6. Maxwell’in Cini

Bilginin önemini en güzel belirten şey, bir düşünce deneyinin kahramanı olan “Maxwell’in Cini” adlı hipotetik yaratıktır (cin adı sonradan eklenmiş, Maxwell’in kast ettiği şey “zeki bir yaratık” sadece). Sene 1867, İskoç fizikçi Maxwell, termodinamiğin ikinci yasasının sorgulanması amacıyla bir düşünce deneyi önerir:

Maxwell, iki bölmenin arasındaki geçişi kontrol eden bir yaratık hayal eder; bu yaratık, hızlı (kırmızı) ve yavaş (mavi) molekülleri saptayarak geçişi engeller ya da geçişe izin verir. Bu resme göre; Maxwell’in Cini soldan sağa geçme meyli olan molekül kırmızıysa kapıyı açar, maviyse kapatır ve de tam tersi.

Sonuçta, geçişi kontrol eden ve sadece moleküllerin hızlı/yavaş olduğuna dair bilgiyi edinerek ikinci yasayı ihlal eden, ikinci yasaya göre mümkün olmayan bir düzenlilik haline yol açan bir cin söz konusu. Bu düşünce deneyi onyıllar boyunca tartışılmış.

Günümüzden bakınca, nesini tartışmışlar diyebiliriz ama dönemin bilim düzeyinde epey ilgi çekmiş olmalı. Hani entropi düşmezdi, nerede kaldı Einstein’ın “Bütün bilimlerin birinci kanunu” dediği, tüm kuramlar sorgulanabilirken sorgulanamayan, meşhur ikinci yasa?

Deneydeki hatayı ilk kez Szilard, 1929’da fark etmiş. Cin, sessiz sakin köşede oturup molekülleri gözleyen biri değil; o moleküllerin hızlarını gözlemek, depolamak, birbiriyle karşılaştırmak ve kapıyı açıp kapatmak kendi kendine olmuyor sonuçta, bütün bunlar hem enerji gerektiren hem entropiyi artıran işlemler. Bu entropi artışı da Maxwell’in Cini varlığında sistemde meydana gelen entropi düşüşünü karşılıyor. *

Brillouin 1956’da Szilard’ı tamamladı: Cinin moleküllerin hızını ölçmek için gönderdiği enerjinin foton biçiminde olduğunu belirtti; cinin ölçtüğü moleküle foton göndermesi entropisini artırıyor.

Ayrıca, cinin bilgiyi alabilmesi için duyu organı lazım, örneğin göz. Cinin gözüne gelen ışık da enerjinin bir parçası. Işık, bir parçacığın üstüne düşmedikçe onun durumunu belirtemez.

Brillouin’ın fikri mantıklı görünüyor ama Bennett, Cin’in bilgi alması için enerji harcanmasının şart olmayabileceğini göstermiş, buna somut örnekler de vermiş.**

Neyse, sonunda Landauer bu düzenekte enerji harcanan yeri keşfetmiş, sonra da Bennett bu bilgiyi kullanarak silme sırasında çevrenin entropisinin arttığını göstermiş ve bu konuda kafa yoranlar rahat bir nefes almış: Cini bir hesaplama makinesi gibi düşündüğümüzde; Cin, her bilgi toplamaya kalktığında hafızasını temizlemesi, silmesi gerekiyor çünkü orada bir önceki ölçümün bilgileri var. İşte bu silme işlemi -mantıksal olarak tersinmez bir işlem olduğu için- enerjisiz yapılamıyormuş.

Maxwell’in Cini, bilim adamlarını on yıllar boyunca epey yormuş, iyi anlatamadığımın da farkındayım, aşağıda verdiğim 2. kaynağım Sadi Turgut’un yazısı -biyolojiyi hesaba katmazsak- çok daha berrak ve okuması keyifli. Pür fizik açısından bile Maxwell’in Cini paradoksunun çözüldüğünü anlatıyor (ancak sonraki yazılarda nehir kenarında yürüyen iki insanın beyninde olanlar açısından bakarken ilk kaynağım daha önemli olacak).

Fizikçiler; idealize edilmiş, yalıtılmış sistemler üzerinde mesleklerini icra ede dursunlar, biyoloji penceresinden bakanlar için termodinamiğin ikinci yasası çok başka yorumlandı sonraki yıllarda. Hatta bu yeni bakışla, Maxwell’in Cini de biyolojide şaşırılan bir yaratık olarak değil pek çok biyolojik sürecin doğal, kendiliğinden bir bileşeni olarak görülebilirdi.

Not: Burada Maxwell’in Cini kavramının ilerde işimize yarayacak bir özelliğini vurgulamak gerek; cin, tek tek moleküllerin bilgisini mikrodüzeyde alırken, sistemin makrodurumunu değiştiriyor aslında; sol tarafın daha soğuk, sağ tarafın daha sıcak olması gibi makro düzeyde -ve gözlenebilen- bir sonuca yol açıyor. Yani cin mikro düzey ile makro düzey arasında bir bağlantı kuruyor ki bunu mikro-makro arası “bilgi aktarımı” olarak niteleyen de var. 

*******

*https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/system/files/biltek_arsiv/S-427-62.pdf

**http://www.physics.metu.edu.tr/~sturgut/pop/bu/MaxwellCin.pdf

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir