Enerji, evrende akmayı bitirdiğinde, hareketsizlik ve ölüm gelecek

Entropi, hemen söylemek gerekirse bir fiziksel sistemin ne kadar düzenlenmemiş olduğunu gösteren niceliksel bir ölçüdür. Kısaca, entropi. dağınıklığın ölçüsüdür. Termodinamiğin İkinci Yasası, kapalı bir fiziksel sistemde entropinin daima artacağını söylüyor.

Yani büyükçe bir kutuya koyup kapatacağınız bir kedinin ya da bir papatyanın düzenli moleküler yapısı, bir süre sonra düzensiz bir moleküler yapıya dönüşmek zorundadır (bu durumun başka bir adı da ölüm ve çürümedir).

Şimdi daha ılıman bir deney yapalım: Bir cam kavonoz alıp onu belli bir oranda tuzla dolduralım. Sonra tuzun üstüne kavanozun yarısına kadar dolduracak biçimde karabiber ekleyelim. Kavanozun kapağını kapatıp uzaktan bakalım.

Karşımızda Beşiktaş formasına benzer siyah beyaz bir görüntü oluşmuştur.

Şimdi kavanozu şiddetli bir biçimde çalkalayalım. Sonuç, tuz ve karabiberin biribirlerine karıştıkları gri bir karışımdır. Kavanozu ne kadar sallarsak sallayalım, eski Beşiktaş forma renklerine dönmemiz olası değildir.

Kavanozu sallamadan önceki karışım artık kaybolmuştur ve ortaya düzensiz bir yapı çıkmıştır.

Düzensiz bir yapı bir sistemin en çok olası durumlarından biridir.

Tarihsel gelişim

19. yüzyılın başında İngiliz sanayisi Avrupa’daki en gelişmiş sanayiydi. Sadi Carnot adlı Fransız mühendisi, eğer İngiliz buharlı makinelerinden daha verimli bir makine yaparsa Fransa’nın İngiltere karşısındaki gerilemesini durduracağına inanıyordu.

Buharlı makineler, suyun ısıtılıp buhar haline getirilerek bu buharın bir mekanizmayı çalıştırması şeklinde bir iş üretiyordu.

Ancak çok büyük miktarda verilen ısı karşılığında, makine insanlara küçük bir iş yapabiliyordu (verimlilik İngiliz makinelerinde bile 1/20 oranındaydı). O zamanlar, buhar üreten kazanın ısısının yükseltilmesiyle verimin artırılabileceğine inanılıyordu.

Tersi düşünce

Carnot ise yaptığı çalışmalar sonucunda makinelerin, sürtünme kuvvetinin tersine davrandığını farketti.

Doğada, sürtünmenin olduğu yerde hep ısı açığa çıkıyordu (sürtünme kuvveti mekanik enerjiyi ısıya dönüştürüyordu), ama makinelerde bu süreç tersine işliyordu ve ısı verildiğinde iş elde ediliyordu.

Sonra Carnot şunu da bulmuştu: Makinenin verimli çalışması için sadece kazanın ısıtılmasına değil, buhar kazanıyla soğutucusu arasındaki ısı farkına gereksinim vardır.

Carnot, vardığı sonucu şu şekilde dile getirmişti: "İtici gücü ortaya çıkarmak için sadece ısı üretmek yetmez, aynı zamanda soğuk da gereklidir; onsuz ısı bir işe yaramaz."

Termodinamiğin birinci yasası

Carnot’un verimli yaşamı ne yazık ki 36 yaşında (1832) kolera yüzünden sonlandı. Yazdığı kitaplar ve kişisel eşyaları da yakıldı. Carnot’la ilgili geride çok bişeyler kalmasa da kalanlar Rudolf Clausius’a (1822-1888) yetti.

Babası Protestan rahibi olan Clausius, ısının doğasını ortaya çıkarmaya kararlı bir Alman bilimadamıydı. Clausius’a göre ısı, başka türlere dönüşebilen bir enerji türüydü.

Peki buharlı bir makinenin kazanındaki ısı neden tamamen işe dönüşmüyor, makinenin verimi hep çok küçük değerler alıyordu?

Peki işten arta kalan enerji nereye gidiyordu?

Clausius, buharlı makineler üzerinde yaptığı ölçümler sonucunda aradığı yanıtı buldu: Buharlı makinelerde sıcak kazanın içine giren toplam ısı enerjisi, pistonlar tarafından yapılan iş ile boşa giden ısı enerjisinin (sürtünme ve yalıtımla ilgili kayıplar) toplamına eşittir.

Üstelik aynı durum canlılar için de geçerliydi: Toplam girdi, yararlı ve yararsız çıktıların toplamına eşitti. Buradan yola çıkan Clausius, evrenin enerjisinin sabit olması gerektiği sonucuna vardı; çünkü enerji, sadece (ısı ve mekanik enerji gibi) bir türden diğer türe dönüşüyordu...

Tersinmezlik

Clausius, Enerjinin Korunumu Yasası’nı bulduktan sonra 19.yy. doğa felsefecilerinin de dikkatini çeken tersinmez olayların üzerinde yoğunlaştı: Evrende iki tür süreç vardı, tersinir ve tersinmez süreçler.

Tersinir süreçler, boşlukta salınan bir sarkaç ya da alınan malın geri iadesi gibi süreçlerdi. Oysa tersinmez süreçlerde geriye dönüş yoktu. Örneğin insanlar doğup, büyüyüp ölüyorlardı, odun yanıp duman oluyordu, besinler bozuluyor, ısı hep sıcak ortamdan soğuk ortama doğru yayılıyordu...

Kimse çürümüş bir domatesin daldan yeni kopmuş hale geldiğini veya kırılan bir bardağın hiç kırılmamış duruma döndüğünü görmüyordu; kimse içilmiş bir sigaranın dumanının ve sigara yanarken ortaya çıkan ısının tekrar sigarayı oluşturmak için bir araya geldiğine tanık olmamıştı, yine yaşlı bir insan gençliğine dönemiyordu.

Yani tersinmez olaylarda bir zaman oku vardı ve bu ok hiç geriye gitmiyordu. İlginç olan diğer nokta da, fiziğin temeltaşlarından biri olan Newton’un hareket yasalarının geçmişle gelecek arasında bir ayrım yapmamasıydı...

Evrenin toplam entropisi hep artar

Clausius, gerek Newton Yasalarıyla, gerek Enerji Korunumu Yasasıyla ifade edilemeyen tersinmez süreçleri formüle edecek bir yol arıyordu artık.

Elinde iki olgu vardı: Birincisi, ısı hep sıcaktan soğuğa doğru akıyordu. İkincisi, sürütünme mekanik enerjiyi ısıya dönüştürüyordu.

Burada ilk durum bir sıcaklık değişimine, ikinci durumsa enerji değişimine karşılık geliyordu.

Sıcaklık değişimi ve enerji değişimine karşı gelen ve enerji korunumu gibi bir çeşit korunumu olan yeni bir terime gereksinim vardı belli ki.

Clausius, enerji sözcüğünden yola çıkarak bu yeni terime "entropi"dedi.

Bütün doğal değişiklikler (yani bir zorlama olmaksızın doğada kendiliğinden oluşan enerji ve sıcaklık değişiklikleri) entropideki pozitif değişimlere, doğal olmayan yani bir tür makine ile doğada zorla oluşturulan enerji ve sıcaklık değişimleri de entropideki negatif değişimlere karşı geldiği varsayımını yaptı.

Örneğin sıcak bir evden dışarı kaçan ısı entropiyi artıracaktır; buharlı bir makinenin yaptığı iş ya da buzdolabının çalışmasıysa entropiyi azaltacaktır.

Bundan sonra Clausius, entropi tanımlarına göre makineleri incelemeye başladı. Hesabı, aynı enerjinin korunumu gibi entropinin de korunacağını bulmaktı.

Ancak fizikçinin bu isteği gerçekleşmedi: Buharla çalışan makinelerde sıcak kazandan soğutucuya boşa akan ısıyla, sürtünme kuvveti yüzünden ortaya çıkan ısı (ki bunlar istemeden olduğundan pozitif entropi değişikliğine karşı geliyordu) her zaman makinenin pistonları tarafından işe dönüştürülen ısıdan (ki bu da negatif entropi değişimine karşı geliyordu) büyük oluyordu.

