Termodinamiğin birinci yasası, evrendeki (tecrit edilmiş bir sistemdeki) toplam enerjinin her zaman aynı olduğunu söyler. 19. yüzyılda bu yasa “enerjinin korunumu yasası” ve “maddenin korunumu yasası” olarak, enerjinin ve maddenin ayrı ayrı ele alınmalarıyla ifade ediliyordu. Fakat Einstein’ın ünlü (Enerji= Kütle Işık hızının karesi) formülüyle, birbirinden bağımsız olarak görünen bu yasalar birleştirildi. Daha önceden akustik enerjisi, Güneş enerjisi, elektrik enerjisi gibi farklı enerji türlerinin aynı özden yapıldığı anlaşılmıştı. Maddenin enerjinin bir formu olduğunun anlaşılmasıyla yasa, “enerjinin-maddenin korunumu yasası” oldu. Buna göre evrendeki enerji (E) değişmediği için, enerji değişimi ( ) sıfıra eşittir. Bunun matematiksel formülü şu şekildedir: E = 0
Termodinamiğin ikinci yasası (entropi) özellikle Clausius’un çalışmaları sayesinde 19. yüzyılın ikinci yarısında ortaya konuldu. Entropi terimini ilk kullanan da odur. Bu yasayla, enerjinin, sürekli, daha çok kullanılabilir bir formdan daha az kullanılabilir bir yapıya doğru değiştiği söylenir. Kısacası, evrende düzensizlik sürekli artmaktadır ve bu tek yönlü tersinemez bir süreçtir. Evrendeki enerjinin tüm değişmelere karşı sabit kaldığını söyleyen birinci yasa bir eşitlikle belirtilmesine karşın, evrendeki enerjinin sürekli daha düzensiz bir hale gittiğini söyleyen (düzensizliğin artışı entropinin artışı veya pozitif entropi değişikliği olarak ifade edilir) ikinci yasa eşitsizlikle belirtilir. Aslında Clausius başta, enerjinin korunumu yasası gibi entropinin korunumu yasasını bulacağını umuyordu; ama, sonuçta evrenin, entropinin korunmaması yasası ile yönetildiğini gördü.Bunu ifade eden formülde, evrendeki entropinin (S), değişiminin ( ) sürekli olarak tek yönlü ve artış halinde olduğunun belirtilmesi için sıfırdan büyük olduğu söylenir. Formül kısaca şöyledir: S > 0
Tek yönlü süreçler sonun habercisidir. İnsanın yaşlanma süreci de, evrendeki entropinin artışı da böyledir. Aslında evrendeki entropinin artışına sebep olan birçok tek yönlü süreci sürekli gözlemlemekteyiz. Isı, hep sıcaktan soğuğa doğru akar, hiçbir zaman soğuktan sıcağa doğru akmaz. Sıcak bir çayın her zaman soğuduğunu gözlemleriz, ama hiçbir zaman odadaki sıcaklık çaya doğru geriye akarak (süreç tersinerek) çayımızı ısıtmaz. Bisikletimizin frenine basarak durmamıza yol açan süreç ısıyı açığa çıkarır, ama hiçbir zaman Güneş’in ısıttığı bisikletimizin hareket ettiğini göremeyiz. Parfümümüzün kapağı açıksa koku odaya dağılır, ama odanın içindeki dağılmış moleküller tekrar bir şişeyi doldurmazlar.
Arthur Eddington, entropi yasasının, tüm doğa yasaları içinde en önemli yere sahip olduğunu söyler. Eddington, evren hakkındaki bir teorinin, Maxwell’in formülleriyle, hatta daha önceden yapılmış bazı deneylerle uyumsuz olsa bile doğru olma şansının bulunabileceğini; ama entropi yasası ile çelişiyorsa hiçbir şansının olmadığını söyler.Einstein’a göre, Newton mekaniğinin en büyük başarısı ısı hareketlerine uygulanmasıdır; bu başarı kinetik teoride ve istatistiksel mekanikte gözlemlenir. 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.
Fakat, ilginç bir şekilde bu kadar kesin bir yasa olan entropi, aslında olasılıkçı bir yasadır. Isının tek yönlü akışı gibi moleküllerin dağılmasına (diffusion) yönelik hareketlerde, her bir molekülün hareketini hesap etmek imkansızdır. Söz konusu olan katrilyonlarca molekülden çok daha fazlasıdır, bu moleküllerin birbirleriyle çarpışmaları gibi etkenleri, her bir molekül için hesap etmek mümkün değildir. Fakat söz konusu olan o kadar çok moleküldür ki, dağılmaya bağlı olasılıkçı entropi kanunları hep güvenilir sonuç verir. Dünyadaki hava moleküllerini ele alalım, aslında çok düşük bir olasılık olarak, dünyadaki hava moleküllerinin Atlantik Okyanusu üzerinde toplanması ve tüm dünyanın havasız kalması olasılığı vardır; fakat bu olasılık imkansız denecek kadar azdır ve korkulacak bir şey yoktur. George Gamow tek bir odadaki hava moleküllerinin, odanın tek bir yarısında toplanma olasılığının bile adeta imkansız olduğunu şu şekilde göstermiştir: Bir odada yaklaşık 10 (milyar milyar milyar) molekül vardır. Odanın bir yarısında bulunmanın olasılığı ½ olduğundan, tüm moleküller için bu olasılık (½) dir; bu ise 10 ’da 1’dir. Hava moleküllerinin saniyede 0.5 km hızla hareket ettikleri ve 0.01 saniyede odadaki dağılışlarının 100 kez karıştığını hatırlayalım. Tüm bu moleküllerin odanın bir yarısında toplanması için gereken süre 10 saniyedir, eğer bu süreyi evrenin toplam yaşı olan 10 saniye ile mukayese edersek, neden böylesi bir olasılığa imkansız dediğimiz anlaşılabilir. Gamow’un tek bir odanın bir yarısında moleküllerin toplanmasının olasılıksal imkansızlığı için (matematikte 10 ’de 1’den küçük olasılıklar genelde imkansız kabul edilir) verdiği örneğe bakarak, bizim dünyanın tüm havasının Atlas Okyanusu üzerinde toplanmasından bahseden örneğimizin ne kadar imkansız olduğunu rahatça anlayabiliriz. Moleküllerin dağılımında ortaya çıkan bu tip hesaplar, entropi yasasının olasılıkçı bir yasa olmasına karşın neden en kesin fizik yasası olarak görüldüğünü ortaya koymaktadır.
Bazıları itiraz olarak insanların yaptıkları makinelerin veya binaların düzensizlikten düzene geçiş olduğunu, ayrıca negatif entropi aldığımız bitkilerin varlığının da entropi yasası ile çeliştiğini söyleyebilir. Burada dikkat edilmesi gerekli nokta, termodinamiğin ikinci yasasının izole (isolated) bir sistemdeki toplam entropinin arttığını söylemesidir. Evrenin bir bölümünde oluşan düzenin bedeli, mutlaka başka bir bölümünde daha büyük çapta bir düzensizlik olarak ödenir. Örneğin bir binayı ele alalım. Binanın yapımı için kullanılan maddeler (demir, tahta, v.b) dünyanın hammaddekaynakları yok edilerek elde edilir, ayrıca binanın yapımı için belli miktarda bir enerji sarf edilir. Tam bir hesapyapıldığında yol açılan düzensizliğin miktarı her zaman düzenden fazladır. Canlıların hepsi çevrelerinden negatif entropi alarak yaşarlar. Biz bitkilerden veya bitkileri yiyen hayvanlardan negatif entropi alırız, bitkiler ise fotosentezle Güneş’ten negatif entropi alarak yaşarlar. Bu yüzden Bertrand Russell, her canlı varlığın çevresinden kendisi ve nesilleri için mümkün olduğunca çok enerji alan bir çeşit emperyalist olduğunu söylemiştir. Fakat her canlının beslenmesi, çevresinde daha büyük bir düzensizlik oluşturur. Örneğin sürecin her safhasında çekirge yaprağı,
kurbağa çekirgeyi, alabalık da kurbağayı yediğinden, sürekli bir miktar enerji kaybolur. Miller’e göre beslenme sürecinde enerjinin %80-90’ı ısı halinde çevreye yayılır. Enerjinin sadece %10-20’si bir sonraki aşama için canlının dokusunda kalır. Bir insanı bir yıl beslemek için 300 alabalık gerektiğini varsayalım; bu balıklar ise 1000 ton ot tüketerek yaşayan 27 milyon çekirge tüketen 90.000 kurbağayı yemeleri (negatif entropi almaları) sayesinde varlıklarını sürdürürler.Bir bitki, havadan karbondioksit molekülü, topraktan su alarak ve Güneş ışınlarını kullanarak basit moleküllerden karmaşık moleküller yapar; basit moleküllerden karmaşık moleküller yapmak entropi azalması anlamına gelir, fakat yine de entropi yasası ihlal edilmemiştir.Bitkiler de diğer canlılar gibi “açık sistemler”dir ve kendi düzenlerinin bedeli olarak çevrede daha çok düzensizlik oluştururlar. Güneş’in sürekli artan entropisine ve toprağın bozulan düzenine karşı, bitkilerdeki negatif entropi artışı çok azdır. Yapılan hesaplar canlıların, makinelerin ve tüm düzenli yapıların düşen entropilerinin bedelinin sistemin bütününde daha çok entropi artışı olarak ödendiğini ve termodinamiğin ikinci yasasının hiç bir şekilde ihlal edilmediğini göstermektedir.
Örnek vermek gerekirse; kırık bir yumurtanın kendiliğinden eski haline gelmesi olasılığının yok denecek kadar az olması demek, böyle bir olay gerçekleşemez demek değildir. Örneğin, yumurtayı öylesine paramparça etmiş olalım ki, moleküllerine ve hatta atomlarına ayrılmış olsun. Bu atom ve moleküller kümesini, dışarıdan enerji almak suretiyle tekrar bir yumurta haline getirmek mümkündür. Nitekim bir tavuk bunu hemen her gün yapar: Bahçede eşelenerek bulduğu besin maddelerini, enerji ve hammadde temini için kullanarak, yumurtalığında yepyeni bir yumurta sentezler. Bu yumurtayı oluşturan atom ve moleküller başlangıçta, bahçedeki değişik unsurlarda darmadağınık, iş bittiğinde ise, karmaşık bir yumurtanın yapısında ‘derli toplu ve düzenli’dir. Vurgulamak gerekirse, tavuğun bunu yapabilmek için dışarıdan ‘enerji ve hammadde’ alması gerekir. Fakat bu yumurtayı sentezleme süreci sırasında; nefes alıp vermekte, terlemekte, ara sıra tuvalete de gitmektedir. Bunların her biri, keza ‘tersinmez’ süreçlerdir; entropi artışına yol açarlar. Şöyle ki; tavuğun yumurtayı sentezlemesi nedeniyle gerçekleşen entropi azalması, tavuğun bu işlem sırasında gerçekleştirmek zorunda olduğu ‘tersinmez’ işlemlerin yol açtığı entropi artışlarının toplamından daha azdır. Sonuç olarak, yumurtanın sentezlenme süreci sonunda; tavuğun bünyesindeki toplam entropi belki azalmış, fakat ‘tavuk+bahçe’ sisteminin toplam entropisi artmıştır. Çünkü genişleyen bir evrendeki toplam entropi artmak zorundadır. Demek istediğim şu ki; bir canlığın doğumu ve büyümesi, canlının bünyesindeki düzenliliğin artmasını gerektirir: bu doğru. Fakat canlı bunu başarırken, çevresindeki entropide, kendi bünyesindeki entropi azalmasından daha büyük miktarda entropi artışına yol açar. Sonuç olarak, evrendeki toplam entropi artar: azalmaz. Canlının ölümünden sonra ise, bünye bozunmaya, bünyedeki düzen azalmaya başlar. Yani entropi artmaktadır. Fakat bir yandan da, bozunmakta olan bu bünyeden beslenen böcekler ve solucanlar, kendi bünyelerinde düzen inşa etmekte, yani bünyelerindeki entropiyi azaltmakta, en azından artmasını engellemektedirler.
Bir diğer örnek kullandığımız ev aletleridir. Onlar asla enerji üretmezler, sadece tüketirler. Fakat o ev aletleri düzen sağlamak için tüketeceğimiz kimyasal ve mekanik enerjiden tasarruf etmemizi sağlarlar. Ev aletlerini çalıştırmak için, yani düzen sağlamak için harcanan elektrik enerjisi sağlanan düzenden tasarruf edilen enerjiden çok daha fazladır. Bunu rakamla örneklendirelim.
Bir kutu mısır tanesinde bulunan enerji kalori olarak hesaplandığında, 270 kaloridir. Fakat bu mısır kutusunu ve içindeki mısır tanelerini üretmek için 2790 kalori harcanmaktadır. (Kaynak: Entropy, Jeremy Rifkin, sayfa 139). Bu 2790 kaloride çiftliği çalıştırmak için kullanılan makinelerin ve kutunun üretimi ve mısırın taşınması ile kutulara doldurulması için gereken toplam enerji tüketimi hesabı vardır. Yani, harcanan enerji üretilenin 10 katıdır. Dolayısıyla, insan doğal kaynakları tüketerek enerji israfı yaparken, bir yandan da doğaya saldığı ısı enerji ile dünyanın ve çevrenin entropisini de sürekli arttırmaktadır. Küresel ısınma ve sera etkisi de bu artışın sonucudur. Atmosferde biriken fazla Karbon-dioksit asit yağmurlarına neden olmakta ormanların ve bitkilerin ölümüne yol açmaktadır.
