Fizikçiler Düzensizliğe Yol Açan Temel Yasayı Yeniden Yazıyor

Termodinamiğin ikinci yasası, tüm bilimde en kutsal yasalardan biridir, ancak her zaman olasılık hakkındaki 19. yüzyıl argümanlarına dayanmıştır. Yeni argümanlar, gerçek kaynağını kuantum bilgi akışlarına kadar takip ediyor.

Tüm fizik yasalarında, muhtemelen termodinamiğin ikinci yasasından daha kutsal bir ilke yoktur- düzensizliğin bir ölçüsü olan entropinin her zaman aynı kalacağı veya artacağı fikri. İngiliz astrofizikçi Arthur Eddington, 1928 tarihli The Nature of the Physical World (Fiziksel Dünyanın Doğası) kitabında, “Birisi size evcil hayvan evren teorinizin Maxwell denklemleriyle uyuşmadığını söylerse- o zaman Maxwell’in denklemleri için çok daha kötü. Gözlemle çeliştiği tespit edilirse- ki bu deneyciler bazen beceriksiz şeyler yaparlar. Ama teoriniz termodinamiğin ikinci yasasına aykırı bulunursa size umut veremem; derin bir aşağılanma içinde yıkılmaktan başka çare yoktur” diye yazdı.

Bu yasanın hiçbir ihlali gözlemlenmemiştir ve beklenmemektedir.

Ancak ikinci yasayla ilgili bir şey fizikçileri rahatsız ediyor. Bazıları onu doğru anladığımıza veya temellerinin sağlam olduğuna ikna olmadılar. Her ne kadar bir yasa olarak adlandırılsa da, genellikle yalnızca olasılıksal olarak kabul edilir: Herhangi bir sürecin sonucunun en olası sonuç olacağını şart koşar (bu, ilişkili sayılar göz önüne alındığında sonucun kaçınılmaz olduğu anlamına gelir).

Yine de fizikçiler sadece olasılıkla ne olacağının açıklamasını istemiyorlar. Oxford Üniversitesi’nden fizikçi Chiara Marletto, “Fizik yasalarının kesin olmasını seviyoruz” dedi. İkinci yasa, yalnızca bir olasılık ifadesinden daha fazlasına sıkıştırılabilir mi?

Bir miktar bağımsız grup tam da bunu yapmış görünüyor. İkinci yasayı kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden örmüş olabilirler- ki bazı şüpheliler, içlerinde en derin düzeyde yerleşik bir yönlülük ve tersinmezliğe sahiptir. Bu görüşe göre, ikinci yasa klasik olasılıklardan dolayı değil, dolanıklık gibi kuantum etkileri nedeniyle ortaya çıkar. Kuantum sistemlerinin bilgiyi paylaşma yollarından ve neyin olmasına izin verilip neyin olmayacağına karar veren temel kuantum ilkelerinden doğar. Bu anlatımda, entropideki artış, değişimin yalnızca en olası sonucu değildir. Bu, bildiğimiz en temel kaynağın, kuantum bilgi kaynağının mantıksal bir sonucudur.

Kuantum Kaçınılmazlığı

Termodinamik, 19. yüzyılın başlarında, ısı akışını ve iş üretimini tanımlamak için tasarlandı. Buhar gücü Sanayi Devrimini tetikledikçe ve mühendisler cihazlarını mümkün olduğunca verimli hale getirmek istedikçe, böyle bir teoriye duyulan ihtiyaç acilen hissedildi.

Sonunda, termodinamik daha iyi motorlar ve makineler üretmede çok yardımcı olamadı. Bunun yerine, modern fiziğin temel direklerinden biri haline geldi ve tüm değişim süreçlerini yöneten kriterleri sağladı.

Klasik termodinamiğin yalnızca bir avuç kanunu vardır ve bunların en temelleri birinci ve ikincisidir. Birincisi, enerjinin her zaman korunduğunu söylüyor; ikinci yasa, ısının her zaman sıcaktan soğuğa doğru aktığını söyler. Daha yaygın olarak bu, herhangi bir değişim sürecinde genel olarak artması gereken entropi cinsinden ifade edilir. Entropi, düzensizlikle gevşek bir şekilde eşittir, ancak Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann, bir sistemin sahip olduğu toplam mikro durum sayısıyla ilgili “parçacıklarının kaç eşdeğer şekilde düzenlenebileceği” bir miktar olarak daha kesin bir şekilde formüle etti.

İkinci yasa, değişimin neden ilk aşamada olduğunu gösteriyor gibi görünüyor. Bireysel parçacıklar düzeyinde, klasik hareket yasaları zamanla tersine çevrilebilir. Ancak ikinci yasa, değişimin entropiyi artıracak şekilde gerçekleşmesi gerektiğini ima eder. Bu yönlülüğün bir zaman oku dayattığı yaygın olarak kabul edilir. Bu görüşe göre, zaman geçmişten geleceğe akıyor gibi görünüyor çünkü evren -tamamen anlaşılmayan veya üzerinde anlaşmaya varılamayan nedenlerle- düşük entropi durumunda başladı ve her zamankinden daha yüksek entropilerden birine doğru ilerliyor. Bunun anlamı, sonunda ısının tamamen eşit bir şekilde yayılacağı ve daha fazla değişim için itici bir güç olmayacağıdır- 19. yüzyılın ortalarındaki bilim adamlarının evrenin ısı ölümü olarak adlandırdıkları iç karartıcı bir olasılık.

Boltzmann’ın mikroskobik entropi tanımı, bu yönlülüğü açıklıyor gibi görünüyor. Daha düzensiz ve daha yüksek entropiye sahip çok parçacıklı sistemler, düzenli, düşük entropi durumlarından çok daha fazladır, bu nedenle moleküler etkileşimlerin onları üretmesi çok daha olasıdır. O zaman ikinci yasa sadece istatistiklerle ilgili gibi görünüyor: Bu, büyük sayılar yasasıdır. Bu görüşe göre, entropinin azalmaması için temel bir neden yoktur- örneğin, odanızdaki tüm hava moleküllerinin neden tesadüfen bir köşede toplanamaması. Bu çok düşük bir ihtimal.

Yine de bu olasılıksal istatistiksel fizik, bazı soruları askıda bırakıyor. Bizi bir dizi olası durum içindeki en olası mikro durumlara yönlendirir ve bizi bu toplulukta ortalamalar almakla yetinmeye zorlar. Ancak klasik fizik yasaları deterministtir- herhangi bir başlangıç noktası için yalnızca tek bir sonuca izin verirler. Eğer tek bir sonuç mümkünse, bu varsayımsal devletler topluluğu resmin neresine girebilir?

Oxford’da fizikçi olan David Deutsch, birkaç yıldır (kendi deyimiyle) “olasılık ve rastgeleliğin fiziksel süreçlerden tamamen yoksun olduğu bir dünya” teorisi geliştirerek bu ikilemden kaçınmaya çalışıyor.

Marletto’nun şu anda üzerinde işbirliği yaptığı projesine yapıcı teorisi deniyor. Sadece hangi süreçlerin gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini değil, hangilerinin mümkün olduğunu ve hangilerinin doğrudan yasak olduğunu belirlemeyi amaçlar.

Yapıcı teori, tüm fiziği olası ve imkânsız dönüşümlerle ilgili açıklamalar cinsinden ifade etmeyi amaçlar. Dünyadaki değişimi döngüsel bir şekilde çalışan “makineler” (yapıcılar) tarafından üretilen bir şey olarak gördüğü için,19. yüzyılda motorların nasıl çalıştığını açıklamak için önerilen ünlü Carnot döngüsüne benzer bir modeli takip ederek, termodinamiğin kendisinin başladığı yolu yansıtır,
Yapıcı daha çok bir katalizör gibidir, bir süreci kolaylaştırır ve sonunda orijinal durumuna geri döner.

Marletto, “Tuğladan bir ev inşa etmek gibi bir dönüşümünüz olduğunu varsayalım. Farklı doğruluklarda bunu başarabilen bir dizi farklı makine düşünebilirsiniz. Tüm bu makineler, bir döngü içinde çalışan yapım araçlarıdır. Ev inşa edildiğinde orijinal durumlarına geri dönerler” dedi.

Ancak, belirli bir görevi yürütmek için bir makinenin mevcut olması, görevi bozabileceği anlamına da gelmez. Bir ev inşa etmek için kullanılan bir makine, onu sökme yeteneğine sahip olmayabilir.
Bu, yapıcının işleyişini, tuğlaların hareketlerini tanımlayan ve tersine çevrilebilir olan dinamik hareket yasalarının işleyişinden farklı kılar.

Marletto, “tersine çevrilemezlik nedeninin, çoğu karmaşık görev için bir yapıcının belirli bir ortama göre ayarlanması olduğunu” söyledi. Bu görevi tamamlamakla ilgili çevreden bazı özel bilgiler gerektirir. Ancak ters görev farklı bir ortamla başlayacak, bu nedenle aynı yapıcı kesinlikle çalışmayacaktır. “Makine, üzerinde çalıştığı ortama özeldir” dedi.

Son zamanlarda, Oxford’daki kuantum teorisyeni Vlatko Vedral ve İtalya’daki meslektaşları ile birlikte çalışan Marletto, yapıcı teorisinin bu anlamda geri döndürülemez süreçleri tanımladığını gösterdi- her şey, kendileri mükemmel bir şekilde tersine çevrilebilir olan kuantum mekanik yasalarına göre gerçekleşse bile. “Bir yön için yapıcı bulabileceğiniz, diğeri için bir yapıcı bulabileceğiniz bazı dönüşümler olduğunu gösteriyoruz” dedi.

Araştırmacılar, iki durumdan birinde veya her ikisinin bir kombinasyonunda veya süperpozisyonunda var olabilen kuantum bitlerinin (kübitler) durumlarını içeren bir dönüşüm düşündüler. Modellerinde, tek bir kübit B, diğer kübitlerle her seferinde bir kübit geçerek hareket ederek diğer kübitlerle etkileşime girdiğinde, başlangıçtaki, mükemmel olarak bilinen bir B1 durumundan bir B2 hedef durumuna dönüştürülebilir. Bu etkileşim kübitleri karıştırır: Özellikleri birbirine bağımlı hale gelir, böylece diğerlerine de bakmadan kübitlerden birini tam olarak tanımlayamazsınız.

Marletto, sıradaki kübitlerin sayısı çok arttıkça, B’yi B2 durumuna istediğiniz kadar doğru bir şekilde getirmenin mümkün olduğunu söyledi. B’nin kübitler dizisiyle sıralı etkileşimleri süreci, B1’i B2’ye dönüştüren yapıcı benzeri bir makine oluşturur. Prensip olarak, B2’yi tekrar B1’e çevirerek, B’yi satır boyunca geri göndererek işlemi geri alabilirsiniz.

Peki ya dönüşümü bir kez yaptıktan sonra, aynı süreç için kübit dizisini yeni bir B ile yeniden kullanmaya çalışırsanız? Marletto ve meslektaşları, sıradaki kübit sayısı çok büyük değilse ve aynı sırayı tekrar tekrar kullanırsanız, dizinin B1’den B2’ye dönüşümü üretme yeteneğinin giderek azaldığını gösterdi. Ancak en önemlisi, teori aynı zamanda satırın B2’den B1’e ters dönüşümü yapmak için daha az yetenekli hale geldiğini de tahmin ediyor. Araştırmacılar, B için fotonları ve üç kübitlik bir sırayı simüle etmek için bir fiber optik devreyi kullanarak bu tahmini deneysel olarak doğruladılar.

Marletto, “Yapıcıyı bir yönde keyfi olarak iyi tahmin edebilirsiniz, diğerinde değil” dedi. Dönüşümde, tıpkı ikinci yasanın dayattığı gibi bir asimetri var. Bunun nedeni, dönüşümün sistemi sözde saf kuantum durumundan (B1) karışık bir duruma (sırayla dolaşmış B2) almasıdır. Saf bir durum, kendisi hakkında bilinmesi gereken her şeyi bildiğimiz bir durumdur. Ancak iki nesne birbirine dolandığında, diğeri hakkında da her şeyi bilmeden birini tam olarak belirleyemezsiniz. Gerçek şu ki, saf bir kuantum durumundan karma bir duruma geçmek, tersinden daha kolaydır- çünkü saf haldeki bilgi dolanıklık yoluyla yayılır ve kurtarılması zordur. Bu, suda dağıldıktan sonra bir damla mürekkebi yeniden oluşturmaya çalışmakla karşılaştırılabilir; bu, ikinci yasa tarafından tersine çevrilemezliğin dayatıldığı bir süreçtir.

Dolayısıyla burada tersine çevrilemezlik , “sadece sistemin dinamik olarak gelişme biçiminin bir sonucu” dedi Marletto. Bunun istatistiksel bir yönü yok. Tersine çevrilemezlik sadece en olası sonuç değil, bileşenlerin kuantum etkileşimleri tarafından yönetilen kaçınılmaz olandır. Marletto, “Bizim varsayımımız, termodinamik tersine çevrilemezlik bundan kaynaklanabileceğidir” dedi.

