Termodinamiğin`in 2. Yasasını Çürütmek İç Tasarlanan Deney: Maxwell'in Cini
Orjinal adı “Maxwell’s Demon” olan Maxwell’in Cini, James Clerk Maxwell tarafından oluşturulan bir düşünsel deneydir.
Aralık 1867’de James Clerk Maxwell’in, Edinburgh Üniversitesi’ndeki arkadaşı Peter Guthrie Tait’e gazların davranışları hakkında yazdığı bir mektup, bilim tarihinin en önemli paradokslarından birinin doğuşuna sebep oldu.Maxwell’in Cini adı verilen bu paradoks, kapalı ve içi gaz dolu iki oda arasındaki tek geçit olan mikroskopik bir kapıyı kontrol eden bir cin ile ilgili. Bu cin öyle gelişmiş algıya ve reflekslere sahiptir ki, hareket eden her bir molekülün hızını ölçüp belirli bir hızın altındakileri bir odaya, üstündekileriyse öteki odaya geçirecek şekilde kapıyı açıp kapatabilir. Belirli bir süre sonra hızlı atomların olduğu oda ısınmaya başlarken yavaş atomların olduğu oda soğumaya başlar. Böylece, Maxwell’in Cini yalnızca aklını ve kapıyı açıp kapamak için harcadığı çok küçük, hatta sıfır sayılabilecek bir enerjiyi kullanarak odaların tekini,yavaş molekülleri topladığı odayı, soğutmayı başarır. Enerji kullanmadan bir odayı soğutmak, termodinamiğin ikinci yasasının ihlali anlamına geldiğinden Maxwell’in Cini bu hayali düzenekte doğanın değişmez kabul edilen yasalarından birini çiğner. Maxwell’in, atomların hareketlerinin kontrol edilebilmesi durumunun olası sonuçları hakkındaki merakı sonucu ortaya çıkan bu kurgusal deney ve bunun baş kahramanı olan cin, bilimadamlarını uzun bir süre rahatsız edecek “Termodinamiğin ikinci yasası çiğnenebilir mi?” sorusunun ortaya çıkmasına neden oldu. Bu sorunun yanıtı, 1929 yılında Leo Szilard tarafından verildi. Szilard’ın yanıtına geçmeden önce, Maxwell’in Cini’nin termodinamiğin ikinci yasasını nasıl çiğnediğine daha ayrıntılı bir şekilde bakalım.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Temodinamiğin ikinci yasasına göre, dışındaki ortamla hiçbir etkileşimi olmayan kapalı fiziksel bir sistem,kendiliğinden ve geri dönüşü olamayacak bir şekilde maksimum düzensizlik diye adlandırılabilecek bir denge durumuna ulaşma eğilimi gösterir. Bir engelle eşit iki bölüme ayrılmış, bölümlerden biri gazla dolu, diğeriyse boş olan bir kapalı kap düşünelim.Eğer aradaki engeli kaldırırsak, gaz moleküllerinin dolu olan bölümden boş olana doğru yayıldıklarını gözlemleriz. Belli bir zaman sonraysa her iki bölümdeki ortalama molekül sayısı eşit olacaktır. Gaz moleküllerinin yaptığı, difüzyon adı verilen bu yayılım,termodinamiğin ikinci yasasının en basit örneklerinden biri sayılır. Başlangıçta düzenli olan sistemimizde her iki bölümün sıcaklığı birbirinden farklıydı (gazla dolu olan bölümün sıcaklığ, gaz moleküllerinin hareketlerinden dolayı boş olana göre daha yüksektir);ancak, aradaki engel kaldırıldıktan sonraki son durumda sistemin düzensizliği (entropisi) arttı ve kabın sıcaklığı her yerde aynı oldu. Daha açık bir şekilde söylemek gerekirse, termodinamiğin ikinci yasasına göre kapalı bir sistemde ısı, hiçbir zaman soğuk olan bölümden sıcak olana doğru bir akış gerçekleştiremez.Böyle bir akış, ancak enerji harcanımı sonucunda gerçekleşebilir.
