1867’de James Clerk Maxwell, başlangıçta termodinamiğin ikinci yasasına meydan okuyor gibi görünen bir düşünce deneyi ortaya koydu. Bu düşünce deneyi günümüzde “Maxwell’in cini” olarak anımsanıyor.
Soğuk bir kış gününde, elinizde bir fincan çayla kaloriferin yanında ısınmaya çalışırken doğanın temel bir gerçeğinden yararlanırsınız. Isı sıcaktan soğuğa akar. Bu olmasaydı üşüyen ellerinizi ısıtamazdınız. Tersi geçerli olsaydı radyatör, havadaki az miktardaki ısıyı çeker ve oda daha da soğurdu.
Bu bilgiyi Rudolf Clausius, Lord Kelvin ve James Clerk Maxwell gibi isimlere borçluyuz. Onlar sayesinde bugün ısının doğasını açıklayabiliyoruz. Ancak bu anlayış bir zamanlar bilim insanlarını tam olarak ikna etmedi. Bunun üzerine Maxwell, 1867’de dikkat çekici bir düşünce deneyi tasarladı.
Deney, ilk kez 1867’de James Clerk Maxwell ile Peter Guthrie Tait arasındaki bir mektuplaşmada ortaya çıktı. Maxwell daha sonra bu fikri 1872’de yayımladığı Theory of Heat adlı kitabında ele aldı. Günümüzde bu düşünce deneyi “Maxwell’in Cini” ya da “Maxwell’in Şeytanı” olarak bilinir.
Aslında Maxwell bu anlatımda “cin” ya da “şeytan” ifadesini kullanmadı. “Demon” terimini ilk kez 1874’te Lord Kelvin kullandı. Bu yüzden söz konusu “cin” ya da “şeytan”, kap içindeki her parçacığın hızını ya da kinetik enerjisini analiz eden varsayımsal bir aygıt için kullanılan bir metafor olarak düşünülmelidir.
Maxwell’in Cini Düşünce Deneyi Nedir?
Maxwell, bu düşünce deneyinde gazla dolu bir odayı ortasından geçen bir duvarla ikiye ayırdığını varsayar. Bu duvarın ortasında, bir molekül yaklaştığında hızla açılıp kapanan ve onun diğer tarafa geçmesine izin veren küçük bir kapak bulunur.
Normal koşullarda bu kapaktan geçen moleküllerin bir kısmı hızlı, bir kısmı yavaş olur. Ancak ortalama hızları aynı sıcaklığa karşılık gelir. Bu yüzden iki bölme arasında bir sıcaklık farkı oluşmaz. Şimdi bu düzeneğe hayali bir varlık ekleyelim.
Maxwell’in cini, havadaki molekülleri tek tek gören ve hızlarını ölçen hayali bir varlık olarak düşünülür. Kapakçığın kontrolünü o üstlenir. Soldan sağa geçmek isteyen moleküllerden yalnızca hızlı olanlara izin verir. Sağdan sola geçmek isteyenlerde ise yalnızca yavaş olanları geçirir.
Zamanla hızlı moleküller sağ tarafta, yavaş moleküller sol tarafta toplanır. Böylece kutunun sol tarafı soğur, sağ tarafı ısınır. Cin hiçbir iş yapmadan bu ayrımı sağladığı için, sistemin toplam entropisini azaltıyor gibi görünür. Bu durum, termodinamiğin ikinci yasına aykırıymış izlenimi yaratır.
Maxwell’in Cini Paradoksunun Çözümü Var mıdır?
Maxwell’in cinini anlamada iki önemli gelişme belirleyici oldu. İlki, bilgi kuramının kurucusu kabul edilen Claude Shannon’dan geldi. Shannon, 1948’de bir mesajın içerdiği bilginin ölçülebileceğini gösterdi ve buna “bilgi entropisi” adını verdi.
İkinci önemli adım ise silme ilkesinin ortaya konmasıydı. 1961’de Alman asıllı Amerikalı fizikçi Rolf Landauer, geri döndürülemez her hesaplama işleminin, örneğin bir bellekteki bilginin silinmesinin, kaçınılmaz olarak az da olsa iş gerektirdiğini gösterdi.
