Evrenin Termodinamiği #2: Evrende Termodinamiği Aramak

Konuk Yazar 9 Aralık 2016 Bilim & Teknoloji Bir yorum bırakın

Evrende termodinamiği aramaya gerek yok, çünkü her yerdedir ve termodinamik yasalar, bize günlük yaşantımızda kim olduğumuzu söylerken, evreni de anlamamızı sağlar. Bu olgunun güçlendirilmesinde entropinin katkısı yadsınamaz ve entropinin bizlerde uyandırdığı izlenimi, elbette, yine termodinamik yasalarla elde ederiz. Evren ve termodinamik arasındaki ilişkiyi anlamlandırabilmek için termodinamik hakkında temel seviyede bilgi verilmesi gerekiyordu ve serinin önceki bölüm yazısında da okumuş olmalısınız. Günlük hayatımızdan başlayarak evrensel süreçlerde, termodinamiğin önemini bu bölümde yakalamaya çalışacağız. Bunu da, termodinamiğin en önemli özeliği olan entropi ile başaracağız.

Günlük Hayatta Entropi Üretimi

Entropi bir sistemdeki düzensizliğin ve karmaşanın bir ölçüsü olarak görülebilir. Benzer olarak entropi üretimi de bir değişim sırasında oluşan düzensizlik ve karmaşa olarak kabul edilebilir. Entropi kavramı günlük yaşamda yer bulabileceği halde, enerji kavramı kadar yaygın kullanılmamaktadır. Entropi kavramının teknik olmayan alanlara genişletilmesi yeni bir düşünce değildir. Birçok makalenin, hatta kitabın konusu olmuştur. Aşağıda sıkça karşılaşılan bazı olgular ele alınıp entropi ve entropi üretimiyle ilişkileri kurulmaya çalışılacaktır.

Verimli insanlar düşük entropide (oldukça düzenli) yaşarlar. Onlar için her şeyin yeri bellidir (en az kararsızlık) ve bir şeyi bulmak için en az enerjiyi harcarlar. Diğer yanda verimsiz insanlar, düzensiz ve yüksek entropili bir yaşam sürdürürler. Bulmak istedikleri bir şeyi dakikalarca ararlar ve arama işlemini düzenli bir biçimde yapmadıkları için büyük olasılıkla daha başka düzensizliklere yol açarlar. Yüksek entropili bir yaşam sürdürenler her zaman bir koşuşturma içindedirler. İyi bir raflama ve kataloglama düzeni bulunan bir kitaplığa düşük entropili bir kitaplık denilebilir. Benzer olarak kitapların raflara düzenli yerleştirilmediği ve katalog numaralama sisteminin olmadığı bir kitaplık da yüksek entropili bir kitaplıktır, çünkü oraya karmaşa egemendir. Aynı konuları işledikleri ve aynı bilgileri verdikleri için görünürde birbirinin aynı olan ders kitabı, konuları işleyiş biçimine göre birbirinden çok farklı olabilirler. Eşit miktarda yakıtla, biri diğerinin gittiği yolun yarısını giden, fakat görünürde birbirinin aynı olan iki araba eşdeğer sayılmaz. Benzer olarak, eğer bir kitaptan öğrenmek diğer kitaptan öğrenmek yanında iki kat daha fazla çaba gerektiriyorsa, görünürde aynı olan iki kitap eşdeğer sayılmaz. Böylece sadece birinci yasaya göre yapılan değerlendirmeler yanılgılara yol açabilir.

Fakat bazıları birinci yasaya göre düşünerek kitapların eşdeğer olduklarını, çünkü iki kitabın da yapı olarak birbirine eşit olduğunu savunacaktır. Ancak, gerçekçi bir yaklaşım için ikinci yasayı da göz önüne almak gerekmektedir. Düzensiz bir orduya (yüksek entropi) sahip olmak, orduya sahip olmamak demektir. Bir savaş sırasında baş hedeflerden birinin komuta merkezi olması rastlantı değildir. Amerika Birleşik Devletleri 50 ayrı ülke olsaydı, bu ülkelerden hiçbiri süper güç olamazdı. Eski bir deyim olan “böl ve ele geçir”, “entropiyi artır ve ele geçir” biçiminde de ifade edilebilir. Mekanik sürtünmenin entropi üretimine yol açtığı ve verimi düşürdüğü bilinen bir olgudur. Bu olguyu günlük yaşama uygulayabiliriz: Bir iş yerinde çalışanlar arasında sürtüşme, entropi üretimine ve verim düşüklüğüne yol açar. Umarız ki bir gün, teknik olmayan alanlardaki entropi üretimini sayısal olarak hesaplayacak yöntemler geliştirilir, entropi üretiminin ana kaynakları ve bunların büyüklükleri belirlenir.

Birden ve kısıtlamasız genişleme (veya patlama) ve kontrolsüz elektron değişimi (kimyasal reaksiyon) entropi üretirler ve tersinmezdirler. Benzer olarak ağızdan kısıtlama olmadan çıkan kızgın sözler de entropi üretirler ve onarımı olanaksız hasara yol açabilirler. Öfkeyle kalkan, entropiyle oturmayı göze almalıdır.

