Entropi ve Termodinamiğin Meşhur 2. Yasası

“Termodinamik komik bir konudur. İlk defa öğrendiğinizde, ne olduğunu anlamazsınız bile. İkinci defa üzerinden geçtiğinizde, bir-iki nokta hariç anladığınızı düşünürsünüz. Üçüncü defa baktığınızda ise, anlamadığınızı bilirsiniz, ama o zamana kadar konuya alıştığınız için bu sizi o kadar rahatsız etmez.” – Arnold Sommerfeld

Termodinamiğin 2. yasasının içeriğini olmasa bile cümle içinde kullanımını duymuşsunuzdur. Çünkü bu yasa sanattan felsefeye, fizikten mimariye pek çok alanda kendine yer bulur.

Bunu kısaca anlatmaya çalışalım bu yazıda sizlere…

Termodinamik

Isı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) terimlerinden gelir.

Termodinamik yasaları:

1. Yasa: Enerjinin Korunumu Yasası: Evrendeki enerjiler yok olmaz sadece birbirine veya işe dönüşür. Evrendeki toplam enerji sabittir (nükleer reaksiyonlarda kütle enerjiye dönüşür, ama evrendeki toplam kütleyi de enerji cinsinden kabul edersek, toplam enerji yine de sabit olur).

2. Yasa: Hiçbir cihaz veya sistem aldığı ısıyı tamamen işe dönüştürecek şekilde çalışamaz. Ayrıca sadece ısıyı bir sıcaklıktan daha yüksek bir sıcaklığa transfer eden bir süreç mümkün değildir. Bir de buna ek olarak sen ne yaparsan yap, enerjinin ve kütlenin olduğu her yerde entropi (düzensizlik) mevcuttur ve sürekli olarak evrenin toplam entropisi artar.

3. Yasa: Mükemmel kristalleşmiş bütün maddelerin mutlak sıcaklıktaki (0 kelvin) entropileri sıfırdır. Entropi hesabının temelini oluşturan yasadır. Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu da açıklar.

4. Yasa: Eğer iki cisim üçüncü bir cisim ile ısısal denge halinde ise birbirleriyle de ısısal dengededir ve bu nedenle aynı sıcaklıktadır. Sıcaklık ölçümünün temeli bu yasadır. Sıfırıncı yasa da denir. Sıfırıncı olmasının sebebi ise diğer yasalardan sonra çıkmış olmasıdır.

Entropi nedir peki?

Köken yine Yunancadır. En ve tropos dan oluşur. En eki deda anlamı verir. Tropos ise (yol kelimesinin çoğulu olan tropoi den –tropi- türemiştir) yollar demektir.

Bir sistemdeki düzensizliktir. Gündelik hayatta sadece termodinamikte değil, istatistikten teolojiye birçok alanda kullanılır. “S” ile gösterilir.

En ünlü fizikçilere göre fiziğin en temel yasası olan entropi; başarılı bilimsel bir teori olmak için farklı bilim felsefecilerince ortaya konmuş olan gözlem ve deneye dayanma, yanlışlanabilme, öngörü yeteneği, başarılı matematiksel açıklama gibi kriterlerin hepsini de karşılar. Entropi tüm bilim yasaları içinde en fazla doğrulanmış ve kabul görmüş olanıdır.

Evrendeki düzensizlik sürekli olarak artma eğilimindedir. Bilim insanları düzensizliği entropi adı verilen nicelik ile ölçerler. Sistemlerdeki düzensizlik arttıkça, entropi de ona paralel olarak artar. Entropinin sıfırdan küçük olma durumu imkansızdır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, izole bir sistemin entropisi hiç bir zaman azalamaz.

Eğer bir sistem tamamı ile düzenli ise entropisi sıfır olabilir. Entropi, enerji gibi korunan bir özellik değildir. En basit haliyle entropiyi anlamak için parkta belli bir mesafelik bir koşu yaptığınızda, bu koşunun sonunda yorulup koşamayacak hale geldiğinizi düşünün, işte koşarken harcanmış ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.

Peki bu meşhur 2. yasa ne söylemek istiyor?

Başlık başlık anlamaya çalışalım. Yasanın söyledikleri şu şekilde de ifade edilebilir.

-Yukarıdan bırakılan bir taş, aşağı düşmek ister. Çünkü aşağı dediğimiz nokta, yukarı dediğimiz noktadan daha düşük bir enerji seviyesine sahiptir.

-Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır.

-Verim asla 1’den büyük olamaz. Dolayısıyla tek kaynaktan ısı alarak çalışan bir makine yapmak olası değildir.

-Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır.

-Sisteme dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe, düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda Evren’deki düzensizlik eğilimini de anlatır bu.

Başka alanlarda entropi?

Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı hali almaya çalışmaktadırlar. Hayatın anlamı da tam budur.

2. Yasa bize evrenin bir sonunun olmak zorunda olduğunu anlatır. Bu görüş de din ve felsefe açısından çokça tartışılan ve herkesin fikir belirttiği bir şey olmasını sağlamıştır. Teistler için sorun yoktur, evrenin sonu fikri zaten kutsal kitaplarla ve özellikle de ısıyla, (kıyamet) yani açıklanmıştır. Materyalist felsefeciler açısından da bunun evreni içermesinde bir sorun yoktur. Hatta Hume “Din Üstüne” isimli kitabında şöyle demiştir: “Yok eğer bir yerde duracak ve daha ileri gitmeyeceksek, niçin oraya (Tanrı) kadar gidelim? Niçin maddi dünyada durmayalım?