Akıllı Makine
Yukarıda kurduğumuz kapalı sistem içerisine Maxwell’in Cini’ni yerleştirirsek ne olur? Bu sorunun yanıtını daha anlaşılır bir şekilde verebilmek için, önce cinimizi akıllı bir makineyle değiştirmemiz gerekiyor. Akıllı makinemiz cinimizle aynı şekilde düşünen,ancak ondan farklı olarak, hızlı moleküller yavaş olanlarından tümüyle ayrıldıklarında harekete geçecek bir ısı motoruna sahip bir makine. Elbette burada akıllı makinemizin kapı açmak ve kapamak gibi eylemlerde bulunmak yerine, mikroskopik bir kapakçığı kullandığını belirtmek gerekiyor.Eğer bu makineyi, ısı motoru daima sıcak olan kısımda olacak şekilde kapalı sistemin içindeki engelin tam ortasına yerleştirirsek, belirli bir süre sonra sistemde iki farklı sıcaklığın oluştuğunu gözlemleriz.İşte bu noktadan başlayarak, akıllı makinemiz Maxwell’in Cini’nden farklı olarak, ısı motoru sayesinde bölümler arasındaki sıcaklık farkını kullanıp bir iş gerçekleştirir. Isı motorunda sürtünmenin bulunmadığını varsayarsak, kullanılamayan enerji sıfıra çok yakın bir değer olur ve bütün enerji işi gerçekleştirmek için kullanılır.Görüldüğü gibi Maxwell’in Cini yalnızca odayı soğutmakla kalmayıp, aynı zamanda doğru bir düzenek yardımıyla bize iş enerjisi sağlamayıda başarır.
Cinin Bilgi Aktarımı
Yaptığımız bu zihinsel deneyde kullandığ›mız kap, entropi, sıcaklık,ısı motoru, iş gibi bütün fiziksel nesne ve parametreler makroskopik boyutta bulunurken, kabın içindeki gaz molekülleri bunlardan farklı olarak mikroskopik boyutta. Maxwell’in Cini hızlı ve yavaş molekülleri birbirinden ayırırken, aynı zamanda mikro ve makro boyutlar arasında bir bağ oluşturuyor. Cinin boyutlar arasında kurduğu bu bağ, bilgi aktarımının(enformasyonun) en genel özelliği sayılır. Enformasyonun bu özelliğiyse organizmaların çevreden aldıkları sinyallere karşı verdikleri tepkiler üzerine yapılan araştırmalar sonucu ortaya çıktı. Herhangi bir sinyal, hücre tarafından mikroskopik bir boyutta alınırken, organizmanın verdiği tepki makroskopik olmakta.Böylece cinimize üçüncü bir özellik daha eklenmiş oldu. Cin, iki oda arasındaki mikroskopik kapıyı açıp kapatırken, mikro ve makro boyutlararası bilgi aktarımınıda sağlamakta.
Ve Szilard’ın Cevabı
Maxwell’in Cini yoktan enerji yaratarak enerji sorununa kesin bir çözüm getiriyor gibi görünse de, günümüzde moleküllerin hızlarını algılayan bir makinenin olması durumunda bile bunun mümkün olamayacağı biliniyor. Maxwell’in Cini, ya da akıllı makine, her koşulda moleküllerin hızlarını öğrenmek için bir enerji harcamak zorunda ve harcadığı bu enerji,dolaylı yoldan sistemin entropisini yükseltir.İlk kez Szilard’ın ortaya attığı bu düşünce, alınan her bilginin karşılığının enerji olarak ödenmesi zorunluluğuna dayanıyor. Szilard, çalışmalarında moleküllerden ışık sinyalleri biçiminde alınan bilgi sonucu ödenmesi gereken bedelin, kapalı sistemden elde edilen enerjiyle aynı olduğunu gösterdi. Ancak Szilard’ın çalışmaları, cinin bilgiyi nasıl aldığnı ve entropinin nasıl yükseldiğini tam olarak açıklayabilmiş değil.Szilard’ın yanıtını 1956 yılında Leon Brillouin tamamladı. Brillouin,Maxwell’in Cini’nin moleküllerin hızını ölçmek için kullandığı enerjinin, foton biçiminde olduğunu belirtti. Cin,ölçüm yapmak istediği atom üzerine foton yollar ve yapılan bu ölçüm, daima sistemin entropisinde bir artıfla neden olur. Brillouin ayrıca entropinin değişiminin, alınan bilgi miktarından daha yüksek olacağını gösterdi.
