Sıfır Kelvin'in Altına İnmek: Mutlak Sıfır Olarak Bilinen Sıcaklık, Gerçekten "Mutlak" mı?

Tam şu anda, ben bu cümleyi yazarken, Dünya’nın Kuzey yarım küresinin, "parlak bir ışık topu" olarak tanımlayabileceğimiz Güneş’e olan eğiminin açısı daralmakta. Bulunduğum şehir de, en azından göreli olarak, oldukça soğuk. İnsanlar, son derece anlaşılır sebeplerle, bulundukları ortamların sıcaklığını uzun zamandan beri ölçüp kaydetmektedirler. Bir gözümüzü sürekli termometre üzerinde tutmak, bizi soğuk havanın getireceği potansiyel tehlikelere hazırlar.

Misal, 0 santigrat dereceyi ele alalım. Bu gibi sıcaklıklarda su donmaya başlar. Bazı durumlarda, suların içinden geçtiği borular arızalanabileceği gibi, bu düşük sıcaklıklarda çeşitli hastalıkların "ölüm-kalım meselesi" haline gelebildiği bilinmektedir. Ancak 0 santigrat derece, Fahrenhayt ölçeğindeki 0 derece ile karşılaştırıldığında oldukça sıcak kalır; çünkü su, Fahrenheit skalasına göre 32 derece donar. 0 Fahrenheit ise -17.8 Santigrat derecedir!

Yine de bunlar, mutlak sıfır olarak bilinen sıcaklık ile karşılaştırılamaz bile! Mutlak sıfır, 0 Kelvin’de ulaşılan sıcaklıktır. Bu sıcaklık, fiziksel olarak erişebileceğimiz en düşük sıcaklıktır!

Mutlak sıfırın ne kadar soğuk olduğunu anlamak için şunu düşünün: Su, 0 santigrad veya 32 Fahrenhayt’ta donar demiştik - ki bu, 273 Kelvin’e eşittir; yani mutlak sıfıra yakın bile değildir. Mutlak sıfıra, -273 Santigrat ya da -459 Fahrenhayt derecede ulaşılır!

Bu öylesine düşük bir sıcaklıktır ki, boş uzay bile bu kadar soğuk değildir: Büyük Patlama’dan arta kalan ısı nedeniyle uzay boşluğunun sıcaklığı yaklaşık 2.7 Kelvin’dir!

Mutlak Sıfır Nedir?

Mutlak sıfır, tüm moleküler hareketliliğin durduğu sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta, maddeleri sadece donmuş (veya katı) olarak düşünmemek gerekir. Daha ziyade bu noktada entropi minimum değerine ulaşır.

Entropinin ne demek olduğunu bilmiyorsanız, kısaca izah edelim: Entropi, bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü anlamına gelir. Sıcaklık ne kadar yüksek ise entropi de o kadar yüksek, sıcaklık ne kadar düşük ise entropi de o kadar düşük diye düşünebilirsiniz. Düşünecek olursanız sıcaklık, aslında 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 olarak, artık elinizde (daha) yüksek entropi vardır! Örneğin aşağıdaki sistemin entropisi oldukça yüksektir:

Üst sınıf bir laboratuvar ve bir sürü ekipmanınız olmadığı sürece, mutlak sıfır, kat'i suretle mutlaktır. Yani mutlak sıfırın altına asla inemezsiniz! Ancak eğer ki elinizde yeterince ekipman varsa, sistemin sıcaklığını onu Kelvin bazında eksi olacak şekilde “ters yüz” etmeniz mümkün olabilir. Bu, ilk etapta imkansız görünüyor, değil mi? Nasıl oluyor da mutlak sıfırın altına inebiliyoruz? Nasıl olur da atomların hareket edemeyeceği kadar düşük bir enerji düzeyi "mutlak sıfır" olarak tanımlanmışken, onun daha da altına inebiliyoruz? Çok karışık bir süreçten geçerek... Ve bu süreçten geçeceksek, "sıcak" ve "soğuk" dediğimiz şeylerin ne anlama geldiğine yönelik bilgilerimizin tümünü de değiştirmemiz gerekiyor!

Mutlak Sıfırın Altı: Olabilecek En Düşük Sıcaklığın Altına Nasıl İnilir?

“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 bu, "yüksek entropi" demektir). 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 (aynı enerji durumunda olana) kadar. Bu, daha düşük entropi olarak düşünülebilir.

Çoğumuz için yukarıda bahsedilen örnek çok bir anlam ifade etmez. Konunun tamamını görebilmek adına konuyu bir grafikle görselleştirelim:

Ben Leza

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 hızlı bir biçimde çıkarken, bazıları geride kalır. Şu an daha yüksek bir entropiye sahibiz, parçacıklarımız birbirlerinden iyice ayrıldılar; bazıları hala vadide, bazıları vadiyi yeni yeni terk ederken diğerleri de dağın tepesine çıkmaya devam ediyorlar.

Zamanla, sisteme daha da fazla enerji aktarımı yapıldıkça bazı parçacıklar dağın zirvesine ulaşacak, sonra birkaçı hemen zirvedekilerin arkalarına gelecek, onların arkalarına diğerleri sıralanacak ve süreç, bu şekilde devam edecektir. Şimdi parçacıklarımız dağın her yerindeler; hiçbir parçacık bir diğerinin yakınında değil. Yani 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 zirveye ulaşıyorlar. Görünen o ki parçacıklarımız birbirlerine çok yakın, çok düzenliler; ancak hala aşırı miktarda enerji yüklüler. Dağımız bir kez daha düşük entropiye ulaştı; ancak çok yüksek enerjiye sahip. Parçacıklarımız, bu noktada artık negatif sıcaklık değerleri almaktadır!

Sıcaklığı Yeniden Düşünmek...

Sıcaklığı bir çizgiden ziyade, bir 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 bilim insanları 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 yer çekimine 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.