Budha, “Bileşik olan her şeyin eninde sonunda çözüleceğini, dağılacağını” söyler. Budha’ya göre bu, evrensel bir yasadır ve istisnası yoktur. Entropi yasasındaki evrensel “düzensizliğe gidiş” olgusu, Budha düşüncesinde de yer almaktadır. Ayrıca Budha düşüncesince, bu düzensizliğin ardından yeniden düzenlilik geleceği öngörülmemiştir. Bunlar teolojideki entropidir.

Bilim alanında yapılmış en büyük keşiflerden biri olan termodinamiğin ikinci yasası, sonsuz evren görüşü üzerine gölge düşürdü. Bunu Rudolf Julius Emanuel Clausius, bulmuştur. Eskiden bilim insanları ve tabi ki din adamları evrenin sonsuz olmasının yanında statik de olduğunu düşünüyorlardı. Newton fiziği tümüyle bu varsayım üzerine kuruludur.

Termodinamiğin ikinci kuralı üç şeyi ispatlamıştır.

İlk olarak eğer nesneler yaşlanıyorlarsa bir noktada ölmeleri de kaçınılmazdır. Bu entropi maksimuma eriştiğinde olur, yani evrenin her köşesinde ısı aynı olduğunda. Diğeri ise zamanın yönüdür. Evren belirlenimci ve tüm tarihi şimdiden mevcut olabilir ama evrim sürekli olarak geçmişten geleceğe doğru gider. Üçüncüsü de eğer her şey yaşlanıyorsa her şeyin genç olduğu bir zamanın da olması gerekir. Üstelik entropinin minimum olduğu bir zamanın bulunması da kaçınılmazdır: doğum anı.  Yani Clausius evrenin doğduğunu ispatlamıştır.

1920’lerde ise Georges Lemaître adında bir rahip ilginç bir fikir öne sürdü. Büyük Patlama. Büyük Patlama termodinamiğin ikinci kuralına da uyuyordu, Newton’un çekim kanunuyla belirtilen evrenin mevcut yapısını açıklıyordu ve Einstein’ın izafiyet teorisiyle de ters düşmüyordu.

Günümüzdeki bilimsel gelişmeler de entropi yasasını destekler. Hubble’ın gözlemleriyle evrenin sürekli genişlediği anlaşılmıştır. Hubble’dan sonra defalarca test edilen bu olgu, hem teorik hem gözlemsel olarak doğrulanmıştır.

Evrenin sürekli genişlemesi, evrenin iki tane senaryodan biriyle son bulması gerektiğini söyler; bunlardan birincisine göre evren, hiç durmadan genişleyecek ve ‘Büyük Donma’  ile son bulacaktır. Bu termodinamiğin ikinci kanunu ile ilgilidir. Diğeri Büyük Çöküş. Başka bir yazının konusu.

Evrenin bu iki senaryodan hangisi ile sona ereceği evrendeki maddenin kritik yoğunluktan fazla olup olmaması ile alakalıdır ve bu hala tartışma konusudur. Bu termodinamiğin ikinci kanununun ve evrenin genişlemeye devam etmesinin kaçınılmaz sonucudur. Entropi arttıkça ışık yavaş yavaş kaybolmaya başlar ve bu durum ısı her yerde eşit olup evreni donmuş bir galaksi mezarlığına çevirir.

Ancak her hâlükârda yüzyıllardır entropi ve 2.yasa pek çok kez doğrulanmıştır.

Tabi belirtmeden geçemeyeceğim, bugüne gelindiğinde artık “evrenin başlangıcının, ya da sebebinin ya mümkün olan en düşük entropisi durum olması” gerektiği bile söylenmiyor.

Tam tersine, başlangıçtaki evrenin maksimum entropiye sahip olduğu söyleniyor. Yani sıfır anında (veya ilk Planck anında) evrenin entropisi en düşük değil, olabileceği en yüksek düzeydeydi. Bu da zaten olasılık dışı bir duruma değil, tam tersine en olası duruma işaret ediyor.

Entropi sürekli artıyorsa başlangıçta en düşük durumda (sıfırda veya sıfıra çok yakın bir durumda) olması gerektiği yolundaki akıl yürütme, bir sistemin entropisinin en yüksek değerinin sistemin büyüklüğü ile orantılı olduğu yolundaki ilkeyi hatırlatır.

Evren genişledikçe entropisi artar ama entropi tavanı yani olası en yüksek entropi değeri daha büyük bir hızla artar. Böylelikle maksimum entropi ile başlayan evren, genişledikçe, maksimum entropi durumundan giderek daha hızla uzaklaşır. Bu da, evrenin başlangıcının olasılık dışı bir özel durum olmak zorunda olmadığını gösterir.

Evren olağandışı bir düzenli durumla değil, tam tersine en olağan durumu ile, yani maksimum entropi ile başlamıştır. Yani maksimum entropidedir.

Çok uzattım ama kısaca sunu söylemek istiyorum ki din ve felsefi entropi tartışmalarını aslında fizik büyük ölçüde cevaplıyor ancak teoloji elbette kendi penceresinden bakmaya ve açıklamaya devam edecektir.

Sonsöz olarak Evrende her şey bir düzenden düzensizliğe doğru meyleder.

Kaos kaçınılmaz son mudur yoksa düzenliliğin başlaması için ön koşul mu? Düşünmeye devam…

Y.Emir Emirmahmudoglu

Kaynaklar ve okuma:

https://tr.wikipedia.org/wiki/Termodinamik

https://tr.wikipedia.org/wiki/Entropi

Tanrı’nın Formülü; José Rodrlgues dos Santos

Matematiksel