Erke Dönergeci Nedir? Sonsuz Enerji Makineleri Mümkün mü?

Sonsuz enerji (veya "sürekli hareket"), bir cismin veya sistemin herhangi bir müdahale olmaksızın sonsuza kadar hareket etmeye devam edebilmesidir. Sonsuz enerji olgusu fiziksel olarak mümkün değildir.

Sürekli/sonsuz hareket makinesi (veya "erke dönergeci") ise, harici bir enerji kaynağı olmaksızın sonsuz iş yapabileceğine inanılan, hipotetik bir makinedir. Sonsuz enerji makineleri (erke dönergeci) imkansızdır; çünkü bu tür bir makine termodinamiğin ya birinci ya ikinci ya da her iki yasasını birden ihlal edecektir.^{[1], [2]}

Termodinamik yasaları, sistemin boyutundan bağımsız olarak geçerlidir. Örneğin, gezegenler gibi gök cisimlerinin hareketleri ve dönüşleri de ilk bakışta sürekli gibi görünebilir, ancak aslında Güneş rüzgarları, yıldızlararası ortam direnci, kütleçekimsel radyasyon ve termal radyasyon gibi sebeplerle gök cisimleri de kinetik enerjilerini yavaş yavaş tüketmektedirler ve bu nedenle sonsuza dek hareket etmeleri mümkün değildir.^{[3], [4]}

Dolayısıyla, sonlu kaynaklardan enerji çeken makinelerin, kaynakta depolanan ve sonunda tükenecek olan enerji tarafından çalıştırıldıkları için sonsuza kadar çalışması imkansızdır. Buna güzel bir örnek olarak okyanus akıntılarıyla çalışan cihazlar verilebilir: Okyanus akıntıları sonsuz enerji sağlayabilirmiş gibi gelse de aslında eninde sonunda akıntıların enerjisi Güneş'ten elde edilmektedir ve nihayetinde Güneş'in ölmesiyle birlikte bu akıntılar da sona erecektir.

2016 yılında, mikroskobik ölçekte bileşen atomlarının sürekli tekrarlanan hareket halinde olduğu, maddenin yeni bir hali olarak değerlendirilen "zaman kristalleri" keşfedilmiştir ve böylece gerçek bir "sürekli hareket" örneği tespit edilmiştir.^{[5], [6]} Ancak bunlar geleneksel anlamda sürekli hareket makineleri oluşturmakta kullanılamazlar: Zaman kristalleri, kuantum temel durumlarında oldukları için termodinamik yasaları ihlal etmezler, dolayısıyla onlardan enerji elde edilemez; yani zaman kristalleri enerji olmadan hareket sergilerler.

Sonsuz Enerji Hayalinin Kısa Tarihi

Sonsuz enerji, ilk etapta iyi bir fikir gibi görünüyordu: Hareket etmeye devam etmek için ürettiği enerjiyi kendine yeniden yatıracak, böylece bir kez çalıştırıldığında süresiz olarak çalışacak ve sonsuza kadar bedava enerji sağlayacak bir makine tasarlamak... Ancak eski zamanlarda yaşayan mucitler bile, tam olarak tespit edememiş olsalar da, bu fikirde bir tuzak olduğunu sezebilecek kadar aydındılar.

12. yüzyılın ortalarında, büyük Hintli matematikçi ve gökbilimci Bhāskara II, kısmen cıva ile dolu, kavisli kollu bir tekerlek tasarladı.^[7] Tekerlek döndükçe cıva, jant tellerinin bir ucundan diğerine hareket edecek ve daha ağır bir taraf diğer hafif tarafı sürükleyeceği için tekerleğin sürekli hareket halinde kalmasını sağlayacaktı. Varsayımsal bir tasarım olan Bhāskara'nın tekerleği, sürekli hareket makinesinin belgelenen ilk örneği olarak sıklıkla anılır, ancak tasarımı aslında yedinci yüzyılda (hatta bazı yazarlara göre birinci yüzyılda) açıklanan daha önceki bir tekerleğin bir modifikasyonundan ibarettir.^{[8], [9]} Tarihçi Lynn Townsend White Jr. şöyle yazıyor:

Hindistan'da sürekli hareket kavramı, Hinduların her şeyin döngüsel ve kendini yenileyen doğasına olan inancıyla uyumluydu ve muhtemelen kökleri de ona dayanıyordu.

Batı'da bu fikir 13. yüzyılda (aynı zamanda konuyla ilgili ilk Arapça yazıların da yazıldığı dönemde) ivme kazanmaya başladığında, ilham, ilahi ve insani olanın bir karışımıydı:^[10] Tanrı gök cisimlerinin sürekli hareketini başardığına göre, neden busırrı keşfetmeye ve kullanmaya çalışmayalım ki? Batı'da ilk tasarım çalışmaları, anca 1230 civarında Bhāskara'nınkine benzer bir tekerleği tasvir ettiği ancak cıvanın yerine ağırlıkları koyduğu bir çizim kitabından bilinen Fransız Villard de Honnecourt'a atfedilir.^[11] Bu, sonraki sürümlerde yinelenen bir temadır.

