8. Dengeden Uzak Sistemlerin Termodinamiği ve Dissipatif Yapılar

Ilya Prigogine, 1917 doğumlu, Nobel ödüllü Rus asıllı bir kimyacı. “Zaman” meselesine ve fizik yasalarının zamanda simetrik oluşuna, geçmiş ve gelecek ayrımı içermemesine takmış kafayı. Fizikte tersinmezlik, tersinmez dinamik süreçler ve bunlardaki zaman oku ilgi alanlarından bir kısmı.

(Halihazırda epey karmaşık olan bu yazı için bir hatırlatma yapmam gerek; Prigogine’in dengeden uzak sistemlerin termodinamiğine yaptığı ve ödül aldığı katkıları genel kabul görmüştür ancak zaman oku ve zamanın tersinmezliği hakkındaki yorumlarına ciddi eleştiriler vardır.)

Termodinamiğin ikinci yasasından bahsederken “kapalı ve yalıtılmış bir sistemde entropi zamanla artar” diyorduk. Yani bu sistemler dışarıyla madde/enerji alışverişi olmayan sistemlerdi. Aslında tamamen kapalı sistem bir idealizasyondur ve etrafımızdaki çoğu sistem hatta evrenin büyük kısmı açık sistemdir. Canlılarsa dışarıdan ışık, gıda, hava, kimyasal maddeler vb. alır ve bunları metabolize ederek, dışarıya da metabolizma atıklarını vererek yaşarlar. Hiç bir canlı kapalı/yalıtılmış sistem değildir, olamaz da. Dünyamız da açık sistemdir, habire güneşten enerji alır dünyamız. Buzdolabı da açık sistemdir; dışarıdan elektrik enerjisi alarak buzdolabı sisteminin içi ortamdan daha soğuk kalır.

Prigogine, açık sistemlerin termodinamiğinin farklı işlediğini görmüştü. Termodinamik ikinci yasada, yüksek enerji farklarından doğan enerji akışlarından ve bu akışların sistemi termodinamik dengeye götürme eğiliminden söz etmiştik. Zamanla tüm sistemler dengeye yani maksimum entropili hale doğru gidiyordu. Canlı sistem üzerinden örnek verirsek; tüm aktiviteler belli bir sıcaklık aralığında gerçekleşir (vücut ısımızın sabit olması gibi). Isı farkları söz konusu değildir. Üstelik enerji dönüşümleri dengeden uzaklaşma yönünde sürebilmektedir. Dengeden uzaklaşma yönünde süren enerji dönüşümleri demek, ikinci yasanın bu sistemler için yeniden yorumlanması gerekiyor demektir çünkü tamamen başka davranan, dışarıyla alışverişi olan, dışarının da hesaba katılmasını gerektiren sistemlerden söz ediyoruz artık.

Doğa bize hem tersinmez hem tersinir süreçleri gösterir, ancak birinciler kuralken, ikinciler istisnadır. Tersinir süreçler her zaman idealizasyonlara denk düşerler. Etrafımıza baktığımızda canlı ve cansız doğada düzenlilik adaları görüyoruz; evrenin her tarafında bozunmaya, dağılmaya direnen, ikinci yasayı çiğniyor görüntüsü veren oluşumlar, canlılar vs. var. Benim için Prigogine’in en önemli tarafı bu düzeni sağlayan termodinamik eğilimleri görebilmiş olmasıdır. Düzenin oluşumunu sağlayan “tersinmezliğin doğadaki yaratıcı gücüne” vurgu yapar. Tersinmez süreçler, zamanda bir simetri bozulması yaparlar ve kalıcı olarak düzen üretimini sağlarlar.*

Tersinmez dinamik süreçler fiziğinde artık termodinamik bir dengeye yönelen sistemlerden söz edilmiyor. Dengeden uzakta işleyen, sistemlerin başka davranışlar gösterdiği bir termodinamik söz konusu. Elbette ki bunun bir bedeli var ve bunu sağlayan sistemler dışardan enerji alarak kendi entropilerini düşük tutan sistemler. E, tabii sistemin içinde entropi azalırken dışında entropi artıyor yoksa dünyanın en hürmet edilen yasası olan, aksi gösterilememiş termodinamiğin ikinci yasasının -klasik haline- aykırı olurdu. Bu, evini temiz tutmak için sokağa kilim silkeleyen birinin davranışına benzetilebilir; ev temiz, düzenli kalır ama sokağın, mahellenin pisliği, düzensizliği artar.

