Hiç düşündünüz mü, Dünya'nın Güneş'ten aldığı şey tam olarak ne? Çoğu insan "enerji" der. Oysa Dünya, uzaya neredeyse tam olarak aynı miktarda enerji geri yayar. Peki o zaman gerçekte ne alıyoruz? Cevap, fiziğin en temel ama en az anlaşılan kavramlarından birinde saklı: entropi. Aslında Güneş bize yoğun, kullanılabilir enerji yani düşük entropi gönderiyor; biz ise onu dağıtarak yüksek entropili bir biçimde geri veriyoruz. Hayatın kendisi de dahil, gezegenimizdeki neredeyse her şey bu düşük entropi akışı sayesinde var olabiliyor.

Bu yazıda, entropinin ne olduğunu, neden sürekli arttığını, termodinamiğin ikinci yasasının günlük yaşamdan kara deliklere kadar nasıl işlediğini ve zamanın neden sadece ileri aktığını anlayacağız.

Güneş'ten Aldığımız Şey: Daha Fazla Enerji Değil, Daha Kullanılabilir Enerji

Sokakta birine Dünya'nın Güneş'ten ne aldığını sorsanız, büyük ihtimalle "ısı", "ışık" ya da "enerji" der. Dünya her gün Güneş'ten belli bir miktar enerji alır. Peki aynı sürede ne kadarını uzaya geri yayar? Çoğu kişi "daha azını" diye düşünür; çünkü biz o enerjiyi kullanıyoruz, bitiriyoruz sanır. Oysa enerji yok olmaz, korunur. Dolayısıyla Dünya, tarihinin büyük bölümünde aldığı kadar enerjiyi geri yaymıştır. Aksi halde gezegen sürekli ısınır ve kısa sürede yaşanmaz hale gelirdi.

Öyleyse ne alıyoruz? Olayı netleştiren şey, enerjinin yoğunluğu. Güneş'ten gelen fotonlar, yani ışık parçacıkları, yüksek enerjili ve az sayıdadır. Buna karşılık Dünya uzaya, gelen her bir fotona karşılık yaklaşık 20 tane düşük enerjili foton yayar. Yani toplam enerji miktarı aynı kalsa da, enerji dağılmış olur. İşte bu yoğun ve derli toplu enerjiye "düşük entropili", dağınık enerjiye ise "yüksek entropili" diyoruz. Güneş bize kullanılmaya hazır, paketlenmiş bir enerji sunar; biz onu kullandıkça dağıtır, entropisini artırır ve öylece uzaya geri göndeririz.

Carnot’un İdeal Motoru: Neden Yüzde 100 Verim İmkansız?

Entropi kavramının temelleri, 19. yüzyılın başında Fransız mühendis Sadi Carnot'un buhar makinelerine verim kazandırma arayışıyla atıldı. O dönemde en iyi makineler bile termal enerjinin ancak %3'ünü mekanik işe dönüştürebiliyordu. Carnot, sürtünmesiz ve çevresine hiç kayıp vermeyen ideal bir ısı motoru hayal etti. Çalışma prensibi basitti: bir sıcak, bir de soğuk metal çubuk. Motor, sıcak çubuktan ısı alarak bir pistonu hareket ettiriyor, sonra soğuk çubuğa ısı atarak başlangıç konumuna dönüyordu. Döngü tamamen tersinirdi; yani motoru geriye doğru çalıştırarak aynı enerjiyle başlangıç durumuna dönmek mümkündü.

Ancak bu ideal motorda bile verim hiçbir zaman %100 olamazdı. Çünkü her döngüde sıcak taraftan alınan ısının bir kısmı mutlaka soğuk tarafa atılmak zorundaydı. Verim, yalnızca sıcak ve soğuk kaynakların sıcaklıklarına bağlıydı. Sonsuz sıcaklık ya da mutlak sıfır (0 Kelvin) olmadan %100 verim imkansızdı. Bu, enerjinin bir kısmının her zaman kullanılamaz hale geldiğini, yani dağıldığını gösteriyordu. Gerçek makinelerde sürtünme, ısı sızıntıları gibi tersinmez süreçler de eklenince, kullanılabilir enerji daha da azalıyordu. İşte bu dağılmanın ölçüsüne Rudolf Clausius "entropi" adını verdi.

Entropi Neden Hep Artar? Boltzman’ın Olasılık Devrimi

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunduğunu söyler. İkinci yasa ise evrenin toplam entropisinin sürekli arttığını. Peki ama neden? Fiziğin diğer yasaları zamanda ileri ve geri simetrik çalışırken, entropi neden tek yönlü bir ok çizer?