Toplam Entropi Her Zaman ve Her Yerde Artar

Boltzmann’ın ve diğer fizikçilerin çalışmaları, devridaim makinalarını iki kategoriye ayırarak özelliklerini netleştirdi: İlk gruba giren devridaim makinaları termodinamiğin birinci yasasına aykırı davranmaktadır; tükettiklerinden fazla enerji üretmektedirler. İkinci tür devridaim makinaları daha büyük bir ustalıkla inşa edilmiştir. Termodinamiğin birinci yasasına -enerjinin korunması- uyarlar, fakat ikinci yasaya aykırı davranırlar. Kuramsal olarak ikinci türden bir devridaim makinası hiçbir atık ısı üretmez, dolayısıyla %100 verimlidir. İkinci yasa böyle bir makinanın olanaksız olduğunu -atık ısının daima üretilmesi gerektiğini- dolayısıyla evrende düzensizliğin, kargaşanın veya entropinin daima artığını söyler. Bir makine ne kadar verimli olursa olsun daima biraz atık ısı üretecek, dolayısıyla evrenin entropisini yükseltecektir.

Toplam entropideki artış, yalnızca evrende değil, insanlık tarihinin kalbinde de yatmaktadır. İkinci yasaya göre yok etmek, inşa etmekten daha kolaydır. Yaratılması binlerce yıl süren bir şey, mesela Meksika’daki büyük Aztek İmparatorluğu, birkaç ay içinde yıkılabilir ve bir grup derbeder İspanyol istilacısı atları ve ateşli silahları ile gelerek bu imparatorluğu paramparça ettikleri zaman olan şey de budur. Ne zaman bir aynaya bakıp yeni bir kırışıklık veya yeni bir beyaz saç görseniz, o zaman ikinci yasanın etkilerini görüyorsunuzdur demektir. Biyologlar bize yaşlanmanın hücrelerimizde ve genlerimizdeki genetik hataların giderek birikmesi sonucunda ortaya çıktığını söyler, bu nedenle hücrenin işlevini yerine getirme yeteneği yavaş yavaş azalır. Yaşlanma, paslanma, çürüme, bozunma, dağılma ve çökme de ikinci yasa için verilebilecek örnekler arasında yer almaktadır.

İkinci yasa hakkında gökbilimci Arthur Eddington “öyle zannediyorum ki; entropinin sürekli olarak arttığı yolundaki yasa, doğa yasalarının en önünde yer almaktadır… Eğer kuramınız termodinamiğin ikinci yasası ile çelişiyorsa size hiçbir ümit vermem mümkün değildir; son derece küçük düşerek çökmesinden başka bir olasılık mevcut değildir” demişti. Bunların hepsi, daha derin bir soruyu gündeme getirmektedir: Her şeyden önce, termodinamiğin demir sağlamlığındaki yasaları neden geçerlidir? Yasaların ilk önerilişinden bu yana, bilim insanları bunu merak etmiştir. Eğer bu soruyu yanıtlayabilseydik, belki yasaların içinde boşluklar bulabilirdik, bu da sonuçları itibarıyla dünyayı temelinden sarsabilirdi.

Milyarlarca ışık yılı uzaklıkta, görülebilir evrenin sınırında bulunan uzak galaksilerden gelen yıldız ışığını incelediğimiz zaman, o ışığın perspektifinin (spektrum) Dünya üzerinde bulabileceğimiz perspektiflerle aynı olmaktadır. Dünya veya Güneş doğmadan milyarlarca yıl önce yola çıkmış eski ışığın içinde, bugün Dünya’da gördüğümüz hidrojen, helyum, karbon, neon ve buna benzer maddelerin perspektifi ile aynı belirgin parmak izlerini buluyoruz. Diğer bir deyişle, fiziğin bu temel kuralları milyarlarca yıldan bu yana değişmemiştir ve bu yasalar evrenin dış kenarlarında dahi aynıdır.

Bu durum, rahatsız edici bir soruyu gündeme getirmektedir: Eğer termodinamik yasalar zaman içinde değişmediği için enerji korunuyorsa, simetrinin çok ender karşılaşılan olağan dışı durumlarda bozulması olasılığı var mıdır? Eğer yasalarımızdaki bu simetri garip ve umulmayan yerlerde bozulacak olursa, enerjinin korunmasının kozmik bir ölçekte ortaya çıkması olasılığı hala bulunmaktadır. Bunun meydana gelebileceği yollardan birisi, termodinamik yasalarının zaman içerisinde mesafeye bağlı olarak değişmesidir: Asimov’un “İşte Tanrılar” adlı romanında bu simetri bozulmuştu, çünkü uzayda evrenimizle bir paralel evreni birbirine bağlayan bir delik vardı. Uzaydaki bir deliğin yakınlarında fizik yasaları değişir ve termodinamik yasalarının bozulması olasılığı ortaya çıkar. Dolayısıyla, eğer uzayda delikler, yani solucan delikleri varsa, enerjinin korunması ihlal edilebilir.

Bu yüzden bir kara deliğin içerdiği entropi bize o kara deliğin bir özeliğini anlatmakla kalmaz, evrenin kendisi hakkında da temel bir şeyler söyler: Evrenin bir bölgesinde -uzayın herhangi bir bölgesinde, herhangi bir yerde, herhangi bir zamanda- oluşturulacak en büyük entropi, boyutları söz konusu uzay bölgesinin boyutları ile aynı olan bir kara deliğin taşıdığı entropiye eşittir.

İleri Okuma: