Entropi Nedir? Büyük Patlama'dan Kozmos'a Entropi ve Kaostaki Düzen - Evrim Ağacı
Yayınlanma Tarihi 12/07/2011 15:14
Okunma Süresi 23 dakika 18 saniye
Son Düzenlenme 30/07/2019 15:58
Balıkesir Üniversitesi Kimya Bölümü öğrencisidir. Bilim, Dil ve Varoluş felsefeleri ilgisini çekmektedir. Bilim ve Ütopya ve Düşünbil'in yanı sıra çeşitli dergi ve sanal ortamlarda makaleleri yayımlanmıştır.
Bu yazı, Astrofizik ve Kozmoloji yazı dizisinin 1. yazısıdır. Dizideki tüm yazıları görmek için buraya tıklayınız. Yazı dizileri, EA Akademi'nin bir parçasıdır.
Büyük Patlamanın ilk saniyelerinden itibaren evrenimiz için bir kargaşa (Kaos) söz konusuydu. Kaosun bilimsel literatürdeki anlamı, evrenin düzene girmeden önce içinde bulunduğu herhangi bir biçimden ve düzenden yoksun, karmakarışık halidir. Zamanla bu kaotik ortamın yerini muhteşem ve bir o kadar da akıl almaz ölçüde bir düzene bıraktığı sanılabilir; ancak evrenin ‘Kaostan Kozmosa’ (evren, evrendeki düzenlilik anlamlarına gelir) geçerek tamamen düzenli olması mümkün değildir.
Nitekim Büyük Patlama'dan günümüze kadar evrenin aşırı sıcaklığı ve inanılmaz derecedeki genişleme hızının normal düzeye gelmesi gibi birtakım düzene giren etkenler söz konusu olsa da, diğer taraftan sürekli meydana gelen süpernova (yıldız ölümleri) patlamaları sonucu evrende yıldız, gezegen ve güneş oluşumlarındaki artış ve kozmosun soğuması halen bir kargaşanın göstergesidir.
Oysaki bizi yanıltan, evrenin genişlemesi sırasında gök cisimleri arasında gerçekleşen artış henüz beyinsel gelişimini tam manasıyla tamamlayamamış türümüze sanki bir düzen veya bir durağanlık varmış gibi görünmesinden kaynaklanır.
Konumuzun karanlık dehlizlerine adım atmadan önce ‘kaos’ ve ‘düzensizlik’ arasındaki ilişkiye dair bir takım yanlış algılarımıza değinmek istiyoruz. Ünlü Amerikalı romancı Herman Melville’nin Moby Dick adlı eserinde dediği gibi: “...kaosu meydana getiren unsurları sınıflandırmaya çalışacağız.” Elbette ki bu sınıflandırma yüzeysel olacaktır çünkü ilk olarak kaos ve Kaos Teorisi başlı başına başka bir alandır, ikincisi ise konumuz kaostan ziyade onun içindeki karmaşık düzeni temsil eden entropidir.
Öncelikle bilimsel bakış açısına göre ‘kaos’ ve ‘düzensizlik’ ifadelerlerinin ne anlama geldiklerini ve bilim insanlarının bu kelimeler ile bize ne anlatmak istediklerini kısaca birkaç cümleyle açıklama getirmekte fayda var. Nitekim günümüzde akademik olarak ya da popüler bilimle pek araları olmayan kimseler, kaosun düzensizlikten kaynaklandıklarını sanmaktalar; ancak bilim insanlarının kaos kelimesiyle anlatmak istedikleri, evrenin ilk saniyelerindeki gibi bir karmaşayı temsil eder.
Tabii ki söz konusu kaos sadece evrenin başlangıç anları için geçerli değildir; kaos evrenin ta kendisidir. “Karmaşıklığın temelinde yatan muazzam ve hassas” yapıdır. Son olarak da, kendini kaos vaizi ilan eden Ford’a göre:
Düzenin ve öngörülebilirliğin boyunduruğundan nihayet kurtulmuş bir dinamik... Kendi bütün dinamik imkânlarını gelişigüzelce araştıracak şekilde özgürleştirilmiş sistemler... Heyecanlandırıcı bir çeşitlilik, tercih imkânlarının zenginliği, fırsatların bolluğu...
Kozmos öngörülebilen eylemleri (yıldız oluşumları, galaksiler, karadelikler vs.) içinde barındırmasından ziyade karışıklıktan çok hoşlanır; çünkü evrende ve çevremizde gerçekleştiğini görüp de aklımıza gelen hemen hemen her şey bir kargaşanın sonucudur.
Şimdi bilim aramaya başladıktan sonra, kaos adeta her yerde ortaya çıkmaktadır. Sigara dumanı havaya birtakım düzensiz helezonlar şeklinde dönerek yükselir. Bayrak rüzgârda bir o yana bir bu yana çırpınarak dalgalanır. Musluktan damlayan su önce muntazam aralıklarla düşerken sonraları düzeni bozulur. Havanın davranışında, havadaki bir uçağın davranışında, otoyolda birbirinin peşi sıra giden arabaların davranışında, yer altındaki boruların içinde akan petrolün davranışında kaos meydana çıkar. İçinde bulunulan ortam ne olursa olsun, davranış biçimi yeni keşfedilmiş bulunan bu yasalara uyar.
Kaosun "kutsal kitabı"nın yazarı olarak anılan ve tüm dünyada bu teorinin başucu kitaplarından sayılan Kaos isimli eserinde James Gleick şöyle der:
Bu anlamda kimi fizikçilere göre, kaos bir durumun bilimi değil bir sürecin bilimi, bir varoluşun bilimi değil, bir oluşumun bilimidir.
İşte evrenimizdeki öngörülebilen eylemler arasındaki bazı boşlukları da Kaos Teorisi doldurur. Nitekim Ann Rae Jonas hiç kuşkusuz bu teoriyi çok şiirsel bir üslupla şöyle özetlemiştir:
Kaos teorisi, düzen ve rastgelelik, kontrol ve çaresizlik arasındaki boşluğu dolduran bilimsel ve felsefi bir alettir. Kaos teorisi bilim insanları için düzensiz kalp atışlarından, yıldız oluşumlarına kadar birçok fenomenin hareketlerini açıklamaya yarayan bir araçtır.
Ayrıca böylesi muhteşem ve takdire şayan bir evrende yaşamın var olabilmesi ihtimali, gerekli hesaplamalar yapıldığında var olmama olasılığından, daha küçüktür. Nitekim evrendeki kütleçekim sabitini ele alacak olursak eğer şimdikine nazaran daha güçlü kütleçekim sabitinin olduğu bir evren, şu anda var olan evrenimizden küçük ve çok daha kısa ömürlü olurdu. Böylece insanoğlu gibi karmaşık biyolojik türlerin yeryüzünde (veya keşfedilmemiş herhangi bir gezegende) var olup gelişmesi için çok yetersizdi. Eğer kütle çekim şimdikinden daha az kuvvetli olsaydı, bu kez madde yıldızlar ve galaksilerin yoğunlaşmasına imkân vermeyeceği için evren bir nevi boş bir kovayı andıracaktı.
Öte yandan aynı şey yıldızlar ve yıldızların kümelenmesinden oluşan galaksiler için de geçerlidir. Şöyle ki yıldızların ömürleri kısa olursa varolan galaksilerin ömürleri de doğal olarak kısa olacaktır. Oysaki asıl problem bütün bunlardan ziyade bizim türümüzü bekleyen tehlikedir zira yıldızların ve galaksilerin ömürlerinin kısa olduğu bir evrende yaşamında çok uzun olmayacağı apaçık ortadadır. Ayrıca bizimkine benzer bir evrenin oluşması ve burada da yaşamın olması beklenemezdi. Hawking’in konu hakkındaki görüşleri şöyledir
Gerçekte galaksileri ve yıldızlarıyla bizimki gibi bir evren tümüyle olanaksızdır. Eğer bir kimse ortaya çıkarılabilen sabitleri ve yasaları düşünürse, bizimki gibi bir yaşamı üreten bir evrenin var olmama olasılığının gerçekte çok yüksek olduğunu kabul edecektir.
Eğer evrenimizdeki var oluş ve yok oluş süreçlerine dikkat edecek olursak oradaki düzensizliğin, düzene göre çok daha kolay elde edilebilir olduğunu görürüz. Nitekim hayatımızın her anında şahit olduğumuz ‘düzensizlikten düzene geçiş’, türümüz ve kâinat için bir süreklilik arz etmesinin yanı sıra çevremizde de sıklıkla gerçekleşen olaylarda çeşitli örnekler teşkil eder. Bir yazarın roman yazmak için ne kadar süre harcadığını düşünün ve bizim onu ne kadar kısa sürede okuyup bitirdiğimizi… Bir ağacın ne kadar uzun sürede büyüdüğünü ve sonrasında onu ateşe verip yaktığımızda ne kadar kısa sürede kül olacağını… Uzayda yıldızların ve gezegenlerin milyarlarca yıllık bir süreçte oluşup, enerjisi bittiğinde dakikalar sonrasında patlayarak yok olacağını… Kısacası evrenimiz düzenden pek haz etmez zira Kozmos, “tüm canlı ve cansız varlıkların birbirleriyle derinden uyumlu bağlarının gizlerini içerir ve bu karmaşık ama gizemli bir incelikle işlenmiş bağlara karşı hayranlık ifade eden” bir yapıya sahiptir. Kısacası İbn-i Heysem’in dediği gibi
Evren, değişimlere rağmen bir düzen; ayrıntılara rağmen bir ahenk içindedir.
18. yüzyılda fizik alanında yapılan deneyler, ısı ile mekanik iş arasında bir ilişki olduğunu göstermekteydi. Fransız fizikçi Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), buhar makinesinin çalışma prensiplerini ilk olarak dikkatle ele alan kişi olmasının yanı sıra ısı ve işin birbirine dönüşebileceğini söyleyerek bu konu üzerinde çalışmalar yapan da ilk kişiydi. Bu nedenle Fransız bilim insanı termodinamiğin kurucusu olarak kabul edilir.