Görsel: Richard D Feinman, Eugene J Fine (Wikimedia Commons) · CC BY 2.0

Bu sorunun cevabını Ludwig Boltzmann verdi. Entropi artışı, imkansız değil; sadece aşırı derecede olasılık dışı. Şöyle düşünün: birbirine değen sıcak ve soğuk iki metal çubuk. Atomlar düzeyinde enerji paketçikleri rastgele zıplar. Sıcaktan soğuğa enerji akışı, mümkün olan mikroskobik düzenlemelerin ezici çoğunluğuna karşılık gelir. Enerjinin soğuktan sıcağa aktığı düzenlemeler de vardır, ama sayıları inanılmaz derecede azdır. Gündelik hayattaki cisimler trilyon kere trilyon atomdan oluştuğu için, ısının ters yönde aktığını görmemiz istatistiksel olarak imkansıza yakındır. Tıpkı bir Rubik küpünü rastgele çevirerek çözülmüş haline geri getirmek gibi: Zamanla küp mutlaka daha karışık hale gelir, çünkü karmaşık olma ihtimali çok daha yüksektir.

Dolayısıyla entropi, düzensizliğin ya da enerjinin yayılma eğiliminin bir yansımasıdır. Kapalı bir sistemde kullanılabilir enerji sürekli azalır. Bu yüzden bir oda kendiliğinden toplanmaz, sıcak kahve soğur, bir daha asla eski haline dönmeyecek şekilde dağılır.

Yaşam ve Entropi: Evrenin Dengesinde Canlılık

Entropi sürekli artıyorsa, nasıl oluyor da Dünya'da düzenli yapılar, canlılar var? Bir evin içini klima ile serinlettiğinizde, içerideki entropi azalır; ama bu ancak dışarıdaki entropiyi çok daha fazla artırarak mümkün olur. Santralde yakılan kömürün kimyasal enerjisi dağılır, türbinler, jeneratörler, kablolar boyunca yayılır ve sonunda evinizin kompresöründen atık ısı olarak çevreye salınır. Yani yerel bir düzen, evrensel bir düzensizlik pahasına sağlanır.

Dünya kapalı bir sistem değildir; çünkü sürekli Güneş'ten düşük entropili enerji alır. Bitkiler bu yoğun enerjiyi fotosentezle kimyasal bağlara hapseder, hayvanlar bitkileri yiyerek enerjiyi bedenlerinde kullanır, besin zinciri böyle işler. Her adımda enerji biraz daha dağılır. Hatta bazı bilim insanları, yaşamın kendisinin termodinamiğin ikinci yasasının bir sonucu olabileceğini öne sürer. Düzenli bir enerji akışı varsa, sistemler bu enerjiyi daha verimli dağıtacak yapılar geliştirebilir. Jeremy England'ın ifadesiyle, "rastgele bir atom yığınına yeterince uzun süre ışık tutarsanız, sonunda bir bitki elde etmeniz şaşırtıcı olmamalı".

Kara Delikler ve Evrenin Isıl Ölümü

Peki Güneş'in düşük entropisi nereden geldi? Cevap Büyük Patlama'ya kadar uzanır. Evrenin başlangıcında madde neredeyse kusursuz bir biçimde düzgün dağılmıştı ve sıcaklık her yerde aynıydı. Bu, kulağa yüksek entropi gibi gelse de, kütleçekimi devreye girdiğinde son derece düşük entropili bir durumdur. Çünkü kütleçekimi maddeyi bir araya toplamak ister; her şeyin homojen dağılması ise inanılmaz düşük olasılıklı bir başlangıçtır. Zamanla madde yoğunlaştı, yıldızlar ve galaksiler oluştu, potansiyel enerji kinetiğe, o da ısıya dönüştü; kullanılabilir enerji azaldı, entropi arttı.

Bugün gözlemlenebilir evrendeki entropinin neredeyse tamamı kara deliklerdedir. Stephen Hawking, kara deliklerin olay ufkundan sorumlu bir sıcaklığa ve dolayısıyla devasa bir entropiye sahip olduğunu gösterdi. Samanyolu'nun merkezindeki süper kütleli kara delik tek başına, erken evrenin toplam entropisinin yaklaşık 1000 katı entropi barındırır. Tüm kara delikler ise muazzam bir entropi deposudur. Bu, evrenin başlangıcının ne kadar düşük entropili olduğunu çarpıcı biçimde ortaya koyar.

Zamanın oku, işte bu düşük entropiden yüksek entropiye doğru ilerleyişimizden doğar. Geçmişle gelecek arasındaki fark, entropinin artış yönünde olmasıdır. Süreç, evrenin "ısıl ölümüne" kadar sürecek: Tüm yıldızlar sönecek, kara delikler buharlaşacak, enerji o kadar dağılacak ki hiçbir ilginç şeyin olması mümkün olmayacak. Zamanın yönü bile belirsizleşecek.

Ancak karamsarlığa gerek yok. Tıpkı çaya süt döktüğünüzde ortaya çıkan kısa ömürlü ama büyüleyici desenler gibi, en karmaşık ve güzel yapılar düşük entropi ile yüksek entropi arasındaki geçişte filizlenir. Şu an tam da o aralıktayız. Sahip olduğumuz bu düşük entropili kozmik anı, anlamak ve değerlendirmek bizim elimizde.

Unutmayın: Bir sonraki sefer Güneş'in tadını çıkarırken, aslında evrenin en değerli armağanı olan düşük entropinin keyfini sürüyorsunuz.