tür modellerle açıklanamayacak kadar karmaşıktı. Bu yüzden Perry’nin çalışması jeologlara ulaşamadı.

Perry’nin hesabı fizikçiler arasında da yankı uyandıramadı. Yerkürenin içinin yumuşak ve akışkan bir malzemeyle dolu olması Kelvin’in aklına yatmadı. Kelvin büyük bir otorite olduğundan, onun bir fikre inanmaması başkalarının da inanmaması için yeterli bir sebepti.

Kelvin elbette Perry’nin varsayımını körcesine değil, bilimsel sebeplerle reddetti. Perry karşı argümanlar sunsa da Kelvin’in fikri değişmedi. Kelvin muhafazakârca inatçılık mı yapıyordu, yoksa Perry’yi ikna edici bulmuyor muydu, orasını bilemiyoruz.

Bilinen şu: Dünya’nın yaşı tartışması, jeologların Kelvin’in hesabında bir yanlışlık bulmaları ile sona ermedi. Apayrı bir yönden gelen bir keşif sayesinde değişik bir tarihlendirme yöntemi geliştirildi, ondan sonra da Kelvin’in hesabının nerede yanlış olduğunun önemi kalmadı. Yorgan gitti ve kavga bitti. Gavroğlu’nun yazdığı gibi “Bilimsel tartışmaların karakteristik özelliği, hiç bir tartışmanın “açık” şekilde sonuçlanmamasıdır“.

Bilim kendini düzeltir ve gerçek eninde sonunda ortaya çıkar, ama bu kendini düzeltme mekanizması her zaman soğukkanlı değerlendirmeler sonucunda haklı olanın tezinin kabul edilmesi şeklinde çalışmaz. Bilginin sınırında çalıştığınızda belirsizlikler çoktur ve kimin haklı kimin haksız olduğunu anlamak o kadar kolay değildir.

Max Planck’ın sözleri ister istemez akla geliyor:

“Yeni bir bilimsel gerçek, muhaliflerini ikna edip doğruyu görmelerini sağlayarak değil, bu muhaliflerin eninde sonunda ölüp, o gerçeğe alışık olan yeni bir neslin gelmesiyle kabul edilir.”

Kaynaklar

• John N. Bahcall, How the Sun Shines. Nobelprize.org
• P. England, P. Molnar, F. Richter, John Perry’s neglected critique of Kelvin’s age for the Earth: A missed opportunity in geodynamics. GSA Today, v.17, no.1, 2007.
• Kostas Gavroğlu, Bilimlerin Geçmişinden Tarih Üretmek. İletişim Yay. 2006.
• Hal Hellman, Büyük Çekişmeler. TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2008.
• Ioan James, Remarkable Physicists. Cambridge, 2004.
• Frank M. Richter , Kelvin and the Age of the Earth , The Journal of Geology, Vol. 94, No. 3 (May, 1986), pp. 395-401
• B. Williams vd., A Very Deep Question: Just How Old is Earth?
• Carl Zimmer, A Hot Young Earth: My Answer to the Annual Edge Question.
• Carl Zimmer, Evolution: The Triumph of an Idea. Harper-Collins, 2001.