Buz Neden Kaygan: İki Yüz Yıllık Yanlış Cevap

Bölüm metni

Buzda kayıyorsun ama aynı pürüzsüzlükteki camda kaymıyorsun. Okul kitabının cevabı hazır: ağırlığın basıncı buzu eritir, üstünde ince bir su filmi oluşur. O cevap yanlış — ve iki yüz yıl sonra kimse doğrusunda hâlâ anlaşamıyor.

Buzdolabından çıkardığınız iki buz küpünü avucunuzda birkaç saniye tutun, sonra birbirine bastırın. Elinizi açtığınızda tek bir parça bulursunuz. Yapıştırıcı yok, ısı yok, hiçbir şey yok. Sadece iki soğuk kütle, dokundukları yerde birbirine kaynamış. Bu küçük mutfak hilesi, 1850'de Londra'daki Royal Institution'da, yani Kraliyet Kurumu'nda bir salon dolusu dinleyicinin önünde gösterildiğinde, 19. yüzyılın en inatçı bilimsel tartışmalarından birini başlattı. Gösteriyi yapan adam Michael Faraday'dı ve o sırada hiçbiri bilmiyordu ki bu basit numara, çok daha gündelik bir sorunun kapısını aralıyordu: Buz neden kaygandır?

Faraday, elektromanyetizma üzerine yaptığı çalışmalarla zaten dönemin en ünlü deneycisiydi. Ama onu buza çeken şey, büyük bir kuram değil, bir inatçılıktı. Sıradan görünen bir olayın içinde bir tuhaflık sezdiğinde peşini bırakmazdı. İki buz parçasının birbirine yapışmasını ilk kez 1842'de not etmişti. Yıllar boyunca aynı deneyi defalarca tekrarladı, her seferinde bir değişken ekleyerek. Buz parçalarını suyun altına soktu. Donma noktasının altındaki havada denedi. Yüzeylerini yan yan kaydırarak temas ettirdi. Sonuç hep aynıydı: dokundukları an birleşiyorlardı.

Faraday'ın bundan çıkardığı sonuç, dönemi için neredeyse kışkırtıcıydı. Ona göre buzun yüzeyi, sıfır derecenin epeyce altında bile, kuru ve katı değildi. Buzu çok ince bir sıvı film kaplıyordu. Katı buz kütlesiyle havanın arasında, kalınlığı gözle görülemeyecek kadar küçük bir ara bölge vardı; orada su molekülleri ne tam donmuş ne de tam akışkandı. İki buz parçası birbirine değdiğinde bu iki film birleşiyor, sandviçin ortasında kalan su artık iki yandan da buzla çevrildiği için kristalleşmeye zorlanıyor ve anında donup iki parçayı birbirine perçinliyordu.

Bu fikrin radikal yanını görmek için 19. yüzyılın kafasıyla düşünmek gerekiyor. O dönemde bir maddenin katı mı sıvı mı olduğu, sıcaklığa bakılarak söylenirdi. Sıfırın altındaysa buzdur, üstündeyse sudur. Faraday ise bir cismin içinin katı, dış yüzeyinin ise kısmen sıvı olabileceğini, üstelik bunun bir istisna değil kural olabileceğini söylüyordu. Elinde bu filmi ölçecek hiçbir alet yoktu. Kalınlığının ne olduğunu, hangi sıcaklıkta ortaya çıktığını, nasıl davrandığını bilmiyordu. Tek dayanağı, yapışan buz parçalarıydı ve suyun donma noktasının altında sıvı kalabildiğini gösteren aşırı soğutma deneyleriydi.

Faraday'ın kafasındaki soru aslında daha genişti. Çünkü buzun tuhaflığı, iki parçanın yapışmasıyla sınırlı değil. Buz, insanın karşılaştığı neredeyse tek kaygan katıdır. Cam pürüzsüzdür ama kaygan değildir. Cilalı mermer pürüzsüzdür, ıslanmadıkça üzerinde kayamazsınız. Metal bir levha aynanın yüzeyi kadar düzgün işlenebilir, yine de ayakkabınız tutar. Buz ise hiçbir özel hazırlık gerektirmez. Donmuş bir su birikintisinin üzerine basmanız yeter. Ve buzun kayganlığı o kadar güvenilirdir ki insanlık bunun üstüne bütün bir spor kültürü kurmuştur: paten, kızak, kayak, kaymak taşıyla oynanan buz oyunları. Her kış her kaldırımda tekrar tekrar karşımıza çıkan, çocukların bile bildiği bir olgu.

Ama bilinmek ile açıklanabilmek aynı şey değil. Faraday'ın yüzey filmi fikri ortaya atıldığında, bu olguyu açıklamak için çok daha şık, çok daha matematiksel, çok daha ikna edici görünen bir rakip hazırdı. O rakip neredeyse hemen kazandı ve kazandığı yerde yüz elli yıldan uzun süre kaldı. Okul kitaplarına girdi, ansiklopedilere girdi, televizyon programlarına girdi. Bugün bile bir mühendise ya da kimyacıya buzun neden kaygan olduğunu sorsanız, büyük ihtimalle o cevabı duyarsınız.

Sorun şu ki o cevap yanlış.

Rakip fikrin mimarı, aynı yıllarda çalışan İrlandalı bir mühendisti: James Thomson. Daha çok kardeşinin adıyla tanınır; kardeşi William Thomson, yani sonradan Lord Kelvin unvanını alacak olan adam, mutlak sıcaklık ölçeğinin kurucusudur. James Thomson 1850'de, basıncın suyun donma noktasını nasıl değiştireceğini termodinamik ilkelerden yola çıkarak hesapladı ve kardeşi bu hesabı deneyle doğruladı.

Thomson'ın gördüğü şey, suyun en bilinen tuhaflığından çıkıyordu. Neredeyse bütün maddeler donduğunda büzülür, katı hâli sıvı hâlinden yoğundur. Su tam tersini yapar. Buz, sudan daha hafiftir; bu yüzden göl donduğunda buz dibe çökmez, üstte yüzer ve altındaki canlıları korur. Şimdi bu tuhaflığın sonucunu düşünün: buzu sıkıştırdığınızda, onu daha az yer kaplayan hâle, yani sıvıya doğru itmiş olursunuz. Basınç, erime noktasını aşağı çeker. Yeterince bastırırsanız, sıfırın altındaki bir buz erimek zorunda kalır.

Bu ilkeyi patenciye uygulama fikri 1886'da, John Joly adlı bir araştırmacıdan geldi. Joly'nin akıl yürütmesi son derece ikna ediciydi. Bir patencinin bütün ağırlığı, bıçağın buza değdiği inanılmaz küçük bir alanda toplanır. Küçük alan, büyük basınç demektir. Joly hesabı yaptı ve 466 atmosfer gibi muazzam bir basınca ulaştı. Bu basınç altında buzun erime noktası eksi 3,5 dereceye iniyordu. Yani patenci, ağırlığıyla bıçağının altındaki buzu eritiyor, oluşan su filminin üzerinde kayıyor, geçtikten sonra basınç kalkınca su tekrar donuyordu. Buzun kayganlığı, kendi ağırlığınızla kendi altınızda açtığınız bir su kanalıydı.

Bu açıklamanın güzelliği, her şeyi tek bir zarif mekanizmaya bağlamasıydı. Faraday'ın gizemli filmine de gerek bırakmıyordu; iki buz parçası birbirine bastırıldığında temas noktalarında erime olur, bastırmayı bıraktığınızda orası tekrar donar, yapışma da böyle açıklanırdı. Nitekim James Thomson tam olarak bunu savundu ve Faraday'la aralarında, dönemin yayınlarına yansıyan sert bir tartışma çıktı. Faraday ömrünün sonuna kadar yüzey filminde ısrar etti, ama basınç açıklaması ortalığı süpürdü.

Çöküş, 1930'larda Cambridge'de başladı. Frank Bowden ve Terence Hughes adlı iki araştırmacı, sürtünme fiziğiyle uğraşırken Joly'nin hesabını yeniden yapmaya karar verdiler. Sonuç içler acısıydı. Erime noktasını yalnızca 1 derece düşürmek için yaklaşık 130 atmosfer basınç gerekiyordu. Bir patencinin bıçağı altında gerçekten oluşan basınç ise, bıçağın buza gömülmesi ve temas alanının hesaplandığından çok daha büyük olması nedeniyle, erime noktasını ancak birkaç ondalık derece aşağı çekebiliyordu.

Rakamlar tutmadığı gibi, gündelik gözlemler de tutmuyordu. Artistik buz pateni için ideal pist sıcaklığı yaklaşık eksi 5,5 derecedir; buz hokeyinde bu değer eksi 9 dereceye iner. Her ikisi de Joly'nin kendi hesabının izin verdiği sınırın altındadır. Yani basınç açıklaması doğru olsaydı, hokey oyuncuları kaymak yerine takırdayan bir zemine saplanıp kalırdı. Dahası, insanlar donmuş göllerde eksi 20, eksi 30 derecede de paten kayar ve buz hâlâ kaygandır.

Asıl öldürücü itiraz ise çok daha sıradan bir yerden geliyor. Buzlu kaldırımda düşen insan paten giymiyor. Ayakkabısının tabanı geniştir, basıncı düşüktür, buzun erime noktasını kayda değer biçimde değiştirmesi imkânsızdır. Üstelik buz, siz hiç hareket etmeden, hatta hiçbir şey basmadan da kaygandır. Buz oyunlarında kullanılan 20 kilo ağırlığındaki taş, geniş bir halka üzerinde buza oturur, basıncı bir patenci bıçağının yanında yok denecek kadar azdır, yine de buzun üzerinde metrelerce süzülür.

Bowden ve Hughes basınç açıklamasını yıktıktan sonra yerine kendi önerilerini koydular ve bunu sınamak için İsviçre Alpleri'nde 3346 metre yükseklikteki bir buz mağarasına gittiler; mağaranın sıcaklığı hiçbir zaman eksi 3 derecenin üzerine çıkmıyordu. Orada farklı malzemelerden yapılmış yüzeyleri buz üzerinde kaydırdılar ve ısıyı iyi ileten malzemelerin daha zor kaydığını gördüler. Vardıkları sonuç şuydu: buzu eriten şey basınç değil, sürtünmenin kendisidir. Kayan cisim buzu ısıtır, ısınan buz erir, erime kendi yağlayıcısını üretir.

Bu açıklama onlarca yıl boyunca basınç fikrinin yerini aldı ve kısmen doğrudur; yüksek hızlarda sürtünme ısısı gerçekten su üretir. Ama o da tek başına yetmiyor. Amsterdam Üniversitesi'nden Daniel Bonn'un sık dile getirdiği itiraz çok nettir: Sürtünme ısısıyla eritiyorsanız, arkanızda bıraktığınız buzu eritirsiniz, üstünde kaydığınız buzu değil. Film, siz oradan geçtikten sonra oluşur. Üstelik bu fikir test edilebilir bir öngörü doğurur: Hız arttıkça daha çok ısı, daha çok su, daha az sürtünme olmalıdır. Laboratuvarda mikroskobik ölçekte kurulmuş buz pistlerinde yapılan ölçümler bunu doğrulamadı. Ve hepsinden önemlisi: buz, hiç kimse üzerinde kaymıyorken de kaygandır.

İki yüzyıla yakın süren bu arayışın sonunda, hem basıncın hem sürtünme ısısının elendiği noktada, geriye tek bir aday kalmıştı. Faraday'ın görmeden tarif ettiği o film.

Faraday'ın haklı çıkması için ölçüm aletlerinin gelişmesi gerekti ve bu bir yüzyıldan uzun sürdü. 20. yüzyılın ikinci yarısında, buz yüzeyini bozmadan inceleyebilecek yöntemler birbiri ardına devreye girdi. Atomik kuvvet mikroskobuyla yapılan ölçümler, eksi 24 derecede buzun üzerinde yaklaşık 12 nanometre kalınlığında sıvı benzeri bir tabaka buldu; sıcaklık eksi 0,7 dereceye yükseldiğinde bu tabaka 70 nanometreye çıkıyordu. Aynı ölçümler, tabakanın yaklaşık eksi 33 derece civarında ortaya çıkmaya başladığını gösterdi. Yöntemler ve laboratuvarlar değiştikçe rakamlar oynadı, kimi zaman mertebelerce farklılaştı, ama temel bulgu her seferinde aynı kaldı: buzun yüzeyi, donma noktasının çok altında bile tam anlamıyla katı değil. Faraday'ın elinde hiçbir kanıt yokken savunduğu şey vardı.

Ancak bilimde haklı çıkmak, sorunun bittiği anlamına gelmiyor. Çünkü bu film, kayganlığı açıklamakta zorlanıyor. Birkaç nanometrelik bir sıvı tabaka, moleküler ölçekte inanılmaz incedir ve bu kalınlıkta su, bildiğimiz suya hiç benzemez; yüzeye öyle sıkı bağlanmıştır ki akmakta zorlanır. Böyle bir tabakanın bir patencinin altındaki yükü taşıyıp sürtünmeyi neredeyse sıfıra indirmesi beklenmez.

2018'de Mainz ve Amsterdam'daki araştırmacıların birlikte yürüttüğü bir çalışma, resmi inceltti. Ekip, çelik bir küreyi buz üzerinde eksi 100 dereceden sıfıra kadar uzanan bir sıcaklık aralığında, saniyede mikrometrelerden santimetrelere uzanan hızlarda kaydırdı ve aynı anda yüzeydeki molekülleri lazer tabanlı bir yöntemle gözledi. Çok düşük sıcaklıklarda buz hiç de kaygan değildi; sürtünme oldukça yüksekti. Kayganlık, yalnızca paten sporunun yapıldığı o dar sıcaklık aralığında ortaya çıkıyordu. Moleküler tarafta gördükleri de şuydu: buz yüzeyinde iki tür su molekülü var. Bir kısmı üç hidrojen bağıyla kristale sıkıca bağlı; bir kısmı ise yalnızca iki bağ kurabildiği için gevşek duruyor ve ısıl titreşimlerin etkisiyle yüzeyde sürekli yuvarlanıyor. Yani buzun yüzeyinde bir su gölcüğü değil, minik bilyeler gibi davranan hareketli bir molekül topluluğu var. Sıcaklık arttıkça gevşek moleküllerin oranı artıyor, yüzey kolay kayan bir hâle geliyor.