Dengeden uzakta termodinamiğin burda kısaca anlatmayı beceremeyeceğim bazı özellikleri var, detayları Prigogine’nin aşağıda adını verdiğim kitabında bulunabilir. Kitaptan çıkarımlarım şöyle:

İzole sistemler zamanla dengeye varır ama açık sistemler (canlılar dahil evrenin büyük kısmı) ısıl dengeden kaçınırlar ve dengeden uzakta varlıklarını sürdürürler (termodinamik açıdan dengede olan organizma ölüdür zaten). Bu sırada varlıkları etraftan enerji emmek suretiyle devam eder. Bu dengeden kaçınma, organizma içinde bir seyir izler. yeter ki dışardan bir şeyler girsin; madde, enerji…

Bu noktada madde ve ona etkiyen kuvvetlerin çeşitli termodinamik koşullarda durununa bir göz atalım:

Termodinamik reaksiyonlar:

1. Dengede reaksiyonlar

2. Dengeye yakın bölgede olan reaksiyonlar

3. Dengeden uzak reaksiyonlar, olarak üç farklı şekilde cereyan eder. Bu üç farklı durumda maddenin davranışı da farklı oluyor ve bu farklı davranış doğada gördüğümüz düzenliliği açıklar.

1. durumda, yani denge halinde akışlar ve kuvvetler sıfırdır. Gravitasyon (kütle çekimi), elektromanyetik kuvvetler sistemi etkilemez. Dengedeki maddenin pek bir numarası, “sıradışı” özelliği yoktur, bunu “dengedeki madde kördür” diye tarif eder Prigogine. Dengedeki madde işbirliği yapmaz, birlikte hareket etmez “uzun menzilli korelasyonlar” göstermez.

2. durumda reaksiyonların akış hızı kuvvetlerin doğrudan fonksiyonlarıdır. Sistem dengeden biraz uzaklaşıp tekrar dengeye girer.

3. durumda reaksiyon hızları, kuvvetlerin daha karmaşık fonksiyonlarıdır ve nonlineer (doğrusal olmayan) bir bölgedir burası. Sistem dengeden uzak tutulur ve dengeden belli bir miktar uzak kalması için sisteme belirli gradientler uygulanır.

Dengeden uzaklaştıkça maddenin yapısı değişik eğilimler göstermeye başlıyor. Burdan sonrası şenlik: Dengeden, tam dengede olmayana geçiş noktasında “uzun menzilli korelasyonlar” denen bir “şey” açığa çıkar ve bu noktadan itibaren sistem bir bütün gibi davranır (bütün halinde davranma, dengeden gittikçe uzaklaşan sistemin tekrar dengeye geri dönmek için verdiği bir tepkidir. Bu tepki ne kadar tuhaf göründe de sistemin dinamiğinin bir sonucudur). Uzun menzilli korelasyonlar dengeden uzaklaştıkça büyür, artar. Olay daha da karmaşıklaşmadan örneklendireyim:

Binlerce insanın bedenleriyle yaptığı Atatürk portresi. Bu portrenin çok daha büyüğünü düşünün. Öyle ki her bir kişinin bağırarak sesini duyurabileceği, herhangi bir şekilde iletişim kurabileceği mesafelerden daha büyük. Zeminde de bir işaret yok. Yine de hepsi aynı anda bir bütün gibi davranarak portreyi yapıveriyorlar. İşte böyle tuhaf ve imkansız görünen bir davranışları olsaydı buna “uzun menzilli korelasyonlar” diyecektik.

Atatürk portresi benzetmesinin dengeden uzakta kimyasal kinetikle tepkime gösteren bir sistemdeki halini şöyle tarif ederiz: Bu sistemlerin zaman-mekan yapıları arasında beklenmedik bir ilişki ortaya çıkar: Sistemi oluşturan moleküllerde kısa erimli etkileşimlerin (Hidrojen bağları, Van Der Walls bağları gibi) yanısıra; kinetik denklemlerin çözümleri bir yandan da global, uzun erimli süreçsel ilişkilere bağımlıdırlar. Termodinamik denge yakınlarında pek de önemli olmayan bu bağımlılık ilişkisi, dengeye büyük uzaklıklardaki kimyasal sistemlerde tayin edici bir önem kazanmaya başlar. Somut örnek verirsek:

Benard Hücreleri: Bu sisteme ısı verdiğimizde bir süre sonra düzenli desenler ortaya çıkıyor kendiliğinden. Bu desenler makroskopik ölçektedir yani onu oluşturan moleküllerin arasındaki 0.00000001cm ölçeğindeki mesafelerde değil, cm ile ölçülen desenlerdir bunlar. Aynı şekilde desenlerin zaman ölçekleri de moleküllerin 0.000000000000000001 saniyelik titreşim periyotları ile değil; saniyeler, dakikalarla ölçülür. Yani moleküller kendi menzillerini aşıp “birbirinden haberliymiş gibi” davranarak makro ölçekte bir desen, düzenlilik segiliyorlar.

