Soğutarak ‘ısı’yı yükseltmek

Oysa ayrım basittir: ‘Sıcaklık’ dereceyle ölçtüğümüz şeydir, ‘ısı’ ise ölçülen şey, yani enerji.
Peki başlık ne anlama geliyor? Bir şeyi ‘soğutuyor’sak (yani sıcaklığını azaltıyorsak) onun ‘ısı’sının, yani enerjisinin de azalması gerekir öyle değil mi? Evet öyle.
Bir atomu alın. Onu soğuttunuz soğuttunuz, nereye kadar? Lise fizik derslerinden hatırlayacaksınız, ‘Mutlak Sıfır’ diye bir kavram var. ‘Isı’nın, yani enerjinin neredeyse sıfır olduğu bir ‘sıcaklık’ bu.
Lord Kelvin’in 1848’de Termodinamik Yasaları’ndan hareketle yaptığı hesapta bulduğu gibi, ‘Mutlak Sıfır’ eksi 273.15 derece santigrad. Buna ‘0 Kelvin’ deniyor.
0 K’ye yakın sıcaklıklarda atomların davranışları değişmeye başlıyor, kuantum mekaniği devreye giriyor. Mesela oda sıcaklığında saniyede 150 metre hızla hareket eden atomlar, 0 K’ye yaklaşınca çok yavaşlıyor, hızları saniyede 15 milimetreye kadar düşüyor.
Mesela İstanbul Üniversitesi’nin Fen Fakültesi’nde bulunan Kuantum Araştırmaları Labaratuvarında, deney saatlerinde deney aracının içinde sıcaklık 10 milikelvin’e kadar düşürülüyor, elektronlar neredeyse duruyor bu sıcaklıkta. Burası Ortadoğu ve Balkanların, kısmen Asya ve Avrupa’nın en soğuk noktası.
Ama daha soğuğu var: Münih’teki Ludwig Maximillian Üniversitesi’nin fizik labaratuvarı.
Buradan hafta içinde bir haber geldi. Fizikçiler, 0 K’nin altına, yani mutlak anlamda negatif sıcaklığa erişmişlerdi.
Ama eriştikleri bu noktada sıcaklık evet çok ama çok düşüktü fakat ‘ısı’ birden bire artmıştı. Hem de ne artmak, neredeyse sonsuz bir ‘ısı’ yani enerji.
Hah, kafanız karıştı değil mi? Çünkü tam burada benim de kafam karışıyor.
Burada biraz geri dönelim.
Termodinamik kanunlarının bize söylediğiyle gündelik hayattaki tecrübemiz aynıdır: Isı, sıcaktan soğuğa doğru ‘akar.’
Sıcaktan soğuğa akmak, aynı zamanda enerji harcamak demektir.
Bu kanun yüzünden Türkler ‘Erke Dönergeci’ni yapamadı mesela; herhangi bir sistemden, makinadan ona verdiğinizden daha fazla enerji alamazsınız, mutlaka daha az enerji alırsınız.
Ama Münih Üniversitesi’nin fizikçileri 0 K’nin altına, negatif sıcaklığa geçtiklerinde şunu görmüşler: Isı, soğuktan sıcağa doğru akıyor.
Yani, eğer sisteminizi 0 K’nin altına düşecek kadar soğutmayı başarırsanız, yüzde 100’den daha verimli enerjiyle çalışacak makinalarınız (biz ona ‘Erke Dönergeçi’ diyelim) olabilir.
Bu tabii şimdilik teorik bir olabilirlik. Çünkü atomlardan ve onların kuantum durumlarından söz ediyoruz. Dünyanın enerji sorununu çözmeye hala çok uzağız.
Ama burada ilginç bir durum var. Bilimciler, 0 K’den başlayıp sonu olmayan sıcaklık derecesini düz bir çizgi olarak düşünüyordu daha önce. Münih’te yapılan deney bize sıcaklık derecelendirme sistemimizin düz bir çizgi değil bir çember olduğunu gösteriyor. ‘Sonsuz’ denen sıcaklığı aştığınızda da, 0 K’nin altına düştüğünüzde de aynı yere varıyorsunuz: Negatif sıcaklık, sonsuz ısı. (Enerji.)
Bir başka ilginçlik daha var:
Termodinamiğin üçüncü kanunu bize bir sistemde enerji harcandıkça (ısı ‘sıcak’tan ‘soğuk’a transfer oldukça) ‘entropi’nin, yani düzensizliğin arttığını söyler. Sistemdeki enerji azaldıkça, yani 0 K’ye yaklaşıldıkça entropi de azalır.
İngiliz fizikçi Stephen Hawking, zamanın okunun hep ve sadece ileriyi göstermesini evrende entropinin artışıyla açıklar.
Münih’teki deneyde 0 K’nin altına düşülünce, atomların çevrelerindeki entropiyi soğurmaya başladığı gözlendi. (Acele etmeyin, zamanın okunun tersine dönüp dönmediğini bilmiyoruz.)
Münih’teki deneyin bize sunduğu imkanlardan bir başkası, bütün evrenin yüzde 70’ini oluşturduğu varsayılan ama gözlenemeyen ‘karanlık madde’ ve ‘karanlık enerji’yi anlamamıza yardımcı olma ihtimali.
Sanıyorum fizikte çok önemli ve ilginç bir kapı aralandı. Şimdi sıra o kapıyı ardına kadar açıp kapının arkasında neler olduğunu görmekte.