Bir kahve fincanını masanın kenarından itin. Yere düşer, kırılır, kahve yere saçılır. Şimdi aynı sahneyi tersine sarın: Yerdeki kırıklar bir araya gelir, kahve fincana geri çekilir, fincan masanın kenarına geri konar.

Bu sahne neden bu kadar yabancı geliyor? Fizikte hareketle ilgili neredeyse her yasa zamanda simetriktir; ileri de geriye de işlerler. Ama siz bu tersine sarımın gerçek olamayacağını sezgilerinizle biliyorsunuz. Bu sezginizin kaynağı, fiziğin en derin yasalarından birinden geliyor, Termodinamiğin İkinci Yasası.

Yasa şunu söyler: Yalıtılmış bir sistemde entropi, yani düzensizlik, dağınıklık, olası durum sayısı, zamanla ya artar ya da sabit kalır. Hiçbir zaman kendiliğinden azalmaz. Bir damla mürekkebi su dolu bir bardağa bıraktığınızda, mürekkep yavaşça yayılır ve su homojen bir renge bürünür. Tersi hiçbir zaman görülmez; suda dağılmış mürekkep kendiliğinden bir noktada toplanmaz. Olasılık sıfır olmasa da o kadar düşüktür ki, gerçekleşmesi, evren sonsuz ömürlü olsa bile neredeyse olanaksızdır.

DÜZENSİZLİĞİN EGEMENLİĞİ

Ama bu neden böyledir? Cevap, olasılığın ta kendisinde gizlidir. Aynı mürekkep damlasını ele alalım. Mürekkep moleküllerinin tümünün tek bir damla hacminde kendiliğinden bir araya gelmesi varsayımsal olarak mümkündür ama olasılığı o kadar küçüktür ki gerçekte hiçbir zaman gerçekleşmez. Tersine, moleküllerin bardağa dağılmış halde bulunabilecekleri düzenleme sayısı, damla şeklinde birleşmelerine oranla astronomik ölçüde fazladır. Doğa olasılıkları takip eder ve olasılıklar, her zaman düzensizliği kayırır.

Ludwig Boltzmann, 19. yüzyılın sonunda bu gerçeği matematiksel bir formüle döktü: S = k * log(W). Burada S entropi, W ise sistemin içinde bulunabileceği olası mikro-durum sayısıdır; ne kadar çok olası durum varsa, entropinin o kadar yüksek olduğunu ifade eder. Termodinamikle istatistik arasında köprü kuran bu denklem o kadar temel bir olguya işaret eder ki Boltzmann, ölümünden sonra mezar taşına kazınmasını istedi; öyle de yapıldı.

YILDIZLAR, GEZEGENLER, YAŞAM

Kosmosa baktığınızda, buna itiraz edebilirsiniz. Evrendeki en büyük yapılar, yani yıldızlar, gezegenler, galaksiler, dağınık madde bulutlarından ortaya çıkmıştır. Dört milyar yıl önce yalnızca hidrojen ve helyum bulutu olan bir bölge, zamanla Güneş’e dönüştü. Cansız kimyasal bir çorbadan yaşam türedi. Sizin beyninizdeki nöronlar, birbirleriyle dakikada trilyonlarca bağlantı kuran devasa düzenli bir ağ oluşturuyor. Bunların hepsi daha fazla düzene, daha az entropiye işaret etmiyor mu?

İşte burada yasanın kilit sözcüğü devreye girer: “yalıtılmış”. Termodinamiğin İkinci Yasası yalnızca dışarıyla enerji ve madde alışverişi olmayan yalıtılmış sistemlere uygulanır. Yıldız oluşumu tam anlamıyla açık bir süreçtir. Çöken bir gaz bulutu, sıkışırken çevresine devasa miktarda ısı ve ışıma enerjisini saçar. Yerel olarak düzen kurulurken, çevreye saçılan entropi bu düzeni fazlasıyla aşar. Büyük resme, yani tüm sisteme bakıldığında, toplam entropi yine artmıştır.

Canlılar için de aynı mantık geçerlidir. Bir bitki fotosentezle karmaşık moleküller üretir, yani yerel entropisini düşürür. Ama bunu yaparken güneş ışığını alır ve ısı olarak çevresine geri verir. Güneş’in bu süreçte kaybettiği düzen, bitkinin kazandığı düzenden çok daha büyüktür. Yaşam, entropiye karşı bir istisna değil, entropi artışının en verimli araçlarından biridir. Canlılar, enerji farklarının yok olmasını hızlandıran birer entropi makinesidir.

ZAMANIN OKU

Entropi aynı zamanda fiziğin en gizemli sorularından birine de yanıt verir: Neden zaman yalnızca ileri akar?