Bazı kimyasal reaksiyonlar salınım yaptığı için onlara “kimyasal saatler” de deniyor. Bu sıvı, mavi ve sarı arasında salınıyor (bu yazı için biraz uzun bir video ama rengi aşikar diye seçtim). Parça ve bütün arasındaki ilişki burada da geçerli, uzun menzilli korelasyonlar; aşağıda mikro seviyede neler olduğunu bilmediğimiz halde makro ölçeğin bir niteliği olan “renk”te salınım söz konusu. Parça ile bütün arasındaki bu bağlantıyı, bir tür bilgi aktarımı olarak görenler de var. Bizi ilgilendiren tarafı ise, dengeden uzakta gerçekleşen bu tür bir iletişimin biyolojik sistemlerde neredeyse kural olmasıdır.

Sistem dengeden uzaklaştıkça bu uzun menzilli korelasyonlar belirmeye başlıyor ve dengeden en uzak olduğu noktada -bir eşiği aşınca- dönüm noktasına geliyor; bir sapak, yol ayrımı, çatallanma noktası. Uzun menzilli korelasyonlar çatallanma noktasında maksimum olur, sistem bütün davranışı gösterir.

Peki bundan sonra ne olacak? Sistem sapak noktasından önce kararsızlık** gösterir (olasılıklar arasında dalgalanır). Bu noktada -dengeden en uzakta- dış kuvvetlerin (gravitasyon, elektromanyetik alan ) sisteme etkisi büyüktür. Çatallanma noktasında salınan sistem bir sıçrama gösterir ve sapaktan belli bir yola doğru gider. Hangi yöne gideceği sistemin geçmişine ve o anki dış koşullara bağlıdır, önceden kestirilemez. Artık daha organize, daha düzenli bir yapı olarak devam eder varlığına. Entropisi düşmüş, bilgi içeriği ise artmıştır. Çatallanma noktasındaki sıçrama bir simetri kırılması*** yaratır, zamanın oku vardır burada, geri dönüşsüz bir noktadır. Ha, bu arada; denge yeniden sağlanmıştır! Benzer sürecin bir sonraki tekrarına dek.

Doğanın bu özelliği, kendini örgütleyen sistemler (otoorganizasyon), patern oluşumu gibi kavramlarla çok yakından ilişkilidir. Kendini örgütleyen sistemler, temelinde bilgisel yapılardır. Bir kristalin oluşumu, hortumlar, girdaplar, lazerler, salınım gösteren kimyasal sıvılar, canlı tüm yapılar ve beyin böyledir.

Dissipatif Yapılar: Prigogine’in adını verdiği bu yapıların adlandırması benim için hep bir kafa karışıklığı olmuştur. Dissipation; yayma, dağıtma, giderme, enerji yitimi gibi farklı sözcükleri karşılıyor Türkçede. Farklı kaynaklarda farklı çeviriler gördüm. “Törpüleyici yapılar”, “dağıtıcı yapılar”, “dağılıcı yapılar”, “enerji tüketen yapılar”, “yitirgen yapılar” aklımda kalanlar. En kolayı bu yapıların nasıl davrandığını, ne yapıyor olduğunu iyice anlayıp adlandırmaya takılmamak. Özünde kendini örgütleyen sistemlerdir aslında.

Prigonine’nin Dissipatif Yapılar kavramı. Dikey eksen düzenliliğin, organizasyonun ölçüsünü, yatay eksen ise zamanı gösteriyor. Yıldızlar, sapak noktalarında ortaya yeni özellikler çıkışını simgeliyor.

Dissipatif yapılar enerji tüketerek iç organizasyonlarını koruyan yapılardır. Burada anahtar sözcükler; nonlineerlik (doğrusal olmama), kararsızlık ve dalgalanmalardır. Etraflarındaki, evrendeki toplam entropiyi artırmak pahasına kendi entropilerini düşük tutarlar. Pasif sistemlerde sadece çeken/iten kuvvetlerin etkili olduğu duruma karşılık, dissipatif yapılarda kendini organize etme durumu vardır; pasif değil, çevreyle kütle ve enerji alışverişi yaparken bu sistemleri bizzat düzenleyebilen fiziksel-kimyasal tepki sistemleridir. Dissipatif yapı kavramı “açık sistem”in ötesindedir. Çünkü içinde yeni düzen ve yapıların ortaya çıkabildiği kararsızlık noktaları düşüncesini de barındırır.