Takip eden yüzyıllarda tekerlekler, saatler, manyetik küreler, Arşimet vidaları, yel değirmenleri, su değirmenleri ile pek çok deneme yapıldı… Leonardo da Vinci, moto continuo, yani sürekli hareketin fizibilitesinden şüphe etti, ancak çeşitli hidrolik sistemler ve bilye ağırlıklı tekerlekler tasarımları üretti. Nihayetinde bu fikrin işe yaramayacağı sonucuna vardığında, bu yalanı yayanlarla ilgili zehir zemberek bir not düştü:

Ah sizi gidi sonsuz enerji (erke dönergeci) peşinde koşanlar... Bugüne kadar kaç kimeranız hüsrana uğradı? Gidin ve simyacıların yanındaki yerinizi alın!

Galileo ise bu fikir üzerinde hiç çalışmadı ama notları, onun bu kavrama inanmadığını çünkü bunun doğa yasalarını ihlal ettiğini hissettiğini ortaya koyuyor. Bununla birlikte, sürekli hareket (perpetuum mobile) fikri, "kendi kendine doldurulan şişesi" ile Robert Boyle, Johann Bernoulli ve hatta Nikola Tesla gibi ünlü bilim insanlarını baştan çıkarmaya devam etti.^{[12], [13]}

17. ve 18. yüzyıllarda Robert Fludd ve Johann Bessler "Orffyreus" gibi mucitler, uzun süre çalışabilen ancak sürekli olarak çalışamayan makineler için akıllıca tasarımlar yaptılar. 1775 yılında Fransız Bilimler Akademisi, arızalar nedeniyle bu tür makineler için teklifleri kabul etmeyi bıraktı.^[14] Ayrıca ses getiren dolandırıcılıklar da vardı: 1812'de Amerikalı Charles Redheffer, diğer makinelere güç verebilecek sürekli bir jeneratör icat ettiğini iddia ederek bu yalandan kâr elde etti.^[15] Bu sahtekarlığı ortaya çıkaran, ilk buharlı gemiyi icat etmesiyle tanınan Robert Fulton'dan başkası değildi: Yaşlı bir adam, gerçekte, üst kattaki bir odadan gizli bir kabloya bağlı bir kolu çalıştırıyordu.

Birden fazla bilim insanının ortak çalışması olarak ortaya çıkan termodinamik yasalarının bu makinelerin tabutuna nihai çiviyi çakması, ancak 19. yüzyılın ikinci yarısında mümkün oldu. Termodinamiğin birinci yasasına göre, yalıtılmış bir sistemin enerjisi sabittir; ne yaratılır ne de yok edilir; dolayısıyla, ek girdi olmadan bir sistemden tükettiğinden daha fazlasını elde etmek mümkün değildir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre kapalı sistemlerde entropi her zaman artar; enerji, sürtünme ve diğer olaylar nedeniyle ısı şeklinde kaybolur. Erke dönergeçleri, ya termodinamiğin birinci yasasını (birinci türden sürekli hareket, harici enerji gerektirmez) ya da ikinci yasayı (ikinci türden sürekli hareket, tüm ısıyı kullanılabilir mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürür) ya da her ikisini birden ihlal eder. Ne var ki bu yasalar, (en azından yerel ölçekte) dokunulmaz kanunlardır.

İşte erke dönergeçleri, ihlal ettikleri yasaya göre üçe ayrılırlar:

• Birinci türden bir sürekli hareket makinesi, enerji girişi olmadan iş üretir. Bu nedenle termodinamiğin birinci yasasını, yani enerjinin korunumu yasasını ihlal etmektedir.
• İkinci türden bir sürekli hareket makinesi, termal enerjiyi kendiliğinden mekanik işe dönüştüren bir makinedir. Termal enerjinin yapılan işe eşit olması enerjinin korunumu yasasını ihlal etmez. Ancak döngüsel bir süreçte termodinamiğin daha incelikli ikinci yasasını ihlal eder. İkinci türden bir sürekli hareket makinesinin imzası, daha soğuk bir rezervuara ısı transferi gerektirmeden kendiliğinden soğutulan tek bir ısı rezervuarının bulunmasıdır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısının herhangi bir yan etki olmaksızın yararlı işe dönüştürülmesi imkansızdır.
• Üçüncü türden bir sürekli hareket makinesi, kütle ataleti nedeniyle hareketi sonsuza kadar sürdürmek için sürtünmeyi ve diğer enerji tüketen kuvvetleri tamamen ortadan kaldıran bir makine olarak tanımlanır. Bu makinelere bu ismin verilmesinin nedeni, "termodinamiğin üçüncü yasasını" ihlal etmeleri değildir. İsim, yalnızca bu tür makinelerin sınıflandırmaki sırasını ifade eder. Böyle bir makine yapmak da imkansızdır, çünkü sistem bu ideale ne kadar yaklaşırsa yaklaşsın mekanik bir sistemde enerji saçılımı asla tamamen ortadan kaldırılamaz.