Bunun anlamı insanın doğadaki karmaşanın ve kaosun artışına büyük çapta katkıda bulunduğu ve düzensizliğin artışını hızlandırdığıdır. Doğa dengesini bozan bir diğer etken böcek öldüren tarım ilaçlarının kullanımıdır. Bunlar daha temiz ve bol ürün elde etmeye yaradıkları gibi faydalı böcek ve bakterileri de öldürdüklerinden ekolojik doğal denge bozulmaktadır. Yapılan hesaplara göre her 10 yılda kullanılan zehirli böcek öldürücü tarım ilaçlarının 4 kat arttığıdır. Yani, her beş yılda tüketilen tarım ilaçları iki kat artmaktadır. Bu artışın nedeni, bakterilerin sürekli değişime uğramaları ve genetik yapılarını değiştirerek çoğalmalarıdır. Yani, onlar tarım ilaçlarına bağışıklık kazandıkça kullanılan tarım ilaçlarının hem gücü hem de miktarı arttırılmaktadır. Bu da faydalı bakterilerin ve böceklerin yok olmaları demektir. Aynı durum insanları etkileyen çeşitli grip virüslerini yok etmek için sürekli her yıl yenileri üretilen aşılar için de geçerlidir.
Ve bu artış sonucunda;
Fizikte, entropinin artışı olarak ifade edilen bu süreç sonsuza dek devam edemez. Isı tek yönlü olarak sıcaktan soğuğa durmadan akar ve sonunda her yerde aynı sıcaklığa erişilince hareket duracaktır. Evrenin bu şekildeki sonu “ısı ölümü” (heath death) veya “termodinamik denge” (thermodynamic equilibrium) olarak isimlendirilir. Daha önceden evrenin sonsuza dek var olamayacağına dair bazı argümanlar ortaya konmuştu. Örneğin 9. asırda yaşamış İslam filozofu/kelamcısı Kindi, alemdeki cisimlerin sınırlılığından evrenin sonlu genişliğine, evrenin sonlu genişliğinden zamandaki sonluluğuna geçiş yapan, v.b. argümanlar ileri sürmüştür. Fakat doğa bilimleri alanında evrenin sonunun kaçınılmaz olduğu ilk olarak 19. yüzyılda entropi yasası ile anlaşıldı. 16. yüzyıla dek hakim olan Aristoteles-Batlamyus sistemine göre yıldızlar hiç tükenmeyen bir yakıt ile varlıklarını sonsuza dek sürdüreceklerdi. 19. yüzyıla hakim olan Galileo ve Newton fiziği ise evrenin sonuna dair bir şey söylemiyordu. Kant’ın, Newton fiziğinin bir uygulaması olan “Evrensel Doğa Tarihi Ve Gökler Kuramı” eserinde yıldız kümelerinin evrimi ilk olarak açıklanmıştı. Daha sonra Laplace’ın geliştirdiği bu kuram, evrendeki değişimin önemini göstermişti, ama bu değişimin dairesel bir yapıda olduğu da düşünülebilirdi. Sonuçta Kant-Laplace yaklaşımı da evrenin sonu olup olmadığına dair bir veri ortaya koymuyordu. Üstelik 19. yüzyılın ilk yarısında formüle edilen termodinamiğin birinci yasası; enerjinin, değiştirdiği formlara karşın, toplamının hep sabit kaldığını söylediğinden, evrenin sonsuza dek var olacağının bir delili olarak kullanılabilirdi. Böylesi bir fikir ortamında entropi yasasının, sabit enerjinin sürekli daha kullanılmaz bir yapıya doğru evrildiğini söylemesi, evrenin bir sonu olmasını gerektirdiğinden bilim dünyasında ve felsefecilerde şok etkisi oluşturdu.
