Düzensizliğin Dahisi: Ludwig Boltzmann

1870’ler fizikte, muhtemelen kuantum mekaniğinin geliştirildiği 1930’larla aynı seviyede, heyecan verici dönemlerden birini oluşturur. Avusturyalı fizikçi, matematikçi ve filozof Ludwig Boltzmann da bu zamanın en önemli figürlerinden biridir.

Kendisi, klasik ve kuantum mekaniği arasındaki, yani on dokuzuncu yüzyılın büyük bilimsel geleneği ile yirminci yüzyılın olağanüstü gelişmeleri arasındaki ideal bağlantı olarak kabul edilebilir. Termodinamiğin istatistiksel mekaniğe dayalı yorumlanmasını ortaya koymuştur. Aynı zamanda henüz tartışmalı olduğu atom teorisini hayatı boyunca şiddetle savunmuştur.

Ancak yaşadığı dönemde insanlar fizik kanunlarının ve bilimin “kesinliğine” alışıktı. Belirsizliğe yer yoktu. Çözümü olasılığa dayandığı, olasılık da kesinliğin altını oyduğu için, onu kimse dinlemek istemedi. Başa çıkmayı çok zor bulduğu amansız bir muhalefetle yüzleşti. Boltzmann yanlış yerde ve yanlış zamandaydı. Sonuçta tüm bunlar onu depresyona sürükleyecek ve intihar etmesine neden olacaktı.

Kısaca Ludwig Boltzmann (1844-1906)

Boltzmann hem tutkulu bir bilim insanı hem de yetenekli bir öğretmendi. Şaşırtıcı bir hafızası vardı ve çoğu zaman notlara bakmadan ders anlatırdı. Açıklamaları basit, esprili, uyarıcı anekdotlarla doluydu. Bu nedenle dersleri her zaman ilgi çeker ve onu dinlemek isteyenlerle dolu olurdu. Boltzmann aynı zamanda mükemmel bir piyanistti.

Çocukken, büyük besteci Anton Bruckner‘dan piyano dersleri almıştı ve Beethoven’a karşı büyük bir tutkusu vardı. Yine de, bu parlak entelektüel görünümünün ardında, bir tedirginliği, her şeyin ötesine geçen bir huzursuzluğu saklıydı. Gerçekten de Boltzmann hayatı boyunca her zaman bu iki uç arasında gidip geldi. Büyük mutluluk anlarından derin depresyon dönemlerine hızla geçti.

Boltzmann, 1866 – 1869 yılları arasında Graz Üniversitesi’nde teorik fizik üzerine çalışmalar yaptı. Boltzmann, 25 yaşına geldiğinde aynı üniversitede matematiksel fizik profesörüydü. Üniversitenin ilk kız öğrencisi ve gelecekte eşi olacak Henriette von Aigentler ile orada tanıştı. Bilimsel kariyeri boyunca birlikte çalıştılar. Mutlu bir evlilikleri ve beş çocukları oldu. Boltzmann mesleki anlamda adını duyur­maya başlamıştı. Ancak hayatının dayanılmaz gerginliği onun hiçbir zaman huzurlu olmasına izin vermedi.

Gerginliğe yol açan unsurlardan birisi de yaşadığı sağlık sorunlarıydı. Görmesiyle ilgili giderek daha fazla sorun yaşamaya başlamıştı. Astımdan, baş ve göğüs ağrılarından şikayetçiydi. Hafızasını ve nüktedanlığını bir ders sırasında aniden kaybetmekten çok korkuyordu.

Tipik bir manik depresyon belirti­si olan ruh halinde ani değişimlerden muzdaripti. Zor dönemlerinden birinde bilimsel çevrenin fikirleri üzerinden yansıttıkları nefrete daha fazla dayanamadı. 1906’da karısı ve kızıyla buraya, Duino’ya tatile geldi. Yorgun ve moralsiz, düşünceleri halen kabul görmemiş, eşi ve çocuğu yürüyüşteyken arkasında hiç bir açıklama notu bırakmadan, kendini astı.

Ludwig Boltzmann’ın Rahatsız Edici Düşünceleri Nelerdi?