Erke Dönergeci Gibi Gözüken Zırvalar

Sürekli hareket makinesi yalnızca ayrık parametrelere sahip sonlu izole bir sistemde tanımlanabileceğinden ve (diğer gerekçelerin yanı sıra, kuantum belirsizliği ve Tarski/Gödel teoremleri nedeniyle) gerçekten izole hiçbir sistem mevcut olmadığından, bu makale bağlamında "sürekli hareket" daha ziyade "sürekli hareket makinesi" olarak tanımlanmaktadır; çünkü bir makine, "belirli bir etki yaratmak için genellikle hareket veya elektrik biçimindeki enerjiyi yönlendiren ve kontrol eden bir cihaz"dır; oysa "hareket" basitçe, harekettir (mesela Brown Hareketini düşünün). 

Bu tip semantik ayrımlar bir yana, makro ölçekte, "sürekli hareket" elde edebileceği önerilen kavramlar ve teknik taslaklar vardır; ancak daha yakından analiz edildiğinde, bunların istisnasız hepsinin, aslında su veya diğer sıvıların faz değişimleri veya küçük doğal sıcaklık değişimleri gibi bir tür doğal kaynak veya gizli enerji "tükettikleri" (ve bu sayede hareket ettikleri) veya basitçe, süresiz çalışmayı sürdüremedikleri ortaya çıkar. Genel olarak, bir erke dönergeci üretmek imkansızdır.

Kaynak Tükettiği İçin Erke Dönergeci Olamayan İcatlar

Bu tür cihazların bazı örnekleri şunlardır:

• Su içen kuş oyuncağı, küçük ortam sıcaklığı değişimlerini ve buharlaşmayı kullanarak çalışır. Sadece suyun tamamı buharlaşana kadar çalışabilir.
• Kılcal harekete dayalı bir su pompası, küçük ortam sıcaklığı değişimlerini ve buhar basıncı farklılıklarını kullanarak çalışır. "Kılcal Kase" ile, kılcal hareketin suyun tüp içinde akmaya devam etmesini sağlayacağı düşünülmüştür, ancak sıvıyı ilk etapta tüpe çeken kohezyon kuvveti damlacığın kaseye salınmasını engellediğinden, akış sürekli değildir.
• Bir Crookes radyometresi, (ışık kaynaklı) sıcaklık değişimleri ile hareket eden hafif bir pervaneye sahip kısmi vakumlu bir cam kaptan oluşur.
• Güneş enerjisiyle çalışan bir motor gibi, çevresindeki doğal elektromanyetik radyasyondan minimum miktarda enerji toplayan herhangi bir cihaz.
• Hava basıncındaki değişikliklerle çalışan, Cox'un saati veya Beverly Clock gibi cihazlar. Hareket, enerjisini hareket eden havadan alır, hava da enerjisini hareket ettirilerek kazanır.
• Performans katsayısı 1'in üzerinde olduğu için bir ısı pompası.
• Atmos saati, saat yayını kurmak için sıcaklıkla birlikte etil klorürün buhar basıncındaki değişiklikleri kullanır.
• Nispeten uzun bir yarı ömre sahip bir izotopun radyoaktif bozunumu ile çalışan bir cihaz; böyle bir cihaz makul bir şekilde yüzlerce veya binlerce yıl çalışabilir.
• Oxford Elektrikli Zili ve Karpen Kazığı kuru voltaik pillerle çalışır.

Düşük Sürtünme Nedeniyle Erke Dönergeciymiş Gibi Davranan İcatlar

• Bir volan yardımıyla enerji depolamayan cihazlar, sanki erke dönergeciymiş gibi davranabilirler; ancak bunlar sonsuz enerjiye sahip değillerdir. Modern volanların, sıfır yük altında kimi durumda yıllarla ölçülebilecek düzeyde çalışabileceği hatırlanmalıdır.
• Uzay boşluğundaki nesneler (yıldızlar, kara delikler, gezegenler, uydular, spin stabilize uydular, vs.) bir kez döndükten sonra enerjiyi çok yavaş bir şekilde dağıtarak uzun süreler boyunca dönmelerini sağlar. Ancak Dünya'daki gelgitler Ay/Dünya sisteminin yerçekimsel enerjisini ortalama 3,75 terawatt oranında dağıtmaktadır.^{[1], [2]}
• Bazı kuantum-mekanik sistemlerde (süperakışkanlık ve süperiletkenlik gibi) çok düşük sürtünmeli hareket mümkündür. Ancak, sistem bir denge durumuna ulaştığında hareket durur (örneğin tüm sıvı helyum aynı seviyeye gelir). Benzer şekilde, kapların duvarlarına tırmanan süper akışkanlar gibi görünüşte entropiyi tersine çeviren etkiler sıradan kılcal hareketle çalışır.

