3 hayali fizik iblisi doğa kanunlarını nasıl yerle bir etti?

“Şeytanları” içeren üç düşünce deneyi yüzyıllardır fiziğin peşini bırakmadı. Bugün bunlardan ne çıkarmalıyız?

Hayal gücüyle fizik yapmanın uzun bir tarihi var. Albert Einstein, bir ışık ışınını kovaladığını hayal ederek özel görelilik teorisini geliştirdi. Erwin Schrödinger bize hem canlı hem de ölü bir kedi verdi. Alman matematikçi David Hilbert, sonsuz sayıda odası ve misafiri olan bir otel hayal ederek sonsuzluğun mantık dışılığını gösterdi. Fizikçiler, yaratıcı özgürlükler kullanarak fikirleri stres testine tabi tutmak ve böylece onları daha iyi anlamak için düşünce deneylerini kullanırlar.

İlginç bir şekilde, en kalıcı ve kafa karıştırıcı düşünce deneylerinden üçü, “şeytanlar” olarak bilinen şeyleri içeriyor. Bunlardan en ünlüsü, 1867’de tasarlanan, garip ama mantıksal güçlere sahip küçük bir varlığı hayal eden Maxwell’in şeytanıdır. Diğer iki benzer düşünce deneyinin yanı sıra – Laplace’ın şeytanı ve Loschmidt’in şeytanı – bugün hala fizikçilerin kafasını kaşımaya devam ediyor. Görünüşe göre bu şeytanlar hakkında düşünmek, fizikteki en zor kavramların bazılarını kavramamıza yardımcı olabilir.

Birleşik Krallık’taki York Üniversitesi’nden bilim felsefecisi Michael Stuart, “Heyecan verici ve şaşırtıcı olan şey, bilim adamlarının bu kurgusal alanlara girerek gerçeklik hakkında bu kadar çok şey öğrenebilmesidir” diyor. “Ve pek çok kişi bilimin onsuz imkansız olacağını savunuyor.”

Laplace’ın şeytanı

İlk iblisimizi yaratan adam, Isaac Newton’un gölgesinde çalışan bir Fransız bilgeydi. 1814’te Pierre-Simon Laplace basit bir soru sordu: Eğer Newton’un yasaları bir elmanın nasıl düşeceğini tahmin edebilseydi, aynı mantık her şeyi tahmin etmek için kullanılabilir miydi? Ya sadece düşen bir elma ya da yörüngedeki gezegen hakkında değil, her parçacığın, her nesnenin, her yerin mükemmel bilgisine sahip olsaydınız? Bizden, tam da bunu yapabilen bir iblis hayal etmemizi istedi – gerçi kullandığı kelime “akıl”dı. Eğer her parçacığın konumunu ve momentumunu bilseydi ve doğa yasalarını anlasaydı, evrenin tüm geleceğini hesaplayabilirdi. “Hiçbir şey belirsiz olmayacak” dedi. “Geçmiş gibi gelecek de gözlerinin önünde olabilir.”

Laplace’ın şeytanının güçlerine sahip bir makineyi hiçbir zaman yapamayabiliriz ama onu hayal etmek yine de teorilerimizdeki mantıksal tutarsızlıkları tespit etmemize yardımcı olabilir. Bilim aslında gezegenlerden insanlara kadar her şeyin önceden belirlenmiş olduğu anlamına mı geliyor? Eğer fizik yasaları her sonucu sabitliyorsa, o zaman özgür irade en iyi ihtimalle bir yanılsama, cehaletimizin bir yan ürünü gibi görünebilir.

Neyse ki, ilk iblisimizi kovmak nispeten kolaydır. Fizikçilerin, Laplace’ın iblisinin sahip olduğu söylenen bilgiye hiçbir varlığın sahip olamayacağına inanmaları için nedenleri var. Yeni başlayanlar için, Einstein’ın özel görelilik teorisi hiçbir bilginin ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceğini söylüyor. Bu, bazı olayların geleceğinizi etkilemesine rağmen şu anda onlar hakkında bilgi sahibi olamayacağınız anlamına gelir. Işık hızında seyahat eden bu olaylarla ilgili bilgilerin size ulaşmaya vakti olmadı ve bu da Laplace’ın şeytanını yendi.

Ve iblis evrenin her köşesinden bilgiye erişebilse bile kuantum mekaniği başka bir engel daha ortaya çıkarıyor. 1920’lerden bu yana, bir parçacığın konumundan ve momentumundan aynı anda emin olmanın hiçbir yolu olmadığını, dolayısıyla iblisin her parçacığın tam olarak nerede olduğunu ve ne yaptığını bilemediğini biliyoruz. Yalnızca bir parçacığın özelliklerinin olasılıklarını tanımlayabilirdi.