Dissipatif yapılara törpüleyici yapılar denmesinin nedeni üzerlerine düşen enerji gradientlerini törpüleyerek azaltmalarıdır; güneşten dünyamıza sürekli enerji akışı oluyor, bu yüksek enerjinin bir kısmını emerek kendi varlığını daha organize hale getiren yapılar bunlar. Yaşamın başlangıcı için gereken itici gücün temeli olarak da görülüyor bu özellik.

Buraya kadar sabırla okuduysanız teşekkürler; kaos teorisi, sibernetik, sinerjetik, sistem teorisi, köleleştirme, simetri kırılması, morfogenez, patern oluşumu, dengede olmayan sistemlerin termodinamiği, kendini örgütleyen sistemler (otoorganizasyon), Maxwell’in Cini, salınım gösteren sistemler, faz geçişi, canlılarda bilgi üretimi fiziği vb. pek çok kavramın bir parçası olduğu bu geniş konuyu ele almak zorunda olmamın nedeni beynin de tam böyle, kendini örgütleyen bir sistem oluşudur.

İşin en ilginç tarafı, klasik ikinci yasa ne kadar gerçekse bu yeni yorumlanmış hali de o kadar gerçek; doğanın, maddenin asal bir özelliği. Kütleçekimi gibi, elektromanyetik kuvvetler, nükleer kuvvetler gibi maddenin -belirli koşullarda- kendini organize etme eğilimini sağlayan bir “şey”olduğu aşikar. Yaşamın ve insan beyninin gelişiminin itici gücü de olan bu eğilimi sağlayan “şey” ne olabilir?

*******

*Tersinmez süreçler termodinamiğinin temellerini atan ilk kişi aslında Lars Onsager’dir. “Karşılıklı ilişkiler” adıyla termodinamiğin 4. kanunu olarak da bahsi geçer ancak tam oturmamıştır henüz. Onsager’in karşılıklı ilişkileri; denge halinde olmayan, fakat lokal dengenin bulunduğu termodinamik sistemlerdeki akışkanlar ve kuvvetler arasındaki bazı oranların eşdeğerliğini tanımlar.

**Kararsızlık, kendiliğinden örgütlenme fiziğinin kavramlarından biri. Bir saatin sarkacının salınması kararlıdır, onu ittirsek, dürtsek de bir süre farklı salınır, sonra eski salınımına döner. Küçük bir etki yapınca küçük bir sonuca neden oluruz. Ancak bu sarkacın ucuna bir kalem bağlarsak, kalemin ucuna çok minik bir dokunuş bile orantısız olarak büyük bir farka neden olur bu kararsız bir sistemdir; sonuçtaki çıktı, kalem ucuna olan dokunmamızdaki çok küçük farklılıklara bile aşırı hassastır.

***Simetri kırılmasını ben yıllarca ters algıladığım için yanlış anladım. Bana hep simetrik olan şey daha düzenli, asimetrik olandan daha kompleks bir yapı gibi gelirdi ama öyle değilmiş; simetri bir tür özdeşliktir, simetri kırılması ise şeylerin birbirinden farklı olduğu bir duruma işaret eder. Simetrik olan bir yapıda daha az özgün nitelik, daha az bilgi içeriği vardır. Simetri kırılması daha düzenli, daha organize yapılara doğru bir sıçrama olarak görülebilir; kritik bir noktadan geçmekte olan bir sistemde rol oynayan sonsuz küçüklükteki dalgalanmaların, kritik noktada beliren çatallanmanın hangi kolunun aktif olacağına etki ederek sistemin kaderini belirlemesi fenomenidir.

Kararsızlık, hem zamansal, hem mekansal simetriyi kırar. Simetri kırılması morfogenezden (şekil oluşumundan) sorumludur. Bu konuda çok daha görsel içerikli olan bir başka yazıya göz atılabilir; en azından ben, yıllarca anlamadığım simetri kırılmasını o yazıyı hazırlarken anlamıştım:
http://drozlemyalcin.com/blog/category/tip-disi-yazilar/yeryuzu-insan-yuzu-tip-disi-yazilar/

Kaynak Kitap: Ilya Prigogine; Kesinliklerin Sonu

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir