Bilimin şeytanları

Maxwell şeytanı. İki bölmeli bir kabı ayıran geçitte duruyor ve yavaş (soğuk) moleküllerin sağ bölmede, hızlı (sıcak) moleküllerin sol bölmede toplanmasını sağlıyor.

Gözleme ve sorgulamaya dayalı bilimle henüz bildiğimiz kadarıyla kimsenin görmediği şeytan arasında nasıl bir ilişki olabilir diye sorabilirsiniz. Bu ilişkiyi açıklamak için önce teknolojinin henüz çok  gelişmemiş olduğu dönemlerde bilim insanlarının aynı zamanda birer filozof olduklarını hatırlamak gerekli. Anlamaya çalıştıkları doğa olayları üzerinde yapılabilecek deneyler nispeten sınırlı olduğu için bazı soruları sorup olası yanıtlarını tartışırlardı. Kuantum mekaniğinin doğuşunda bu tarz “düşünce deneyleri”nin önemi büyüktür. Hatta kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasında anadili Almanca olanların çokluğu nedeniyle bu kavram İngilizceye “gedanken experiment” olarak bile yerleşmiştir.

Böyle bir düşünce deneyine kalkışacaksanız; deneyiniz sadece sizin hayal gücünüzle sınırlıdır, çok paraya ihtiyacınız yoktur ama doğru yanıta ulaşacağınızın da garantisi yok tabii ki. Eğer kurgulamak istediğiniz deneyin koşulları o günün teknolojisi ile mümkün değilse veya bu koşulların hiçbir zaman oluşmayacağını düşünüyorsanız, o zaman gerçek üstü kavramları işin içerisine sokabilirsiniz. Marvel Comics de nispeten yeni olduğu (1961 başlangıç olarak kabul edilebilir) için Marvel süper kahramanlarından değil bildiklerinizden yardım alırsınız ki bunların başında şeytanlar gelir. Çünkü şeytan hep zekâsının kıvraklığı ile anılır.

Bilimin şeytanlarının ilk ne zaman ortaya çıktığını bilmiyorum ama en erken örneklerinden birini Descartes (1596-1650, “Düşünüyorum, öyleyse varım”) tanımlıyor. Aslında onun şeytanı doğrudan temel bilimle pek uğraşmıyor ama bir filozof ve Descartes onu şüpheciliğin bir aracı olarak görüyor. Tabii bilimin temelinde de şüphecilik yatar. Bu şeytan da yalan söylemenin, kandırmanın bir ustası.

Laplace şeytanı

Tam bilimci şeytan diyebileceğimiz ilk örnek ise Laplace şeytanı. 17. yüzyılda Isaac Newton ve Gottfried Wilhelm Leibniz’in bağımsız olarak ortaya koydukları kalkülüs, pek çok bilimsel problemin matematiksel alt yapısını belirlemede önemli yol alınmasına yol açtı. Bunun yanında Newton’un klasik mekanik dediğimiz yasaları da fizik biliminin doğuşunu sağladı diyebiliriz. Bu yasalar eğer bir cismin herhangi bir andaki konumu ve hızı ile her an üzerine etki eden kuvvetler biliniyorsa, cismin gelecekte nasıl hareket edeceğini bulabileceğimizi gösteriyordu.  Newton yasaları bugün bile pek çok kompleks problemin çözümünde kullanılıyor. Ama hesap yapmanın kâğıt kalemle kısıtlı kaldığı o yıllarda çözülebilecek problemlerin sayısı da sınırlıydı.

Newton’dan sonra “klasik mekanik” üzerinde ilerlemelere neden olan başka bir bilimci ise Pierre-Simon Laplace’tır (1749-1827). Muhtemelen Laplace şöyle düşünmüş olmalı:

Karmaşık bir sistemin dinamiğini (hareketini) verecek yasalarımız var ama onları çözecek gücümüz yok. O zaman bir şeytan olsa, bu şeytan doğadaki bütün olası cisimlerin konumlarını, üzerine etki eden kuvvetleri bilse ve üstüne üstlük bütün bu verileri işleyecek kapasitesi olsa (o yılların süperbilgisayarı) ne olurdu? Biz bu işlemin sonucuna “geleceği tahmin etmek” diyoruz. Tabii geleceği tahmin etmenin cazibesi de çok yüksek, bilim insanı olun veya olmayın.  Laplace şeytanı, “determinizm” dediğimiz ve geçmişin geleceği belirlediği düşüncesinin merkezine oturuyor. Ama determinizmin içinde şansa veya belirsizliklere yer yok.

Pierre-Simon Laplace (1749-1827) (Wikimedia Commons)

Maalesef bu şeytanın henüz dünyamıza inmediğini ve hatta hiç inmeyeceğini sonradan öğrendik. İstatistik biliminin ortaya çıkışıyla, geleceğin kesinlikle değil ama belirli olasılıklarla öngörülebileceği anlaşıldı.  Ama hata paylarının boyutları çoğu zaman bu öngörülerin güvenirliğini zorluyor. Bilhassa ekonomi alanındaki çalışmalarda, geçmişin geleceği hiç de belirlemediğini, pek çok dinamiğin aslında rastgele oluştuğunu savunan yazarlar var. Bu konuda kanımca en güzel sözlerden biri Kuantum Mekaniğinin kurucularından Niels Bohr’a ait

”Öngörü yapmak zordur, bilhassa gelecek söz konusu ise.”

Laplace’in ikinci karşıtı kuantum mekaniği ile ortaya çıktı. Determinizmin aksine, kuantum mekaniği bir olasılıksal yaklaşımdır.  Temelde fiziksel bir problemin sonuçlarını kesinlikle bulmak yerine, bir dizi farklı sonucun olasılıklarını öngörmek yatar. Bu düşüncenin felsefesi burada tartışmak için fazla kapsamlı kalıyorsa da, pek çok fiziksel/kimyasal ve biyolojik problemin Newton yasaları ile açıklanamadığı, buna karşılık kuantum mekaniğinin bazen nicel bazen de nitel olarak doğru sonuçlar verdiğini söylemekle yetinelim.

Determinizmin ve Laplace şeytanının zırhında açılan son delik ise Fransız matematikçi Poincare’ye kadar giden ama 1960’lı yıllarda gündeme oturan kaos teorisi oldu. Pek çok örnekte gösterildi ki, determinizme ne kadar inanırsanız inanın, kurduğunuz her denklemi çözerek uzun vadeli tahminde bulunamayacaksınız.  Bir taşı attığınız zaman yere ne zaman düşeceğini tam olarak bilebilirsiniz ama iklim değişikliklerini veren denklemlerinizi ancak kısa zaman dilimlerinde anlamlı olarak bulabilirsiniz. O nedenle de meteoroloji tahminleri hep nispeten kısa zaman süreleri için verilir. Bu tarz kaotik denklemler matematikten tıbba kadar bilimin her alanında karşımıza çıkıyor.

Bütün bu karşı görüşlere ek olarak aslında geçmişteki birikmiş bilginin de sonlu olduğunu ekleyebiliriz. Sonuç olarak geleceği tahmin etme ümidine çok da bel bağlamamakta yarar var.

Maxwell şeytanı

Belki de en bilinen şeytan Maxwell şeytanıdır. Onu James C. Maxwell (1831-1879) 1870’li yıllarda önce bir yaratık olarak tanımlıyor ve birkaç sene sonra Nature dergisinde Lord Kelvin şeytan ismini veriyor. Bu şeytanın işlevi aslında Laplace şeytanına göre çok daha karmaşık ve tartışmaya açık. Öncelikle termodinamiğin yasalarını ve bilhassa ikinci yasayı bilmek lazım.

James Clerk Maxwell (1831-1879) (Wikimedia Commons)

Şunu unutmayalım, termodinamiğin yasaları matematiksel olarak ispatlanmış değildirler ve gözlemlere dayalıdır, Newton yasaları gibi. Ama Newton yasalarının geçerli olmadığı ve örneğin kuantum fiziğine ihtiyaç duyulan ölçekler olmasına karşın, termodinamik yasalarının çalışmadığı örnekler henüz görülmedi.  İkinci yasanın birden fazla ifadesi bulunuyor ve birini diğerine bağlamak da çok basit değil. Robert P. Crease “The great equations-Muhteşem Buluşlar” kitabının bir bölümüne “Shakespeare’nin bilimsel karşılığı: Termodinamiğin ikinci yasası” adını vermiş (1) .

