Termodinamik yasaları

Termodinamik, ısının enerji ve faydalı iş
olarak tanımladığımız fiziksel olgularla
ilişkisini inceleyen doğa bilimidir.
Termodinamik sistemler makroskopik
olgularla -ısı, enerji ve sıcaklık gibitanımlanır.
Termodinamik mikroskobik
sistemlerle uğraşan alt dalları olmasına
rağmen, genel olarak maddenin
mikroskobik bileşenleriyle uğraşmaz.
Termodinamik yasalar bu makroskopik
olguları tanımlar, bu olguların değişik
şartlar altında nasıl davrandığını inceler
ve bu davranışların sınırını çizer.
Bir başka deyişle, popüler
bilim yazarlarının en çok karşılaştığı
sorulardan ikisi olan “devridaim
makinesi yapmak olanaklı mı?” ve
“mutlak sıfıra ulaşılabilir mi?” sorularına
gönül rahatlığı ile “hayır” cevabı
vermesini sağlar.


Termodinamiğin
sıfırıncı yasası
Tarihsel olarak diğerlerinden sonra
ifade edilmesine rağmen, diğerlerinin
anlaşılması için çok önemli olması
sebebiyle bu ismi almıştır.
İki termodinamik sistemin bir
üçüncüsüyle termal dengede olması
durumunda, birbirleriyle de denge
de olmaları gerektiğini ifade
eder. Bu yasa sıcaklık kavramının

tanımlanmasını sağlar

Termodinamiğin
birinci yasası
Bir cisme veya sisteme verilen enerji,
iç enerjideki değişimin ve yapılan
işin toplamına eşittir. Bu yasa ısı
ve işin enerjinin bir biçimi olduğunu
açıklar. Bu yasadan çıkan en önemli
sonuç ise enerjinin her zaman
korunduğu yani yoktan var edilemediği
ve varken de yok edilemediğidir.
Devridaim makinelerinin bir kısmı
bu yasayı ihlal ettiği için yapılmaları
da olanaksızdır. “Enerji üretmek “
kavramını enerjinin bir formunu
insanoğlunun kullanabileceği başka
bir forma çevirmek olarak anlıyoruz.
Devridaim makineleri ise verilen
bir ilk enerjiyi çoğaltmayı hedeflediği

için enerji korunumunu ihlal eder.

Termodinamiğin
ikinci yasası
Termodinamiğin ikinci yasası entropi
olarak isimlendiren kavramı
tanımlar ve termal işlemlerde yönü
belirler. Suyun yukarıdan aşağı akması
gibi ısı da sıcaktan soğuğa akar.
Bu yönü belirleyen entropidir. Tüm
termal işlemlerde entropi ya sıfırdır
ya pozitiftir. Eğer entropi sıfır ise işlem
tersinir, eğer pozitifse tersinmezdir
yani işlem geri döndürülemez.
Ok yaydan çıkmıştır bir kere.
Termodinamiğin birinci yasası enerjinin
yoktan var edilmesinin imkânsız
olduğunu söyleyerek devridaim
makinelerinin yapılamayacağını
gösterir. İkinci yasa ise termal bir
süreçte yapılan işi ve verilen iç enerjiyi
geri döndürmenin imkânsız olduğunu
göstererek sonsuz bir döngünün

mümkün olamayacağını ispatlar.


Termodinamiğin
üçüncü yasası
Bu yasa ise mutlak sıfır noktasını tanımlar.
Mükemmel bir kristalin entropisi
mutlak sıfır sıcaklığında sıfırdır. Mutlak
sıfır noktası cisimlerin entropisini
tanımlamak için konulmuş olası
en düşük sıcaklıktır. Gerçek hayatta
mükemmel olmayan kristaller içinse
sıcaklık mutlak sıfıra doğru yaklaşırken,
entropi sıfırdan farklı bir sabit

değere yaklaşır.

Var Olabilen Şeyler ve Var Olması Gereken Şeyler

İki soru ile başlayalım: Evrende var olabilen şeyler nelerdir, var olması gereken şeyler nelerdir?
Hayli zor, biraz da kapalı olan bu soruları, daha açık ve anlamlı hale getirmeye çalışalım.
thinkstock


