Mutlak Sıfır, ''Mutlak'' Mıdır?

Yazdır Mutlak Sıfır,

Tam şu anda, ben bu cümleyi yazarken, Dünya’nın Kuzey yarım küresinin ‘parlak bir ışık topu’ olan Güneş’e eğim açısı daralmakta ve burası soğuk! (göreceli olarak konuşursak). İnsanoğlu, haklı bir sebepten ötürü uzun zamanlar bulundukları ortamların sıcaklıklarını ölçüp kaydetmişlerdir.  Termometrenin düzenli olarak takip edilmesi bizi soğuk havanın getireceği potansiyel tehlikelere hazırlar. Misal, 0 santigrad dereceyi ele alalım. Bu gibi sıcaklıklarda su donmaya başlar. Bazı durumlarda, suların içinden geçtiği borularda arızalar baş gösterdiği gibi bu düşük sıcaklıkların, çeşitli ‘ölüm-kalım’ hastalıklarına neden olduğu da görülür. Ancak 0 santigrad derece, Fahrenhayt ölçeğindeki 0 derece ile karşılaştırıldığında oldukça sıcak kalır (neticede su, 32 Fahrenhayt’ta donmaktadır).

Yine de bunlar mutlak sıfır olarak bilinen sıcaklık ile karşılaştırılamaz bile. Mutlak sıfır, 0 Kelvin’de ulaşılan, mümkün olan en düşük sıcaklıktır. Mutlak sıfırın en kadar soğuk olduğunu anlamak adına şunu düşünün: Su, 0 santigrad veya 32 Fahrenhayt’ta donar ki bu da 273 Kelvin’dir (mutlak sıfıra yakın bile değil). Aslına bakarsak mutlak sıfıra, -273 santigrad ya da -459 fahrenhayt’a erişene kadar ulaşılmaz (boş uzay bile bu kadar soğuk değildir: Büyük Patlama’dan arta kalan ısı nedeniyle yaklaşık 2.7 Kelvin’dir). 

Öyleyse mutlak sıfır nedir? Kısaca mutlak sıfır, tüm moleküler hareketliliğin durduğu zamandır. Bu sıcaklıkta, maddeleri sadece donmuş(veya katı) olarak düşünmemek gerekir. Daha ziyade bu noktada entropi minimum değerine ulaşır. “Entropi”nin ne demek olduğunu bilmiyorsanız; entropi, bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü anlamına gelir. Kısaca; sıcaklık ne kadar yüksek ise entropi de o kadar yüksek, sıcaklık ne kadar düşük ise entropi de o kadar düşük anlamına gelir. Düşündüğünüzde aslında sıcaklık, bir maddenin (katı, sıvı, gaz ya da her ne ise) içerisindeki atomların ne kadar hareket halinde olduğudur. Öyleyse, sisteme daha fazla enerji verdikçe atomlar daha çok hareket halinde olur, böylelikle daha da düzensizleşirler ve sonuç! Artık elinizde (daha) yüksek entropi var.

Üst sınıf bir laboratuar ve bir sürü ekipmanınız olmadığı sürece çoğu zaman mutlak sıfır, mutlaktır. O takdirde sistemin sıcaklığını onu Kelvin bazında eksi olacak şekilde “tersyüz” edebilirsiniz. Bu imkansız görünüyor, değil mi? Nasıl oluyor da mutlak sıfırın altına inilebiliniyor? Çok karışık bir süreçten geçerek. Ve bu süreçle birikte, biz; sıcaklığı ve soğuğun ne anlama geldiği hakkında bildiğimiz her şeyi değiştirmişe benziyoruz.

“Olabilecek en düşük sıcaklıktan daha düşük bir sıcaklık nasıl elde ediliyor?” diye soruyor olabilirsiniz. Cevap: o şeyi çok ama çok sıcak yaparak. Bu noktada ayrı ayrı atomları düşünmemiz gerekir. Bir sistemin (buna bir gaz diyelim) ortalama sıcaklığını yükselttikçe bazı atomlar enerji kazanarak daha yüksek bir enerji seviyesine geçerken diğerleri daha düşük enerji seviyelerinde kalır. Bu da sistemi daha düzensiz kılar (dolayısıyla, yüksek entropi). Bu örnekte, tüm atomlar yayılmıştır ve bunların farklı enerjileri mevcuttur. En yüksek pozitif sıcaklık, atomların her enerji seviyesini işgal ettikleri ve gazın gelebilecek en düzensiz hale geldiği anlamını taşır. Şimdi, maksimum entropiyi geçecek şekilde gaza daha fazla enerji aktarıldığını hayal edin. En düşük enerji seviyesindeki atomlar bile daha yüksek enerji seviyelerine geçmeye başlayacaktır tâ ki tüm atomlar aynı enerji durumuna gelene(enerji durumunda olana) kadar. Bu bana daha ziyade düşük entropi gibi geliyor. 