Makinedeki Cin

Yine de ikinci yasa hakkında düşünmenin başka bir yolu daha var, ilk olarak Boltzmann ile birlikte termodinamiğin istatistiksel görüşüne öncülük eden İskoç bilim adamı James Clerk Maxwell tarafından tasarlandı. Maxwell, tam olarak farkına varmadan, termodinamik yasayı enformasyona bağladı.

Maxwell, kozmik bir ısı ölümünün ve özgür iradeyi baltalıyor gibi görünen amansız bir değişim kuralının teolojik sonuçlarından rahatsızdı. Böylece 1867’de ikinci yasada “bir delik açmanın” bir yolunu aradı. Varsayımsal senaryosunda, mikroskobik bir varlık (daha sonra, onun canını sıkacak şekilde, cin olarak adlandırılır) “işe yaramaz” ısıyı iş yapmak için bir kaynağa dönüştürür. Maxwell daha önce termal dengedeki bir gazda moleküler enerjilerin bir dağılımı olduğunu göstermişti. Bazı moleküller diğerlerinden “daha sıcaktır”- daha hızlı hareket ederler ve daha fazla enerjiye sahiptirler. Ama hepsi rastgele karıştırıldı, bu yüzden bu farklılıklardan yararlanmanın bir yolu yok gibi görünüyor.

Maxwell’in cinini gir. Gaz bölmesini ikiye böler ve aralarına sürtünmesiz bir kapak yerleştirir. Cin, bölmeler arasında hareket eden sıcak moleküllerin tuzak kapısından bir yönde geçmesine izin verirken, diğer yönde izin vermez. Sonunda cinin bir tarafında sıcak gaz, diğer tarafında daha soğuk gaz bulunur ve bir makineyi sürmek için sıcaklık gradyanından yararlanabilir.

Cin, görünüşe göre ikinci yasayı baltalamak için moleküllerin hareketleri hakkındaki bilgileri kullandı. Dolayısıyla bilgi, tıpkı bir varil petrol gibi iş yapmak için kullanılabilecek bir kaynaktır. Ancak bu bilgi makroskopik ölçekte bizden gizlendiği için onu kullanamayız. Klasik termodinamiği ortalamalardan ve topluluklardan bahsetmeye zorlayan şey, mikro hallerin bu bilgisizliğidir.

Neredeyse bir yüzyıl sonra, fizikçiler Maxwell’in cininin uzun vadede ikinci yasayı bozmadığını kanıtladılar, çünkü topladığı bilgiler bir yerde saklanmalı ve daha fazlasına yer açmak için herhangi bir sınırlı hafıza sonunda silinmelidir. 1961’de fizikçi Rolf Landauer, bu bilgi silme işleminin, minimum miktarda ısı dağıtmadan ve böylece çevrenin entropisini yükseltmeden asla gerçekleştirilemeyeceğini gösterdi. Yani ikinci yasa sadece ertelenir, bozulmaz.

İkinci yasaya ilişkin bilgisel bakış açısı şimdi bir kuantum problemi olarak yeniden şekilleniyor. Bu kısmen kuantum mekaniğinin daha temel bir tanım olduğu algısından kaynaklanıyor- Maxwell’in cini gaz parçacıklarını esasen klasik bilardo topları olarak ele alıyor. Ama aynı zamanda kuantum bilgi teorisinin kendisine olan artan ilgiyi de yansıtıyor. Klasik olarak yapamadığımız şeyleri kuantum ilkelerini kullanarak bilgi ile yapabiliriz. Özellikle parçacıkların birbirine dolanması, onlar hakkındaki bilgilerin etrafa yayılmasını ve klasik olmayan yollarla manipüle edilmesini sağlar.

En önemlisi, kuantum bilgi yaklaşımı, birçok farklı mikro durum toplulukları üzerinden ortalamalar almanız gereken termodinamiğin klasik görüşünü alt üst eden zahmetli istatistiksel tablodan kurtulmanın bir yolunu önerir. Calgary Üniversitesi’nden Carlo Maria Scandolo, “Kuantum bilgisiyle ilgili gerçek yenilik, toplulukların çevreyle dolanıklıkla yer değiştirebileceği anlayışıyla” dedi.

Bir topluluğa başvurmanın, durum hakkında yalnızca kısmi bilgiye sahip olduğumuz gerçeğini yansıttığını söyledi- bu, farklı olasılıklara sahip şu veya bu mikro durum olabilir ve bu nedenle bir olasılık dağılımı üzerinden ortalama almamız gerekir. Ancak kuantum teorisi, dolanıklık yoluyla kısmi bilgi durumları üretmenin başka bir yolunu sunar.

Bir kuantum sistemi, hakkında her şeyi bilemeyeceğimiz çevresiyle dolandığında, sistemin kendisiyle ilgili bazı bilgiler kaçınılmaz olarak kaybolur: Sonunda, sadece sisteme odaklanarak prensipte bile onun hakkında her şeyi bilemeyeceğiniz karma bir duruma gelir.

O zaman, sistem hakkında bilmediğiniz şeyler olduğu için değil, bu bilgilerin bir kısmı temelde bilinemez olduğu için olasılıklar açısından konuşmak zorunda kalırsınız. Bu yolla, Scandolo, “Olasılıklar, karışıklıktan doğal olarak doğar. Çevrenin rolünü göz önünde bulundurarak termodinamik davranış elde etme fikri, yalnızca dolanıklık olduğu sürece işe yarar” dedi.

Bu fikirler artık kesinlik kazanmıştır. Hong Kong Üniversitesi’nden Giulio Chiribella ile birlikte çalışan Scandolo, “mantıklı bir termodinamik” elde etmek için gerekli olan kuantum bilgisi hakkında dört aksiyom önerdi- yani olasılıklara dayalı olmayan bir aksiyom. Aksiyomlar, çevresiyle dolanan bir kuantum sistemindeki bilgi üzerindeki kısıtlamaları tanımlar. Özellikle, sisteme ve çevreye olan her şey, tıpkı bir kuantum sisteminin zaman içinde nasıl geliştiğinin standart matematiksel formülasyonunda ima edildiği gibi, prensipte tersine çevrilebilir.

Bu aksiyomların bir sonucu olarak, Scandolo ve Chiribella’nın gösterdiğine göre, ilişkisiz sistemler her zaman tersine çevrilebilir etkileşimler yoluyla daha fazla bağıntılı büyür. Korelasyonlar, dolanık nesneleri birbirine bağlayan şeydir: Birinin özellikleri, diğerinin özellikleriyle ilişkilidir. Entropi ile ilgili bir miktar olan “ortak bilgi” ile ölçülürler. Dolayısıyla, korelasyonların nasıl değişebileceğine dair bir kısıtlama, aynı zamanda entropi üzerinde bir kısıtlamadır. Sistemin entropisi azalırsa, ortamın entropisi artmalıdır, öyle ki iki entropinin toplamı yalnızca artabilir veya aynı kalabilir, ancak asla azalmayabilir. Bu şekilde, Scandolo, yaklaşımlarının, entropinin varlığını, başlangıçta varsaymak yerine, temeldeki aksiyomlardan türediğini söyledi.

Termodinamiği Yeniden Tanımlamak

Termodinamiğin bu yeni kuantum versiyonunu anlamanın çok yönlü yollarından biri, yine hangi dönüşümlerin mümkün olduğu ve hangilerinin mümkün olmadığı hakkında konuşan kaynak teorilerini çağırır. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden fizikçi Nicole Yunger Halpern, “Kaynak teorisi, gerçekleştirebileceğiniz eylemlerin ve erişebileceğiniz sistemlerin herhangi bir nedenle kısıtlandığı herhangi bir durum için basit bir modeldir” dedi. (Scandolo, çalışmalarına kaynak teorilerini de dahil etmiştir.)

Kuantum kaynak teorileri, fiziksel süreçlerin mümkün olduğu temel sınırlamaların olduğu kuantum bilgi teorisi tarafından önerilen fiziksel dünyanın resmini benimser. Kuantum bilgi teorisinde bu sınırlamalar tipik olarak “yapılamaz teoremler” olarak ifade edilir: “Bunu yapamazsınız!” Örneğin, bilinmeyen bir kuantum durumunun bir kopyasını çıkarmak temel olarak imkansızdır. Bir fikir olarak Kuantum klonlanamaz.

Kaynak teorilerinin birkaç ana bileşeni vardır. İzin verilen işlemlere serbest işlemler denir. Yunger Halpern, “Serbest işlemleri belirledikten sonra, teoriyi tanımladınız- ve ardından hangi dönüşümlerin mümkün olup olmadığı hakkında akıl yürütmeye başlayabilir ve bu görevleri gerçekleştirebileceğiniz en uygun verimliliğin ne olduğunu sorabilirsiniz” dedi. Bu arada bir kaynak, bir aracının yararlı bir şey yapmak için erişebileceği bir şeydir- bir fırını yakmak ve bir buhar makinesini çalıştırmak için bir kömür yığını olabilir. Veya bir Maxwell’in cininin ikinci yasayı biraz daha uzun süre altüst etmesine izin verecek ekstra bellek olabilir.

Kuantum kaynak teorileri, klasik ikinci yasanın ince ayrıntılarına bir tür yakınlaşmaya izin verir. Çok sayıda parçacık hakkında düşünmemize gerek yok; bunlardan sadece birkaçı arasında neye izin verildiğine dair açıklamalar yapabiliriz. Yunger Halpern, “Bunu yaptığımızda, klasik ikinci yasanın (son entropi, ilk entropiye eşit veya ondan büyük olmalıdır), tüm bir eşitsizlik ilişkileri ailesinin bir tür kaba taneli toplamı olduğu açıkça ortaya çıkıyor” dedi. Örneğin, klasik olarak ikinci yasa, dengesiz bir durumu termal dengeye daha yakın bir duruma dönüştürebileceğinizi söyler. Ancak Yunger Halpern, “Bu eyaletlerden hangisinin termale daha yakın olduğunu sormak basit bir soru değil. Buna cevap vermek için bir sürü eşitsizliği kontrol etmeliyiz” dedi.

Başka bir deyişle, kaynak teorilerinde bir sürü mini saniye yasası var gibi görünüyor. Yunger Halpern, “Yani geleneksel ikinci yasanın izin verdiği ancak bu daha ayrıntılı eşitsizlikler ailesi tarafından yasaklanan bazı dönüşümler olabilir” dedi. Bu nedenle, “bazen [bu alandaki] herkesin kendi ikinci yasasına sahip olduğunu hissediyorum” diye ekliyor.

Viyana Üniversitesi’nden fizikçi Markus Müller, kaynak teorisi yaklaşımının “termodinamik yasaların ve daha fazlasının kavramsal veya matematiksel gevşek uçları olmaksızın tamamen matematiksel olarak kesin bir türevini kabul ettiğini” söyledi. Bu yaklaşımın “termodinamik ile gerçekte ne demek istediğinin yeniden değerlendirilmesini” içerdiğini, — hareketli parçacıklardan oluşan büyük toplulukların ortalama özellikleriyle ilgili değildir, ancak bir ajanın mevcut kaynaklarla verimli bir şekilde bir görevi yerine getirmek için doğaya karşı oynadığı bir oyun hakkında olduğunu söyledi. Sonunda, yine de bilgiyle ilgili. Yunger Halpern, bilginin atılması veya takip edilememesinin gerçekten ikinci yasanın geçerli olmasının nedeni olduğunu söyledi.

Hilbert’in Problemi

Termodinamiği ve ikinci yasayı yeniden inşa etmeye yönelik tüm bu çabalar, Alman matematikçi David Hilbert tarafından ortaya konan bir meydan okumayı hatırlatıyor. 1900’de matematikte çözülmesini istediği 23 olağanüstü problem ortaya koydu. Bu listedeki altıncı madde “bugün matematiğin önemli bir rol oynadığı fiziksel bilimleri aksiyomlar aracılığıyla ele almak” idi. Hilbert, zamanının fiziğinin oldukça keyfi varsayımlara dayandığı konusunda endişeliydi ve onların, matematikçilerin kendi disiplinleri için temel aksiyomları türetmeye çalıştıkları şekilde katı hale getirildiğini görmek istedi.

Bugün bazı fizikçiler, geleneksel olanlardan daha basit ve fiziksel olarak daha şeffaf aksiyomları kullanarak özellikle kuantum mekaniğini ve onun daha soyut versiyonu olan kuantum alan teorisini yeniden formüle etmeye çalışarak Hilbert’in altıncı problemi üzerinde çalışıyorlar. Ancak Hilbert’in, yeniden icat için olgunlaşmış olanlar arasında “olasılıklar teorisini” kullanan fizik yönlerine atıfta bulunarak, termodinamiği de aklında tuttuğu açıktı.

Hilbert’in altıncı sorununun henüz ikinci yasa için çözülüp çözülmediği bir keyif meselesi gibi görünüyor. Scandolo, “Hilbert’in altıncı sorununun tamamen çözülmekten uzak olduğunu düşünüyorum ve şahsen bunu fiziğin temellerinde çok ilgi çekici ve önemli bir araştırma yönü buluyorum. Hala açık sorunlar var, ancak yeterli zaman ve enerjinin ayrılması koşuluyla, bunların öngörülebilir gelecekte çözüleceğini düşünüyorum” dedi.