Bu işlem, çevreye ısı verilmesine ve entropinin artmasına yol açar. Landauer’in silme ilkesi, bilgi ile termodinamik arasında güçlü bir bağ kurdu. Nitekim daha sonra “bilgi fizikseldir” ifadesiyle bu ilişkiyi açık biçimde vurguladı.
1982’de Amerikalı fizikçi Charles Bennett, bu yapbozun parçalarını bir araya getirdi. Maxwell’in cininin özünde bir bilgi işleme makinesi gibi çalıştığını gösterdi. Cin, kapıyı ne zaman açıp kapatacağına karar vermek için tek tek parçacıklara dair bilgiyi kaydetmek ve depolamak zorundaydı. Belirli aralıklarla bu bilgiyi silmesi de gerekiyordu.
Landauer’s principle’e göre, bu silme işlemi sırasında ortaya çıkan entropi artışı, parçacıkları ayırarak elde edilen entropi azalmasını fazlasıyla dengeler. Fizikçi Gonzalo Manzano bu durumu “Bedelini ödemek zorundasınız” diyerek özetler. Cin, yeni bilgiye yer açmak zorunda kaldıkça toplam düzensizlik artar.
21. yüzyıla gelindiğinde, düşünce deneyine getirilen açıklamalarla birlikte gerçek deneyler başladı. 2007’de bilim insanları, Maxwell’in cininin çalışma prensibini göstermek için ışıkla çalışan bir kapı kullandı.
2010’da başka bir ekip, cinin işlediği bilgiden elde edilen enerjiyi kullanarak küçük bir parçacığı yukarı doğru hareket ettirmeyi başardı. 2016’da ise araştırmacılar aynı fikri gaz yerine ışık içeren iki bölmeye uyguladı.
Cini Yenmeyi Başarmamız Mümkün mü?
Başka araştırmacılar ise daha az karmaşık yöntemlerle bilgiyi kullanarak iş üretmenin mümkün olup olmadığını sorguladı. Bir çalışma, bunun mümkün olabileceğini gösterdi. Bu yaklaşım, Maxwell’in cinini bir tür “oyuncuya” dönüştürür.
Gonzalo Manzano ve ekibi, iki bölmeli ve kapılı bir sistem hayal etti. Ancak bu kez kapı kendi kendine açılıp kapanıyordu. Parçacıklar bazen rastgele biçimde sıcak ve soğuk taraflara ayrılıyordu. “Cin” ise yalnızca süreci izliyor ve sistemi ne zaman durduracağına karar veriyordu.
Kuramsal olarak bu süreç küçük bir sıcaklık farkı yaratabilir. Eğer doğru anda durdurulursa, bu farktan yararlanarak iş üreten bir ısı makinesi elde edilebilir. Bu durum, kazançlı bir anda masadan kalkmayı bilen bir kumarbaza benzer. Araştırmacılar daha sonra bu “kumarbaz cin” fikrini nanoelektronik bir aygıtta uyguladı ve bunun mümkün olduğunu gösterdi.
Bu tür fikirler, buzdolapları gibi daha verimli ısı sistemleri tasarlamaya ve daha gelişmiş bilgisayar çipleri geliştirmeye kapı aralar. Aynı zamanda Landauer’s principle’ın işaret ettiği temel sınırlara ne kadar yaklaştığımızı da gösterir.
Sonuçta evrenin yasaları değişmez. Değişen, bizim onları nasıl yorumladığımızdır. Maxwell’in cini de bu değişimin iyi bir örneği olur. Bir zamanlar sorun yaratan bir paradoks gibi görünür. Bugün ise fizik ile bilgi arasındaki derin bağı ortaya koyan güçlü bir kavram olarak yerini alır.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Manzano, Gonzalo & Subero, Diego & Maillet, Olivier & Fazio, Rosario & Pekola, Jukka & Roldán, Édgar. (2021). Thermodynamics of Gambling Demons. Physical Review Letters. 126. 10.1103/PhysRevLett.126.080603.
- How Maxwell’s Demon Continues to Startle Scientists; yayınlanma tarihi: 22 Nisan 2021; Kaynak site: Quanta magazine. Bağlantı: How Maxwell’s Demon Continues to Startle Scientists
Matematiksel