Bu fikirlerin ne olduğunu tam olarak kavrayabilmek için 19. yüzyıla dönmek gerekir. Yazının başında da dediğimiz gibi bu dönem fiziğin altın çağlarından biriydi. Mekanik ve astronomi alanlarında elde edilen başarılar, doğanın bütüncül bir yorumunun inşasına izin vermişti. Ancak ısı, ışık, elektrik ve manyetizmanın doğası daha tam olarak anlaşılamamıştı. Bu teorik sentezden kaçıyor gibi görünen çok sayıda fenomen – ısı, ışık, elektrik ve manyetizma gibi – vardı.

On dokuzuncu yüzyıl boyunca bu fenomenlerin araştırılmasının ve daha tanıdık mekanik süreçlerle ilişkilerinin temel bir önem kazanmasının nedeni buydu. Aynı yıllarda Sanayi Devrimi gerçekleşti. Bu sayede madde ve enerji kavramı gündeme geldi. Bu yeni kavramlar bilinmez fenomenlerin açıklaması olabilirdi. Bu aslında termodinamiğin doğum belgesiydi.

Termodinamiğin birinci ilkesi, mekanik iş ve ısının toplamı anlamına gelen enerjinin, sürecin doğasına bakılmaksızın her fiziksel süreçte korunduğunu belirtir. Dönemin materyalistleri için bu, doğanın ebedi olduğunun garantisiydi. Ancak, ilk prensibin keşfedilmesine katkıda bulunan buhar makinesinin incelenmesi, enerjinin mekanik kısmının kötü bir alışkanlığa sahip olduğuna dair bir gerçeği ortaya koydu.

Enerji sürekli dağılır, giderek daha az kullanılabilir hale gelir. Bu gözlem, genel bir yasanın keşfedilmesine yol açtı. Ortaya termodinamiğin ikinci yasası çıktı. Bu yasa, zamanın akış yönünü, doğal süreçlerin geri döndürülemez gidişatını gösterir.

Bunun sonucunda her termodinamik dönüşümde her zaman artan (veya en fazla sabit kalan) yeni bir soyut varlık, entropi ortaya çıktı. Entropi, bir sistemdeki düzen ve düzensizlik miktarının ölçüsü veya oldukça kabaca tanımlamak gerekirse, “sistemdeki ‘rastgelelik’ ölçüsü” olarak tanımlanır. Ancak entropi doğal olarak düzenli klasik fizik ile çelişiyordu.

Zamanın Ötesinde Fikirler

Birçokları tarafından her ne ka­dar alay edilse de termodinamik olgunun, atomik olgunun olası­lık yasası ve mekanik yasalar tarafından düzenlenen gözle görülür boyutta bir yansıması olduğu yönündeki düşüncesi Boltzmann’ın bilime yaptığı en özgün katkıydı.

Daha sonraki termodinamiğin ikinci yasasını kanıtlama çabaları, istatistiksel mekaniğin gelişiminde be­lirleyici öneme sahip oldu. Yeni termodinamik bilimiyle klasik fizik arasındaki çelişkiler istatistiksel fizik ve özellikle gazların kinetik teorisi ile çözüldü.

James Clerk Maxwell tarafından başlatılan araştırmaya devam eden Boltzmann sonunda bir sonuca ulaştı. Boltzmann evrenin işlemesini sağlayan temel denklemlerden birini keşfetmiş ve hayatını ona adamıştı. Bir cismin entropisi ile makroskobik durumunun olasılığı arasındaki kesin bağlantı, günümüzde Viyana mezarlığındaki mezarına kazınmış durumdadır. Burada S entropi, W söz konusu olasılık ve k ise onuruna Boltzmann sabiti olarak bilinir. ( daha fazlası için bu yazıya göz atabilirsiniz: Entropi Nedir? Termodinamiğin İkinci Yasası Tam Olarak Ne Anlama Geliyor?)

İronik biçimde, ölümünden az sonra Boltzmann’ın hakkı teslim edildi. Birazcık daha bekleyebilseydi, Boltzmann 20 yüzyıl fiziğindeki devrimin babalarından birisi olacaktı. Boltzmann yaşadığı gibi ölmüştü, yanlış zamanda.

Kaynaklar:

• Ioan James; Büyük Fizikçiler; Türkiye İş Bankası Kültür Yayınları;2009
• Giuseppe Mussardo; The ABC’s of Science; ISBN 978-3-030-55169-8; Springer 2020

Matematiksel