2012 yılında CERN’de Higgs parçacığının büyük
bir ihtimalle bulunmuş olması, bilimle ilgili haberler
arasında şüphesiz en önemli olandı. Bütün ömrü
yaklaşık saniyenin trilyon çarpı trilyonda biri kadar
olan, varlığını adeta sadece hissettiren, kütlesi hidrojen
atomunun 130 katı kadar olan bu parçacığın
niçin söylendiği kadar “değerli” olduğunu ilk başta
anlamak çok da kolay olmayabilir. Anında var olup
yok oluyor, yakalayıp ilaç yapmamız veya uzay gemileri
için yakıt olarak kullanmamız mümkün değil!
Higgs parçacığının önemini bu yazıda izah etmeye
çalışacağız, fakat belki bütün bu Higgs parçacığı
tartışmalarında gözden kaçan daha önemli bir
nokta var: Kuramsal fizikçiler 1960’ların başından
beri bu temel parçacığın var olması gerektiğini iddia
ediyor. Böyle bir iddia nasıl mümkün olabilir?
Şöyle düşünelim: Dört duvar arasında yaşamış, hiç
dışarıya çıkmamış bir insanın kitaplarda görmediği
ve hiç kimseden duymadığı halde, tamamen kendi
mantıksal çıkarımlarıyla yeryüzünde balıkların var
olması gerektiği sonucuna ulaşması ne kadar hayret
verici olurdu? Kuramsal fizikçiler büyük ölçüde
kâğıt kalem yardımıyla evrende nelerin var olabileceğini,
temel parçacıklar söz konusu olunca da nelerin
var olması gerektiğini söyleyebiliyor.
İlk sorumuza dönelim: Bu evrende var olabilen
şeyler nelerdir? Evren atomaltı hatta çekirdekaltı
mesafelerden çevremize, Güneş sistemine, galaksilere
ve 15 milyar ışık yılı uzaklığa kadar her şeyi kapsadığından,
böyle bir sorunun anlamlı olup olmadığını
ve soruya cevap aramak için hangi bilim dallarını
kullanmamız gerektiğini düşünmeliyiz. Kuramsal
fizik bize çekirdekaltı mesafelerden görünür evrenin
sınırlarına kadar geniş bir ölçekte düşünme ve
hesap yapabilme zemini sağlıyor, dolayısıyla kuramsal
fiziği kullanarak var olabilecek şeylerin sağlaması
gereken asgari şartları bulabiliriz.
Şöyle basit bir örnek verebiliriz: Yeryüzünde sadece
kibrit çöplerinden oluşan, içinde insanların da
oturabileceği 10 katlı bir bina var olabilir mi? Olamaz!
Binayı yapmaya çalışmadan bu sonuca nasıl
ulaştık? Tabii ki tecrübemizle. Peki olamayacağını
nasıl ispat edebiliriz? Newton’un hareket kanunları,
mesela ikinci kanunu F=ma, kuvvet varsa hareketin
nasıl olacağını gösterir. Bu yaygın olarak bilinir, ancak
bu kanun en az hareket kadar önemli olan denge
(hareketsizlik) durumu için de geçerlidir. Bir cismin
üstüne etki eden kuvvetlerin toplamı sıfırsa, cismin
ivmesi de sıfırdır. Kararlı yapılarda, mesela bir binada,
bir köprüde toplam kuvvetler ve kuvvetlerin
oluşturduğu toplam tork sıfır olmalıdır (denge konumundan
hafif esnemeler buradaki ana tartışmamızı
etkilemez). Dolayısıyla sadece Newton kanunlarını
kullanarak muazzam bir çıkarımda bulunabiliriz:
Üzerindeki toplam torkun ve toplam kuvvetin
sıfır olmadığı hiç bir yapı uzun süre var olamaz. İnşaat
mühendisleri bunu bildiklerinden var olabilecek
yapıları kâğıt üzerinde planlayabilir.
Kara delikte dağ olamaz
İkinci örneğimizi verelim: Dünya dâhil, gökyüzündeki
bütün büyük cisimler neden yuvarlaktır ve
üzerlerinde çok büyük dağlar ve çukurlar (mesela
1000 km’lik) yoktur? Yarıçapı yaklaşık 6500 km
olan Dünya’nın üzerindeki en derin çukur ile en
yüksek dağ arasındaki mesafenin 20 km kadar olduğunu
hatırlarsak, Dünya’nın yüzeyinin pürüzsüz olduğunu
söyleyebiliriz! Yuvarlaklığın ve pürüzsüzlüğün
sebebi yerçekimi kuvvetidir. Büyük gök cisimleri
kendi çekimleri altında yuvarlak bir şekil alır, gök
cismi ne kadar büyükse çukurları ve dağları da o kadar
az olur. Örneğin yine kuramsal fiziği kullanarak
şunu rahatlıkla söyleyebiliriz: Kütleleri Güneş’ten
daha büyük yıldızlar nötron yıldızlarına, daha da
büyük yıldızlar kara deliklere dönüşünce üzerlerinde
en küçük bir çıkıntı ve girinti kalmaz. Yani bir
kara delikte dağ olamaz. Bu iki örnekten çıkarmamız
gereken sonuç sudur: Fizik maddenin hareketinin
yanı sıra çok daha ilginç bir soru ile de ilgilenir,

o da ne tür nesnelerin var olabileceği sorusudur.

