Termodinamiğin İkinci Yasası

“Dünya sona erer böyle
Bir patlamayla değil iniltiyle.”
(T. S. Eliot)

Termodinamik, teorik fiziğin, ısı hareketinin yasalarıyla ve ısının diğer enerji türlerine dönüşümüyle ilgilenen bir dalıdır. Sözcük Yunanca therme (“ısı”) ve dynamis (“kuvvet”) sözcüklerinden türetilmiştir. Aslen deneylerden türetilen, ancak artık aksiyom olarak değerlendirilmekte olan iki temel ilkeye dayanır. Birinci ilke, ısı ve işin eşdeğerliği yasası biçimine bürünen, enerjinin korunumu yasasıdır. İkinci ilke, diğer cisimlerde herhangi bir değişiklik olmaksızın ısının kendiliğinden soğuk bir cisimden sıcak bir cisme geçemeyeceğini ifade eder. Termodinamik bilimi sanayi devriminin bir ürünüydü. 19. yüzyılın başlarında, enerjinin farklı şekillere dönüştürülebileceği ama asla yaratılamayacağı ya da yok edilemeyeceği keşfedilmişti. Bu, fiziğin temel yasalarından biri olan termodinamiğin birinci yasasıdır. Daha sonra, 1850’de, Robert Clausius termodinamiğin ikinci yasasını keşfetti. Bu yasa, “entropi”nin (yani bir cismin enerjisinin sıcaklığına oranı) her tür enerji dönüşümünde, meselâ buhar makinesinde, her zaman arttığını belirtir.

Entropi genellikle, düzensizliğe (dağılmaya) dönük içsel bir eğilim olarak anlaşıldı. Her aile, bir evin bilinçli bir müdahale olmaksızın, bir düzen durumundan düzensizlik durumuna geçme eğiliminde olduğundan gayet haberdardır, hele etrafta çocuklar dolaşıyorsa. Demir paslanır, ağaç çürür, cansız et bozulur, banyodaki su soğur. Diğer bir deyişle, bozulmaya dönük genel bir eğilim varmış gibi görünür. İkinci yasaya göre atomlar, kendi hallerine bırakıldıklarında mümkün olduğunca karışacaklar ve rasgele dağılacaklardır. Paslanma olur, çünkü demir atomları etraflarındaki havada bulunan oksijen atomlarıyla demir oksit oluşturmak üzere birbirine karışma eğilimindedirler. Banyo suyunun yüzeyindeki daha hızlı hareket eden moleküller havadaki daha yavaş hareket eden moleküllerle çarpışır ve enerjilerini onlara iletirler. Bu sınırlı bir yasadır, az sayıda parçacık içeren sistemlere (mikro sistemler) ya da sonsuz sayıda parçacık içeren sistemlere (evren) uygulanamaz. Ne var ki, bu yasasının uygulanışını özel bir alanın oldukça ötesine genişletmeye dönük, her türlü yanlış felsefi sonuçlara yol açan arkası kesilmeyen girişimlerde bulunulmuştur. Geçen yüzyılın ortalarında, termodinamiğin ikinci yasasının kâşifleri R. Clasius ve W. Thomson, bu yasayı bir bütün olarak evrene uygulamayı denediler ve tamamen yanlış bir teoriye ulaştılar; evrenin sonunun “ısıl ölüm” teorisi.

Bu yasa 1877’de Ludwig Boltzmann tarafından yeniden tanımlandı. Boltzmann, termodinamiğin ikinci yasasını maddenin atom teorisinden türetmeye çalışmıştı, ki bu atom teorisi ancak onun ölümünden sonra belli bir temel kazanmıştı. Boltzmann versiyonunda, entropi maddenin verili bir durumunun olasılık fonksiyonu olarak görülür: durumun olasılığı arttıkça, entropisi de artar. Bu versiyonda, tüm sistemler bir denge durumuna (yani net bir enerji akışının olmadığı bir duruma) ulaşma eğilimindedirler. Böylelikle, eğer sıcak bir cisim soğuk bir cismin yanına konulursa, enerji (ısı) sıcak olandan soğuk olana doğru akacaktır, ta ki dengeye ulaşıncaya, yani aynı sıcaklığa sahip oluncaya değin. Boltzmann fizikte mikroskobik (küçük-ölçekli) düzeyden makroskobik (büyük-ölçekli) düzeye geçişin sorunlarıyla ilk ilgilenen insandı. Termodinamiğin yeni teorilerini klasik yörünge fiziğiyle uzlaştırmaya çalıştı. Maxwell örneğini izleyerek, sorunları olasılık teorisiyle çözmeye uğraştı. Bu ise mekanik determinizmin eski Newtoncu yöntemleriyle radikal bir kopuşu ifade ediyordu. Boltzmann, entropideki tersinmez artışın, artan moleküler düzensizliğin bir ifadesi olarak görülebileceğini kavramıştı. Onun düzen ilkesi, bir sistemin ulaşabileceği daha olası durumun, sistem içerisinde aynı anda gerçekleşen olaylar çeşitliliğinin birbirini istatistiksel olarak bertaraf ettiği durum olduğuna işaret eder. Moleküller rasgele hareket edebilirken, ortalama olarak, belli bir anda, bir yönde hareket edenlerin sayısı diğerleriyle aynı olacaktır.

