ENERJİ NEDİR?
Isı, bilim adamlarının enerji adını verdiği iş yapma kapasitesine sahip olan olaylardan yalnızca biridir. Enerji sözcüğü Eski Yunanca’da işi içeren kelimelerinden türetilmiştir. Ancak bu konuda çok dikkatli olmalıyız. Çünkü, bilim adamları iş sözcüğünü günlük yaşamdaki kullanımına karşılık gelmeyecek şekilde kullanırlar. Bilim adamlarına göre iş, bir dirence karşılık bir kuvveti bir uzaklığa kadar harcamak ya da kullanmaktır.
Eğer kütlesi olan bir cismi yerçekiminin direncine karşın yerden bir metre yukarı kaldırırsak, kütle üzerinde bilimsel anlamda iş yapmış oluruz. Eğer o cismi bir metre yükseklikte hareketsiz tutarsak artık bir iş yapmış olmayız. Yorulduğumuz için
belki de iş yaptığımızı düşünürüz, ancak bu gergin kaslarımız uzadığı için duyumsadığımız bir yorgunluktur. Oysa, kütle üzerinde artık kaslarımız iş yapmamaktadır. Eğer o kütleyi bir metre yükseklikte bir raf üzerine koyarsak, raf sınırsız zaman boyunca kütleyi orada tutacak, ancak raf da bilimsel anlamda bir iş yapmış olmayacaktır. Ben de, bu kitaba girecek sözcükleri düzene koyarken bir süre sonra olay beni yormasına ve bir iş yaptığımı düşünmeme karşın, bilimsel anlamda bir iş yapmış olamam.
Isı bilimsel anlamda iş yapar: Sözgelişi, sıvıyı genleştirir ve onun birazını yerçekimine karşın yükseğe kaldırır. Bizim kaslarımız da bir kütleyi yerinden kaldırırlar. Bir mıknatıs demir çiviyi yakalayıp yerinden oynatır. Elektrik, ışık, ses ve kimyasal maddeler de doğru koşullar altında iş yapabilirler. Aynı şekilde harekete geçmiş bir cismin üzerinde de kinetik enerji vardır (Eski Yunanca’da Hareket halindeki enerji demektir.) Ya da yüksekte duran bir cismin üzerinde düşme ve bu arada iş yapma kapasitesi bulunmaktadır. (Bu duruma da, yüksekte duran bir cismin potansiyel enerjisi vardır denir.)
Bütün bu farklı enerji türleri bağımsız mıdır ya da birbirle- riyle birtakım ilişkileri var mıdır? Elektrik akımı bir manyetik etki oluşturur ve manyetizma bir elektrik akımı üretebilir. Bir elektrik akımı; zil sesi, ışık ve akkor durumundaki bir lambada ısı, bir motorda hareket oluşturabilir. Işık, elektrik ve ses, hareket üretebilir. Gerçekte bir enerji şekli diğer bir enerji şekline dönüştürülebilir. Enerjinin birçok şekle dönüşebilen tek fenomen (olay) olduğu varsayılabilir.
Ancak bir enerji şekli başka bir enerji şekline dönüştürülürken işlemde herhangi bir kayıp olur mu? Ya da bir enerji tek bir şekilde dururken onda hiç kayıp var mıdır? Daha önceki yüzyıllarda bu sorunların yanıtının “Evet” olması uygun görülüyordu. En çok bilinen ve en sık incelenmiş enerji türü ise, hareket
halindeki kinetik enerjiydi. Bir kalenin duvarlarını yıkmak üzere yeterli hızla fırlatılmış bir gülle gerçekten dışa vuran bir enerji gösterisi yapar. Oysa aynı gülleyi toprağın üzerinde yuvarlarsak pek uzun süre hareket etmez ve sonuda durur. Hareketi yavaşladıkça güllenin içerdiği enerji azalır. Gülleye ne olmuştur? Hemen herkesin kolayca söyleyeceği gibi, basit olarak gülledeki enerji ortadan kaybolmuştur.
Bir enerji ne zaman kaybolur gibi görünse, o enerjinin ısıya dönüştüğü olayını anlamaları bilim adamlarının uzun zamanını almıştır. Yuvarlanan gülledeki enerji, toprağın üzerinde ilerledikçe ısıya dönüşmüştür. Ancak güllenin hareketinin oluşturduğu enerji öyle geniş bir toprak şeridine yayılıyordu ki, miktarı dikkati çekmeyecekti. Eğer o ısı dikkate alınırsa, bir enerjinin öteki enerji türüne dönüşümde bir kayıp olabilir mi?