Newton’un hareket yasaları, Maxwell’in elektromanyetizma denklemleri, hatta kuantum mekaniğinin temel denklemleri, zamana göre simetriktir. Hiçbiri “ileri” ile “geri”yi birbirinden ayırt etmez. Ama deneyimlerimiz tam tersini gösterir. Bir buz kütlesi erir, ama su kendiliğinden buz olmaz. Gençleşemezsiniz, ölülerin dirildiği hiç görülmez.

Bu asimetri, yalnızca entropi tarafından belirlenir. Bildiğimiz tüm süreçler yüksek entropiye doğru akar, çünkü bu yön olasılıkların işaret ettiği yöndür. Zamanın oku, entropinin büyüme yönüdür. Zamanın neden ileri aktığı sorusunu soran her fizikçi, eninde sonunda Termodinamiğin İkinci Yasası’na ulaşır.

EVRENİN BİR BAŞLANGICI OLMALI MI?

Uzun yıllar boyunca pek çok kozmolojik model, evrenin başlangıcı olmaksızın var olduğunu öne sürdü, öncesi olmayan bir evren. Aynı fikir görüş günümüzde de yeniden güncellik kazanıyor. Eğer evren öncesiz olsaydı, yani geçmişi sonsuza uzanıyor olsaydı, entropi de sonsuz süredir artıyor olurdu. Sonsuz zaman içinde artmaya devam eden bir büyüklük, sonunda varabileceği en yüksek değere çoktan ulaşmış ve evren, “ısıl ölüm”e erişmiş olurdu. Evrenin her bölgesinin aynı sıcaklıkta olduğu, hiçbir enerji farkının kalmadığı, yıldızların, gezegenlerin olmadığı, sessiz, ölü bir denge.

Aynı entropi yasaları, 'Döngüsel Evren' kuramının da tutarlılığını sorgulatır. Bu görüşe göre evren, patlar, genişler, sonra bir noktadan sonra çöker ve bu süreç sürekli tekrarlanır. Bunu olanaksız kılan olgu ise, Büyük Patlama’daki tekillik durumunun son derece düşük bir entropiye sahip olmasıdır. Yani başlangıçta entropi sıfıra yakınken, evrenin genişlemeye başlaması ile birlikte sürekli artmaya başladı. Bir noktadan sonra çöküşe başlaması ve yine yeni bir tekilliğe ulaşması, entropinin azalmasını gerektirir ki bu -en azından bizim evrenimizde- mümkün değil.

[Bazı döngüsel evren modelleri, karanlık enerjinin olmadığı veya çok zayıf olduğu senaryolarda matematiksel olarak mümkün olsa da, gözlemler evrenimizin hızlanan genişlemesini karanlık enerjiyle açıklamaktadır.]

Oysa etrafımıza bakıyoruz ve parlayan yıldızlar görüyoruz. Galaksiler dönüyor. Gezegenler oluşuyor. Siz bu cümleyi okuyorsunuz. Bunların hepsi, evrenin henüz maksimum entropiye ulaşmadığının kanıtıdır. Ve bu, evrenin sonsuz bir geçmişe sahip olamayacağını gösterir. Bir başlangıcı olması zorunludur.

1854’te Hermann von Helmholtz bu sonucu açıkça dile getirdi: Eğer evren sonlu bir enerji ile başladıysa ve entropi sürekli artıyorsa, o zaman bir başlangıç noktası olmalıdır. Sonsuz geçmişli bir evren, bu yasayla bağdaşmaz. Büyük Patlama teorisinin 20. yüzyılda gözlemsel temellere oturması, bu termodinamik zorunluluğun bir doğrulanmasıdır aynı zamanda.

EVRENİN SONU

Zaman ilerledikçe yıldızlar yaşam döngülerini tamamlayacak, madde ışımaya dönüşecek, karadelikler bile 10¹⁰⁰ yıl içinde Hawking ışımasıyla çok yavaş biçimde buharlaşacak. Tüm enerji farkları silinecek. Evren, hiçbir termodinamik sürecin işlemeyeceği, durağan, maksimum entropili ve “Isıl ölüm” olarak adlandırılan bir dengeye ulaşacak.

Ama bu bilginin garip bir güzelliği de var. Etrafınızdaki her şey, her yıldız, her canlı, her düşünce, henüz bozulmamış bir entropi farkının yarattığı geçici bir yapıdır. Güneş’le derin uzayın soğukluğu arasındaki sıcaklık farkı, fotosentezi, okyanusları, canlı beyinlerini mümkün kılar. Düşünmek bile, termodinamik bir süreçtir. Hepimiz entropinin henüz kapanmamış açığından beslenen kısa ömürlü canlılarız.