Termodinamik kavramı Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) kelimelerinden türetilmiştir; buradan da anlaşılacağı üzere termodinamik, sözlük anlamı itibarı ile ısı, enerji ve entropi arasındaki ilişki ile ilgilenen bilimsel araştırmalar bütünü veya bir bilim dalı olarak da tanımlanabilir. Kozmosta ısı ve enerji düzeyinde gerçekleşmiş olan ve olacak olan her şey bu yasaların kontrolü altında işler.
1824 yılında, Fransa ordusunda bir mühendis olan Carnot’un Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu (Ateşin Hareket Ettirici Gücü Üzerine Düşünceler) adlı çalışmasını yayınladı. Bu çalışma Carnot’un ısının dinamiği hakkında ulaştığı bir kısım verileri ele alıyordu. Sadi Carnot, bu küçük kitabında çok ilginç bir görüş ortaya atıyor ve yaptığı deneylere dayanarak, “ısı”nın, “hareket” haline dönüşebilmesi için, ancak “sıcaklıkları farklı”, “iki ayrı ısı kaynağı” kullanılması gerekeceğini ileri sürüyordu.
Carnot, buhar makinasında, ısının, yüksek sıcaklıktaki bir bölgeden, yani kazandan, aşağı sıcaklıkta bir bölgeye, yani kondensere aktığına ve bu süreçte, silindir ve piston ile mekanik iş üretildiğine, dikkat çekiyordu. “Carnot İlkesi”ne göre aynı sıcaklıklar arasında çalışan tüm ısı makinelerinin verimi aynı olmalıydı; makine hangi çalışma biçiminde çalışırsa çalışsın ve çalışma maddesi ister buhar, ister hava, isterse başka bir madde olsun, verim aynı olmalıydı. Böylece ısı ile iş arasındaki ilişkiyi belirleyen Carnot, ısının yüksek sıcaklıktan alçak sıcaklığa düşmesinin enerji ürettiğini ortaya koydu.
Isının hareket ettirici kuvvetini, haklı olarak bir çağlayanınki ile karşılaştırabiliriz. Çağlayanın hareket ettirici kuvveti, akışkanın yükseklik ve miktarına bağlıdır: Isının hareket ettirici kuvveti ise, kullandığı kalorik miktarına ve düşme yüksekliğine, yani, aralarında kalorik alışverişi yapan cisimlerin sıcaklıkları farkına bağlıdır.
Oysa Fransız Fizikçi Nicolas Léonard Sadi Carnot’un ölümünden kırk yıl sonra ortaya çıkan el yazmaları (çalışma notları) çok daha dikkat çekiciydi. Isı ve enerji dönüşümleri üzerine güzel ve bir o kadar da ilginç olan el yazmaları termodinamiğin birinci yasasını ele almakla kalmıyor, bu yasayı sağlam temeller üzerine oturtarak ona konu hakkında geniş bir çerçeve çiziyordu. Carnot çalışmalarında şu enteresan bilgilere yer vermişti:
(...) Isı, şekil değiştirmiş olan “Hareket Ettirici Güç”ten (ya da daha doğrusu) “Hareketin Kendisinden Başka Bir Şey Değildir”. (Bu hareket, cismin partiküllerinde “ufacık taneciklerinde” meydana gelen harekettir). “Hareket Ettirici Güç”ün, tükenip yok olduğu her yerde, bu “Güç”ün miktarı ile orantılı bir nicelikte “Isı” meydana gelir. Bunun karşılığı olarak da, “Isı”nın tükenip yok olduğu her yerde de “Hareket Ettirici Güç” ortaya çıkar. Şu duruma göre “Doğa”da bulunan “Hareket Ettirici Güç” miktarının “Değişmediği” ve genel olarak bu “GÜÇ”ün hiçbir zaman tükenip yok olmayacağı gibi, “Meydana da Getirilmediği”, genel bir tez olarak kabul edilebilir. Gerçekte bu “Güç” şekil değiştirir. Yani, şu ya da bu çeşit bir “Hareket meydana getirir. Fakat hiçbir zaman “Yok” olmaz…”
1841 yılında, Alman bilim insanı J. Robert Mayer, yaptığı bir deneyde, havanın sıkıştırılması ile sıcaklığın meydana geldiğini gösterdi. Bu deney, kinetik enerjinin ısıya, ısının da kinetik enerjiye çevrilebileceğini açıkça ifade etmekteydi.
1847’de James Prescott Joule, bir elektrik devresinde, bataryadan harcanan enerjinin, bu elektrik devresinde oluşan ısıya eşit olduğunu belirledi. Klasik termodinamik büyük ölçüde 19. yüzyılda Clausius, Kelvin, Boltzmann ve Amerikan Josiah Willard Gibbs gibi öncüler tarafından geliştirildi.
Ne kadar yukarıda zikredilen isimler bilim tarihi açısından termodinamiğin öncüleri kabul edilseler dahi, termodinamiğin ilk yasası Alman fizikçi Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) tarafından yasalaştırıldı.
Enerjinin korunumuna ve onun farklı şekillerinin birbirine dönüşebilirliğine ulaşan başka bir Alman bilim insanı da, Konigsberg’de fizyoloji ve sonra Berlin’de fizik profesörü olan, Hermann Helmholtz’dur. Helmholtz’un ortaya koymuş olduğu termodinamiğin ilk yasası aslında İngiliz Fizikçi James Prescott Joule’nin (1818-1889) dile getirdiği ve Alman Fizikçi Julius Robert von Mayer’in (1814-1878) mantıklı verilerle desteklediği enerjinin korunumu yasasından başkası değildir. Helmholtz birinci yasanın bu formüllendirimini, yani enerjinin korunumu yasasını “Berlin Physical Society”ye (Berlin Fizik Derneği) “Kuvvetin Korunumu Üzerine” başlığı altında sundu. Doğanın kanunlarının en temelinde yer alan ve en basiti olarak nitelendirebileceğimiz termodinamiğin ilk yasasına göre evrendeki tüm enerji miktarı sabittir. Buna göre enerjiden kazancın ve kaybın olmadığı bu durumda enerji dönüşümü mümkündür. Yani kimyasal enerji, kinetik enerji veya aklınıza gelebilecek diğer enerji türleri bir formdan diğerine dönüştürülebilir.
Peki, öyleyse uçsuz bucaksız muhteşem zenginliklerin ve olağanüstü güzelliklerin bulunduğu öylesine ahenkli, öylesine zarif bir olan evrenimizdeki düzen nasıl sağlanıyor?
Kozmostaki düzen tabii ki entropi tarafından sağlanmaktadır. Entropi, bir sistemdeki düzen ve düzensizlik miktarının ölçüsü veya oldukça kabaca tanımlamak gerekirse, “sistemdeki ‘rastgelelik’ ölçüsü” olarak tanımlanır.
Entropiyi anlamak için bu kavram içerisindeki sistem dediğimiz şey ile neyi kastettiğimizi anlamalıyız. Termodinamik, fizikokimya veya termokimya açısından sistem; üstünde incelemeler yapılan belli sınırdaki evren parçasıdır. Sistem; açık sistem (bir fincan içerisindeki enfes orta şekerli Türk kahvesi), kapalı sistem (şişe içerisindeki su) ve izole sistem (termos) olmak üzere üç kısımda incelenir ancak bu sistemlere burada uzun uzadıya yer verilmeyecektir.
Sürekli olarak artan bozunma ve kaosun derecesini gösteren entropi, evrendeki değişimlerin giderek daha fazla düzensizliğe yol açtığını öngören termodinamiğin ikinci yasasıyla kontrol edilir. Alman Fizikçi Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) ilk yasadaki enerji dönüşümünün mümkün olduğunu buldu. Clausius gözlemlerinde, enerjinin küçük bir kısmı her zaman ısıya dönüştüğünü ve bu dönüşüm sırasında açığa çıkan ısının da herhangi bir başka enerji formuna dönüşmediğini fark ederek şu sonuca ulaştı: Evren'deki enerji ısı olarak bir nevi bozunmaya uğruyor ve böylece kullanılabilir enerji miktarı ise doğal olarak azalıyordu.
Evren'de olduğu gibi, ele alınan belli bir sistemde de enerjinin işe dönüşebilmesi için o enerjinin yoğunluğunda belirli bir düzenin söz konusu olması şarttır. Şöyle ki: Bir sistemde var olan enerji, yoğunluğu yüksek olan noktadan, yoğunluğun daha düşük olduğu noktaya doğru bir yönelme gerçekleştirir; ta ki o iki sistem arasındaki enerjiler denkleşinceye kadar bu enerji alışverişi sürer. Sistemde bu hareketlenmeyi sağlayan enerjiden kolaylıkla iş elde edebilirsiniz.
Örneğin bir barajı ele alalım. Herhangi bir nehir yolunun önüne çekilen set sayesinde setin önünde sular birikmeye başlar. Buradaki su kütlesinin böylece potansiyel enerjisi giderek artmıştır olur. Oysaki setin öbür tarafında kalan nehir suları normal yolunu takip ettiğinden dolayı daha küçük bir yüksekliğe sahiptir ve setin önünde kalan su kütlesine nazaran potansiyel enerjisi çok daha düşüktür. Baraj kapakları açıldığında setin önündeki potansiyel enerjisi yüksek olan su kütlesi yukarıdan aşağı doğru düşer ve altta bulunan çarklara çarparak çarkları döndürmeye başladığında, çarka bağlı olan dinamo sayesinde elektrik enerjisi üretilir.
Alman Fizikçi Rudolf Clausius, örnek olarak kapalı bir sistemi ele aldı. Kapalı bir sistemdeki ısı miktarının gerçekleşen bütün süreçler çerçevesinde daima artacağını söyledi. Normal koşullarda kapalı bir sistemin ısısının sabit kalma ihtimali bulunur ancak asla ve asla azalma söz konusu olamaz. 1850 yılında Clausius, enerji dağılımındaki bu olguyu bilinmeyen bir nedenden dolayı entropi (bazen zaman oku da denilir) olarak adlandırdı ancak bu kavram bilim dünyasında kuşkuyla karşılandı. Çünkü bilim insanları bunun daha somut bir halde gözler önüne serilmesi ve deneylerle sürekli kanıtlanması taraftarıydılar.
1865’de Rudolf Clausius, Berlin’de sürdürdüğü çalışmaları sonunda, ısıyı işe dönüştürecek bir ısı makinesinde, ısı makinesine verilen ısı miktarının onun sıcaklığına oranının, ısı makinesinden atılan ısının düşük sıcaklıktaki ısı deposu sıcaklığına oranına eşit olduğunu belirtmiş oldu. Böylece üzerine gelen meslektaşlarına deneysel gözlemler sonucu bir veri sunarak, ısının sıcaklığa oranı olarak da entropi kavramına açıklık getirmişti.
Sonrasında Clausius, bir sistemin kendi haline bırakıldığında enerji farklarının daima denkleşmeye doğru gideceğini tespit etti. Şöyle ki: Elimizde birisi soğuk diğeri ise sıcak olan iki şişe su olsun. Sıcak ve soğuk suyun olduğu şişeleri birbirlerine değecek şekilde yan yana getirelim. Bir süre sonra şişeler arasındaki ısı alışverişi öyle olur ki, her iki şişede aynı sıcaklığa gelene kadar şişedeki soğuk su ısınır, sıcak su ise soğur. Böylece Alman fizikçi, enerji yoğunluklarındaki farkların eşitlenmeye doğru gittiği kanısına vardı ve bunu da doğada genel bir yasa olduğunu ileri sürdü.
Clausius bunu, "Dünya'nın entropisi bir maksimuma doğru artar.", şeklinde ifade etmişti; birinci yasa ise, bilinen, enerjinin korunumu yasasıydı: "Dünya'nın enerjisi sabittir." Böylece Rudolf Julius Emanuel Clausius termodinamiğin ikinci yasasını belirlemiş oldu.
Bu gelişmeler, yaklaşık 1850’lerde dahi Clausius’la başlayan Lord Kelvin, Maxwell, Planck, Duhem 1861-1916 ve Poincaré’nin 1854-1912 önemli katkılarıyla gelişen ve yüzyılın sonlarında J. W. Gibbs’in ulaştırdığı parlak noktayla süregelen bir bakıma hızlı bir başarıyla günümüze gelmiştir.
Evren Gerçekten Düzenli mi?
Eğer gözlerimiz, ıraksak bir mercek olarak ya da Evren'i, Euclid geometrisinin evreni değil de, Riemann evreni olarak algılayan bir yapıda olsaydı, emin olun, Evren'e dair çok farklı izlenimlere sahip olurduk. En yeni ve matematiksel olarak en güvenilir yapılar bile, zarların karmaşıklığına bir açıklama getirmeye çalışıyor.
Galaksiler "düzgündür". Tanımı biraz daraltalım: "Genel olarak elipstirler.", "Bazıları oval, bazıları ince-uzundur." Peki bu izlenimleri neden ediniyoruz? Bizler, galaksilerin merkezlerinde, güçlü çekim alanları bulunan nötron yıldızları ya da kara deliklerin bulunduğunu biliyoruz. Bunlar, çekim kuvvetlerini, kuvvetin uygulandığı merkezden eşit uzaklıklara, eşit şiddette uygularlar. Sonuçta, simetrik ya da ''düzgün'' diye tanımladığımız objeleri algılarız.
Lokal düzenler, genel düzensizlik tarafından yenilmeye mahkumdur. Bunu unutmayalım. Entropi sürekli artar; enerji azalır; düzensizlik artar. Sütü ısıtmak zorundayızdır. Odayı toplamak zorundayızdır. Güneş ölmek zorundadır. Evren ölmek zorundadır. Bunlar, sürekli düzensizliğe olan eğilimin göstergeleridir.
Entropi, bir düzensizlik ölçüsüdür. Örneğin masanız, açık duran, üst üste konmuş kitaplarla, yarısı okunmuş makaleler, eski gazeteler, işe yaramaz postalarla doluysa, son derece düzensiz bir halde, yani yüksek entropi durumunda demektir. Öte yandan makaleleriniz alfabetik sıraya göre kutulara konmuş, gazeteleriniz kronolojik sıraya göre yerleştirilmiş, kitaplarınız yazarların isimlerine göre alfabetik sıraya dizilmiş, kalemleriniz kalemliğe konmuş haldeyse; masanız son derece düzenli bir halde, yani düşük entropi durumunda demektir.