Yani bir makine daima ona verilen enerjinin çok daha küçük bir miktarını işe çevirme yeteneğine sahipti. Bu durumda da her zaman S=Entropi,

S(pozitif) > S(negatif) oluyordu. Entropi değişimi ise _S> 0 çıkıyordu.

Clausius, sürtünme engellenemediği ve ısı yalıtımı sağlanmadığı için ideal makinelerin (yakıtının %100’ünü işe dönüştüren makine) yapılamayacağını da anladı bu süreçte. Eğer böyle olsaydı entropi hiçbir zaman artmayacak ve insanların enerji sorunları da kalmayacaktı.

Evrende enerji dağılımı eşit değil

Clausius, ısı ve entropi açısından düşündüğünde torunlarımızın çok uzak torunlarının başlarına gelecek en acı gerçeği de görmüştü: Evrende enerji eşit şekilde dağılmamıştı. Galaksiler, yıldız sistemleri, canlılık vs. herbiri bir enerji kaynağıydı (topağıydı).

Bu enerji kaynakları üzerlerindeki enerjiyi evrene ısı olarak yayıyorlardı. Isı daima sıcaktan soğuğa doğru aktığına göre ve biz bunu makinelerle bile tersine çeviremediğimize göre (çünkü makinelere koyduğumuz yakıta karşı gelen enerji, onlardan aldığımız işe karşı gelen enerjiden her zaman büyüktür- ki tersi olsa enerji korunmazdı ve enerji üretme makineleri yapmamız olanaklı olurdu) bir zaman sonra bütün ısı kaynakları enerjilerini evrene yayacaklardı.

İşte tüm enerji evrenin her noktasına eşit şekilde dağıldığında, bir noktadan diğerine akacak enerji (ısı) olmayacağından dolayı, evrende hiçbir şey hareket etmeyecekti.

Bu da evrenin ısı ölümü anlamına gelecekti...

Zaten sonradan ruhbiliminden yola çıkan Freud da şöyle diyecektir: "Bütün hayatın amacı ölümdür."

Tabii okuduğunuz bu paragrafın hüzünlü bir şekilde bitmesine gönlüm elvermiyor. Ünlü felsefeci Kierkegaard da şöyle demiş: "İnsanın evrendeki yeri, insanın evrenden ne anladığıdır."

Isı ölümüne başka bir yanıt da daha sonra 1977’de Nobel Kimya ödülünü alan Ilya Prigogine’den gelecektir...

İkinci yasa ve gazlar

Termodinamiğin ikinci yasası aslında istatistiksel karakterli bir yasadır. Yasa, gazlara uygulandığında benzer sonuçlar ortaya çıkar: Şimdi Şekil 1’deki deneye bakalım: Şekilde birbirlerine bir boruyla bağlı olan ve içi bir gazla dolu olan A kabıyla, içi boş olan B kabı görülmektedir.

Bu eşit hacimli kaplar, ortasında vana olan bir boruyla birbirlerine bağlanmışlardır.

Burada A kabının içindeki gaz molekülleri kabın içinde gelişigüzel hareket etmekte ve kabın çeperleriyle birbirlerine çarpıp saçılmaktadır. Eğer vana açılırsa sağduyumuzun söyleyeceği gibi A kabının içindeki gazlar iki kaptaki gaz basıncı birbirlerine eşit oluncaya kadar B kabına akacaktır.

Deneyin incelenmesi

Şimdi olayı yakından inceleyelim: Başlangıçta vana açılır açılmaz, B kabında hiç gaz molekülü olmadığından, tamamen gelişigüzel hareket eden gaz taneciklerinin bazıları B kabına geçecektir.

Dikkat edilirse vana ilk açıldığı toplam sistemde bir düzen vardır, çünkü tam o anda A kabı gaz tanecikleriyle dolu, B kabı boştur. A kabının tanecikle dolu olmasının nedeni bizim söz konusu gazı A kabına doldurmuş olmamız yani toplam sistem üstünde bir iş yapmış olmamızdır...