Biyolojik Makromoleküller
Günümüzde Maxwell’in Cini hakkında “Enformasyon Teorisi” çıkılı daha birçok açıklama getirilmiş. Bu açıklamalarla birlikte Maxwell’in Cini bir paradoks olmaktan çıkıp yanıtlanmış bir soruya dönse de, bu yanıtlar onun gizeminden hiçbirşey alıp götürmeyi başaramadı. Eğer Maxwell’in Cini’ni kapalı bir kap içinde molekülleri hızlarına göre ayıran hayali bir cinden farklı biçimde, kendi yapısal enerjisine bağlı olarak mikroskobik boyutta bilgi aktarımını sağlayan kompleks bir molekül olarak düşünürsek, onu kapalı bir kaptan çıkartıp, yaşamın temel taşları olan biyolojik makromoleküllerin içine yerleştirmiş oluruz. Biyolojik makromoleküller hakkında yapılan araştırmalar, bu makromoleküllerin,ısıyı enerji kaynağı olarak kullanarak yapısal enerjileriyle bilgi aktarımını sağladıklarını, böylece Szilard’la Bril-louin’in düzeltmeleri dahilinde Maxwell’in Cini’inin çalıştığı gibi çalıştıklarını gösteriyor.
Biyolojik Bilgi Aktarımı
Maxwell’in Cini mikro ve makroboyutlar arasında kurduğu bağla bilgi aktarımını oluşturuyordu. Bilgi aktarımı gibi boyutu olmayan fiziksel bir paremetre, nasıl oluyor da boyuta sahip olan ortamlar arası bir etkileşime neden oluyor? Bu sorunun yanıtı bilgi aktarımının amacında gizli. Bilgi aktarımı, amacı olan bir iş olduğu süreç içerisinde varolur. Eğer cin ya da akıllı makine, ısı motoru sayesinde iş üretiyor olmasaydı, bilgi aktarımı da olmayacaktı. Cansız ortamlarda gerçekleşen prosesler kendi başlarına enformasyon içerikli bir amaca sahip olamayacaklarından, onlara bağlı bir şekilde bulunan insan yapımı bir makine ya da hücre metabolizması içinde işlev gören biyolojik bir makro molekül olmaksızın, herhangi bir bilgi aktarımına sahip olamazlar. Bu yüzden cansız ortamları rahatlıkla deterministik doğanın fiziksel yasalarıyla açıklayabiliriz.Bütün bu bilgilerin ışı altında biyolojik bilgi aktarımının temel olarak iki özellik taşıdığı söylenebilir. Mikro ve makro boyutlar arasında bağ kurmak ve bu bağ aracılığıyla, amacı olan bir iş gerçekleştirmek.