Laplace’ın gerçekliğin parçacık parçacık net resminin yerini, potansiyel olarak gerçekleşebilecek tüm sonuçları kapsayan soyut bir matematiksel nesne olan geniş, değişken bir dalga fonksiyonuyla tanımlanan bir kuantum evren alıyor. Bir iblis tüm bu sonuçları takip edebilse bile hangisinin sonunda gerçek olacağını bilemez.

Loschmidt’in şeytanı

O halde Laplace’ın iblisi dişlerini kaybetmiş gibi görünüyor, ancak ileride daha şeytani düşünce deneyleri yatıyordu. İkinci şeytanımız sanayileşmenin zirvesinde ortaya çıktı. Buhar motorları ısı, enerji ve düzensizlik hakkındaki sorulara yeni bir aciliyet kazandırmıştı. Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann, sistemlerin zaman içinde nasıl daha düzensiz hale gelme eğiliminde olduğunu ifade eden kaygan bir kavram olan entropiyi açıklamaya çalıştı. Kumdan kaleler parçalanır, buzlar erir, pas oluşur vb. Boltzmann bunu, gerçeğe yakınlaşarak ve büyük sistemlerin küçük yapı taşlarına (tüm odayı dolduran bireysel gaz molekülleri gibi) bakarak açıklayabileceğine inanıyordu.

Ancak eski meslektaşı Avusturyalı fizikçi Josef Loschmidt’in bu yaklaşım hakkında şüpheleri vardı ve 1876’da basit ama yıkıcı bir meydan okuma ortaya attı. Evrenin zamanda donduğunu hayal edin. Her molekülün bir konumu ve hareket yönü vardır. Loschmidt, artık her parçacığın hareket ettiği yönü tersine çevirmemiz gerektiğini söyledi. Loschmidt’in orijinal formülasyonu bir “iblis” içermiyordu, ancak daha sonraki sürümler genellikle bir şekilde tüm parçacıkları görebilen ve dondurabilen bir tane ekliyor – çoğunlukla daha sonra gelenler nedeniyle.

Loschmidt’in senaryosu fizikçileri çok rahatsız etti çünkü zamanla ilgili bir paradoks sunuyor gibi görünüyor. Parçacıklar düzeyinde, yönler tersine çevrildiğinde hiçbir şey özellikle yanlış görünmüyor; hiçbir fizik kanunu ihlal edilmiyor. Ancak uzaklaştığınızda makro ölçekli etkiler düşünülemez olacaktır: Dünya tersine oynamaya başladığında su birikintileri donarak mükemmel buz küplerine dönüşecek ve kırılan kupalar yeniden bir araya gelecektir. Bu bizi şu soruyu sormaya sevk ediyor: Eğer mikro dünyada zamanı önemsiz bir şekilde tersine çevirebiliyorsak, neden bizim için sadece tek yönde akıyor gibi görünüyor?

Daha sonraki deneyler tıpkı Loschmidt’in şeytanı gibi zamanı tersine çevirmeye çalışacaktı. 1950’lerde Erwin Hahn, elektrik dipollerini (su molekülündeki hidrojen atomları gibi) kısa süreliğine uyum içinde dönmeye itmek ve sistemin entropisini geçici olarak düşürmek için radyo dalgalarını kullandı. Bu da sanki zamanın geriye doğru aktığını gösteriyordu. Peki Loschmidt’in şeytanı entropi kavramını yenebilecek kapasitede miydi?

Pek değil. Artık entropinin, sistemlerin her zaman kaosa sürüklenmesi gerektiği anlamına gelmediğini anlıyoruz. Hatta bazı sistemler çok kısa süre içinde daha düzenli olacak şekilde gelişebilir. Ancak Hahn’ın gördüğü gibi, entropi eninde sonunda her şeyin üstesinden gelir. Radyo ışınını kapattığında dipoller tekrar düzensizliğe döndü.

Peki entropi neden sürekli artıyor? Anlayabildiğimiz kadarıyla, evren olağanüstü derecede düzenli bir durumda başladı: düşük entropi, tüm parçaların düzgün bir şekilde düzenlenmesi. Bu ona gidecek tek yol verdi; dağınıklığa doğru. Düzgün bir sistemi bozmanın, onu daha da düzenli hale getirerek düzensizliği daha olası hale getirmekten çok daha fazla yolu vardır. Bu, Loschmidt’in iblisinin teorik olarak küçük parçacıkların yörüngesini tersine çevirebileceği anlamına geliyor, ancak bunu her şeye rağmen yapıyor.

İngiltere’deki Stirling Üniversitesi’nden filozof Katie Robertson, “İkinci yasanın statüsü Newton’un ikinci yasasına benzemiyor” diyor. “‘Muhtemelen entropiyi azaltmayı başaramayacaksınız’ gibi olasılıksal bir doğası var.”

Sonuçta olasılık yasaları bu şeytanı kovdu, ancak daha önce anlayışımızı derinleştirmemize yardımcı olmadı. Boltzmann, Loschmidt’e yanıt olarak orijinal yaklaşımını terk etti ve istatistiğe dayalı bir yaklaşım benimsedi çünkü bu yumuşak olasılık mantığını daha iyi yansıtıyordu. Onun incelikli düşüncesi, şu anda mezar taşına kazınmış olan Boltzmann denkleminin ortaya çıkmasına yol açtı.

