Entropi Hakkında

Entropi Hakkında Hiç etrafınızdaki her şey neden sürekli bozulma eğiliminde diye düşündüğünüz oldu mu? Mesela neden bir kitaplık zamanla tozlanır veya odamız neden zamanla dağılır? Neden bir dil öğrenirken bazı kelimeler zamanla unutulur veya bilgisayarımızın masaüstü zamanla klasör çöplüğüne dönüşür? Neden daha sonra yemek için köşeye ayırdığımız yemek zamanla bozulur? Bunlara tabii ki basit cevaplar vermek gayet mümkündür ama soruyu genişletirsek işler biraz karışıyor. Güzel bir güne uyandınız ve içmek üzere kahvenizi yaptınız diyelim fakat beklenmedik bir işiniz çıktı ve yarım saat sonra anca kahvenizi içmeye fırsat bulabildiniz, o kahve orada hala aynı sıcaklıkta sizi bekliyor olmaz değil mi? Veya temizlik yaparken yanlışlıkla vazonuzu kırdınız diyelim, o vazonun kendiliğinden tekrar birleşmesinin imkansız olduğunu hepimiz biliriz ve bu kesinlikle tesadüf değildir. Her şey zamanla daha düzensiz olma eğilimindedir ve aslında bu entropi dediğimiz şeyin ta kendisidir. Entropi arttıkça işler karışır ve düzgün olan bozulur, bu aslında zamanın bile neden ileri doğru aktığının bir cevabıdır ama onu başka bir yazımızda ele alalım.

Enerji, Sıcaklık Farkı ve İş Kavramı

İşler her zaman daha düzensiz olma eğilimindedir dedik, güzel ama o esnada enerjiye ne olur? Enerji her şeyin kaynağıdır ve diğer hiçbir şey gibi enerji de asla yok olmaz, sadece form değiştirir. Eğer enerjinin işe yaramasını istiyorsanız onu dengede olmayan bir şekilde tutmanız gerekir. Yani bir yer sıcakken diğer taraf mutlaka soğuk olmalıdır. Aradaki bu sıcaklık farkı sayesinde enerji akar ve işe dönüşür çünkü enerji her zaman sıcaktan soğuğa doğru hareket eder. Peki ya her şey aynı sıcaklıkta olsaydı? Tüm enerji eşit dağılmış hale gelseydi? Bu soruya bilim çok basit bir cevap veriyor: Artık kelimenin tam anlamıyla hiçbir şey olmazdı. Enerji hareket edemediği için işe dönüşemez, hiçbir iş yapılamaz olurdu.

Karadelikler ve Hawking Radyasyonu

Şimdi de karadeliklerden bahsedelim. Karadelik denince bir çoğumuzun aklına ne geliyor? Siz düşünmeden ben söyleyeyim, devasa ve her şeyi yutan esrarengiz bir yapı! Peki bu doğru mu? Kısmen ama tam olarak değil. 1970’li yıllarda ünlü astrofizikçi Stephen Hawking ”kara delikler de enerji yayar ve aslında tam olarak karanlık değillerdir” dedi ve bu enerji yayılımına Hawking Radyasyonu ismi verildi. Peki nedir bu Hawking Radyasyonu? Hemen anlatayım: Uzay boşluğu aslında bizim düşündüğümüz gibi tam anlamıyla bir boşluk değildir, kuantum düzeyde sürekli olarak birbirine zıt kutuplu sanal madde ve karşı madde çiftleri oluşur ve anlık olarak yok olur. Peki ya bu oluşum karadeliklerin olay ufkuna yakın yerlerde yaşanırsa? İşte o zaman işler biraz ilginçleşmeye başlar. Oluşan bu çiftlerden biri karadeliğin devasa çekim kuvvetinden ötürü olay ufkundan karadeliğin merkezine doğru sürüklenir ve diğeri kaçmayı başarır. Hawking Radyasyonu denilen olay kaçmayı başaran parçacıktan dolayı olur ve hatta dışarıdan bakan bir gözlemci sanki karadeliğin kendisinden enerji dışarı çıkıyormuş gibi gözlemler fakat içeriye sürüklenen parçacık karadeliğin enerji kaybetmesine neden olur. Evet yanlış duymadınız, karadelik yuttuğu bir parçacıktan dolayı enerji kazanması gerekirken enerji kaybeder.