Sol: Düşük sıcaklıktaki düşük entropiye sahip parçacıklar.

Orta: Maksimum entropi (sonsuz sıcaklık).

Sağ: Düşük entropi, ancak çok yüksek sıcaklık (negative sıcaklık). (Kaynak: FQTQ’s  own Ben Leza)

Çoğumuz için yukarıda bahsedilen örnek çok bir anlam ifade etmez. Konunun tamamını görebilmek adına konuyu bir grafikle hatta daha da iyisi; bir resimle görselleştirelim. Elinizde çok soğuk olan bir grup parçacık (düşük sıcaklık başka bir anlatımla az hareket, yani düşük entropi) olduğunu ve bu parçacıkların bir vadiyi işgal ettiğini farz edin. Şimdi, karışıma enerji (ısı) aktardıkça parçacıklar dağa tırmanmaya başlarlar. Bazı parçacıklar eğimli araziyi “gençlik coşkusu”yla hızlı bir biçimde çıkarken bazıları geride kalır. Şu an daha yüksek bir entropiye sahibiz, parçacıklarımız birbirlerinden iyice ayrılırdılar; bazıları hala vadide, bazıları vadiyi yeni yeni terk ederken diğerleri de dağın tepesine çıkmaya devam ediyolar. Zamanla, sisteme daha da fazla enerji aktarımı yapıldıkça bazı parçacıklar dağın zirvesine ulaşacak, sonra bir kaçı hemen zirvedekilerin arkalarına gelecek, onların arkalarına diğerleri sıralanacak ve bu şekil devam edecek. Şimdi parçacıklarımız dağın her yerindeler; hiç bir parçacık bir diğerinin yakınında değil –tam bir kaos! Sistemimizdeki maksimum entropiye ulaştık; parçacıklar artık daha fazla yayılamamakta, sıcaklık sonsuz derecede sıcak ve tüm dağ parçacıklar tarafından çevrelenmiş durumdadır.

Şimdi, dağa daha fazla enerji aktarmaya devam ediyoruz ve enerji arttıkça parçacıkların dağa tırmanmaktan başka çareleri kalmıyor. Kısa süre sonra parçacıklar gruplar oluşturup istikrarlı bir şekilde yukarı doğru hareket ediyorlar ve en sonunda parçacıkların hepsi birlikte, hepsi heyecanlı bir şekilde zirveye ulaşıyorlar. Görünen o ki parçacıklarımız birbirlerine çok yakın, çok düzenli –ancak hala çok enerji yüklüdürler. Dağımız bir kez daha düşük entropiye ulaştı ancak çok yüksek enerjiye sahip. Parçacıklarımız artık negatif sıcaklıklarını almaktadır. Tebrikler parçacıklar!

Sıcaklığı bir çizgiden ziyade daire olarak düşünmek daha yardımcı olacaktır. Sıcaklığınız sonsuza yaklaşırken negatif sonsuza atlıyor, sonra negatif mutlak sıfıra doğru azalıyor ve böyle devam ediyor. Bunun doğal ortamlarda olmadığını(bildiğimiz kadarıyla) rahatlıkla söyleyebiliriz; ancak biliminsanları sonsuz sıcaklıktaki ısı derecesini aşarak negatif mutlak ısı derecesine ulaşılabileceğini tekrar tekrar göstermişlerdir.

Fizik kurallarına karşı gelmek sizin için yeteri kadar heyecanlı değilse, negatif mutlak sıcaklıkların bilim insanlarına sunacak daha da çok şeyleri vardır. Heyecan verici etkilerinden bir tanesi negatif mutlak sıcaklıktaki bir gaz bulutunun yerçekimine karşı koyabilmesi ve ona karşı-kuvvet uygulayabilmesidir (normalde maddenin yapmadığı bir şey). Mutlak sıfırın altındaki atomların ilginç bir özelliği de vardır –karanlık enerji gibi davranırlar. Normalde içe doğru çökecek olan çekim gücüne sahip atomlar, bunun yerine dışarı doğru itilir ve negatif sıcaklık sayesinde durağanlaşırlar ki bu da karanlık enerjinin etkileri ve evrenin genişlemesi üzerinde çalışan kozmologlar için çok ilginç olabilir.

Ne olursa olsun şunu her zaman hatırlayın: bilim ne zaman sizin önünüze bir kural koysa ya da yasa sunsa, bu aslında yalnızca o kuralı çiğnemek ya da o yasayı çürütmek için sadece bir bahanedir. Bilimin ‘olayı’ da budur; kendisinin doğru olup olmadığını ispatlamak. Bu da başlıca örneklerinden bir tanesidir.

 

Yazan: Jason Garver

Teşekkür: Gökçe Çöl 

Kaynak: From Quarks to Quasars

0 Yorum

Giriş




Tavsiye Edilenler

Bilim Eğlencelidir!

En Aktif Yazanlar

İnsan Türüyle İlgili Gerçekler