Kaostan Ölüm Değil, Yeni Bir Düzen Doğar!

Termodinamiğin 2.Yasası ölümü mü, yaşamı mı işaret ediyor? Bazı yorumcular, “Termodinamiğin İkinci Yasası, evrendeki maddeyi aynı yönde ve aynı sona doğru, ölüm ve yok olmaya doğru zorlamaktadır” biçiminde kötümser...
Termodinamiğin 2.Yasası

Termodinamiğin 2.Yasası ölümü mü, yaşamı mı işaret ediyor?

Bazı yorumcular, “Termodinamiğin İkinci Yasası, evrendeki maddeyi aynı yönde ve aynı sona doğru, ölüm ve yok olmaya doğru zorlamaktadır” biçiminde kötümser ve peygamberce bir öngörüde bulundular. Termodinamikte zaman bozulma ve ölüme işaret eder. Burada bir soruyu yanıtlamamız gerekiyor: Yaşam doğal olarak üst derecede örgütlenme ve giderek artan karmaşıklık sergilerken, termodinamik yasalar yaşam olgusunu nasıl açıklayabilir?

Termodinamik, kuramsal fiziğin, ısının neden olduğu devinimler ve ısının diğer erke (enerji) biçimlerine dönüşüyle ilgilenen bir dalıdır. Termodinamik sözcüğü Yunanca therme (“ısı”) ve dynamis (“kuvvet”) sözcüklerinden türetilmiştir. Bu bilim dalı deneylerden türetilmiş olan iki temel ilke üzerine kurulmuştur; ancak bu ilkeler günümüzde termodinamiğin aksiyomları olarak onanır. Termodinamiğin ilk ilkesi erkenin korunumu yasasıdır ve ısı ile işin denkliği yasası biçiminde anılır. İkinci ilke, diğer cisimlerde değişikliğe neden olmaksızın, “ısı, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akamaz”, der.

Termodinamik 1Termodinamik bilimi Endüstri Devrimi’nin bir ürünüdür. 19. yüzyılın başlarında erkenin bir biçimden bir başka biçime dönüşebileceği, ancak asla yaratılıp yok edilemeyeceği anlaşıldı. Bu, Termodinamiğin İlk Yasası’dır ve fiziğin temel yasalarından biridir. Daha sonra, 1850 yılında R. Clausius Termodinamiğin İkinci Yasasını buldu. Bu yasa, erkenin herhangi bir dönüşüm sürecinde, örneğin buhar makinesinde, “entropi”nin (cismin erkesinin sıcaklığına oranı) daima artacağını belirtir.

Entropi genel olarak bozulmaya, örgütsüzlüğe doğru olan genel bir eğilim olarak anlaşılmıştır. Demir paslanır, tahta çürür, kesilmiş hayvan eti kokuşur, banyo küvetindeki sıcak su soğur. Diğer bir deyişle, bozulmaya doğru genel bir eğilim gözlenir. Termodinamiğin İkinci Yasası’na göre, özgür atomlar kapalı bir oylum (hacim) içine aynı yöne doğru aynı hızla gönderilerek kendi haline terk edildiğinde birbirleriyle ve oylumun duvarlarıyla çarpışarak eşdağılım (homogeneous) ve hız açısından da yönbağımsız (isotropic) bir duruma ulaşacaktır.

Bu kısıtlı bir yasadır; az sayıda parçacık içeren dizgelere (küçük ölçekli dizgeler) veya sonsuz sayıda parçacık içeren (evren) dizgelere uygulanamaz. Buna karşın, bu yasayı geçerli olduğu ölçeklerden başka ölçeklere taşıma çabaları bir dizi yanlış felsefi sonuçların ortaya çıkmasına neden olmuştur. 19. yüzyılın ortalarında, İkinci Yasa’nın bulgusunu yapan R. Clausius ve W. Thomson, İkinci Yasa’yı bir bütün olarak evrene uygulamayı denediler ve tamamen yanlış bir kurama, evrenin “ısı ölümü”ne gittiğini savunan bir kurama ulaştılar.

