Mutlak Sıfıra Ulaşmak Olanaksız.

Einstein’ın da dahil olduğu 100 yıldan uzun bir süredir devam eden tartışmanın sonunda, fizikçiler; mutlak sıfıra ulaşmanın fiziksel olarak imkansız olduğunu çünkü bir sistemin entropisinin sıfıra ulaşmasının imkansız olduğunu ifade eden termodinamiğin üçüncü yasasının matematiksel ispatını sunmayı başardı.

Araştırmacılar uzun zamandır evrende bizi mutlak sıfır sıcaklığına (0 Kelvin, -273.15°C) ulaşmaktan alıkoyan bir içsel soğutma “hız limiti” olduğundan kuşkulanıyorlardı. Bu da mümkün olan en düşük sıcaklık söz konusu olduğunda, fiziğin mevcut yasalarına göre elimizdeki en büyük kanıtı oluşturuyor.

“Sınırlı kaynaklarla, bir sistemi mutlak sıfır sıcaklığına kadar soğutamayacağınızı gösterdik, hatta bir adım daha ileri gittik. Ardından bir sistemi sınırlı bir süre içerisinde mutlak sıfır sıcaklığına kadar soğutmanın mümkün olmadığı sonucuna vardık ve zaman ile mümkün olan en düşük sıcaklık arasında bir bağlantı ortaya koyduk. Buna soğutma hızı diyoruz” diye anlatıyor Londra Üniversitesi’nden Lluis Masanes.

Masanes’in atıfta bulunduğu şeyler, termodinamiğin üçüncü yasasının dayandığı iki temel varsayım. Bunların ilki, fiziksel bir sistemde mutlak sıfıra ulaşmak için, sistemin entropisinin de sıfıra ulaşması gerektiğidir. İkinci varsayım da ulaşılamazlık ilkesi olarak bilinir ve mutlak sıfırın fiziksel olarak ulaşılmaz olduğunu, çünkü hiçbir sistemin entropisinin sıfır olamayacağını ifade eder.

İlk varsayım 1906 yılında Alman kimyager Walther Nernst tarafından öne sürülmüş, bu da kendisine Nobel Kimya Ödülü kazandırmıştır. Albert Einstein ve Max Planck gibi bilimin ağır topları bu ispatla ikna olmamış ve evrendeki soğutma hızına dair kendi teorilerini geliştirmişlerdir. Bu da Nernst’ün düşüncesinin pekişmesine neden olmuştur. Nernst, 1912 yılında ikinci bir varsayım getirerek, mutlak sıfıra ulaşmanın fiziksel olarak imkânsız olduğunu öne sürdü. Bu iki kural birlikte, termodinamiğin üçünü yasası kabul edilmektedir. Bu yasa doğru görünmekle birlikte, varsayımları her zaman dengesiz görünmüştür. Söz konusu termodinamiğin yasaları olduğunda, üçüncü yasa kısmen yüz karası olarak görülmüştür.

Leah Crane; “İlk zamanlarda argümanlar sadece spesifik mekanizmalara odaklandığı veya şaibeli varsayımlarla zedelendiği için, bazı fizikçiler bu yasanın geçerliliğine ikna olamamışlardır” diye aktarıyor.
Hem klasik mekanik, hem de kuantum mekaniği açısından termodinamiğin üçüncü yasasının varsayımlarının ne kadar güçlü olduğunu sınamak amacıyla, Masanes ve çalışma arkadaşı Jonathan Oppenheim sınırlı zaman ve kaynaklarla mutlak sıfıra ulaşmanın matematiksel olarak mümkün olup olmadığını test etmeye karar verdi.

Masanes bu soğutma eylemini bilgisayar hesaplamalarıyla karşılaştırıyor. Bir bilgisayarın, bir algoritmayı nasıl çözdüğünü görebilir ve ne kadar sürdüğünü kaydedebiliriz; yine aynı şekilde bir sistemin ısısını uzaklaştırmak için atılması gereken adımlardan ötürü, o sistemin teorik sıcaklık limitine kadar soğutulma süresinin ne kadar süreceğini de hesaplayabiliriz.

Soğutma işlemini, bir sistemin ısısını alıp, dışarıdaki ortamda saklanması olarak düşünebilirsiniz.
Sistemin başlangıç ısısının miktarı, ısının tamamını almak için atılması gereken adım sayısını belirler; ayrıca ısının alındıktan sonra depo edileceği yerin kapasitesi de, soğutma yeteneğinizi sınırlandırır.

Kuantum bilgi teorisinden (Einsten’ın termodinamiğin üçüncü yasası için kendi türettiği formüller için arzuladığı birtakım ilkeler) türetilen matematiksel teknikler kullanarak, Masanes ve Oppenheim mutlak sıfıra, sadece sınırsız adım olanağı ve sınırsız depo kapasitesine sahip olunduğu sürece ulaşılabileceğini buldu. Ve bunlar da, hiç birimizin günün birinde sahip olabileceği imkânlar değil.

Bu uzun zamandır fizikçilerin tahmin ettiği şeydi. Çünkü termodinamiğin ikinci yasası, ısının sıcak ortamdan soğuk ortama kendiliğinden hareket edeceğini söyler, bu nedenle soğutmaya çalıştığınız nesne, çevresinden sürekli ısı almaya devam edecektir. Bir nesnenin herhangi bir miktarda ısısının olması, o nesnenin içerisinde termal hareket olduğu anlamına gelir, bu da bir miktar entropinin daima var olmasını sağlar.
Bu da nereye bakarsanız, evrendeki her şeyin çok az da olsa neden hareket ettiğini açıklıyor. Termodinamiğin üçüncü yasasına göre, var olan hiçbir şey tamamıyla durgun olamaz.

Araştırmacılar, bu çalışmanın termodinamiğin üçüncü yasasına, diğer yasalar arasında yer kazandıracağını umuyor. Aynı zamanda bu çalışma, bir şeyi soğutmak için en hızlı teorik sürati de sunuyor. Diğer bir deyişle, soğutma için gereken adımları belirlemek için matematik kullanıyorlar, bu da araştırmacıların sınırlı bir zaman sürecinde bir sistemin ne kadar soğutulabileceğine dair bir hız limiti belirlemelerine olanak sağlıyor. Bu önemli bir nokta, çünkü eğer mutlak sıfıra asla ulaşamasak bile, en azından çok yakın bir dereceye ulaşabiliriz. Örneğin NASA’nın Soğuk Atom Laboratuvarı’nda mutlak sıfırın üzerinde derecenin milyarda biri kadar bir sıcaklığa veya derin uzaydan 100 milyon kat daha soğuk derecelere ulaşılabiliyor. Böylesi sıcaklık seviyelerinden, daha önce karşılaşmadığımız tuhaf atom davranışlarına şahit olabiliriz ve bir sistemin ısısını mümkün olabildiği kadar azaltmak, işlevsel bir kuantum bilgisayarı inşa etme açısından son derece önemlidir. 

Posted in: Bilim-Teknoloji