B kabına geçen bir gaz taneceğinin de her zaman A kabına geçme olasılığı vardır ama bu olasılık A kabında bulunan ve sayıca çok üstün olan gaz taneciklerine göre çok çok küçüktür (Örneğin bu olasılık gerçekleşmiş bile olsa birim zamanda B’den A’ya bir tanecik geçiyorsa, A’dan B’ye bir milyar tanecik geçecektir).

Ancak zamanla A kabındaki gaz tanecikleri azalıp B kabındaki tanecikler artmaya başlayınca B kabından A kabına geçecek taneciklerin sayısı da artacaktır. Belli bir zaman sonra ise iki kaptaki tanecikler neredeyse eşit bir oranda diğer kaba geçme olasılığına sahip olacaklardır.

Bu durumda iki kaptaki tanecikler sayıldığında, kabaca birbirlerine çok yakın sayılar ortaya çıkacaktır. İşte bu son durum sistemin en olası durumudur artık ve bu durumda düzenden değil düzensizlikten söz edilebilir.

Düzensizlik ve olasılık

Sistemlerde en olası durumlar düzensizliğin en çok olduğu durumlara karşı gelir... Başka bir deyimle düzensizliğin en büyük olduğu durum, yani sistemin en olası durumu, enerji alış-verişinin de en az olduğu durumdur. Örneğe baktığımızda A ve B kabına tamamen dağılmış parçacıklar gerçekten de birbirleriyle diğer durumlara göre daha az etkileşeceklerdir.

Düzen, daima etkileşim ve enerji harcama gerektirir. Oysa bir sistemin en olası durumu enerji alış-verişinin en az olduğu durumdur. Dolayısıyla düzensizlik (entropi) doğrudan olasılığa bağlıdır.

Şimdi günlük yaşamdan bir örneğe bakalım ve evimizde kullandığımız eşyaları beş gün için yerlerine koymayarak entropinin artışına katkıda bulunalım:

Birinci gün ortalık dağınık gözükecektir. İkinci gün ortalık karışmış görünecektir... Beşinci günün sonunda ortalık çöplüğe dönecektir; sonuç, azami karmaşa ve ev halkıyla çatışmalar olacaktır herhalde; ayrıca aradığımız eşyaya zamanında ve hızlı bir biçimde ulaşamamak da cabası (düzensizliğin getirisi).

Entropiye inat yaşam

Bizler evde, işte, sokakta iş yapıp, yeni iyi/kötü düzenler kurdukça aslında entropiyi azaltırız.

Peki Termodinamiğin İkinci Yasası, entropi hep artar dediğine göre, en basitinden düzen demek olan yaşamın kendisi dünyada nasıl oluşmuştur?

Fizikçilerin buna yanıtı şudur: Evrenin herhangi bir noktasındaki entropi azalışı (düzen kurulması) toplam evren göz önüne alındığında oluşacak olan entropi artışından daima küçüktür. Yani entropinin azalışı daima yereldir.

Son söz olarak Termodinamik bilimcisi Ilya Prigogine’nin entropinin artışına getirdiği eleştiriyi belirtmek yararlı olacaktır.

Progogine’ye göre, düzen ile entropi birbirlerine karşıt kavramlar değildir ve düzen, özellikle entropi nedeniyle ortaya çıkmaktadır.

Gücünü diğer dalgalanmalara katan tek bir parçacık dalgalanması bütün sistemi yeni bir yapıda organize edebilecek şekilde güçlenebilir. İşte tam bu noktada determinist tanımlarlar çökerek sistem, yaratıcı bir formasyone geçebilir ve yeni yeni düzenler kurulabilir...

Ne diyelim, bekleyip göreceğiz...

Kaynaklar

Reif F, "İstatistik Fizik", Bilim

Pagels H.,"Kozmik Kod", Sarmal,1993

Guillen M. "Dünyayı Değiştiren Beş Denklem", Tübitak, 2001

Prigoogine İ.,Stengers I. "İz yayıncılık", 1998