Carl Størmer: Kuzey Işıkları'nı Üçgenleyen Adam

1890'larda bir öğrenci, paltosunun altına sakladığı bir fotoğraf makinesiyle Kristiania (şimdi Oslo) sokaklarında yürüyor, izlendiklerinden habersiz yabancıların fotoğraflarını çekiyordu. Bu resimler günümüze ulaştı ve şaşırtıcılar; bunlar, Victoria dönemi modellerinin takındığı o yapay tavırlardan eser bulunmayan, yüz ifadelerinin doğal haliyle yakalandığı kentsel yaşamın ilk gerçek samimi görüntülerinden bazılarıdır. Fotoğrafçı Carl Størmer'di ve burada sergilenen içgüdü, tüm kariyerini tanımlayacaktı: Sabit durmayan bir şeye bir alet doğrult ve onu her şeye rağmen yakala. Önündeki elli yılını kuzey ışıkları (aurora borealis) üzerinde tam olarak bunu yaparak geçirecekti.

Skien ve Fikrini Değiştiren Bir Çocuk

Størmer, 1874'te Skien'de bir eczacı ailesinin çocuğu olarak dünyaya geldi. 1886'da ailesi, ona daha iyi bir eğitim sağlamak amacıyla Kristiania'ya (şimdiki Oslo) taşındı; bu, karşılığını fazlasıyla veren bir girişimdi. İlk ilgi alanları botanik ve astronomiydi. On altı yaşlarındayken ilgisi kalıcı olarak saf matematiğe kaydı ve bir daha asla oradan ayrılmadı.

1898'de adaylık derecesini aldıktan sonra Paris'e gitti ve Sorbonne'da Henri Poincaré ve Émile Picard'ın öğrencisi oldu; bu, Avrupa matematik dünyasının merkezinde geçen bir çıraklık dönemiydi ve bundan sonraki çalışmaları üzerinde çok büyük bir etkisi oldu. Poincaré'nin saplantısı, kapalı formda çözülemeyen dinamik sistemlerdeki yörüngelerin davranışıydı. Størmer'in hayat boyu sürecek çalışması da tam olarak bu tür bir problem olacaktı.

Saf Sayılar

İlk ününü sayı teorisyeni olarak kazandı ve Pell denklemi (Pell's equation) ile Machin türü π için hızla yakınsayan seriler üzerine çok sayıda yayın yaptı; bu tür özdeşlikler bilgisayarların verimli bir şekilde basamak çıkarmasını sağlayan türdendi ve kendi döneminde sabırlı bir insanın da aynı şeyi elle yapmasına olanak tanıyordu. 1903'te, yirmi dokuz yaşındayken, Kristiania Üniversitesi'nde Saf Matematik Profesörü olarak atandı. 1946 yılına kadar kırk üç yıl boyunca bu kürsüde görev yaptı.

Birkeland'ın Sorusu

Dönüm noktası bir meslektaşından geldi. 1896'da fizikçi Kristian Birkeland, manyetize edilmiş bir küreye yüklü parçacıklar ateşleyerek kutuplarının yakınında minyatür kutup ışıklarına benzeyen parlayan desenler oluşturan laboratuvar deneyleri yapmıştı. Birkeland'ın, kuzey ışıklarının uzaydan gelen ve Dünya'nın manyetik alanı tarafından kutup bölgelerine yönlendirilen yüklü parçacıklardan kaynaklandığına dair hipotezi doğruydu, ancak bu konu tartışmalıydı ve matematiksel olarak onun yeteneklerinin ötesindeydi. Størmer'den yardım istedi.

Størmer ona onlarca yılını verdi. Görev, bir manyetik dipol alanından geçen yüklü bir parçacığın yörüngesini hesaplamaktı; bu, genel bir kapalı form çözümü olmayan ve makineler icat edilmeden yarım asır önce elle yapılan zahmetli, adım adım sayısal entegrasyon gerektiren bir problemdi. Bu konuda en az kırk sekiz makale yayımladı. Çalışma, hangi parçacıkların Dünya'ya ulaştığını ve nereye ulaştığını belirledi, alanın yasaklı ve izin verilen bölgelerini haritalandırdı ve daha sonra kozmik ışın erişimini ve hapsolmuş radyasyon kuşaklarını anlamak için kullanılan teorik mekanizmayı oluşturdu. Tüm problem sınıfı bugün hala onun adını taşımaktadır.

Kutup Işıkları'nı Fotoğraflamak

Teori işin yarısıydı. 1909'dan itibaren Størmer sistematik olarak kutup ışıklarını fotoğraflamaya başladı ve burada ergenlik hobisi ile mesleki matematiği muhteşem bir etkiyle çarpıştı. "Saf bir matematikçi aynı zamanda hevesli bir amatör fotoğrafçı olduğunda ortaya ne çıkabilir?" diye yazmıştı.

Kutup ışıklarına ait mevcut fotoğraflar bulanıktı ve ölçüm için işe yaramazdı; hareket eden bir fenomen için pozlama süreleri çok uzundu. Størmer, optik sorununu Alman üretici Ernemann tarafından yapılan bir çocuk film kamerasından alınan küçük, hızlı bir lens takarak çözdü. İyileştirme o kadar belirleyiciydi ki, sonunda kendi tasarımına göre inşa edilen yaklaşık üç yüz kamera dünya çapındaki araştırmacılara dağıtıldı.