Bu örnek temel fikri tasvir ediyor, fakat fizikçiler; entropiye, bir şeyin entropisini kesin bir sayısal değer kullanarak tanımlamayı mümkün kılan, tamamen niceliksel bir tanım getirmişlerdir: "Büyük sayılar, entropinin yüksek olması, küçük sayılar düşük olması anlamına gelir."
Ayrıntılar biraz karmaşık olsa da, bu sayı, kabaca söyleyecek olursak belli bir fiziksel sistemdeki bileşenlerin, sistemin genel görünümünü olduğu gibi bırakarak yeniden düzenlenme olasılıklarını ifade eder. Masanız düzgün ve temizse, herhangi bir yeniden düzenleme; gazetelerin, kitapların ya da makalelerin sırasını değiştirmek, kalemleri kalemlikten çıkarmak onun o son derece düzenli olan örgütlenme biçimini bozacaktır. Bu durum, masanın düşük entropiye sahip olmasını açıklar. Oysa, masanız karmakarışıksa, gazetelerin, makalelerin ve işe yaramaz postaların çok farklı biçimlerde yeniden düzenlenmesi, onu yine karmakarışık bir halde bırakacak, genel görünümünü etkilemeyecektir. Bu da masanın yüksek entropiye sahip olmasını açıklar.
Elbette ki, bir masanın üstündeki kitaplar, makaleler ve gazetelerin yeniden düzenlenmesinin tanımı -ve hangi yeniden düzenlemelerin genel görünümü bozulmadan bırakacağına karar vermek- bilimsel kesinlikten yoksundur. Entropinin eksiksiz tanımı aslında, bir fiziksel sistem içindeki temel bileşenlerin, sistemin makroskobik özelliklerini (örneğin enerjisi ve basıncını) etkilemeyen mikroskobik kuantum mekaniğine özgü özelliklerinin olası yeniden düzenlemelerinin sayısını bulmayı gerektirir. Entropinin, bir fiziksel sistemdeki genel düzensizliği tam olarak ölçen tamamen niceliksel kuantum mekaniğine özgü bir kavram olduğunu anladığımız sürece, ayrıntılar önemli değildir.
Nihai Son ve Entropiye Tersten Bakmak
Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi daima artmaktadır. Düzensizliğin ve entropinin zamanla artışı, zaman oku dediğimiz, zamana yön vererek geçmişi gelecekten ayıran şeye örnektir. Modern bilimin öncülüğünde, termodinamik zaman oku, psikolojik zaman oku ve kozmolojik zaman oku olmak üzere en az üç zaman okunun mevcut olduğunu biliyoruz. Buradaki zaman oklarına uzun uzadıya yer veremesek de kısaca değinmekle yetineceğiz.
Öncelikle termodinamik zaman okundan bahsedecek olursak, kaostan doğan düzeni yani entropiyi temsil eden zaman okudur. İkinci olarak psikolojik zaman okunu ele alalım. Psikolojik zaman oku burada bahsi geçen üç zaman okunun en gizemli olanıdır; çünkü insanoğluna dair birçok metaforun yanı sıra zaman kavramımızdaki algılarımızı alt üst eden bir anlayışa sahiptir. Öyle ki bu zaman okunun esrarlı tarafı, neden geçmişi hatırladığımız ancak geleceğe dair herhangi bir hatıramızın bulunmadığı gibi garip metaforları içinde barındırmasıdır. Son olarak kozmik zaman oku Büyük Patlama'dan itibaren evrenin genişlemesine değinen ve sonrasında da neler olabileceğini (Evren sürekli genişleyecek mi? Yoksa bir yerde genişlemesine son verip çöküşe mi geçecek?) dair tahminlerde bulunan zaman yönüdür.
Termodinamiğin ikinci yasası, düzensiz durumların sayısının düzenli durumlara göre her zaman çok daha fazla olması olgusundan kaynaklanır. Çevremizde olup biten her şey, entropinin artışına birer örnektir. Birisi göle bir taş atar ve yukarıya doğru sular sıçrar; bir bardak (tahta ve plastik hariç) yere düşer ve kırılır; canlılar ölür ve çürür; böylece suyun sıçraması, kırılma ve çürüme işlemleri bu maddeleri oluşturan atomların çevreye dağılmasını gösterir. Entropideki bu artış, her şeyin yolunda gittiğini belirtir ve ayrıca zaman içinde sürekli olarak ileriye doğru gittiğimizin göstergesidir.
Öte yandan şunu da belirtmemiz gerekir ki zamanın ileriye doğru mu yoksa geriye doğru mu gittiğini söyleyemediğimiz bu süreçte, hiçbir entropi değişikliği söz konusu değildir. Eğer entropide bir değişim varsa da bunu gözlemememiz çok ama çok zordur; sadece ihmal edebileceğimiz kadar küçük olduğunu söylememiz doğru olur sanırım. Oysa zamanda geriye doğru gittiğimizi varsayarsak, ancak entropinin azaldığını gözlemleyebiliriz. Böyle bir durumda bir cam bardak yere düşüp kırıldığında bunu belgesellerde veya sinema filmlerinde olduğu gibi geriye sarabiliriz. Kırılan bardak yavaşça yerden kalkarak kırık cam parçaları düzenli bir şekilde birleşir ve düştüğü yerde yeniden sapasağlam bir hale gelir.