Hemoglobin
Biyolojik makromoleküllere iyi bir örnek olarak, alyuvarlarda oksijen taşıyan bir protein olan hemoglobini verebiliriz. Her hemoglobin, oksijen bağlayan ve demir içeren “heme” grubuna sahiptir. Dört heme kısmı da oksijen molekülleriyle bağ yaptığı, zaman hemoglobinin yapısı değişir. Yapı değişikliği hemoglobinin yeni oksijen molekülleriyle bağ yapmasını önler. Alyuvar oksijeni bırakacağı dokuya ulaştığında, hemoglobinin yapısı yeniden değişir ve oksijen molekülleri dokuya bırakılır. (Ayrıca bu yeni konformasyon, bırakılan oksijenle hemoglobinin yeniden bağ yapmasını engeller.) Alyuvar akciğere döndüğü zaman hemoglobin oksijen molekülleriyle yeniden bağ yapar. Bu yapısal değişim döngüsü alyuvarın yaflam süresinin sonuna kadar devam eder. Hemoglobinin geçirdiği bütün bu yapısal değişimler, biyolojik bilgi aktarımı açısından incelenebilir. Bilgi aktarımının ve enerji akışının doğasında basit olarak işleyen iki parelel yol vardır.E¤er sembolik bir şekilde gösterirsek hemoglobin molekülünde gerçekleşen eylemler:
(A) ...sinyal →bilgi aktarımı →amaç
(B) ...ısı → iş → enerji
şeklindedir. Yukarıda (A) boyutsuz bilgi aktarım zincirini gösterirken, (B)boyutlu enerji zincirini gösteriyor.Sinyalin biyolojik makromolekül tarafından alınmasıyla bilgi aktarımı başlar; hemoglobinin yapısı yeniden düzenlenir. Hemoglobin yeni ve daha düzenli duruma geçtiğinde amaç gerçekleştirilmiş olur; bu durum bilgi aktarımının bittiğini gösterir. Enerji akışı da bilgi aktarımıyla paralel bir şekilde gerçekleşir. Isı, biyolojik makromolekül tarafından yeniden yapılanma işi için alınır. Yeniden yapılanma sonlandıı zaman, yapı enerjisi hemoglobin molekülünün içinde kalır. Böylece hemoglobin molekülü amacına maksimum enerji kapsayarak, maksimum hacim ve düzen sağlayarak ulaşmış olur. Bu durumdan sonra biyolojik makromolekülün ilk durumuna dönmesiyle sonuçlanacak, birbirine paralel ters yönlü iki işlem başlar.
(C) ...amaç →eksi sinyal
(D) ...enerji → eksi enerji
Yukarıda (C) boyutsuz bilgi kaybı zincirini gösterirken (yapının düzenliliğinin kaybı),
(D) hemoglobin molekülünün boyutlu bir şekilde yapı enerjisini ısı olarak dışarıya aktarmasını gösterir. Eksi sinyalin ve ısının ortaya çıkışıyla aynı anda hemoglobin molekülünün hacmi azalmaya başlar, böylece biyolojik makromolekül ilk durumuna geri döner.Hemoglobin molekülü ilk durumuna kavuşur , kavuşmaz aynı döngü en baştan gerçekleşir.
Son Söz
Hemoglobin molekülü, aldıı ısı enerjisini içsel yapım işi için kullanıp bunun sonucu olarak entropide hiçbir değişim olmaksızın, ısıyı tümüyle yapı enerjisine çeviriyor. Daha sonraysa bu enerjiyi dış ortama ısı olarak eksiksiz bir şekilde geri verip yeniden aynı döngü için hazır oluyor. Hemoglobin molekülünün yaptığı enerjideki bu dönüşüm bize, Maxwell’in Cini çıkışlı akıllı makinelerin hiç de sanıldığı kadar hayali olmadığnı gösteriyor.Günümüzde nanoteknoloji genel adı altında biyolojik makromoleküllere benzer bir şekilde çalışabilecek makinelerin gerçekten yapılıp yapılamıyacağı araştırılıyor.
Kaynaklar
1.L. Brillouin: Science and Information Theory. Academic Press, NewYork 1956
2.K. S. Trincher: Information and Biological Thermodynamics
3.M.V. Volkenstein: Physics and Biology, Acedemic Press, New York1982
4.Thomas D. Schneider: Sequence Logos, Machine/Channel Capacity,Maxwell’s Demon, and Molecular Computers: A Reveiew of theTheory of Molecular Machines
5.Jacques Monod: Chance and Necessity, Random Hause Trade Paper-backs 1972scienceworld.wolfram.com
6.https://services.tubitak.gov.tr/edergi/user/yaziForm1.pdf?dergiKodu=4&cilt=36&sayi=427&sayfa=62&yaziid=14828
7.https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_demon
8.Video-PBS Space Time-https://www.youtube.com/watch?v=KR23aMjIHIY