entropy2-1024x576 Entropi Hakkında Denemeler Fizik-Astronomi

Bilgi Paradoksu ve Maxwell’in Cini

Bu da tam olarak şöyle olur: Normal şartlarda bu oluşan parçacıklar anlık olarak birleşir ve yok olurdu, yani birbirlerini nötülrerdi; ama bu olay karadeliğin olay ufkuna yakın yerlerde gerçekleşince bu parçalardan biri kaçıp diğeri de karadeliğin içine düşer, birbirlerini nötrleyemez ve kaçan parçacık sanal parçacık statüsünden çıkıp gerçek bir parçacığa dönüşür. Kaçabilen parçacık artık bir enerjiye sahiptir fakat hepimizin bildiği gibi evrende hiçbir şey yoktan var olmaz ve vardan da yok edilemez; fakat bizim örneğimizde nötrleşemediğinden dolayı yoktan var edilen kaçak enerji taşıyan bir madde var, tam da bu sebepten ötürü evren, yoktan var olan bu parçacığın oluşturduğu enerjiyi karadeliğin kendisinden alır! Bu enerji kaybı her ne kadar karadelik için küçük bir kayıp gibi görünse de kozmolojik zamanda çok uzun da olsa elbet karadeliğin zamanla enerji kaybetmesine ve nihayetinde yok olmasına neden olur. Peki karadeliğe düşen parçacığın kendisine ne olur? Fiziğe göre bilgi ne olursa olsun asla yok olmaz, ama bir de şöyle düşünelim; karadeliğe milyar yıllar boyunca sayısız kez bu anlık oluşan parçacıklar düştü ve taşıdıkları bilgileri de kendileriyle beraber götürdü, daha sonra da karadelik milyarlarca yıl sonra bu küçük enerji kayıplarından dolayı yok oldu, e peki ya bilgi? Ne olursa olsun kaybolması imkansız olan bilgiye ne oldu? İşte buna bilimde Karadelik Bilgi Paradoksu deniyor.

Şimdi biraz entropiden devam edelim ama olayı biraz farklı bir şekilde ele alalım, hepinizi bir düşünce deneyine davet ediyorum. Bir kutu hayal edin ve bu kutunun içinde gaz molekülleri olduğunu düşünün. Bu moleküller rastgele, kaotik bir şekilde kendi aralarında kutunun içinde bir oraya bir buraya dolaşıyor, herhangi bir kutuda olduğu gibi. Şimdi bu kutuyu ortadan ikiye ayıralım ve aralarına küçük bir kapı yerleştirip kapıya da bir nöbetçi dikelim. Bu nöbetçinin görevi çok basit; hızlı yani sıcak molekülleri kapının sağ tarafına, soğuk yani yavaş molekülleri de kapının sol tarafına yerleştirmek. Nöbetçimiz görevini başarıyla tamamladığında sağ taraf sıcak sol taraf da soğuk olarak kesin iki parçaya ayrılıyor. Nöbetçimiz sayesinde normal şartlarda kendiliğinden dengelenmesi gereken, yani sıcak olanın soğuyup soğuk olanın ısınması ile mutlak bir tek sıcaklığa ulaşması gereken kutumuz artık nöbetçinin dokunuşuyla kendi kendine sıcak ve soğuk olarak ayrışmış oluyor. Bunun ne demek olduğunu size şöyle açıklayayım; eğer bu düşünce deneyinde bir hata yoksa entropi çürütülmüş oluyor!

Bu yaptığımız düşünce deneyinin aslında bir ismi var: Maxwell’in Cini. Maxwell bu düşünce deneyini ortaya atarak doğanın bu düzensizliğe gidiş yasasının gerçekten de bir kesin mi yoksa sadece genel olarak doğru giden bir istatistik mi olduğunu sorguluyor. Peki gerçekten de bu deney Entropi ilkesini çürütüyor mu? Aslında hayır. Şunu bilmemiz gerekiyor ki Maxwell bu deneyi öne sürerken yasayı çürütmeyi değil, sorgulamayı hedefliyordu; deneyindeki bu cin de bir hile değil zeka oyunuydu. Maxwell 1867 yılında bu fikri ortaya attığında termodinamik yeni yeni şekillenen bir alandı, Bilgi Teorisinin hatta bilgi kavramının kendisinin dahi fiziksel hiç bir karşılığı yoktu. 1929 yılında Leo Szilard; gözlemin ve bilginin enerji tükettiğini, 1961 yılında ise Rolf Launder bilgi silmenin enerji gerektirdiğini ortaya çıkardı, yani buna göre bilgi kaydetmek ve silmek en başından beri fiziksel bir işlemdi ve enerji gerektiriyordu, bu da entropinin artışına sebep oluyordu. Şimdi Maxwell’in düşünce deneyini tekrar gözden geçirince nöbetçimizin veya cinimizin hızlı ve yavaş hareket eden molekülleri gözlem yaparak ve bilgi ile sınıflandırdığını anımsayarak cinin aslında doğayı kandıramayacağını, entropiyi azaltmaya çalışırken düşünce ve bilgi gibi enerjiye mal olan eylemleri gerçekleştirdiği için yine entropinin artmasına sebep olacağını görmüş oluruz.