220px-Clausius

Rudolf Clausius

İkinci Yasa 1877 yılında Ludwig Boltzmann tarafından yeniden tanımlandı. Boltzmann, İkinci Yasa’yı o yıllarda gelişmekte olan maddenin atom kuramı bağlamında türetmeye çalıştı. İkinci Yasa’nın Boltzmann çeşitlemesinde entropi, maddenin belli bir durumunun olasılık işlevi olarak tanımlandı: Maddenin belli bir durumda bulunma olasılığı ne denli yüksekse, entropisi de o denli yüksek olacaktır.

İkinci Yasa’nın bu çeşitlemesinde tüm dizgeler denge durumuna doğru gitme eğilimi gösterir.

Denge durumunda net erke akısı yoktur. Kısacası, eğer sıcak bir cismi soğuk bir cismin yanına koyarsanız, erke -ısı-her iki cisim de aynı sıcaklığa, yani denge durumuna erişinceye dek sıcak cisimden soğuk olana doğru akacaktır.

Boltzmann, fizikte küçük ölçeklerden büyük ölçeklere geçiş sorunlarıyla ilk kez ilgilenen bilim insanıdır. Boltzmann termodinamiğin yeni yasalarını klasik fiziğin yörüngeler yasasıyla birleştirmeye çalıştı. Maxwell örneğini izleyerek sorunları olasılık kuramı aracılığıyla çözmeye çalıştı. Bu çaba, Newton’un mekanik determinizm yönteminden kopuşu simgeler. Boltzmann, entropi-deki tersinemez artışı, giderek artan moleküler düzensizlik (disorder) olarak gördü. Boltzmann’ın düzen ilkesi şuydu: Bir dizgenin alabileceği en olası durum, o dizgede aynı anda gerçekleşen ve istatistiksel olarak birbirini ortadan kaldıran olayların gerçekleştiği durumdur. Moleküller ortalamada gelişigüzel, düzensiz olarak devinirken, herhangi bir anda bir yöne doğru devinen parçacık sayısı diğer yöne doğru devinen parçacık sayısına eşittir.

Erke ile entropi arasında bir çelişki vardır. Bu ikisi kararsız denge durumundadır. Düşük sıcaklıklarda erke baskın gelir ve kristallerde olduğu gibi, düzenli (zayıf entropi) ve düşük erke düzeyli durumların ortaya çıktığına tanık oluruz. Bu durumda moleküller birbiriyle belli bir konumda kilitlenirler. Diğer yandan, yüksek sıcaklıklarda entropi baskındır ve moleküler düzensizlik gözlenir. Kristalin yapısı bozulur ve önce sıvı, sonra da gaz durumuna geçiş gerçekleşir.

Termodinamik 2İkinci Yasa dış dünyadan yalıtılmış bir dizgede entropinin daima artacağına işaret eder. İki dizge birleştirildiğinde, birleşik dizgenin entropisi, tek tek dizgelerin entropileri toplamından daha büyüktür. Ancak, İkinci Yasa fiziğin diğer yasaları gibi, örneğin, Newton’un çekim yasası gibi her durumda uygulanabilecek bir yasa değildir. Orijinal olarak klasik mekaniğin belli bir uygulama alanından yola çıkılarak türetildiği için İkinci Yasa’nın uygulama alanı kısıtlıdır, çünkü Boltzmann yalnızca atomlar arası çarpışmaları dikkate almış, elektromanyetizm ve çekim kuvveti gibi etkileri boşlamıştır. Bu nedenle İkinci Yasa fiziksel süreçlere ilişkin kısıtlı betimlemeler verir ve ancak buhar kazanları gibi dizgelere uygulanabilir. İkinci Yasa tüm koşullarda geçerli değildir. Örneğin Brownian devinimler İkinci Yasa’yla çelişir. Klasik biçimiyle evrenin genel yasası olduğu savı doğru değildir.

İkinci Yasa’nın, evrenin bir bütün olarak maksimum entropi durumuna doğru gittiği anlamına geldiği savlanıyor. Kapalı bir dizgeye benzetilen evrenin eninde sonunda denge durumuna, sıcaklığın her yerde aynı olmasıyla ısı ölümüne gideceği savunulur. Yıldızlar yakıtlarını tüketecek, tüm yaşam sona erecek, evren yavaş yavaş biçimsiz bir hiçliğe doğru gidecek. Evren “ısı ölümü”nü tadacak. Evrene ilişkin bu kötümser tablo onun geçmişiyle ve bugün tanık olduğumuz evrimiyle tamamen çelişiyor. Maddenin mutlak bir denge durumuna doğru eğilim gösterdiği düşüncesi doğanın kendisine aykırı bir düşüncedir. Bu kötümser düşünce evrene ilişkin cansız, soyut bir düşüncedir. Günümüzde evren herhangi türden bir denge durumundan olabildiğince uzaktır. Ve ayrıca, elimizde ne geçmişte ne de gelecekte böylesi bir denge durumunun olduğuna/olacağına ilişkin bir kanıt var. Dahası, eğer entropi sürekli artıyorsa, niçin evrendeki tüm madde çoktan birbirinden ayırt edilemez parçacıklar yığınına dönüşmedi?

Bilimsel kuramları geçerli olduğu alanın ötesinde uygulamaya kalktığımızda, bakın neler oluyor! Termodinamik ilkelerin sınırları 19. yüzyılda İngiliz fizikçisi Lord Kel-vin ile yerbilimciler arasında Yer’in yaşına ilişkin çıkan polemikte çizilmişti. Lord Kelvin’in termodinamik ilkeleri kullanarak yapmış olduğu öngörü, jeolojik ve biyolojik evrim kuramının bulgularıyla çelişti. Birikmiş olan devasa boyutlardaki veriler yerbilimcilerin haklı, Lord Kelvin’in yanlış olduğunu gösterdi.

1928 yılında İngiliz bilim insanı ve idealist felsefe savunucusu Sir James Jean, evrenin “ısı ölümü”ne gittiği yönündeki eski savları, Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’ndan aldığı öğelerle yeniden canlandırdı. Jeans, madde ve erkenin denkliği ilkesinden yola çıkarak evrenin sonunda tüm maddenin erkeye dönüşmesiyle son bulacağını savundu: “Termodinamiğin İkinci Yasası evrendeki maddeyi aynı yönde ve aynı sona doğru, ölüm ve yok olmaya doğru zorlamaktadır” biçiminde kötümser ve peygamberce bir öngörüde bulundu.

Yukarıdakilere benzer kötümser senaryolar günümüzde de ileri sürülüyor. Son zamanlarda yayımlanan bir kitapta:

“Çok uzak bir gelecekte evren birbirinden yavaş yavaş uzaklaşan foton, nötrino, elektron ve pozit-rondan oluşan düşük yoğunluklu bir çorbaya dönüşecek. Bildiğimiz kadarıyla, temel fiziksel süreçlerden hiçbiri gerçekleşmeyecek. Evrenin bu kısırlığa doğru gidişini hiçbir süreç geri çeviremeyecek; yaşamını tamamlamış ancak ebedi yaşamını, belki ebedi ölümüne demek daha iyi bir betimleme olacak, sürdürecektir.

“Bu soğuk, karanlık, biçimsiz, hemen hemen hiçlik öngören çağcıl evrenbilim 19. yüzyıl fiziğinin ‘ısı ölümü’ne yakın bir gelecek öngörüyor.”

Bu senaryodan nasıl bir sonuç çıkarabiliriz? Eğer yalnızca Yer’deki değil evrendeki tüm yaşam, aslında tüm madde ölüme mahkûm edildiyse, niçin bir şeyler üretmek, kötüleri düzeltmek için uğraşıp duruyoruz ki? İkinci Yasa’yı uygulanabilirlik alanı dışına uzattığımızda bir dizi yanlış ve nihilistik felsefi sonuçlar ortaya çıkıyor. İngiliz filozofu Bert-rand Russell, Why I am not a Christi-an adlı kitabında şunları yazıyor:

“Çağlar boyunca harcanan emekler, tüm adanmışlıklar, tüm esinler ve insanlığın parlak zekâsı Güneş dizgesinin ölümüyle son bulmaya doğru gidiyor. Ve insanın başarıları evrenin yıkıntıları altına gömülecek. Eğer bunlar tartışmasız bir biçimde doğruysa, tersini savunmaya çalışan hiçbir felsefe ayakta kalamayacaktır.”