Belki de ikinci yasayı yeniden türetmenin gerçek değeri, Hilbert’in hayaletini tatmin etmekte değil, sadece yasanın kendisine ilişkin anlayışımızı derinleştirmekte yatmaktadır. Einstein’ın dediği gibi, “Bir teori, öncüllerinin basitliği ne kadar fazlaysa, o kadar etkileyicidir.” Yunger Halpern, hukuk üzerinde çalışma motivasyonunu, edebiyatçıların hala Shakespeare’in oyunlarını ve şiirlerini yeniden analiz etmelerinin nedeni ile karşılaştırır: bu tür yeni analizler “daha doğru” olduğu için değil, bu kadar derin olan eserler sonsuz bir ilham ve içgörü kaynağı olduğu için.

Kaynak: Physicists Rewrite the Fundamental Law That Leads to Disorder

Ana Konular:
physics quantum information theory quantum physics theoretical physics thermodynamics time

Çeviren: Hüseyin Türker
Editör: Hatice Boyar

Çevirenin Eki:

Bilgi kuramında entropi
Bilgi kuramında entropi bir iletinin bilgi içeriğini ölçer. Bu bağlamda entropi ilk defa 1948’de Claude E. Shannon tarafından tanımlanmıştır. Ayrık bir rassal değişkenin entropisi

Shannon buradaki H ismini Ludwig Boltzmann’in termodinamikteki H-teoremine atfen seçmiştir.(Wikipedia)

İLİŞKİLİ MAKALELER:

---

1. Beyond the Second Law
2. The New Thermodynamic Understanding of Clocks
3. How Maxwell’s Demon Continues to Startle Scientists

Kitap Önerisi: THE NATURE OF THE PHYSICAL WORLD

Chapter IX THE QUANTUM THEORY

Sorunun Kökeni. Günümüzde meraklılar teorik fiziği tartışmak için bir araya geldiklerinde, konuşma er ya da geç belirli bir yöne dönüyor. Onları özel sorunları veya en son keşifleri hakkında sohbet etmeye bırakıyorsunuz; ama bir saat sonra geri dönerseniz, her şeyi kapsayan bir konuya, yani cehaletlerinin çaresiz durumuna ulaşmış olmaları büyük bir olasılıktır. Bu bir duruş/poz değil. Bilimsel alçak gönüllülük bile değildir, çünkü doğanın temel sırrını bizimki gibi güçlü zekalardan başarılı bir şekilde saklaması gerektiğine dair tutum genellikle saf bir şaşkınlıktır. Basitçe, ilerleme yolunda bir köşeyi döndük ve cehaletimiz, korkunç ve ısrarcı bir şekilde önümüzde ortaya çıkıyor. Fiziğin mevcut temel kavramlarında kökten yanlış bir şeyler var ve onu nasıl düzelteceğimizi bilmiyoruz. Bütün bu sorunların nedeni, çok çeşitli deneylerde sürekli olarak ortaya çıkan h denen küçük bir şeydir. Bir anlamda h’nin ne olduğunu biliyoruz, çünkü onu ölçmenin çeşitli yolları var; h .000000000000000000000000000655 erg-saniyedir.

Bu (haklı olarak) size h’nin çok küçük bir şey olduğunu önerecektir; ancak en önemli bilgi sonuç cümlesi erg-saniyesinde bulunur. Erg, enerji birimi, ikincisi ise zaman birimidir; böylece h’nin zamanla çarpılan enerjinin doğasında olduğunu öğreniyoruz.

Şimdi pratik hayatta, enerjiyi zamanla çarpmak sık sık aklımıza gelmez. Enerjiyi genellikle zamana böleriz. Örneğin, sürücü motorunun enerji çıkışını zamana böler ve böylece beygir gücünü elde ederiz. Tersine, bir elektrik tedarik şirketi beygir gücünü veya kilovatları tüketim saatlerinin sayısıyla çarpar ve buna göre faturasını gönderir. Ama tekrar saatlerle çarpmak çok tuhaf bir şey gibi görünüyor.

Ama mutlak dört boyutlu dünyada baktığımızda, bu o kadar da garip görünmüyor. Bir anda var olduğunu düşündüğümüz enerji gibi nicelikler, üç boyutlu uzaya aittirler ve dört boyutlu dünyaya yerleştirilmeden önce onlara bir kalınlık vermek için zaman ile çarpılmaları gerekir.
Büyük Britanya deyin, uzayın bir bölümünü düşünün; içindeki insanlık miktarını 40 milyon insan olarak tanımlamalıyız. Ancak, 1915 ve 1925 arasındaki Büyük Britanya, diyelim ki uzay-zamanın bir bölümünü düşünün; içindeki insanlık miktarını 400 milyon insan-yılı olarak tanımlamalıyız. Dünyanın insani içeriğini uzay-zaman açısından betimlemek için, yalnızca uzayda değil, zamanda da sınırlı bir birim almamız gerekir. Benzer şekilde, uzayın başka bir içeriği bu kadar çok erg olarak tanımlanırsa, bir uzay-zaman bölgesinin karşılık gelen içeriği de birçok erg-saniye olarak tanımlanacaktır.

Bu niceliğe, üç boyutlu dünyadaki enerjinin analogu veya uyarlanması olan dört boyutlu dünyada teknik adla eylem diyoruz. İsmin özel bir uygunluğu yok gibi görünüyor, ama kabul etmek zorundayız. Erg-saniye veya eylem, tüm gözlemciler için ortak olan Minkowski’nin dünyasına aittir ve bu nedenle mutlaktır. Görelilik öncesi fiziğinde fark edilen çok az mutlak miktardan biridir. Eylem ve entropi (ki bu tamamen farklı bir fiziksel kavram sınıfına aittir) dışında, görelilik öncesi fizikte öne çıkan tüm nicelikler, farklı gözlemciler için farklı olan üç boyutlu bölümlere atıfta bulunur.

Görelilik kuramı bize eylemin mutlaklığı nedeniyle Doğa şemasında özel bir öneme sahip olabileceğini göstermeden çok önce, belirli bir eylem parçası h deneylerde ortaya çıkmaya başlamadan çok önce, teorik dinamiklerin araştırmacıları eylemden büyük ölçüde yararlanıyorlardı. Onu öne çıkaran özellikle Sir William Hamilton’ın işiydi ve o zamandan beri dinamiklerin çok kapsamlı teorik gelişmeleri bu temelde yapılmıştır. Benim yalnızca, sizin (Edinburgh) Profesörünüzün* Analitik Dinamikler üzerine yazdığı ve oldukça kötü kokan standart incelemesine başvurmam gerekiyor. Ana prensibin temel önemini ve anlamını takdir etmek zor değildi; ama itiraf edilmelidir ki, uzman olmayanlara daha ayrıntılı gelişmelerin ilgisi çok açık görünmedi- işleri zorlaştırmanın ustaca bir yolu olması dışında. Sonunda, bu araştırmalara yol açan içgüdü, kendisini kesinlikle haklı çıkardı. Yaklaşık 1917’den beri atomun kuantum teorisindeki herhangi bir ilerlemeyi takip etmek için Hamiltonian dinamik teorisine oldukça derinden dalmak gerekir.

Ama ne eylemin mutlak önemi dört boyutlu dünya, ne de Hamilton dinamiğindeki daha önceki önemi, bizi, belirli bir parçasının özel bir öneme sahip olabileceğini keşfetmeye hazırlar. Ve yine de deneysel olarak sürekli olarak 6.55*10-27 erg-saniyelik standart boyutta bir yığın ortaya çıkıyor. Eylemi atomik olarak düşünmemiz ve bu yumruyu eylem atomu olarak görmemiz gerektiğini söylemek çok güzel. Bunu yapamayız. Son on yıldır çok çalışıyoruz. Mevcut dünya resmimiz, eylemi bu tür atomik yapı ile oldukça uyumsuz bir biçimde göstermektedir ve resmin yeniden çizilmesi gerekecektir. Aslında fizik şemamızın üzerine kurulduğu temel kavramlarda köklü bir değişiklik olmalıdır; sorun, gereken belirli değişikliği keşfetmektir. 1925’ten bu yana, çıkmazı daha az tamamlıyor gibi görünen ve bize gelmesi gereken devrimin doğası hakkında bir fikir veren konuya yeni fikirler getirildi; ancak zorluğun genel bir çözümü olmamıştır. Yeni fikirler bir sonraki bölümün konusu olacak. Burada, geçişe hazırlandığımız bölümün en sonu dışında, kendimizi 1925’in bakış açısıyla sınırlamak en iyisi gibi görünüyor. *Prof. E. T. Whittaker.

……

Kitaptan “THE QUANTUM THEORY” bölümü aktarılmaya çalışılmıştır.