Maxwell'in Cininden Esinlenerek Yapılan Makine, Entropinin Sırlarını Aydınlatmamıza Yardımcı Olabilir!

"Maxwell'in cini" olarak bilinen düşünce deneyi, İskoç matematikçi James Clerk Maxwell tarafından 1867 yılında ortaya atılmıştır. Bu düşünce deneyi şöyledir: Maxwell, içinde gaz bulunan izole bir sistemi hayali bir duvarla iki odacığa ayırır. Hayali bir cin, bahsedilen duvarın herhangi bir yerinde ve herhangi bir anda bir kapı açarak, bir odacıktan diğerine gaz moleküllerinin geçişini sağlar. Cin, bu şekilde bahsedilen hayali duvarın üzerinde kapılar açıp kapayarak odacıklardan birine göreli olarak daha sıcak olan (kinetik enerjisi daha yüksek olan) gaz moleküllerini toplarken diğer odacığada de göreli olarak daha soğuk (kinetik enerjisi daha düşük) olan gaz moleküllerini toplar. Sonuç olarak, izole bir sistemin içerisinde, farklı sıcaklıklara sahip iki odacık ortaya çıkar.

splasho

Bu şekilde elde edilebilecek olan böylesine bir sıcaklık farkı ile (teorik olarak) herhangi bir makine sonsuza dek çalıştırılabilir ("devridaim makinesi"). Ne var ki pratikte bunu gerçekleştirmek imkansızdır; çünkü böylesine hayali bir kapalı sistemde toplam entropi zamanla düşecektir ki bu da termodinamiğin ikinci yasasının ihlali anlamına gelir. Biliyoruz ki termodinamiğin ikinci yasasına göre kapalı bir sistemin toplam entropisi her zaman artma eğilimindedir.

Bütün bunlara rağmen fizikçiler "Maxwell’in cininin yerini alabilecek bir makine" yapılabileceğini öne sürüyorlar. Fizikçilere göre, sisteme kaybettiğinden daha fazla enerjiyi dışarıdan vererek termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmemek mümkün olabilir; ne var ki böylesine bir senaryoda "cinin görevini yapan makine" bir devridaim makinesi olamayacaktır (çünkü izah ettiğimiz üzere, devridaim makineleri imkansızdır). Fransa’da bulunan École Normale Supérieure de Lyon ‘dan fizikçi Antoine Naert ve meslektaşları, makroskobik ölçekte çalışabilen böylesine bir makine yaptıklarını söylüyorlar.

Physical Review Letters

Maxwell Makinesi Nasıl Çalışıyor?

Antoine Naert ve meslektaşlarının yaptığı ve bir çalkalayıcının üzerinde duran makine; paslanmaz çelikten yapılmış boncuk taneleri içeren ve 5 cm çapında olan bir kaptan oluşuyor. Bahsedilen boncuk taneleri, çalkalamanın etkisiyle tıpkı gaz molekülleri gibi rastgele hareket etmeye ve kapta bulunan rotor paline çarpmaya ve oradan da sekmeye başlıyor.

Rotorun bağlı olduğu motor, rotorun sadece tek bir yönde dönmesine olanak veriyor. Eğer boncuk tanecikleri, rotor paline, rotorun dönebildiği yöne doğru hareket ederken çarparlarsa rotor dönüyor ve elektrik akımı üretiyor. Eğer boncuk tanecikleri, rotor paline, rotorun dönemediği yöne doğru hareket ederken çarparlarsa rotor hareketsiz kalıyor. Burada, rotorun bağlı olduğu motor Maxwell’in cini ile aynı görevi görüyor. Eğer rotor böylesine bir motora bağlı olmasaydı, rotor paline çarpan boncuk taneciklerinin etkisiyle, rastgele bir şekilde her iki yönde de dönebilecekti.

Böylesine bir sistemde, her ne kadar rotorun dönmesiyle elde edilen elektrik enerjisi çalkalayıcının harcadığından çok daha düşük olsa da çalkalayıcının enerjisinin bir akarsuyun hareketi gibi doğal kaynaklardan elde edilebildiği bir senaryoda durum farklı olabilir.

Kanada'da bulunan Simon Fraser Üniversitesinden fizikçi John Bechhoefer, bu çalışmada yer almamakla birlikte, böylesine bir makinenin çalkalanabilmesi için gereken enerji dışarıdan sağlandığı sürece yani sisteme dışarıdan enerji verildiği sürece termodinamiğin ikinci yasasını aşmanın mümkün olamayacağını söylemektedir.

New Scientist

Araştırmacılar, yaptıkları bu makine ile yürüttükleri deneyde, çalkalayıcı için gereken (minimum) 10 watt enerjiye karşın yalnızca 4 mikrowatt enerji üretebilmişlerdir. Araştırmacılara göre sistemdeki motorun daha büyük olduğu ve çalkalama için gereken enerjinin doğal kaynaklardan elde edilebildiği bir senaryoda böylesine bir makine bulunduğu ortamdan enerji elde edebilir (enerji hasatı).

Antoine Naert’e göre böyle bir makinenin yardımıyla bilginin nasıl entropiye dönüştüğünü anlamak mümkün olabilir. Yürütülen çalışmada rotor palinin, her iki yönde de çarpan boncuk taneleri ile, hangi yöne doğru itildiği bilgisi entropiye dönüşmektedir. Antoine Naert şöyle diyor:

Eğer Maxwell’in cini (motor) ile ortam arasında gerçekleşen bilgi alış verişini ölçebilirsek buradan yola çıkarak entropinin oluşma oranını da ölçebiliriz. Bu süreçlerin şu an için bizim tamamen yabancı olduğumuz bir alanda gerçekleşiyor olması çalışmalarımızı heyecanlı kılıyor.