Karmaşadan doğan düzen

Son yıllarda İkinci Yasa’nın bu kötümser yorumuna yeni bir kuramla yanıt verildi. Kimya dalında Nobel Ödüllü Belçikalı İlya Prigo-gine ve arkadaşları termodinamiğin klasik kuramlarına tamamen değişik yorumlar getiren bir çalışmaya öncülük ettiler. Boltzmann’ın kuramıyla Darwin’in kuramı birçok açıdan birbirine benziyor. Her ikisinde de çok sayıda düzensiz çalkantılar dizgeyi tersinemez değişikliklerin ortaya çıktığı bir noktaya getiriyor. Birisi kendini biyolojik evrim biçiminde gösterirken, diğeri erkenin çevreye ısı erkesi olarak saçılması ve düzensizliğe doğru gidişi sergiliyor. Termodinamikte zaman bozulma ve ölüme işaret eder. Burada bir soruyu yanıtlamamız gerekiyor: Yaşam doğal olarak üst derecede örgütlenme ve giderek artan karmaşıklık (comp-lexity) sergilerken, termodinamik yasalar yaşam olgusunu nasıl açıklayabilir?

termodinamik-3Termodinamiğin İkinci Yasası “yalıtılmış bir dizge kendi haline bırakıldığında entropisi giderek artar” diyor. 1960’larda İlya Prigogine ve çalışma arkadaşları gerçek dünyanın atom ve moleküllerinin asla “kendi haline bırakılamayacağını” gösterdiler. Her şey her şeyi etkiler. Atom ve moleküller daima kendilerine dışardan akan madde ve erkenin etkileri altındadır. Eğer bu akış yeterince fazlaysa düzensizlik sunacağı varsayılan İkinci Yasa’yı yadsırcasına düzenli yapılara gidişin olası olduğunu gösterirler. Aslında doğada örgütsüzlenmeye ve bozulmaya doğru giden süreçlerin yanı sıra, tam tersi yöne, kendiliğinden öz-örgütlenme ve büyümeye doğru gelişen süreçler de vardır. Tahta çürür, ancak ağaçlar da büyür. Prigogine’e göre öz-örgütlenme gösteren yapılar doğada her yerde vardır. M. Waldrop da benzer bir sonuç çıkarmıştır:

“Lazer öz-örgütlenme gösteren bir dizgedir. Lazerdeki ışık parçacıkları, fotonlar, kendilerini güçlü bir ışın demetinde birbirleriyle aynı evrede bulunacak biçimde örgütler. Canlı bir hücre, matematiksel olarak çözümlemek oldukça güç olmasına karşın, öz-örgütlenme gösteren bir dizgedir; besinlerden erke alır ve aldığı erkeyi ısı ve atık olarak dışarı atar.”

Doğada her yerde desenlerle karşılaşıyoruz; kimisi düzenli kimisi düzensiz. Bozulma var, ama aynı zamanda büyüme de var. Yaşam var ama aynı zamanda ölüm de var. Ve bu çelişkili eğilimler birbiriyle iç içe. Onları birbirinden ayırt etmek olanaksız. Termodinamiğin İkinci Yasası, “doğanın tamamı dönüşü olmayan bir yolda düzensizlik ve ölüme doğru gidiyor” saptaması ya-
pıyor. Ancak bu saptama bizim doğada gördüğümüz genel desenlerle uyuşmuyor. “Entropi” kavramı termodinamiğin kesinlikle belirlenmiş geçerlilik sınırları dışında kullanıldığında sorun yaratıyor.

Ilya PrigoginGüneş ve yıldızların erke kaynağı olan çekirdek tepkimeleri (nuclear fusion) bozulmaya değil, evrenin oluşumuna örnektir. Bu saptamayı 1931 yılında H. T. Poggio yaptı ve amacı, geçerlilik sınırları belli olan İkinci Yasa’yı tüm evrene uygulamaya kalkan kötümser termodinamik-çi peygamberleri uyarmaktı. “Evreni zembereği daima boşalan bir saat zannetmeyin. Boşalan zembereklerin yanı sıra öz-örgütlenmeyle kurulan zemberekler de var.”