20. yüzyıldaki bilimsel gelişmeler de entropi yasasını desteklemiştir. 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 gösterir; bunlardan birincisine göre evren, hiç durmadan genişleyecek ve Büyük Donma (Big Chill) denen “soğuk ölüm” ile son bulacaktır, diğerine göre ise sonunda çekim gücü galip gelecek ve kapanışa geçen evren, Büyük Çöküş’ü (Big Crunch) yaşayarak bir tekillikte son bulacaktır. Evrenin bu iki senaryodan hangisi ile sona ereceği evrendeki maddenin kritik yoğunluktan (bu kritik yoğunluğa Omega denir) fazla olup olmaması ile alakalıdır ve bu, hala tartışma konusudur.Uzaydaki yıldızların oluşumunu sağlayan gaz stoklarının yıldızların yeniden oluşumunu mümkün kılamayacak şekilde bir gün biteceğinin anlaşılması da sonun kaçınılmaz olduğunu gösteren birçok delilden biridir. Sonuçta 20. yüzyıldaki bilimsel bulgular, evrenin bir sonu olduğu konusunda entropi yasası ile varılan sonuca ilave destek sağlamıştır.
Ayrıca entropi yasası, Big Bang’e alternatif olarak sunulan teorilerin yanlışlığını da göstermekte yararlı olmuştur. Evrendeki entropinin miktarını göstermekte kullanılan ölçüt fotonların (ışığın en küçük birimleri) sayısını, baryonların (atomun proton, nötron parçacıkları) sayısına bölmektir. Kozmik fon radyasyonuna bu işlemi uygularsak baryon başına 10 -10 luk bir entropi elde ederiz. Bu kadar yüksek bir entropi miktarı Durağan Durum (Steady-State) teorisi ile açıklanamaz, buna karşı evrenin yüksek sıcaklıkta bir başlangıcını öngören Big Bang teorisi ile bu yüksek entropi miktarı uyumludur. Ayrıca artan entropinin hükmünden Açılıp-Kapanan (Oscillating) evren modeli de kurtulamaz. Bu model, Big Bang teorisinin teorik ve gözlemsel verilerle elde ettiği gücü karşısında, evrenin ezeliliğine dair umudun, Big Bang modelinin sonsuzca tekrarlanmasına bağlanmasının bir sonucudur. Daha önce değindiğimiz gibi evren eğer bir kapanışa geçerse, bu kapanış, evrenin genişleyen halinin bir simetriği olamaz ve entropi artışından kurtulamaz. Kapanıp bir tekilliğe dönüşmüş evrenin yeniden açılması bilinen tüm fizik yasalarına aykırıdır, ama böyle bir olay gerçekleşseydi bile, evrenin her yeni halkasında artan entropi evrenin sonsuzluğuna izin vermezdi. Evrenin genişleme hızı aslında çok kritik bir değerdedir. Eğer Big Bang patlaması daha hızlı gerçekleşseydi, madde o kadar büyük bir alana yayılacaktı ki ne galaksilerin oluşması ne de evrenin kapanacak sürece geçişi mümkün olacaktı. Eğer patlama biraz daha yavaş olsaydı, saçılan madde çekim gücünün etkisiyle hemen bir tekilliğe dönüşecekti. Bu iki şıkkın arasında galaksilerin ve canlılığın oluşacağı kritik patlamanın olma olasılığı havaya atılan bir kalemin sivri ucu üzerinde durma olasılığı kadar bile değildir. (Bu olasılık 10 ’de 1 olarak hesaplanmıştır.) Evren kapanmaya daha çok ışınım ile geçtiğinden, kapanan evren, ilkinden çok ışınımlı olacaktır ve bu artmış entropi ile evren, Açılıp-Kapanan evren modeline göre, bir sıçrama yapsaydı bile, kritik genişleme hızı aşılırdı ve kapanma bir daha mümkün olamazdı. Sonuçta entropi yasası, evrenin başlangıcından bir kaçışın olmadığını gösteren ve başlangıçlı evren modellerine alternatif olarak ortaya konan modelleri yanlışlayan, doğa bilimlerinin en kesin yasasıdır.
YARARLANILAN KAYNAKLAR
Alpher, Ralph A. ve Robert Herman. Genesis of The Big Bang. New York: Oxford University Press, 2000.
Chomsky, Noam. Knowledge of Language: It’s Nature, Origin And Use. New York: Praeger, 1986.
Rifkin, Jeremy ve Ted Howard. Entropi. çev: Hakan Okay. İstanbul: İz Yayıncılık, 1997.
Russell, Robert John. Entropy And Evil. Zygon dergisi, vol. 19, no. 4, Aralık 1984.
Bilim ve Teknik Dergisi Yayınları
Her hakkı saklıdır.