Maxwell’in şeytanı

Üçüncü ve en ünlü iblis 1867’de, Loschmidt’in İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in meydan okumasından on yıldan az bir süre önce geldi. Loschmidt gibi o da termodinamiğin ikinci yasasıyla ilgileniyordu ancak entropinin her zaman farklı bir açıdan arttığı fikrine karşı çıkıyordu. Evreni geri sarmak yerine ona molekül molekül müdahale edebilseydiniz? Daha sonra William Thomson gibi fizikçiler tarafından iblis olarak tanımlanan, bir kapakla ayrılmış bir kutuda sıkışıp kalan gaz moleküllerini itebilen, işe karışan bir varlığı hayal edin. Zamanla hızlı hareket eden molekülleri yavaş olanlardan ayırarak ikinci yasayı ihlal edebilir.

Akla çeşitli basit “çözümler” geliyor. Belki de iblisin kapıyı açıp kapatmak için enerji harcaması gerekiyor. Ancak prensipte bu “iş” keyfi olarak küçük olabilir. İblis istediğiniz kadar hafif hareket edebilir ve paradoks devam eder.

“
Bilim insanları bu kurgusal alanlara girerek gerçeklik hakkında pek çok şey öğrenebiliyorlar.
“

Bunun yerine fizikçiler, gerçek maliyetin iblisin harcadığı enerjide değil, işlemesi gereken bilgi miktarında olduğundan şüphelenmeye başladı. Her molekülün konumunun ve momentumunun çetelesini tutmak bir çeşit hafıza gerektiriyor gibi görünüyor. Ve bu hafızanın özgür olmadığı ortaya çıktı.

1920’lerde Macar fizikçi Leo Szilard, Maxwell’in düzeneğinin basitleştirilmiş bir versiyonunda bile, kutunun içinde sadece bir molekülün zıpladığı durumda bile, akıllı bir şeytanın sistemden iş çıkarabildiğini gösterdi. Ancak bunu yapabilmek için molekülü gözlemlemesi ve enerji gerektireceğini öne sürdüğü bilgiyi depolaması gerekecek.

Sonunda bir şey verir. 1960’larda IBM fizikçisi Rolf Landauer çok önemli bir noktaya değindi: İblisin çalışmaya devam etmesi için hafızasındaki alanı temizlemesi gerekiyor ve bu süreç ısı üreterek sistemin entropisini artırıyor. İkinci yasa kaydedildi.

Ancak fizikçiler aynı zamanda çok önemli bir gerçeğin farkına vardılar: Bilgi, tıpkı enerji gibi, fiziksel bir kaynaktı. Bir sistem hakkında bir şeyler bilmek yalnızca soyut muhasebe meselesi değildir. Doğru koşullar altında bilgi yakıt olarak bile değerlendirilebilir. Sonuçta Maxwell’in şeytanı bir şekilde bilgiyi işe dönüştürüyor. Günümüzde iblis, bilgi ve enerjinin iç içe geçtiği yerlerde çalışan makinelerin maskotudur. Bu “bilgi motorları” sadece sezgilerimize meydan okumakla kalmıyor, aynı zamanda şeytanın mantığını çalışan teknolojiye dönüştürmeyi de vaat ediyorlar. 2024 yılında araştırmacılar, bir kuantum bilgisayarın içindeki pilleri şarj etmek için Szilárd’ın motorunun kuantum bir versiyonunu oluşturdular. Araştırmacılar, bir iblis yerine, daha fazla enerjiye sahip kübitleri daha az enerjiye sahip olanlardan uzaklaştırmak için mikrodalga darbeleri kullandılar ve pil gibi iş yapabilen bir enerji farkı yarattılar.

Hala telefonunuza güç vermekten çok uzaktalar, ancak bu yeni minik kuantum motorlarının bilgiyi kullanarak parçacıkları hareket ettirmeye veya kübitleri çevirmeye yardımcı olabileceği umut ediliyor.

Bu açıdan bakıldığında Maxwell’in iblisi hiç de kovulmamış. Maxwell’in asla hayal edemeyeceği şekillerde yeniden doğdu; ikinci yasaya yönelik bir tehdit olarak değil, doğanın bilgiyi fiziksel bir kaynak olarak kullanmamıza izin verdiği tuhaf ve incelikli yollara dair bir rehber olarak.

Bu iblisler birlikte teorinin ve sezginin sınırlarını test ettiler. Bazıları uzak tutulurken, yeni paradokslar yavaş yavaş ortaya çıkıyor. Ancak bunlar fizikçilerin pek umursamadığı şeytanlar. Bu şeytani düşünce deneyleri, bilim adamlarının bildiklerinin sınırlarını zorlamalarının sevilen bir yoludur.