İkinci Yasa’da iki temel öğe vardır: biri negatif diğeriyse pozitif. Birinci öğe, “bazı süreçlerin gerçekleşmesi olası değildir” der (örneğin, ısı sıcak bir kaynaktan soğuğa doğru akar, asla tersi olmaz). İkincisiyse (birinciden çıkan bir sonuçtur) “artan entropi tüm yalıtılmış dizgelerin kaçınılmaz bir özelliğidir”, der. Yalıtılmış bir dizgede, tüm denge durumu dışı süreçler aynı türden denge durumuna giden evrim üretir. Geleneksel termodinamik entropide yalnızca düzensizliğe gidişi görmüştür. Ancak bu, buhar makinesi gibi basit, yalıtılmış dizgeler için geçerlidir. Boltzmann’ın kuramlarına Prigogi-ne’in getirdiği yeni yorumlar daha kapsamlı ve kökten farklıdır.

Kimyasal tepkimeler moleküller arası çarpışmalarla gerçekleşir. Normal koşullarda çarpışma durum değişikliğine neden olmaz; moleküller yalnızca erke değiş tokuşu yapar. Ancak, zaman zaman, çarpışma moleküllerde değişikliğe neden olur (“tepkimeli çarpışma” – reacti-ve collision). Katalizörler yardımıyla bu tür tepkimeler hızlandırılabilir. Canlı organizmalarda katalizörler belli proteinlerdir, bunlara enzim denir. Yer’de yaşamın ortaya çıkışında bu sürecin önemli bir rol oynadığına inanmak için elimizde yeterince neden bulunuyor. Kaotik olarak görünen şey, moleküllerin gelişigüzel, düzensiz devinimleridir. Bu düzensiz devinimler kritik bir aşamaya ulaşır ve o aşamada nicel olan şey ansızın niteliğe dönüşür. İşte bu, organik olsun inorganik olsun, maddenin tüm biçimlerinin temel özelliğidir.

“Biyolojik örgütlenme arttıkça zaman okunun yönünü algılama da artar ve en üst derecesine insan bilincinde ulaşır.”

Tüm canlı dizgeler düzen ve etkinliği birleştirir. Bunun tersine kristal denge durumunda düzenli bir yapı sergiler ancak etkin değil eylemsizdir. Doğada denge durumu normal bir durum değildir, Prigogine’in betimlemesiyle, “ender ve riskli durum”dur. Kural olan, denge dışı durumdur. Kristal gibisinden basit, yalıtılmış bir dizgede denge durumu uzun bir süre hatta sonsuza dek sürdürülebilir. Ancak, canlı organizmalar gibisinden karmaşık süreçlerde durum farklıdır. Canlı bir hücre uzun süre denge durumunda kalırsa ölür. Yaşamın ortaya çıkmasına neden olan süreçler basit ve doğrusal süreçler değildir, diyalektiktir, ani sıçramalar sergiler, bu sıçramalarda nicelik niteliğe dönüşür.

termodinamik-4“Klasik” kimyasal tepkimeler düzensiz süreçler olarak görüldü. Süreçteki moleküller uzayda eşdağılım (homogeneous) gösteriyordu. Hız uzayındaki dağılımları da Gauss eğrisi biçimindeydi, hızları belli bir yönü yeğleniyordu (isotropic). Bu tür dizgeler Boltzmann’ın kavramına uygundu, tüm yan tepkimeler giderek sönecek ve tepkime kararlı bir tepkimeye, devinimsiz denge durumuna götürecekti. Ancak son birkaç on yılda Boltzmann’cı tepkimelerden farklı olduğu anlaşılan kimyasal tepkimeler keşfedildi. Bu tepkimeler “kimyasal saatler” adıyla anılır. Bu tepkimelerin en önemlileri, Belou-sov-Zhabotinsky tepkimesi ve İlya Prigogine’in tasarlayıp oluşturduğu Brusselarator’dür.

Doğrusal termodinamik, olası minimum etkinlik düzeyine doğru gitme eğilimi gösteren dizgelerin kararlı ve öngörülebilir davranışlarını betimler. Ancak, bir dizgeye etki eden termodinamik kuvvetler dizgeyi doğrusal yaklaşımın ötesine zorladığında, kararlılık bir varsayım olarak kullanılamaz. Bu aşamada türbülans ortaya çıkar. Uzun bir süredir türbülansın düzensizlik veya kaosla eşanlamlı olduğu sanıldı. Ancak günümüzde, büyük ölçeklerde kaotik, düzensiz olarak görülen durumun, aslında, küçük ölçeklerde oldukça örgütlü durum olduğu anlaşılmıştır.