Entropi Hakkında: Entropinin Evrensel Anlamı ve Sonuç

Buraya kadar her şey yolundaysa sizi karadeliklere tekrar götürmek istiyorum, ne de olsa bir seyahate çıktık ve güzel şeylere geri dönüp tekrar bir bakış atmak hiç de kötü bir fikir sayılmaz; hele ki burada tekrar bakmaktan kastettiğimiz şey karadeliklerse! En son karadelik yok olursa bilgi paradoksu ortaya çıkar demiştik. Peki karadelikler aslında bilgiyi saklıyor mu yoksa yok mu ediyor? Bunun hala kesin bir cevabı yok fakat bir çok güçlü teoriye göre karadelikler bilgiyi yok etmiyor, ya olay ufkunda holografik olarak saklıyor ya da çok karmaşık bir biçimde Hawking Radyasyonuna kodluyor, evet sizin de hatırladığınız gibi Maxwell’in Cininden önce bahsettiğimiz Hawking Radyasyonunun ta kendisine. Bu şekilde bilgi kaybolmuyor veya yok olmuyor ama geri alınması neredeyse imkansız hale geliyor. Burada ilginç olan şudur; aynı Maxwell’in Cininin molekülleri sınıflandırırken entropi ürettiği gibi, karadelik de bilgi saklarken entropi üretiyor. Yani olayın özüne veya varmak istediğim ana fikre gelecek olursak, entropi; evrendeki tüm süreçlerin yönünü belirleyen temel bir yasa olarak yalnızca termodinamiğin değil, bilgi akışının ve kozmik evrimin de temelinde yer alıyor. Düzenli sistemlerin zamanla daha düzensiz hale gelmesi yalnızca gözleme dayalı bir eğilim değil, istatistiksel ve fiziksel bir zorunluluğun sonucu olarak karşımıza çıkıyor.

Enerji, evrende hiçbir zaman yok olmaz; yalnızca dönüşür ve kullanılamaz formlara geçer. Bu dönüşüm süreci, termodinamiğin ikinci yasası gereği daima entropiyi arttırır. Maxwell’in Cini gibi düşünce deneyleri bu yasaya yönelik itirazları daha iyi anlamamıza katkı sağlamış; ancak bilgi kuramı ve modern termodinamik bu tür müdahalelerin dahi entropiden kaçamayacağını göstermiştir. Bilgi işleme süreçlerinin dahi fiziksel temelleri olduğu, gözlem yapmanın, bilgi depolamanın ve silmenin bile enerji tükettiği ve bu nedenle doğrudan entropiyle ilişkili olduğu anlaşılmıştır. Karadeliklere geldiğimizde ise entropi kavramı kozmolojik boyutlara taşınır. Hawking Radyasyonu’nun varlığı, karadeliklerin yalnızca enerji değil, zamanla bilgi de kaybediyor olabileceğini düşündürmüş ve bu durum Bilgi Paradoksu’nu doğurmuştur. Modern teoriler, karadeliklerin bilginin mutlak yok oluşuna değil yalnızca geri alınamaz biçimde saklanmasına neden olduğunu öne sürmektedir. Olay ufkunun yüzey alanına orantılı olarak bilgi içerdiğini söyleyen Holografik İlke, entropi ile bilgi arasındaki ilişkinin sadece yerel değil kozmolojik ölçekte geçerli olabileceğini düşündürmektedir. Bilgisayarımızın masaüstü neden zamanla çöplüğe dönüşür? Neden bir zamanlar hatasız sınıflandırılmış dosyalar şimdi kaotik bir karmaşaya dönüşmüştür? Çünkü her dosya bir bilgidir, ve her bilgi de enerjiyle var olur. Enerjinin akışı varsa entropi de vardır. Her şeyi yerli yerine koymak için harcadığınız her çaba aslında düzene değil düzensizliğin kaçınılmazlığını geciktirmeye hizmet eder. Aynı şekilde, evrendeki en karmaşık bilgi deposu olan bir karadelik bile zamanla bu bilgi düzenini kaybeder. Tıpkı sizin masaüstünüz gibi… ama evrensel ölçekte. Entropi yalnızca termodinamiğin konusu değildir; o, zamanın yönüdür, bilginin kaderidir ve belki de evrenin kendini unuttuğu andır.