İkinci yasaya göre evrenin de entropisi sürekli artmaktadır. Evrenin entropisinin artması, evrendeki enerji dağılımının sürekli olarak bir denkleşmeye doğru yöneldiğini yani enerji yoğunluğu arasındaki farkların giderek ortadan kalktığını ve enerji yoğunluğunu denkleştiren süreçlerin düzensizliğinin de artması anlamına gelir.
Evren'deki entropi miktarının her zaman arttığı bilimsel bir gerçekliktir nitekim bir süre sonra entropi maksimuma ulaşarak kozmosta kullanışlı hiçbir enerji kalmayacaktır ve böylece düzensizlik evrende mutlak hâkimiyet kuracaktır. Çok ama çok uzun yıllar sonra, yani enerji yoğunluğundaki farkların tamamen ortadan kalkması durumunda, artık, enerjiden iş elde edilemeyecektir. Ayrıca evrende bir daha da herhangi bir değişiklik gözlenmez olacaktır. Böylece evrenin dört bir yanındaki her noktasında –enerji yoğunlukları denkleştiği vakit- evren bir duruşa doğru gidecektir.
Entropi Maksimum Olduğunda Evren'e Ne Olacak?
Bu noktadan sonra eğer termodinamiğin ikinci yasası anladığımız ölçüde doğruysa (ki bunda hiç kuşkunuz olmasın; çünkü elimizdeki veriler şuan için bu yönde - ancak belki ileride bu algımızı değiştirecek yeni keşiflerde bulunabiliriz), yukarıda da bahsettiğimiz gibi enerji yoğunluğu evrenin her yerinde denkleşip entropi maksimum seviyede olacaktır.
Elbette entropinin evrenin her noktasında maksimuma ulaştığı andan itibaren enerji akışı duracak ve bir daha kozmosta hiçbir şey olmayacaktır. Kısacası bilimsel bakış açısına göre kozmos için toplu bir yok oluş söz konusudur.
Ama sakın hemen telaşa kapılmayın lütfen! Açıkçası buna hiç gerek yok; çünkü söz konusu olan entropinin evrenin her noktasında maksimum seviyeye ulaşması için katrilyon kere katrilyon kere katrilyon yıldan bile fazla geride kalması gerekiyor. Bahsi geçen bu sürecin sonunda büyük olasılıkla insanlık, dünyamız hatta ve hatta şuan için hayatın var olup olamadığı hakkında herhangi bir veriye ulaşamadığımız ya da bilemediğimiz, içerisinde küçük ihtimaller dâhilinde yaşam kırıntısı barındıran diğer gezegenler için de zamanının çoktan dolmuş olacağı kesindir.
Oysaki en iyimser bakış açısına göre başka bir evrene giderek yok olmaktan kurtulabiliriz. Eğer Hawking’in evrenimizin, başka bir evrendeki kara delikten meydana geldiğine dair ileriye sürmüş olduğu teorisi doğruysa, bahsi geçen ikinci evrene bu uzun süreçte seyahat ederek kolonileştirdiğimiz gezegen veya gezegenlerde hayatımızı devam ettirebiliriz! Ancak bunu yapsak bile böylesi bir evrende de -varolan her şeyde olduğu gibi- entropi yasası muhakkak ki işleyecek ve en sonunda burada da bizi nihai bir son karşılayacaktır. Tabii bu görüşün gerçekleşmesi biraz düşük olasılıklar ve belirli sıkıntıları (ışık hızını aşmak, kara deliklerin içinde ne olduğu gibi veya kara delikler başka evrenlere açılan bir kozmik kapı mı?)içinde barındırıyor olsa da, yine de geleceğe dair ufak bir ümit söz konusudur.
Eğer yanılıyorsak ne olacak? Termodinamiğin ikinci yasası algıladığımız gibi değilse sonuç nasıl olur? Bu ve buna benzer pek çok soru bu yazıyı okurken aklınıza takılmış olabilir. Nitekim bunda da yalnız değilsiniz; çünkü çoğu bilim insanının bu sorulara alternatif cevap arayışları sürüyor.