Erke Dönergeci Oluşturabilecek Düşünce Deneyleri

Bazı durumlarda, bir düşünce deneyi (veya gedanken), kabul edilmiş ve anlaşılmış fiziksel süreçler yoluyla sürekli hareketin mümkün olabileceğini öne sürüyor gibi görünmektedir. Ancak her durumda, ilgili fiziğin tamamı göz önünde bulundurulduğunda bir kusur bulunmuştur. Örnekler şunları içerir:

• Maxwell'in şeytanı/cini: Bu, ilk olarak, enerjik molekülleri seçebilen ve enerjilerini alabilen bir "şeytan" varsayarak Termodinamiğin İkinci Yasasının sadece istatistiksel anlamda geçerli olduğunu göstermek için önerilmiştir. Daha sonraki analizler (ve deneyler), entropide genel bir artışla sonuçlanmayan böyle bir sistemi fiziksel olarak uygulamanın bir yolu olmadığını göstermiştir.
• Brown mandalı: Bu düşünce deneyinde, bir cırcıra bağlı bir çark hayal edilir. Brown hareketi, çevredeki gaz moleküllerinin küreklere çarpmasına neden olur, ancak mandal, çarkın sadece bir yönde dönmesine izin verir. Daha kapsamlı bir analiz, bu moleküler ölçekte fiziksel bir mandal düşünüldüğünde, Brown hareketinin de mandalı etkileyeceğini ve rastgele başarısız olmasına neden olarak net bir kazanç sağlamayacağını göstermiştir. Böylece cihaz, termodinamik yasalarını ihlal etmez.
• Vakum enerjisi ve sıfır noktası enerjisi: Sanal parçacıklar ve Casimir etkisi gibi etkileri açıklamak için, kuantum fiziğinin birçok formülasyonu "vakum enerjisi" veya "sıfır noktası enerjisi" olarak bilinen, boş uzayı kaplayan bir arka plan enerjisi içerir. Sıfır noktası enerjisini faydalı işler için kullanma becerisi, genel olarak bilim camiası tarafından sözdebilim olarak kabul edilmektedir. Mucitler, sıfır noktası enerjisinden faydalı işler elde etmek için çeşitli yöntemler önermişlerdir, ancak hiçbiri uygulanabilir bulunmamıştır. Sıfır noktası enerjisinin kullanılabilir hale getirilmesine yönelik hiçbir iddia, bilim camiası tarafından doğrulanmamıştır. Sıfır noktası enerjisinin enerjinin korunumunu ihlal ederek kullanılabileceğine dair hiçbir kanıt yoktur.

Sonuç

Şunu her zaman hatırlamakta fayda vardır: Sürekli hareket eden makineler olarak sunulanların illa bir kusuru ya da hilesi vardır! Su içen kuş, suyun buharlaşmasından elde edilen enerjiyi kullanır ve su bittiğinde durur. Makineli tüfek barut yakıtını kullanır; mermilerin fişek bandı her zaman biter, dolayısıyla bir arabanın yakıt deposundan hiçbir farkı yoktur. Bazı makineler harici güneş enerjisi veya radyoaktif izotop enerjisi kullanır ve bu da en nihayetinde tükenecektir. Eskiden inanılanın aksine, gezegenlerin hareketi sonsuz değildir: uzayın boşluğunda dönen/yörüngede dönen nesneler enerjiyi dağıtır, ancak bu, çok yavaş bir süreçtir.

Tabii ki tüm bu tartışmasız gerçekler, sayısız mucidin, günümüzde bile, gelişmiş yeni fizik giydirildiğinde bile işe yaramayan fiziksel bir tutarsızlığın peşinde koşmasını engellememiştir: Yakın zamanda, başlangıçta atomik bir atomla ilişkilendirilen malzemeler olan zaman kristalleri kavramı ortaya çıktı. Küçük bir sürekli hareket makinesine benzetilen temel durumdaki salınım, fizikçiler arasında tartışma yarattı. Ancak kavram da testi geçemedi ve kabul edilen fizik yasalarına uyacak şekilde yeniden formüle edildi. Anlayacağınız, Galileo'nun asırlar önce de bizi uyardığı gibi:

Doğayı aldatmak imkansızdır.