Ve 2025'te, Almanya'daki Saarland Üniversitesi'nden Achraf Atila, Sergey Sukhomlinov ve Martin Müser, bilgisayar benzetimleriyle resme bambaşka bir katman ekledi. Bir cismin buz üzerinde kaymasını atom atom modellediklerinde, yüzeyde oluşan yağlayıcı tabakanın ısıyla erimediğini gördüler. Kayan cisim, temas noktalarında buz kristalini mekanik olarak parçalıyordu. Su moleküllerinin elektriksel yönelimleri karşı yüzeyle uyuşmadığında, kristalin düzenli örgüsü yerinden oynuyor ve yüzey, erimeden önce düzensizleşiyordu. Fizikçilerin amorflaşma dediği şey bu: maddenin katı kalıp kristal düzenini kaybetmesi. Oluşan düzensiz tabaka, yapı olarak aşırı soğutulmuş suya benziyordu ve kayma için gereken direnci düşürüyordu.

Bu mekanizmanın en çarpıcı yanı, sıcaklığa değil mesafeye bağlı olması. Tabakanın kalınlığı, kayılan yolun kareköküyle birlikte büyüyordu; yani onu kalınlaştıran şey ısı birikimi değil, yer değiştirmenin kendisi. Sonuç olarak buz, termodinamik anlamda erimesinin mümkün olmadığı sıcaklıklarda bile kendi yağlayıcısını üretebiliyor. Araştırmacıların hesabına göre, kayma başladıktan kısa bir süre sonra bu düzensiz tabaka, yüzeyde zaten var olan ince filmden belirgin biçimde kalınlaşıyor; yani Faraday'ın filmi işi başlatıyor ama devamını getiren o değil.

Burada dürüst olmak gerekiyor: bu son halka henüz tartışmalı. Benzetimlerin önemli bir kısıtı var; bilgisayarda modellenebilen kayma hızları, gerçek bir patencininkinden kat kat yüksek. Madrid'de çalışan Luis MacDowell gibi bazı araştırmacılar, amorflaşmanın yalnızca bu yapay yüksek hızlarda ortaya çıktığını, gerçek koşullarda belirleyici olmadığını düşünüyor. Daniel Bonn ise buradaki ayrımın büyük ölçüde terminolojik olduğu, kendi ekibinin tarif ettiği moleküler hareketlilikle amorflaşmanın aynı olgunun iki anlatımı olabileceği görüşünde; Saarland ekibi bunun iki ayrı mekanizma olduğunda ısrar ediyor. Bir üçüncü ihtimal de masada duruyor: bütün mekanizmaların aynı anda, farklı sıcaklıklarda ve hızlarda farklı ağırlıklarla çalışıyor olması.

Bu tabloda şaşırtıcı olan, cevabın henüz netleşmemiş olması değil. Şaşırtıcı olan, sorunun ne kadar sıradan olduğu. Buz, insanlığın binlerce yıldır üzerinde yürüdüğü, kaydığı, düştüğü bir madde. Faraday iki buz küpünü birbirine bastırdığından bu yana neredeyse iki yüzyıl geçti; aradan termodinamik, kuantum mekaniği, atom altı fizik, moleküler benzetim geçti. Ve hâlâ, bir kış sabahı kaldırımda ayağınızın neden kaydığını moleküler düzeyde tam olarak açıklayabilmiş değiliz.

Bilimin ilerleyişi hakkında alışılmış hikâye şudur: bilinmeyen uzaktadır, derindedir, pahalı aletlerin ucundadır. Oysa bazen bilinmeyen tam ayağınızın altındadır ve orada durduğunu kimse fark etmez; çünkü herkesin ezbere bildiği bir cevap vardır ve o cevap yanlıştır. Buzun kayganlığı, iki yüz yıl boyunca doğru sanılmış bir açıklamanın, yanlış olduğu anlaşıldıktan sonra bile ders kitaplarından çıkmakta nasıl zorlandığının kaydıdır. Faraday'ın gördüğü o ince film, görülmesi değil, inanılması zor olan şeydi.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.