Hiç kuşkusuz kozmostaki olup biten her şeyi bilmiyoruz. Gelişmiş bir teknolojimiz ve ileri seviyede bir düşünce sistemi (bilim dediğimiz)içinde, atalarımıza göre çok ama çok üstün olduğumuzu varsaydığımız fizik, matematik, kimya ve biyoloji gibi akla dayalı birçok araştırma alanlarımız mevcut; fakat tüm bunlara rağmen kozmik perspektifte bilemediğimiz ve anlam veremediğimiz pek çok olgu söz konusu. Öyle ki yukarıdaki sorulara cevap arayışımız şüphesiz iyimser tahminden öteye geçmez. Oysa entropiye karşı olan klasik bakış açımızı değiştirdiğimizde, yani entropiye tersten baktığımızda, karşımıza çıkan manzara tamamen olmasa da bir kısım (büyük ve önemli denecek ölçüde) değişikliklere sahne olur. Fakat bu değişiklikler yukarıda da zikrettiğimiz gibi matematiksel veya fiziksel yasalarla şu anki bilimsel açıdan desteklenmediği için ve sadece kişisel görüşlerimizi yansıtan tahminlerden öteye geçemeyeceğinden dolayı sağlam ve güvenilir olduğunu söylememiz pek doğru olmaz.
Elde ettiğimiz tüm veriler entropinin arttığı yönündedir. Belki henüz keşfedemediğimiz bir yerlerde (sonsuz ancak sınırsız olduğundan bahsedilen ayrıca milyarlarca galaksideki milyarlarca yıldıza ev sahipliği yapan bir evrende), henüz bilemediğimiz bir kısım şartlar altında entropi neden azalıyor olmasın? Belki de entropinin sürekli olarak artıyormuş gibi görünmesi, insan türünün zihinsel ve algısal olarak tamamen gelişim sürecini tamamlayamamasından kaynaklı olarak, evrenin sürekli genişliyor olmasıdır.
Ayrıca evrenin sonsuza kadar genişlemeyeceğini ileri süren bazı teoriler var. Eğer bu teoriler doğruysa, evrenin genişlemesi bir süre sonra yerini yavaşça bir duruşa doğru bırakacak ve daha sonrasında da kendi içine doğru bir çöküş meydana gelecektir. İşte bu çöküş esnasında evrenin yeniden belirsiz olasılıklardan doğan rastgelelikler sonucunda ortaya çıkacak olan farklı bir kaostan kendini bir nevi küllerinden doğan Zümrüdüanka kuşu gibi yeniden kurması mümkün olabilir.
Öte yandan şuna da bir açıklama getirelim: Maksimum entropide kozmostaki enerji eşit olarak dağılması ve zamanın ilerlemesi söz konusu olmasa da dikkat edeceğimiz nokta, bu şartlar altında dahi enerjinin yok olmayacağıdır; çünkü enerjinin korunumu ilkesine göre, hiçbir şey yoktan var - vardan da yok edilemeyeceğini biliyoruz. Buna göre atomsal düzeydeki enerji hala vardır ve elektronların çekirdek etrafında dönmesi gibi rastgele hareketleri halen söz konusudur. Böylesi hareketler neticesinde enerjinin yoğunlaşmasıyla orada yeniden bir düzen kurulabilir ve her şey şimdikine benzer bir şekilde düzen içine girebilir. Nitekim evren tüm bunları gerçekleştirecek olasılıklara sahiptir.
Ne olursa olsun, şunu söylemek mümkündür: Entropiyi anlamak, kozmosu anlamak olacaktır!
Ö. Çelik. (2000). Sıfırdan Sonsuza. ISBN: 9753625286. Yayın Evi: Timaş Yayınları.
C. Sagan. (2015). Kozmos. ISBN: 9789752107830. Yayın Evi: Altın Kitaplar.
J. Gleick. (1997). Kaos. ISBN: 9754030294. Yayın Evi: TÜBTAK Yayınları.
J. Boslough. (1995). Stephen Hawking’in Evreni. ISBN: 9757380482. Yayın Evi: Sarmal Yayınevi.
J. Gribbin. (2012). Çoklu Evrenler. ISBN: 9786051064758. Yayın Evi: ALFA Yayınları.
P. Atkins. (2014). Evreni Yöneten Dört Yasa. ISBN: 6051068787. Yayın Evi: ALFA Yayınları.
R. Penrose. (2015). Gerçeğin Yolları. ISBN: 9786051710600. Yayın Evi: ALFA Yayınları.
S. Tekin, et al. (2015). Bilim Tarihine Giriş. ISBN: 9786051330822. Yayın Evi: Nobel Yayınları.
S. Hawking. (2015). Zamanın Kısa Tarihi. ISBN: 9786051067582. Yayın Evi: ALFA Yayınları.
S. F. Mason. (2013). Bilimler Tarihi. ISBN: 978-975-16-2709-4. Yayın Evi: Türk Tarih Kurumu.
T. Akman. Enerji Ve Entropi. (2019, Mart 28). Alındığı Tarih: 28 Mart 2019. Alındığı Yer: Biyolojieğitim
Z. Tez. (2010). Kimya Tarihi. ISBN: 9755911243. Yayın Evi: Nobel Basım Dağıtım.
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 26/08/2019 04:52:29 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/162
Stephen Hawking'in Ölümünden Sonra Yayınlanan Mesajı: "Bilim ve Eğitim Tehdit Altında!"
2018'de, 76 Yaşında Hayatını Kaybeden Stephen Hawking ile İlgili İçeriklerimiz!