Enerji ve entropi arasında bir çelişki vardır. Bu ikisi arasındaki kararsız denge, sıcaklık tarafından belirlenir. Düşük sıcaklıklarda enerji baskın çıkar ve düzenli (düşük entropi) ve düşük enerjili durumların ortaya çıkışına şahit oluruz, tıpkı moleküllerin diğer moleküllere göre belli bir konuma hapsoldukları kristallerde olduğu gibi. Ne var ki, yüksek sıcaklıklarda entropi üstün gelir ve kendini moleküler düzensizlikte dışa vurur. Kristalin yapısı çöker ve önce bir sıvıya, ardından da gaz haline geçişe şahit oluruz.

İkinci yasa, yalıtılmış bir sistemin entropisinin sürekli artacağını ve iki sistem bir araya getirildiğinde bileşik sistemin entropisinin tek tek sistemlerin entropileri toplamından daha büyük olacağını ifade eder. Ne var ki, termodinamiğin ikinci yasası fiziğin diğer yasaları gibi, meselâ Newton’un kütleçekim yasası gibi değildir, çünkü her zaman uygulanabilir bir yasa değildir. Başlangıçta klasik mekaniğin özel bir alanından türetilen ikinci yasa, Boltzmann’ın elektromanyetizma ya da kütleçekim gibi kuvvetleri hesaba katmaması ve yalnızca atomik çarpışmaları kabul etmesi gerçeğince sınırlanır. Bu da fiziksel süreçlerin öylesine sınırlı bir tablosunu sunar ki, bu yasa, kaynatıcılar gibi sınırlı sistemlere uygulanabilir olsa da, genel olarak uygulanabilir bir yasa şeklinde ele alınamaz. İkinci yasa her koşulda doğru değildir. Meselâ Brown hareketi onunla çelişir. Bu yasa, klasik biçimiyle, genel bir evren yasası olarak açıkçası doğru değildir. İkinci yasanın, bir bütün olarak evrenin kaçınılmaz bir entropi durumuna meyletmesi gerektiği anlamına geldiği iddia edildi. Evren kapalı bir sisteme benzetilerek, tüm evrenin kaçınılmaz olarak bir denge durumuyla, yani her yerde aynı sıcaklığa sahip bir durumla sonlanması gerektiği söylendi. Yıldızlar yakıtlarını tüketecekler. Tüm yaşam yok olacak. Evren niteliksiz bir hiçlik enginliğinde yavaşça tükenecek. “Isıl ölümün” acısıyla kıvranacak. Bu iç karartıcı evren tablosu, evrenin geçmiş evrimi hakkında bildiğimiz ya da bugün gördüğümüz her şeyle doğrudan çelişir.

Maddenin belli bir mutlak denge durumuna meylettiği fikri, bizzat doğanın kendisine aykırıdır. Cansız, soyut bir evren görüşüdür. Bugün evren herhangi bir denge durumunda olmaktan çok uzaktır, ve böyle bir durumun ne geçmişte varolduğuna ne de gelecekte varolacağına dair en küçük bir belirti bile yoktur. Dahası, eğer entropinin artma eğilimi sürekli ve lineer bir eğilimse, evrenin neden uzun zaman önce farklılaşmamış parçacıkların ılık bir çorbası olarak sona ermediği de pek açık değildir. Bilimsel teorileri açıkça kanıtlanmış bir uygulama alanı buldukları sınırların ötesine genişletmeye dönük girişimlerde bulunulduğunda neler olabileceğinin bir başka örneğidir bu. Termodinamiğinin ilkelerinin sınırları, geçtiğimiz yüzyılda, meşhur İngiliz fizikçisi Lord Kelvin ile jeologlar arasında, dünyanın yaşına dair bir polemikte çoktan ortaya konulmuştu. Lord Kelvin’in termodinamik temelindeki öngörüleri, jeolojik ve biyolojik evrimden öğrendiğimiz her şeye aykırıydı. Teori, dünyanın 20 milyon yıl önce bir eriyik durumunda olması gerektiğini varsayıyordu. Toplanan muazzam sayıdaki delil jeologların haklı olduğunu, Lord Kelvin’in yanıldığını kanıtlamıştı.

