Entropi Felaketi Sınırı ve Teorik Erime Sıcaklığını Aşmak Mümkün

Aşırı yüksek sıcaklıktaki maddelerin sıcaklıklarını net olarak ölçmek oldukça zordur. Güneş'in plazma dalgaları, gezegenlerin çekirdekleri veya füzyon reaktörlerinin içerisindeki ezici kuvvetler gibi, bilim insanları tarafından "sıcak yoğun madde" (İng: "warm dense matter") olarak adlandırılan maddeler yüz binlerce Kelvin'lik bir sıcaklığa erişebilirler.

Bu maddelerin tam sıcaklık değerlerini bilmek her ne kadar araştırmacıların bu türden karmaşık sistemleri anlaması için son derece önemli olsa da bugüne dek bu denli yüksek sıcaklıklarda hassas ölçümler yapmak pratikte imkânsızdı. ABD Enerji Bakanlığı'nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda (İng: "SLAC National Accelerator Laboratory") görevli bilim insanı Bob Nagler, bu durumu şu sözlerle özetliyor:

Böylesi sistemlerin yoğunluklarını ve basınçlarını ölçmek için uygun tekniklerimiz var ancak sıcaklığı ölçmek için yok. Yüksek sıcaklıktaki maddelerin sıcaklık ölçümleri her zaman büyük hata paylarına sahip yaklaşık ölçümlerdi ve dolayısıyla teorik modeller geliştirmemize engel oluyordu. Bu, on yıllardır süregelen bir sorun.

Bu konu üzerinde çalışmalar yürüten bir araştırma ekibi, Nature dergisinde yayımladıkları makalelerinde sıcak yoğun maddelerin atom sıcaklığını doğrudan ölçmeyi başardıklarını bildirdiler. Şimdiye kadar denenen diğer yöntemler görece daha karmaşık ve doğrulanması zor modellere dayanırken bu yeni yöntem ise atomların hızını ve dolayısıyla sistemin sıcaklığını da doğrudan ölçmeyi mümkün kılıyor, dolayısıyla da dünyayı ve maddeleri anlamamız hususunda yeni bir kapı aralıyor. Ekip, gerçekleştirdikleri bu deneyin ilk aşamasında katı altını, lazerle aşırı ısıtma tekniği ile teorik erime sıcaklığının çok ötesinde bir sıcaklığa ulaştırarak kırk yıldır kabul gören bir teoriyi hiç beklenmedik bir şekilde çürüttü. Nevada Üniversitesinde çalışan Doçent Doktor Thomas White, bu keşifleriyle ilgili şu sözleri sarf ediyor:

Deneydeki asıl amacımız bu değildi ancak neticede bilim, var olduğunu bilmediğiniz şeyleri keşfetmekten ibarettir.

Başta Bob Nagler olmak üzere SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı araştırmacıları ve Thomas White iş birliğinde yürütülen bu çalışmada Belfast Queen's Üniversitesi, Avrupa XFEL (X Işını Serbest Elektron Lazeri) ekibi, Columbia Üniversitesi, Princeton Üniversitesi, Oxford Üniversitesi, Merced'deki Kaliforniya Üniversitesi ve Coventry'deki Warwick Üniversitesinden pek çok araştırmacı yer alıyor.

Gizmodo

Sıcaklık Ölçümü

Araştırma ekibi, yaklaşık on yıldır aşırı sıcaklıkları ölçmenin getirdiği zorlukları aşmanın yollarını arıyorlardı. Laboratuvar ortamında erişilen bu sıcaklık koşullarının kısa süreli olması ve bu karmaşık sistemlerin diğer malzemeleri etkilemesi gibi durumlar da bu zorluklar arasındaydı.

Gerçekleştirilen bu deneyde ise bir parça altın, lazerler kullanılarak aşırı ısıtmaya maruz bırakıldı. Lazerin ortaya çıkardığı ısının, nanometre kalınlığındaki altın örneğinin içinden geçtiği sırada da altın atomlarının yükselen sıcaklıkla doğrudan ilişkili bir hızda titreşmeye başladığı görüldü. Ekip bunun devamında, Linac Coherent Light Source (LCLS) adı verilen cihaz aracılığı ile aşırı ısıtılmış durumdaki altın örneği üzerinden aşırı parlak X ışınları gönderdiler. Titreşen atomlardan saçılan bu X ışınlarının frekanslarında meydana gelen hafif değişimler ise atomların hızını ve dolayısıyla da sıcaklıklarını ortaya çıkarmış oldu.

Entropi Felaketinden Kurtulmak

Her maddenin belirli erime ve kaynama noktaları vardır ve bu noktalar, sırasıyla katıdan sıvıya ve sıvıdan gaza geçişe işaret eder. Ancak bu durumun istisnaları da yok değildir. Mesela su, düzgün kaplar içerisinde hızlıca ısıtıldığında (örneğin mikrodalgada ısıtılan bir bardak su) kaynama noktası olan 100 Santigrat derecenin üzerine çıkarak "aşırı ısınmış" hâle gelebilir. Bu durum, kabarcık oluşumunu tetikleyecek pürüzlü yüzeyler veya safsızlıklar olmadığı için gerçekleşir.

Tabii ki bu istisnai doğa olayı, artan bir riski de beraberinde getirmektedir: Bir sistem, normal erime ve kaynama noktalarından uzaklaştıkça bilim insanlarının katastrof ya da felaket olarak adlandırdığı duruma yaklaşır. Mesela mikrodalgada aşırı ısıtılan su, bir noktadan sonra herhangi bir etkileşimde patlayarak kaynayabilir ve çok ciddi yanıklara yol açabilir.

Kimi deneyler, maddelerin hızla ısıtılarak bu ara sınırları aşmanın mümkün olduğunu göstermiş olsa da White'ın açıklamasına göre "entropi felaketi hâlâ nihai sınır olarak görülmekteydi".

Ancak bunlara rağmen ekip, son çalışmasında altının şaşırtıcı bir şekilde 19000 Kelvin (yaklaşık olarak 18726.25 derece Santigrat) sıcaklığa, yani erime noktasının 14 katından fazlasına ve öngörülen entropi felaketi sınırından çok daha ötesine erişebildiğini, üstelik tüm bu süreçte sahip olduğu katı kristal hâlini koruyabildiğini keşfetti. Bob Nagler, bu yeni tekniklerinin bilim dünyasına katkısıyla ilgili düşüncelerini şu sözlerle dile getirdi:

Bu teknikle gerçekleştirdiğimiz ilk deneyimiz bile bugüne dek kabul görmüş bilimsel görüşlere meydan okuyabiliyorsa gelecekte gün yüzüne çıkacak diğer keşifleri sabırsızlıkla bekliyorum.

White, tüm bu gelişmelerin yanı sıra kendilerinin, termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmediklerini ve bu yaptıklarının yalnızca "maddelerin, saniyenin trilyonda biri gibi çok kısa bir sürede ısıtıldıklarında bu yıkım durumunun önlenebileceğini göstermek" olduğunu vurguluyor.

Araştırmacılara göre hızlı ısıtma tekniği, altının genleşmesini engelliyor ve bu sayede de katı hâlini korumasını sağlıyor. Deneyden elde edilen bulgular, yeterince hızlı ısıtılmaları durumunda aşırı ısıtılmış maddeler için bir üst sınır olmayabileceğine işaret ediyor.