Yasaya göre eğer farklı sıcaklıklarda iki cisim bir araya gelirse ısısal dengeye yani aynı sıcaklığa gelirler. Bu iki cismin oluşturduğu “kapalı” sistemin entropisi hiçbir koşulda azalmaz (2).

İşte Maxwell bu karşı örneğini bulamadığımız ikinci yasayı delecek şeytanı düşünüyor.

İki bölüme (A ve B) ayrılmış ve içerisinde bir gaz bulunan bir kutu olsun. Bölümleri ayıran duvarda bir kapı var ve şeytan da bu kapıyı tutuyor. Gaz parçacıklarının her biri farklı hızda hareket eder, bu hızlarının ortalaması da gazın sıcaklığına karşılık gelir. Şimdi şeytan, her gaz parçacığının hızını ölçebilsin, sadece hızlı olanların A’dan B’ye geçmelerine izin versin, yavaş olanların da B’den A’ya geçişlerini sağlasın. Bu durumda zaman içerisinde hızlı parçacıklar A’da toplanacak ve dolayısıyla A’nın sıcaklığı B’den fazla olacaktır.

Bu garip bir durum ve bizim gözlemlerimizin tam tersini oluşturuyor. Eğer demir bir çubuk alsanız, bir ucunu kızdırıp diğerini buzlu suya batırsanız sonra da masaya bıraksanız ne olur? Bir zaman sonra iki uç da aynı sıcaklıktadır. Tersi ise yani bir çubuğun durup dururken bir ucunun ısındığı, diğerinin de soğuduğunu kimse görmemiştir. Ama Maxwell şeytanı bunu yapabiliyor. Ayrıca yasanın diğer ifadelerinin de tersini söylüyor. Sistemin entropisi azalıyor ve iki bölüm arasındaki sıcaklık farkı bir ısı motoru yapıp enerji elde etmenizi sağlıyor.

Maxwell bunu muhtemelen bir dizi değişik gerekçe ile öne sürmüştü ama bir tanesinin tartışmayı başlatmak olması çok olası. Nitekim 2019 yılında bile bu konuda yapılan deneyler ve çok önemli dergilerde yazılan makaleler var.

Peki bu düşünce deneyi sırasında şeytana ne oluyor? Sistemin bir parçası ise onda değişiklik var mıdır? Şeytan bu hız bilgisini hangi aletlerle ölçüyor? Bu aletler sistemi nasıl etkiliyor?Termodinamik kanımca anlaşılması oldukça zor sahalardan biridir ve sorulacak sorular bitmez.

Ersin Yurtsever
Bilim Akademisi üyesi
Koç Üniversitesi Kimya Bölümü öğretim üyesi

(1) Robert P. Crease, Muhteşem Buluşlar, Çeviren: ?, Akılçelen Kitaplar, 2014.
(2) Ali Alpar, termodinamiğin ikinci yasasını anlatıyor:

Önceki İçerikBeslenme ve kanser ilişkisi
Sonraki İçerikBir kardiyolog araştırmacı perspektifinden – Klinik araştırmalar ne kadar güvenilir?
Avatar photo

Bilim Akademisi üyesi Ersin Yurtsever,  ODTÜ Kimya Bölümü’nden 1971 yılında lisans ve 1973 yılında yüksek Teorik Kimya dalında yüksek lisans derecesini aldı.  Virginia Commonwealth Üniversitesi’nde (ABD) yaptığı Kimya doktorasını 1976 yılında tamamladı. Araştırma alanı, kimyasal olayların matematiksel modellemeleridir.

ODTÜ Kimya Bölümü’nde öğretim üyeliği (1980-1995), ODTÜ Eğitim Fakültesi Dekanlığı (1993-1995), Türkiye Bilimler Akademisi (TÜBA) Yönetim Kurulu üyeliği (1997-2001), Koç Üniversitesi Fen ve İnsani Bilimler Fakültesi Dekanlığı (2001-2008), Koç Üniversitesi Fen Fakültesi Dekanlığı (2008-2010) yaptı.

1995’ten bu yana da Koç Üniversitesi Kimya Bölümü’nde öğretim üyesi olan Ersin Yurtsever, Bilim Akademisi’nin kurucu üyelerindendir ve 2011-2017 yılları arasında yönetim kurulu üyeliği yapmıştır.