Maxwell’in Şeytanı

En başından beri, insanlık doğmadan önce ve Dünya sadece bir toz bulutundan ibaretken bile moleküller hep etkileşim içerisindeydi. Maddeler, onların molekülleri ve aradaki bağlar hep vardı. Aynı şekilde maddelerin arasında sürekli olup biten ısı alışverişi de hep birkaç molekül parçası arasında olsa bile vardı. Ve zamanla ısıyı başka enerji türlerine çevirmek için kullandılar. Daha sonra motorlarla her türlü enerjinin mekanik enerjiye çevrilebileceği anlaşıldı ve bu motorlar bilim insanları tarafından evrimleştirilerek kuantum motorlarına dönüştürüldü.  Bu motorlar sistemdeki gürültüyü enerjiye çevirmek için tasarlanmaya başlanmıştır.

Ama bu gürültü sadece ses enerjisi sonucu ortaya çıkan gürültüden ibaret değildi. Bu gürültü termal gürültüydü yani moleküllerin ısınırken veya soğurken yaptığı hareketin ve oluşturduğu düzensizliğin gürültüsüydü.

İçi gaz dolu bir kap düşünelim, bu kap dışardaki hava içeri giremeyecek şekilde tasarlanmış olsun. Kabın içindeki gazın kapla herhangi bir ısı alışverişinde bulunmadığını varsayarsak gazın sıcaklığı değişmeyecektir. Ama gaz molekülleri hep birbirleriyle ısı alıverişinde bulunacaktır ve anlık ısıları değişecektir dolayısıyla moleküllerin yaptıkları harekette anlık değişecektir. İşte ısının kaynağı da aslında moleküllerin yaptığı bu düzensiz hareketlerdir.

19. yy’da önemli fizikçilerden biri olan James Clerk Maxwell’in termodinamiğin ikinci yasasını çürüten sistemler üretilebileceğini kanıtlamak için yaptığı düşünce deneyinde bu termal gürültüden yararlanarak kuantum motorları yapılabileceğini öne sürmüştür.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre doğadaki düzensizliğin ölçütünün birimi olan entropinin zamanla artması gerekmektedir. Bu bilgiye göre bir sistemin doğadaki düzensizliği yani entropisi artıyorsa o sistem dışarıdan herhangi bir müdahale olmaksızın kendiliğinden ve doğal süreçlerle başlangıçta olduğu koşullara dönemez.

Maxwell bu yasayı çürütmek ve entropinin yapay yollarla azaltılabileceğini kanıtlamak için yaptığı düşünce deneyinden ilk kez 1867 Peter Guthrie Tait ‘e yadığı mektupta bahseder daha sonra 1872 yılında Jhon William Strutt’a yazdığı mektupta da bu deneye atıflarda bulunur.

Maxwell’in deneyi ‘’Isı Kuramı’’ adlı kitabında yazdığı üzere şöyledir: ‘’…karşılığı her molekülü takip edebilecek kadar keskin duyulara sahip sonlu bir varlık olduğunu düşünelim…’’ bu varlığın aynı zamanda bilgi toplayacak kadar bir zekaya sahip olduğunu varsayalım. Şimdi ağzı kapalı ve içi hava dolu olan bir kap düşünelim, bu kap sadece az önce adı geçen ‘’sonlu varlığın’’ açıp kapayabileceği bir kapıyla ortadan ikiye ayrılmış olsun. Sol taraftaki bölmeyi A, sağ taraftaki bölmeyi B bölmesi olarak adlandıralım. Bu ‘’sonlu varlık’’ hızlı molekülleri A’dan B’ye, daha yavaş olanları ise B ‘den A’ya geçmelerine izin verecek şekilde kapıyı açıp kapasın. Maxwell’e göre termodinamiğin yasası bu mekanizmayla ihlal edilir çünkü A tarafında soğuk, B tarafında ise sıcak moleküller toplanacaktır, bu da maddelerin entropisini yani düzensizliğini azaltacaktır fakat termodinamiğin ikinci yasasına göre birbirine değen iki cisim sıcaklıklar eşitleninceye kadar ısı alışverişi yapmalıdır. Fakat bu ‘’sonlu varlık’’ sayesinde iki farklı tarafta da ısı alışverişi gibi bir olay yok ve entropi zamanla azalmıştır.

Bilim dünyası yıllarca bu düşünce deneyini tartışmış ve bu deneye paralel mekanizmalar türetmeye çalışmıştır. Hatta bu deneydeki ‘’sonlu varlık’’ bir süre sonra Maxwell’in Şeytanı ya da Maxwell’in Cini olarak adlandırılmaya başlanmış ve görsellerde kapıyı açacak bir mekanizma yerine şeytan çizilmeye başlanmıştır.

Bilim dünyasında yıllarca süren bu tartışma 20. Yüzyılda Bilgi Kuramı’nın gelişmesiyle son buldu. Ve zamnla Maxwell’in Şeytanı’nı gerçeğe dönüştüren çalışmalar yapıldı. Geçtiğimiz yıllarda bu araştırmalar gerçeğe dönüştürüldü. Finlandiya ‘da Aalto Üniversitesi’nde yapılan çalışmada elektronları düşük potansiyel enerjili bölgeden, yüksek potansiyel enerjili bölgelere geçirerek kendi kendini soğutan bir sistem geliştirildi. Bu cihaz voltajı elektronların hareketlerine göre ayarlıyordu. Maxwell’in Şeytanı’nın günümüzde örnekleri ortaya çıkmaya devam etmektedir bu örnekler moleküllerin gürültüsünden yararlanarak nasıl kendi enerjisini kendi üretebileceğimizin ilk kanıtlarıdır. Eğer yeterince hassas ölçümler yapan ve algılayabilen bir mekanizma geliştirilebilirse gürültüden kendi enerjisini üretebilen kuantum motorları gelecekte büyük bir yer kaplayabilir.