1928’de İngiliz bilimci ve idealisti Sir James Jean, Einstein’ın görelilik teorisinden alınmış çeşitli unsurları da ekleyerek evrenin “ısıl ölümü” hakkındaki eski argümanları canlandırdı. Madde ve enerji özdeş olduklarından, diye iddia ediyordu, evren en sonunda tüm maddenin enerjiye dönüşmesiyle sonlanmak zorundadır: “Termodinamiğin ikinci yasası, evrendeki maddeleri, yalnızca ölüm ve yok oluşla sonuçlanan aynı yolda ve aynı yönde hareket etmeye zorlar” diyerek karamsar kehanetlerde bulunuyordu.[1] Benzer karamsar senaryolar yakın zamanlarda da ileri sürülmüştür. Son zamanlarda basılan bir kitapta: Çok uzak geleceğin evreni, hepsi birbirinden yavaş yavaş uzaklaşan fotonlar, nötrinolar ve gittikçe azalan sayıdaki elektronlar ve pozitronlardan oluşan akıl almayacak derecede seyreltilmiş bir çorba olacak. Bildiğimiz kadarıyla, hiçbir temel fiziksel süreç gerçekleşmeyecek. Ömrünü tamamlamış, ama hâlâ ebedi yaşamla –belki ebedi ölüm daha iyi bir tanımlama olurdu– karşı karşıya olan evrenin soğuk ve kasvetli kısırlığını kesintiye uğratacak hiçbir önemli olay meydana gelmeyecek. Bu kasvetli, soğuk, karanlık, özelliksiz, neredeyse hiçlik görüntüsü, modern kozmolojinin, on dokuzuncu yüzyıl fiziğinin “ısıl ölümüne” en çok yaklaştığı noktadır.[2]

Tüm bunlardan ne sonuç çıkarmalıyız? Eğer tüm yaşam, yalnızca dünyadaki değil, baştan aşağı evrendeki tüm yaşam, böyle bir sona mahkûmsa, o zaman herhangi bir şeye canımızın sıkılması niye? İkinci yasanın gerçek uygulama alanının ötesine bu şekilde taşırılması, her türlü yanlış ve nihilist felsefi sonuçlara yol açmıştır. Böylelikle İngiliz filozof Bertrand Russell, Neden Hıristiyan Değilim adlı kitabında şunları yazabilmişti: Çağlar boyu harcanan tüm çabalar, tüm adanmışlıklar, tüm esinlenmeler, insan dehasının tüm parıltısı, güneş sisteminin engin ölümünde tükenmeye yazgılıdır, ve ... insanlığın başarılarının tüm anıtları kaçınılmaz olarak yıkılıp giden bir evrenin enkazı altında kalmak zorundadır; bütün bunlar, tartışmasız olmasa bile o denli kesindir ki, bunları yadsıyan bir felsefenin ayakta kalma umudu yoktur. Ruhun barınağı bundan böyle, yalnızca bu gerçekler çerçevesinde, yalnızca bu amansız umutsuzluğun sarsılmaz temeli üzerinde güvenle inşa edilebilir.[3]

Farklı bir bakış

Bilgisev -- 28.04.2008 - 00:28

Her ne kadar evrenin Termodinamiğin ikinci yasası gereği soğuk bir ölüme gittiği inanılıyorsa da gözden kaçan bir nokta var. Termodinamiğin 2ci yasası olan "Entropi yasası" ancak kapalı sistemler için geçerlidir. Eğer evrenimiz kapalı bir sistem değilse ve ikinci bir evrenle iç-içe etkileşmekte ise bu yasa geçerli olmaz.

Düşüncenin Boyutları başlıklı yazı dizimden 1. Bölüm "Etkenlik Edilgenlik" yazıma bakmanızı öneririm. Ordan bir bölüm aktarıyorum.

Var olan sistemin varlığını sürdürmesi sürekli bir peryodik hareket ile olabiliyor. Peryodik hareket, kendini tekrarlayan, etken ile edilgen kuvvetlerin birbirini izlediği, fakat dengede kaldığı bir hareket türüdür. Varlık bu şekilde varlığını sürdürmektedir. Biz insanlar, hareket ederek etken oluyor ve enerji harcıyoruz. Fakat varlığımızı sürdürüp yaşamak için de beslenerek enerji depoluyoruz. Aynı şekilde nefes alıp-verme olayına bakalım. Nefes alarak havadaki oksijenden enerji sağlıyoruz ama bu enerjiyi yenilemek için de nefes vermek zorunda kalıyoruz. Biri diğerini gerektiriyor ve izliyor.

Evren de aynı şekilde nefes alıp-vererek varlığını sürdürür.