BİLİM YÖNETİMİ KONFERANS 30 MEKANİZMANIN BİLİMSEL PARADİGMASI ÖRNEK : ELEKTRON VAKUM TÜPÜNÜN İCADI

1. BİLİM YÖNETİMİ KONFERANS30 MEKANİZMANIN BİLİMSEL PARADİGMASI ÖRNEK: ELEKTRON VAKUM TÜPÜNÜN İCADI FREDERICK BETZ PORTLAND DEVLET ÜNİVERSİTESİ

2. ÖRNEK: ELEKTRON VAKUM TÜPÜNÜN İCADI “Madde” bir fiziksel teknoloji olarak teknolojinin altında yatan fiziksel fenomen olmaktadır. “Fenomen” bir nesne veya bilimsel tanım ve açıklamaya müsait bir gözlemlenebilir bir gerçektir. Elektronik kontrol cihazı olan elektron vakum tüpü “vakumlu bir ortamda elektron transferi” fiziksel fenomeni üzerine temellenmiştir. Elektron tüpünün yirminci yüzyılın başlarında (19. yüzyıl fiziğine dayanarak) icat edilmesi elektroniğin mühendislik alanını olanaklı kılmıştır. Bilim , teknolojiden önce gelir. Öncelikle bilimsel deney - Plucker. Daha sonra bilimsel araç - Braun. Sonrasında da teknoloji – De Forest.

3. Julius Plucker (1801-1868) Elberfeld, Almanya’da dünyaya gelmiş Alman matematik ve fizikçisiydi. Bonn, Heidelberg ve Berlin üniversitelerinde okudu. 1828 yılında, Bonn üniversitesi’nde Matematik profesörü, daha sonra da 1847 yılında Fizik profesörü oldu. 1858’de, mıknatısın bir tüpün içinde alevlenen gazdaki elektrik boşalması ile hareketi üzerine araştırmasını yayınladı. Pumping air out of the glass enclosure Cathode Anode Voltage + Electron Path Voltage - Battery

4. 1867’de, Karl Ferdinand Braun bilimsel bir araç olarak katot tüpünü icat etti. Katot ışın tüpünde katot, anot ve buna ek oalrak katotu ısıtan bir ısıtıcı (elektronları katotun metalinden buharlaştıran) ve tüpün sonunda bir anotla birlikte florasan ekran bulunmaktadır. Anotun, katota göre pozitif voltajı, elektrik alanı içinde itilen elektronları çeker ve elektronlar florasan ekrana çarpar. Ekrana uygulanan etki ile, elektron florasan ekran üzerindeki ekrandan foton fırlatan bir atoma çarpar. Işık fotonunun fırlatılmasıyla enerji emmiş atom serbest kalır. Tüpün etrafındaki iki manyetik halka, elektron çubuğunu florasan ekran üzerindekiküçük bir spota odaklayabilir ve spotun yönünü halkalara uygulanan voltajın yönüne çevirebilir.

5. Yaklaşık 30 yıl sonra bir teknoloji uzmanı olan Lee de Forrest, bu fenomenin nasıl kullanılacağını buldu – elektronların vakum içerisindeki akışının bu doğal durumunun insan kullanımına yönelik olarak nasıl değiştirilebileceği. De Forest isimli mucit, negatif ve pozitif plakaların ortasına dikey olarak yerleştirilen küçük bir tel ızgara ekledi ve ızgara ile negatif plaka arasındaki düşük bir voltajın negatif ve pozitif plakalar arasındaki akımın büyüklüğü üzerinde önemli bir etkisi olduğunu buldu. İkinci Batarya (ızgaraya pozitif olur ise elektronları hızlandırır) (ızgaraya negatif olur ise elektronları yavaşlatır) (Hızlanma sinyal yükseltilmesi) (Yavaşlama sinyal küçültülmesi) Havayı camın içerisinden dışarıya pompalamak Voltaj+ Elektron Yolu Voltaj- Kontrol Izgarası Batarya Anotta okunan voltaj sinyalinin yüksekliği ızgaraya uygulanan sinyal boyutu ile kontrol edilebilmektedir – elektronik kontrol valfı.

6. Bu küçük ızgara voltajı daha büyük olan plaka akımını kontrol etmekteydi. Bu durum elektron vakum tüpünü, elektrik akımının akışını ve plakalar arasındaki yardımcı voltaj düşmesini kontrol eden bir çeşit “kontrol valfına” dönüştürmekteydi. Izgaradaki pozitif bir voltaj elektronları katottan anoda doğru daha da hızlandıracak, ızgaradaki negatif bir voltaj ise elektronların katottan anoda doğru akışını frenleyecektir. Pozitif voltajlar negatif olarak yüklenmiş elektronları uyaracak ve negatif voltajlar ise negatif olarak yüklenmiş elektronları geri püskürtecektir. De Forrest’in icadının faydası elektron vakum tüplerinin sinyalleri yükseltmek için kullanılması olmuştur. Tüpün ızgarasına uygulanan küçük bir sinyal anodun voltaj akışı üzerine hatasızca yansıtılacak ve böylece anottaki voltaj ızgaradaki voltajdan daha yüksek olduğunda sinyal yükseltilmiş olacaktır. Bu elektron tüpü, teknoloji için yeni bir işlevsel kapasite kazandırmıştır; elektrik sinyallerinin yükseltilmesi ve kontrol edilmesi. Öte yandan, iyi performansta bir yükseltme sağlanabilmesi için de Forest katot ısındıkça daha fazla elektron katottan “kaynayacağı” için katoda yakın konulacak bir elektrik ısıtıcısına ihtiyaç olduğunu ortaya çıkardı. Bu katot ısıtıcısı elektron tüpünün etkinliğini kanıtlamış oldu. Bir vakum tüpünün nasıl çalıştığının tanımlanması fenomenin mekanizmasının tanımı olmaktadır.

7. Lee De Forest (1873-1961) Lowa’da,USA,doğdu.1893’deYale üniversitesine geldi,1896’da master derecesini ve 1899 yılında doktora derecesini alarak mezun oldu.Doktora tezi radyo dalgaları üzerineydi. Ses şeridinibulduğu (şimdi İllinois Teknoloji Enstitüsünün bir bölümü olan) Amour Teknoloji Enstitüsüne katıldı.1908 yılında patent için başvurdu. Sonrasında, patentle ilgili iddialarda sahtekarlıkla itham edildi.Davayı kazandı fakat büyük avukat masraflarıyla neredeyse batmak üzereydi. Patentini 50,000 dolara AT&T’ye sattı. AT&T ilk pratik vakum lambasını üretti ve bunları uzun mesafe telefon konuşmalarını genişletmek için elektrik devresinde kullandı.

8. MEKANİZMANIN BİLİMSEL PARADİGMASI • Modern bilimde, bütün fiziksel fenomenler mekanizmalar olarak tarif edilir. • Bu aşamada, mekanizmanın bilimsel paradigması kavramını incelemekteyiz. • ‘Paradigma’ terimi bilim felsefecisi Thomas Kuhn tarafından popüler hale getirilmiştir. Kuhn, herhangi bir bilim dalının, o bilim dalının ‘paradigması’, yani dünyayı temsilen altında yatan bir çerçeveye sahip olduğunu vurgulamıştır. • Fizik ve kimya gibi fiziksel bilim dalları için paradigma dünyayı doğal mekanizmalar olarak tasvir etmektir. • Mekanizmanın paradigmasal kavramı karmaşıktır çünkü içinde pek çok fikir barındırır: • tanım için mekansal bir çerçeve, • hareket için kinetik bir çerçeve, • açıklama için dinamik bir çerçeve, • açıklama ölçekleri ve • nedensel tahmin.

9. Fiziksel Mekanizmanın Uzaydaki Yapısı Yer ve zaman, fiziksel nesnelerinbilimsel gösteriminde iki ana ideadır.Evrendeki tüm fiziksel nesnelerbirbirlerinden uzay ve zamanboyutunda ayrılırlar. Doğadaki iki fiziksel nesne uzayda aynı zamanda fakat farklı noktalarda olabilecekleri için farklı olarak tanımlanırlar. Uzay, nesnelerin doğada aynı zamanda nasıl var olabileceklerini açıklayan bir kavramdır. Uzayda bilimsel tanımlama yapılırken, matematiğin ‘analitik geometri’ konusunda yer alan geometri ve cebirden yararlanılır. Verilen bir uzayda gözlemlenen herhangi bir nesnenin pozisyonu, uzayın (X,Y,Z) referans boyutlarında (x,y,z) koordinat sayıları ile matematiksel olarak tanımlanabilir. Y NESNE Doğadaki fiziksel nesnelerin mekanistik gösteriminde ilk adım, pozisyonun tanımlanmasıdır. (x, y, z) y X x z Z

10. Mekanizmanın Kinematiği Nesneler uzayda doğal bir şekilde var olmanın yanısıra, zaman geçtikçe uzayda pozisyonlarını değiştirebilirler. Bu olayın mekanistik tanımlaması için, uzay boyutu tanımlamasına zaman boyutunun eklenmesi gerekir– dördüncü boyut olarak zaman. Uzay ve zaman birlikte tanımlayıcı kinematiğioluştururlar – uzayda hareket. Kinematik,uzaydaki değişimin zamansal sıralamasını gösteren bir kavramdır. t2 zamandaki NESNE (x2, y2, z2, t2) Y Nesnenin t1zamanından t2 zamanına gittiği yol t1 zamandaki NESNE (x1, y1, z1, t1) X Z

11. Mekanizmanın Kuvvet ve Enerji Dinamikleri • Mekanizmanın kinematiğinesnelerin uzaydaki hareketlerini tanımlar. Ancak nesnelerin uzaydaki hareketlerinin değişimine neden olan nedir? Hareketin değişimine neden olan kuvvettir.Hareket değişiminin açıklaması, bir mekanistik konusu olan ‘dinamik’tir. • Dinamiğin üç ana kanunu Newton tarafından aşağıdaki şekilde özetlenmiştir: • Uzayda hareket eden her nesne, bir kuvvet tarafından harekete geçirilene kadar aynı harekette kalmaya eğilimlidir. • Kuvvet nesneyi etkileyerek onun ivmesini kütlesi ile orantılı şekilde artırır: F=ma. • Her hareket için, eşit ve karşı bir tepki vardır • Mekanistik tanımlama için nasıl uzay-zaman boyutu gerekli ise, mekanistik açıklama için de kuvvet kavramı gereklidir. • Bir mekanizma şeklinde işleyen evrendeki tüm açıklamalar, evrendeki nesneler arasındaki kuvvetlerin tanımlanması yoluyla yapılır. DÜNYA (m) YERÇEKİMİ F=ma = gMm/r2 GÜNEŞ (M)

12. Dinamik, uzayda hareket eden nesnelerin kinematiklerindeki değişimleri kuvvetler aracılığıyla açıklar . Bir fiziksel mekanizmanın dinamiği,fenomenin uzaydaki ölçeğine bağlıdır – Makro sistemler için Newton Mekaniğivemikro sistemler için Quantum Mekaniği. Örneğin, bir elektronun atom çekirdeğinin etrafında dönmesi, güneşin etrafında yörüngede olan gezegenin Newton gösterimine benzerlik gösterir.Ancak bu kaba bir benzerliktir. Gezegenler katı nesneler olup, uzayda partikül hareketiile hereket ederler. Buna karşın, elektronlar elektromanyetik alan kaynağı olup, uzayda dalga hareketi ile hareket ederler.Mikroskopik düzeydeki dinamik, quantum mekaniği kanunlarına uyar. Kuvvet alanı (çekirdekle elektronları arasında değişen dalga/partikül fotonlarının oluşturduğu) elektronların atomik yörüngelerinde dalga hareketi yapmalarını sağlayacak dinamik bir etkileşim sağlar. DÜNYA (m) YERÇEKİMİ F=ma = gMm/r2 GÜNEŞ (M) Elektron Foton Atom Çekirdeği

13. Fizikteki dinamik konusunda, doğada farklı mekân boyutlarında işleyen farklı çeşitlerde kuvvetler olduğu bilinmektedir: 1. Yerçekimsel kuvvet - maddeyi bağlayıcıdır, 2. Elektromanyetik kuvvet - atom ve molekülleri bağlayıcıdır, 3. Zayıf nükleer kuvvet - nötron bozulması, 4. Güçlü nükleer kuvvet - nükleonları atomik çekirdek içine bağlar ayrıca atom-altı parçacık kuarklarını temel parçacıklara bağlar • Fiziksel mekanizmanın paradigmasının dört ana fikri şu şekildedir: • Mekânsal tanım, • Zamansal kinematikler, • Kuvvet ve enerji dinamikleri ve • Açıklama ölçekleri.

14. FİZİKSEL ÖLÇEK Fiziksel süreçler, bu mekaniktik resim içine çok, çok küçük mekânlardan yukarı çok, çok büyük ölçeklere doğru yansırlar. Bu fiziksel bilimin mikroskobik-makroskobik açıklama stratejisi olmaktadır. Buluşmamız gereken en küçük mekânda (atom-altı mekân) temel parçacıklar (protonlar, nötronlar, elektronlar, vs…) kuarklar ve gluonlar denilen küçük parçacıklardan oluşmaktadır. Protonlar etrafında dönen yüksek-enerjili elektronlar aslında protonların da küçük parçacıklar (kuarklar) içerdiğini göstermiştir. Bu, mekânın kuark-seviyesi ölçeği olmaktadır. Bir sonraki büyük ölçek elektronlar, protonlar, nötronlar, fotonlar ve onlardan oluşan atomlar ve atomların oluşturduğu modellerden oluşan mekânda mevcut evrenin temel parçacıklarıdır. Bu mekânın atomik-seviye ölçeği olmaktadır. Bir sonraki üst seviyede atomlar veya moleküller sıvı ya da katı yapılandırmalarda alanlar veya polimer yapılarında stabilize olurlar. Bu mekânın alan-seviye ölçeği olmaktadır. Bir sonraki üst seviyede maddenin yığınlar veya organizmalar olarak düzenlendiği mikroskobik seviyeyi bulmaktayız. Bu, mekanın hücresel-seviye ölçeği olmaktadır. Daha sonra, biz insanların dünya gezegeninde yaşadığımız mekanın makroskobik-seviyesi ve son olarak da bütün gözlemlenebilir evrenin bulunduğu mekanın astronomik-seviyesi gelmektedir.

15. TAHMİN Mekanizma paradigmasındaki kinematik, dinamik ve ölçek fikirlerinin en önemli noktası, fiziksel bir sistemin mekanik bir modelinin yapılabileceğidir. Modelin dinamikleri, sistemin önceki durumlardan sonraki durumlarının hesaplanmasına izin vermektedir – sistem kinematiklerinin tahmin edilmesi. Kuvvet ve enerji dinamikleri fiziksel sistemin durumlarını nedensel bir dizide birbirlerine bağlar. A ve B gibi iki olay arasındaki neden ve sonuç ilişkisi, eğer A gibi bir olayın meydana gelmesi kendisinden sonraki B gibi bir olaydan önce ve bu olayın meydana gelebilmesi için yeterli ve geçerli olması durumunda varolabilir. Doğal olayların tahmin edilebilmesi, fiziksel teorinin fiziksel olayları nedensel olarak ilişkili olduğuna dair bir açıklama sağlayabildiği takdirde mümkündür. Tahminde bulunma hem bilim hem de teknoloji için güçlü bir teknik olmaktadır.

16. Mekanizma Paradigmasının Özeti • Fiziksel ‘mekanizma’ paradigmasını birlikte oluşturan beş anahtar fikir şunlardır: • Mekânsal tanım, • Zamansal kinematikler, • Kuvvet ve enerji dinamikleri, • Açıklama ölçekleri, • Nedensel tahmin.

17. FİZİKSEL TEORİ Mekanizma paradigması modern fiziği olanaklı kılmaktadır. Fiziksel teori, herhangi bir teknolojinin bütün fiziksel morfolojisinin mekanizmalar şeklinde ifade edilmesine olanak tanır ve tahmin edilebilir bir teknoloji sayesinde doğanın değiştirilmesini mümkün kılar. Mekanizma paradigmasında, bütün teknolojilerin fiziksel vaziyetlerine yönelik bir genel teknoloji stratejisi bir ölçeklendirme stratejisi olarak (doğayı daha küçük veya büyük ölçeklerde daha iyi anlayarak teknolojinin iyileştirilmesi) tasarlanabilir. Bir mekânsal ölçekteki fiziksel fenomen fiziksel mekanizmalar aracılığıyla daha küçük bir fiziksel ölçekte açıklanabilir. Herhangi bir fiziksel teknolojinin iyileştirilmesi için genel bir teknoloji stratejisi, doğayı mekanik olarak daha küçük ölçeklerde anlamak olmaktadır.

18. ÖZET – MEKANİZMA OLARAK FİZİKSEL TEORİ Bilimin, doğanın keşfi ve anlaşılması üzerine meraklı bir faaliyet (sorgu) olabileceği tanımını yapmıştık. ‘Mekanizmanın’ bilimsel paradigmasının, fiziksel doğayı gözlemlemeye ve doğayı fiziksel mekanizmaların teorik gösterimleri olarak anlamaya yönelik perspektif sağladığını görebiliriz. Zihin ve madde felsefi ikiliğinde fiziksel mekanizmalar madde dünyasını (materyal) tanımlar ve açıklar. Fiziksel teori materyal doğasının mekanizma olarak – materyal doğanın tanımı, açıklaması ve tahmininden oluşan bir bilimsel gösterimini sunar.

19. BİLİMSEL META-DİL OLARAK PARADİGMALAR Bilimsel fiziksel teori doğal “şeylerin” fiziksel içeriklerini (semantik alanlarını) kesin doğrulukla tanımlamak için semantik olarak uzmanlaşmış dillerden oluşur. Bilim doğal “şeylerin” semantik alanlarındaki doğanın niceliğini ifade etmeye yönelik sözdizimsel olarak uzmanlaşmış bir dil olarak matematiği kullanır. Bilimsel mekanizma, paradigma (fiziksel doğanın -maddenin gösterimi için fiziğin meta-dili) olmaktadır.