Bugün kimyasal kararsızlıklar üzerine yapılan çalışmalar artık oldukça yaygındır. Bu alanın özel ilgi alanı İlya Prigogine öncülüğünde Brüksel’de yapılan araştırmalardır. Kimyasal kararsızlığın başladığı kritik noktanın ötesinde ne olduğu diyalektik materyalizm açısından büyük öneme sahiptir. Özel öneme sahip olan olgu “kimyasal saat”tir. Amerikalı bilim insanlarının Brus-selator adını taktığı Brüksel modeli gaz moleküllerinin davranışını betimler. “Kırmızı” ve “mavi” olarak etiketlenmiş iki tür molekül olduğunu düşünelim. Bu moleküller ka-otik, tamamen gelişigüzel devinim içinde olsun. Herhangi bir anda, moleküllerin düzensiz dağıldığını, ara sıra kırmızı ve mavi flaşlar çak-sa da, moleküllerin genelde mor bir renk sergileyeceğini bekleriz. Ancak, kritik noktanın ötesinde kimyasal saatte beklenen olmaz. Molekül dizgesi düzenli aralıklarla tamamen mavi, sonra tamamen kırmızı görünür.

“Milyarlarca molekülün bu düzeyde sergilediği düzen inanılmazmış gibi görünüyor” saptamasını yapıyor Prigogine ve Stengers, “ve gerçekten de kimyasal saatler gözlenmemiş olsaydı böylesi bir sürecin olabileceğine kimse inanmazdı. Rengin birdenbire değişebilmesi için moleküller arasında bir ‘iletişim’ olmalıdır. Dizge bir bütün olarak davranma yeteneği göstermelidir. Bu anahtar sözcüğe, kimyadan nörofiz-yolojiye dek birçok alanda önemi olan ‘iletişim’ sözcüğüne yine döneceğiz. Erke saçıcı dizgeler belki de iletişim için basit bir fiziksel süreç sunuyor.”

“Kimyasal saatler” doğada, belli bir kritik noktanın ötesinde kaosun kendiliğinden ve ansızın düzen doğurduğunu gösteriyor. Özellikle inorganik maddeden yaşamın ortaya çıkması bağlamında bakıldığında kimyasal saatler çok önemli bir süreçtir.

“‘Çalkantılardan doğan düzen’ modeli kararsız bir dünyanın varlığına işaret eder; bu dünyada küçük nedenler büyük etkiler doğurur ancak bu gelişigüzel bir dünya değildir. Tam tersine, küçük bir olayın genliğinin yükselmesinin nedenleri ussal bir araştırmayı gerektiriyor.”

Klasik kuramda kimyasal tepkimeler istatistiksel olarak düzenli bir biçimde seyreder. Normal koşullar altında moleküller eşdağılım sergiler. Gerçekteyse yerel yoğunlaşmalar gözlenir ve bu yoğunlaşmalar kendilerini örgütler. Bu durum, geleneksel kuramda tamamen beklenmedik bir durumdur. Bu odak noktaları, Prigogine’in deyimiyle “öz-örgütlenme” gösteren bölgeler, örgütlenmeyi, tüm dizgeyi etkileyecek biçimde sağlam kazığa bağlarlar. Önceden marjinal olarak betimlenen süreç şimdi belirleyici olduğunu göstermiştir.

Makinelerde sürtünme ve ısı yitiğine neden olan tersinemez süreçler geleneksel yaklaşımda can sıkıcı süreçler olarak görüldü. Ancak günümüzde durum değişti. Tersine-mez süreçler olmasaydı, canlı yaşam ortaya çıkamazdı. Prigogine’e göre tersinemezlik, büyük ölçeklerde de küçük ölçeklerde de vardır. Prigogine’e göre Termodinamiğin İkinci Yasası bizi maddeye ilişkin yeni kavramlara götürecek. Denge durumundan uzak koşullardan düzen doğar. “Denge dışı durum karmaşadan düzenin doğmasını sağlar”.

Kaynak: www.marxist.com/science/arrowoftime.html.

Kategoriler
Bilim
Henüz Yorum Yok

Cevap bırakın

*

*

Benzer Konular