Ardından gözlemi endüstriyelleştirdi. Norveç genelinde, en az beş kilometre aralıklı ve telefonla birbirine bağlı istasyon ağları kurdu. Bir kutup ışığı belirdiğinde, farklı istasyonlardaki gözlemcilere aynı görüntüyü aynı anda fotoğraflamaları söylendi; her kare ayrıca sabit arka plan yıldızlarını da yakalıyordu. Bilinen bir referans yıldızına karşı bilinen bir taban çizgisi üzerindeki aynı nesnenin iki görüntüsüyle, kutup ışığının yüksekliği düzlem trigonometri problemi haline geliyordu; yani astronomideki en eski hile olan paralaks, daha önce sadece tahminle ölçülen bir şeye ilk kez titizlikle uygulanıyordu.

Kameraların Buldukları

Cevap, kutup ışığının on dokuzuncu yüzyıl gözlemcilerinin çoğunun varsaydığından çok daha yüksekte olduğu ve oldukça tutarlı olduğuydu: alt sınırı ortalama olarak yüzeyin 100 kilometre biraz üzerindeydi. Tam aralık, güneş ışığı alan kutup ışıkları için yaklaşık 71 kilometreden 1000 kilometreye kadar uzanıyordu; bu yükseklik, aşağıdaki yer karanlıktayken güneş ışığını yakalayacak kadar yüksekti.

Bu sayılar sadece bir meraktan ibaret değildi. Bunlar, Birkeland'ın teorisinin ve Størmer'in kendi yörünge hesaplamalarının ampirik testiydi; fenomeni üst atmosferin belirli bir katmanına sabitlediler ve ona dair herhangi bir fiziksel açıklamayı kısıtladılar. Størmer'in fotoğrafları, 1932-33 İkinci Uluslararası Kutup Yılı (International Polar Year) sırasında Kanada, Amerika Birleşik Devletleri, Britanya ve Hollanda'daki iş birlikçilere dağıtılan bir kutup ışığı atlasını besledi. 1957'de ölene kadar fotoğraf çekmeye devam etti. Görüntülerin çoğu kayboldu; Norveç Bilim ve Teknoloji Müzesi (Norwegian Museum of Science and Technology) birkaç yüz tanesini korumaktadır.

Carl Neden Dahi Olarak Adlandırılır?

Størmer'in farklılığı, aynı kişide neredeyse hiç görülmeyen iki şeyde eşit derecede etkileyici olmasıydı: çetin dinamiklerin elle hesaplanması ve işleyen bir gözlem sisteminin tasarımı. Yörünge hesaplamaları saf bir matematiksel dayanıklılık eylemiydi; doğrusal olmayan bir problemin elle yapılan sayısal entegrasyonu, kırk sekiz makale ve birkaç on yıl boyunca sürdürüldü ve tek bir aritmetik hatanın sonrasındaki her şeyi geçersiz kılacağı bir özen seviyesindeydi. Kutup ışığı ağı, bir mühendislik ve organizasyon eylemiydi: bir oyuncaktan alınan lens, bir telefon sistemi, bir taban çizgisi ve bir trigonometrik özdeşlik, gökyüzünü ölçebilecek bir enstrümanda birleştirildi. Aldığı onurlar bunu yansıtıyordu; Fridtjof Nansen Ödülü (Fridtjof Nansen Prize), Royal Society'ye (Royal Society) seçilmesi, Oxford, Kopenhag ve Sorbonne'dan fahri dereceler ve 1936'da Oslo'da toplandığında Uluslararası Matematikçiler Kongresi'nin (International Congress of Mathematicians) başkanlığı.

Karşı argümanın da açıkça belirtilmesi gerekir. Fiziksel içgörü Størmer'in değil, Birkeland'ınkiydi; soruyu soran ve teoriyi sağlayan Birkeland'dı, Størmer ise bunu uygulayabilecek matematikçi olarak devreye girdi. Størmer, dipol yörünge problemi için hiçbir zaman genel bir analitik çözüm üretmedi, çünkü böyle bir çözüm yoktur; sonuçları sayısal ve özeldir. Sayı teorisi devrimci olmaktan ziyade saygındır. Ve kutup ışığı başarısının büyük bir kısmı zekadan ziyade zanaattır: doğru lensi seçmek, istasyonları konumlandırmak, gözlemcileri eğitmek, telefon kayıtlarını düzgün tutmak, egzersizi Norveç kışlarının on yılları boyunca tekrarlamak. Bu, olağanüstü bir sabır ve organizasyon becerisidir ve bir içgörü olarak süslenmek yerine olduğu gibi tanımlanmalıdır. İki yarıyı birbirine bağlayan ve gerçek bir deha gibi görünen şey, herkesin bir gösteri olarak gördüğü fenomenin aslında ölçülebilir bir nesne olduğunu görebilme yargısı ve hangi ölçümün soruyu çözeceğini tam olarak bilmektir.

Miras

Størmer, Uluslararası Jeofizik Yılı'nın (International Geophysical Year) başladığı ve Sputnik'in (Sputnik) fırlatıldığı yıl olan 1957'de öldü; yani hayatını yerden üçgenleyerek geçirdiği üst atmosferin, artık içine cihazların gönderilebileceği bir yere dönüştüğü o anda. Ertesi yıl keşfedilen radyasyon kuşakları, tam olarak denklemlerinin tarif ettiği hapsolmuş parçacıklarla doluydu. Uyduları ve güç şebekelerini tehdit eden jeomanyetik fırtınaları tahmin eden modern uzay hava durumu fiziği, matematikçiye ihtiyaç duyan bir meslektaşı için elle inşa ettiği yörünge teorisine dayanmaktadır.