Bu soruyu ilk kez dikkatle ve ısrarlı deneylerle inceleyen İngiliz fizikçisi James Prescott Joule (1818-1889) oldu. 1840İ1 yıllarda Joule bir enerjiyi öbür enerji türlerine çevirmek üzere sayısız deneyler yaptı. Isıyı da içermek üzere başlangıçtaki enerjiyi ve sonra üretilen enerjileri ölçtü. Ve bu işlemlerde ne bir enerjinin kaybedildiği ne de kazanıldığı sonucuna vardı. Deneylerini ve vardığı sonuçlan 1847 yılında tanımlayıp açıkladı. Ama, Joule’un asıl mesleği bira yapımcılığı ve amatör uğraşı bilim adamlığı olduğu için vardığı sonuçlar yeterince ciddiye alınmadı.
Oysaki, aynı yıl içinde Alman fizikçisi Hermann L.F. von Helmholtz (1821-1894) de aynı sonuçları açıkladı. Ancak Helmholtz bir profesördü ve kuramını çözümleyişi pek dikkatle yapıldığından dikkatleri çekti. Bu nedenle Helmholtz Enerjinin sakinimi Yasası”m ilk kez sunan kişi olarak benimsenir. Yasaya göre, bir enerji şeklini değiştirebilmesine karşın yoktan yaratılamaz ya da yok edilemez. Başka bir deyişle, “Evrenin toplam enerji içeriği sabittir.” Bazı kişiler bu kavramı tüm doğa yasalarının en temel nitelikli olanı gibi saygı duyarak gösterirler.
Enerji araştırmaları genellikle ısı akışı incelemelerine indirgendiğinden, iş ve enerjinin birbirlerine dönüşümü bilimi termodinamik olarak adlandırılmıştır. (Bu da, Eski Yunanca’daki ısının hareketi sözcüklerine karşılık gelir.) Kimi zaman enerjinin sakinimi yasası da Termodinamiğin Birinci Yasası olarak adlandırılmaktadır.
Bu yasanın (ve benzeri tüm yasaların) önemi, neyin mümkün olacağına ilişkin birtakım sınırlamaları getirmesidir. Hangi olay gözlemlenir ya da öne sürülürse şu soru sorulmalıdır: “Enerji nereden geliyor ve nereye gidiyor?” Bu soru yanıtlanamıyorsa o işte bir yanlışlık vardır: Ya ileri sürülen varsayım yanlıştır, ya gözlemde yanlışlık yapılmıştır ya da bilgi eksiktir.
Öte yandan enerjinin sakinimi yasası ve diğer benzeri büyük genellemelerin doğruluğu kanıtlanamamıştı^ Burada tüm diyebileceğimiz, bilim adamlarının şu ana değin herhangi bir istisnayı (ayrallığı) bulamamış olmalarıdır. İstisnalar birdenbire ve beklenmedik şekilde yasayı yeniden düşünmemizi, kısaltmamızı ya da yerine yenisinin konulması durumunu yaratabilirler. Ancak, aradan bir buçuk yüzyıl geçmiş olmasına karşın, enerjinin sakinimi yasası dimdik ayakta durmaktadır.
Oysa, bilimin en değişmez yasalarının bile düzeltilmesine zaman zaman gereksinim duyulmaktadır. 1900’lü yılların başına kadar nükleer enerjinin durumu değerlendirilmemişti. Ve onsuz tüm enerjinin sakinimi yasasına ilişkin varsayımlar eksiktiler. Ayrıca, kütlenin kendisinin de pek yoğun biçimde bir enerji şekli olduğu anlaşılmamıştı. Burada da enerjinin sakinimi bilgileri yeterli değildi. 1800’lü yılların bilimsel araştırmalarında nükleer enerji ile kütlenin enerji eşleniğinin oynadığı önemli rol bilinmediğinden fizikçiler birtakım enerji kayıplarını algılayamamıştılar. Bu nedenle günümüzde bile evrenin çok önemli yönleri hakkında hiçbir şey bilmediğimizi ve onları bir kez öğrenirsek düşüncelerimizi değiştirmek zorunda kalacağımızı anlamalıvız Bilimde enerjinin sakinimi yasasını da içermek üzere, hiçbir kavram gelişme ya da değişikliklerin dışında kalamaz. İşte bu da bilim oyunlarını şaşırtıcı derecede ilginleştirmektedir.
23.
ENERJİDEN YOKSUN KALMAMIZ OLASI MIDIR?