Klasik fizikte atoma yer yok
Gelelim esas konumuz olan temel parçacıklar fiziğine.
20. yüzyılın başında klasik Newton fiziği çok
küçük olayları ve varlıkları (mesela atomun varlığını)
açıklamakta yetersiz kalınca, ilkeleri tamamen
farklı olan kuantum fiziği ortaya atılmıştır. Önceki
örnekler çerçevesinde düşündüğümüzde klasik fiziğe
göre atom var olamaz, dolayısıyla evrende hiç bir
yapı var olamaz. Etrafımızda gördüğümüz cisimlerin
hareketlerini son derece doğru ve hassas bir şekilde
hesaplamamıza yardımcı olan klasik fizik, bu
cisimlerin varlığını açıklayamaz.
Kuantum fiziği çok önemli bir paradigma değişimi
önermiştir. Mikroskobik cisimlerin hızları ve
bulundukları yer aynı anda bilinemez. Newton fiziğine
göre ise bir cismin zaman içinde nasıl hareket
edeceğini önceden bilmek için, o cismin herhangi
bir andaki hızını ve yerini bilmek gerekir. Dolayısıyla
Newton denklemi mikroskobik ölçekteki cisimler
için geçerli değildir. Newton denkleminin
yerini hız ve yer bilgilerini aynı anda kullanmayan
Schrödinger’in dalga denklemi alır. Bu denklem,
atom ve molekül ölçeğindeki varlıkların bulunabileceği
halleri hesap etmek için kullandığımız temel
denklemdir. Daha da önemlisi, bir atomun kararlı
bir şekilde dağılmadan nasıl var olabildiğini kuantum
fiziği ile anlıyoruz.
20. yüzyılın başında fizikteki diğer büyük paradigma
değişimi, klasik fiziğin yüksek hızlarda doğru
sonuçlar vermediğinin anlaşılması üzerine, özel
görelilik kuramının ortaya atılması oldu. Özel görelilik
kuramı evrendeki aşılamayacak hız sınırının
ışık hızı (yaklaşık 300 bin km/sn) olduğunu söyler.
Klasik fizikteki Galileo-Newton görelilik kuramı ise
böyle bir üst sınır olmadığını kabul eder. Çok yüksek
hızlarda bir hız sınırının olması ya da olmaması
“küçük” bir tartışma gibi görünse de, sonuçları çok
çarpıcıdır. Örneğin klasik fizikte bütün evrende aynı
hızla akan bir zamandan söz edilebilir, ama deneylerle
uyumlu özel görelilik kuramına göre farklı hızlarda
giden cisimler için zaman farklı akar, yani evrende
tek bir saat olamaz.
Klasik fizikte gerçekleşen bu iki paradigma değişimi
-biri küçük ölçekte diğeri yüksek hızda- birbirlerini
nasıl etkiler? Daha açık olarak şöyle soralım:
En basit atom olan hidrojen atomunu anlamak
için kuantum fiziğini kullanıyoruz, ama özel göreliliğin
de bu ölçekte hiç bir katkısı, etkisi yok mu?
Kaba bir yaklaşımla, hidrojen atomunda elektronun
sabit protonun etrafında 2000 km/sn gibi ışığa göre
hayli düşük bir hızda döndüğünü düşünürsek, özel
görelilik kuramının atomu anlamak için gerekli olmadığı
kanısına varabiliriz. Fakat bu doğru değildir.
Atomlarla ilgili bildiklerimizin önemli bir kısmı,
atom spektrumlarının, yani atomun yaydığı ışık
tayfının detaylı olarak incelenmesiyle elde edilmiştir.
Atomlar değişik dış etkenlerden dolayı geçici
olarak kararsız duruma geçer. Örneğin ince bir kitap
bir masanın üstüne, ince kenarı üzerinde duracak
şekilde koyulduğunda bir süre sonra masa hafifçe
sallandığında devrilerek “normal” yani “kararlı”
haline geri dönecektir. Atomlar da geçici kararsız
hallerinden, en düşük enerjili normal hallerine geri
döner ve bu esnada (gözle görülebilen ya da görülemeyen)
ışık yayarlar. Sadece kuantum fiziği ile
bu ışıma tam olarak açıklanamaz. Atomun herhangi
bir şekilde ışımasını açıklamak için kuantum fiziği
ve özel görelilik kuramlarının birleştirilmesi ve her
iki kuramı doğru olarak içeren ortak bir kuram elde
edilmesi gerekiyor.
Kuantum fiziği + özel görelilik kuramı =
Var olabilen temel parçacıklar
Bu konuda ilk çalışmaları 1928’de P. A. M. Dirac
isimli fizikçi yapmış ve şu sonucu elde etmiştir: Özel
görelilik kuramı ile kuantum fiziğinin birleşebilmesi
için, elektronla aynı kütleye sahip ama elektrik
yükü zıt olan başka bir parçacığın var olması gerekir.
Anti-parçacık (yani zıt-parçacık) dediğimiz bu
temel parçacık Dirac’ın makalelerinde kendine yer
bulduktan bir kaç yıl sonra C. D. Anderson’un laboratuvarında
1932’de bulundu. Bugün pozitron (yani
pozitif yüklü elektron) dediğimiz bu temel parçacık
bazı hastanelerde rutin olarak “üretiliyor” ve kafatasına
zarar vermeden beyinde tümör teşhisi yapabilen

PET tarama teknolojisinin esasını oluşturuyor.