Enerjinin sakinimi yasası, enerjinin yıkıma uğratılamayacağını açıklamaktadır. Böyle olunca kişi, istediği tüm işleri yapmak üzere her zaman enerjiye sahip olacağım düşünür. Ne de olsa, enerjiyi kullanmak onu yıkıma uğratmak değil, en fazlası onun şeklini değiştirmek olur. Değişen enerji yeni şekliyle kullanılabilir (ya da kullanılacağı varsayılabilir) ve o şekil değiştirdikçe ondan yararlanabiliriz.
Ne yazık ki, durum böyle değildir. Bilim adamlarının deneyimlerine göre enerji her seferinde bir iş yapmak üzere kullanıldıkça, enerjinin yalnızca bir bölümü kullanılır. Geri kalan enerji ısıya dönüşür. Bizler ısıyı iş yapmak üzere kullanabiliriz ama bu yalnızca ısı eşit olmayan şekilde dağılmışsa ve bir bölge ötekilerden soğuksa mümkün olur. Bu fark, iş yapmak üzere kullanıldığında bir kez daha kullandığımız enerjinin bir bölümü işe dönüşür; geri kalan enerji ısı olarak yitirilir ki, bu da eskisinden daha az eşit ısı dağılımını ortaya çıkarır. Eğer ısı bir kez tümüyle eşit olarak dağılırsa artık ondan daha fazla iş elde edilemez. Sonuç olarak, ne zaman bir enerjiyi iş yapmak üzere kullanırsak, sonunda daha az iş yapacak enerji elimizde kalır. Enerji bir bütün olarak yıkıma uğratılamaz; ama serbest enerji (enerjinin bu bölümü işi yaptırır) sürekli olarak azalır.
Olaya bakmanın bir başka yolu da, yalnızca ısı değil tüm enerjinin eşit olmadan dağıldığında işi yapabileceğini varsaymaktır. Her iş yapışımızda enerjinin biraz daha fazlasını eşit olarak dağıtırız. Enerjinin eşit dağılmasını ölçme işine entropi denilir. (Ki bu da, sistemin düzensizliğidir. Enerji daha çok düzenli dağıtıldıkça ortaya daha çok düzensizlik çıkar.) Bir sistemin düzensizliğe eğilimi anlamına gelen entropi arttıkça enerjiden daha çok iş alacağız demektir. Bu yolda evrenin ağır ağır ama değiştirilmez şekilde yıkıma uğradığım gözümüzde canlandırabiliriz.
Her yaptığımız şey evrenin entropisini artırır. Gerçekte, insanlar onunla ilgili olmasalar bile, evrende olan her şey entropeyi artırmaktadır. Entropideki bu aralıksız ve kaçınılmaz artış genellikle Termodinamiğin İkinci Yasası olarak adlandırılır.
Bu yasanın varlığına ilişkin ipuçlarını ilk kez gören kişi, Fransız fizikçisi Nicholas L. S. Carnot (1796-1832) oldu. Carnot, 1824 yılında buhar makinelerinde ısının eşit olmayan dağılışının işe dönüştürülüşüne ilişkin küçük bir kitap yazdı. Ancak, sorun 1850 yılından itibaren Alman fizikçisi Rudolf J. E. Clausius (1822-1888) tarafından ayrıntılı olarak ve evrenin yıkıma uğrayışını da içermek üzere incelenmeye başlandı.
Bununla birlikte, eğer serbest enerji her zaman azalıyor ve entropi sürekli olarak artıyorsa, evren nasıl olurda milyarlarca yıldır var olabiliyordu? Ve evren neden daha şimdiden yıkıma uğramış değildi? Bu sorulara yanıt, “Evrenin başlangıcında serbest enerji toplamı o denli çoktu ki, milyarlarca yıl sonra onun üzerinde, bunca zaman içinde, yalnızca birtakım çentikler açılabildi”, şeklinde verilebilir. Evren yıkıma uğruyor olabilir ama bu işlem milyarlarca yıl sürecektir. Ve bu konuda hiç değilse şu anda telaşa kapılmak yersizdir. Üstelik, evrenin sonuna ilişkin Clausius’nun bir buçuk yüzyıl önce düşündüklerine göre çok daha fazla şeyi bilmemize karşın, şimdi bilmiş olmaktan hoşnutluk duyacağımız kadar şeyi bilemiyoruz. Clausius ve çağdaşlarının evrenin son yıkımına ilişkin olarak ileri sürdükleri düşünceler gibi, günümüzde de evrenin sonucundan emin değiliz.