Bilim tarihinde yepyeni yapraklar açmış deneyler vardır. Bunların çoğu, karmaşık laboratuvar düzeneklerine gerek duyulmadan gerçekleştirilmiştir. Bazı ünlü deneylerin "tarif"lerine, ilkokul fenbilgisi kitaplarında bile rastlayabiliyoruz. Kimilerini, evimizde bulabileceğimiz basit gereçlerle yinelemek işten bile değil.


Düşünce deneyleri kafamızda kurduğumuz senaryolardan gerçek dünyayla ilgili sonuçlar veya açıklamalar elde etmemizi sağlar.

Almanca “Gedankenexperiment” adıyla da bilinir. Tam tanımını vermek zor olsa da örneklerle açıklanabilir.




Kuantum fiziği tarihinin belki de en ünlü düşünce deneyi Schrödinger'in kedi paradoksudur. Schrödinger, paradoksunda, kuantum mekaniksel bir parçacığın iki farklı durumu aynı anda eşit olasılıkla taşıyabilme yeteneğini kullanıyor.

"İki halin üst üste gelmesi" makro dünyaya yansıtıldığında, içinde çıkılmaz bir sorun yaratıyor. Düşünce deneyinde, bozunup bozunmadığı dışarıdan bilinemeyecek, uyarılmış bir atom ile bir kedi aynı kutuya kapatılıyor.

Atom bozunacak olursa bir tetikleme mekanizması aracılığıyla bir siyanür şişesini kıracak ve kediyi öldürecektir. Kuantum mekaniğin kapsamında son derece sıradan diye nitelendirilebilecek biçimde, atom, hem bozunmuş hem de bozunmamış sayılabiliyor. Bundan yola çıkarak, kendisi de atomlardan oluşan kediyi de hem canlı, hem de ölü sayabilir miyiz? Henüz kimse bu soruya herkesi tatmin edebilecek bir yanıt bulamadı.





Düşünce deneylerinin güzellik ve eşsizlikleri, basitlik ve herkesçe anlaşılabilirlikleriyle orantılı. Simon Stevin'in 16. yüzyılda, çetrefil bir mekanik problemini çözmek için önerdiği zihin jimnastiği, tarihin en çok alkışlanan düşünce deneylerinden biri oldu.
Sorun kabaca şöyleydi: Elimizde üçgen kesitli bir blokun üzerine, şekildeki gibi bırakılmış bir zincir parçası var. Zincir, tırnak makaslarının ucundaki zincirler gibi, küresel halkalardan oluşuyor. Zincirle blok arasındaki yüzeyin neredeyse sürtünmesiz olduğunu kabul edersek, acaba zincir ne tarafa doğru kayar?




Stevin, zincirin, boştaki ucunun uzunca bir zincir parçasıyla uzatılıp alttan birleştirildiğni varsaymamızı istiyor. Bu uzatılmış kısım, düşey eksene göre simetrik bir şekil alacak ve kendi izinde dengeli hale gelecektir. Bu durumda, eğer üstte kalan parça bir yöne doğru kayma eğilimindeyse, tüm zincir blokun çevresinde sonsuza kadar döner.

Termodinamik yasaları gereği, sürekli hareketin olanaksız olduğunu bildiğimize göre, üstte kalan parçanın da dengede olduğunu, kendi başınayken bile kaymayacağını kabul etmemiz gerekiyor. Aynı sonuca geleneksel matematiksel çözümlemeyle ulaşmamız çok daha uzun sürecekti..






Kütleçekimsel kırmızıya kayma, aslında Einstein'ın genel görelilik kuramını biçimlendirirken öngördüğü, sonraları gökbilim gözlemleriyle de doğrulanmış bir etki. Bu etkiye göre, fotonlar bir cismin egemen kütleçekiminden kaçarlarken enerji kaybederler ve ışıklarının rengi kırmızıya doğru kayar.


Hermann Bondi, bu etkiyi doğrulayan bir düşünce deneyi uydurmuştu. Bondi'nin düşünce deneyinde, su değirmenini andıran, her bir kepçesi birer atom alabilecek kadar küçük, düşsel bir değirmen kurgulanıyor. Değirmenin bir yanından yükselip tepe noktayı geçmek üzere olan bir atoma bir fotonun çarptırıldığını varsayalım. Foton, atom tarafından emilecek, bu yolla "uyarılmış" olan atomun kütlesi artacaktır. Kütlesi artan atom, yerçekimi tarafından değirmenin diğer tarafında aşağı çekilir. Ta ki, alttan dönemeci aşıp diğer tarafa geçmek üzereyken (yani tam da beklenen anda) ışıyarak yeniden kararlı hale geçinceye; yeniden hafifleyinceye kadar...


Bu ışıma sırasında serbest kalan foton bir ayna düzeneği aracılığıyla tepe noktasındaki bir diğer atoma yansıtılır ve tüm düzenek bir su değirmeni gibi sonsuza değin döner. Pek çok düşünce deneyinin dayandırıldığı, tartışılmaz kabul edilen termodinamiğin ikinci yasasına göre sürekli hareket olanaksızdır. Bu düzenekte hareketi sağlayan foton akışının şu ya da bu şekilde enerji kaybetmesi, böylece tüm sistemin entropi üretmesi gerekiyor.

Bondi'ye göre, foton tekrar yukarı çıkarken kütleçekimi tarafından enerji kaybettirilecek, Einstein'ın tanımıyla "kırmızıya kayacaktır".







Termodinamiğin ikinci yasasının bir sonucu olarak, yüksek sıcaklıktaki cisimler, ilişki halinde oldukları düşük sıcaklıktaki cisimleri ısıtabilirler; ama düşük sıcaklıktaki cisimler, kendilerinden daha düşük sıcaklıktaki cisimleri ısıtamazlar. Eş sıcaklıktaki cisimler de, bu dengelerini, dış bir etken olmadıkça, sonsuza değin korurlar. Söz gelimi, masanın üzerine bıraktığınız bir fincan ılık kahvenin kendi kendine kaynamasını bekleyemezsiniz.


James Clerk Maxwell bu yasayla ilgili tartışmaları boyutlandırmak için bir düşünce deneyi önermiş: Deneyinde, dış dünyayla ısı alışverişi tümüyle kesilmiş, birbirlerinden de, yalıtkan bir duvarla ayrılmış iki oda düşlememizi istiyor. Odaların sıcaklıkları başlangıçta eşit.


Düşünce deneyimimize göre, aradaki duvarın ortasında minik bir kapı var ve bu kapıya bekçilik yapan minik bir de cin: "Maxwell'in cini"... Cin, kapıyı sürekli açık tutacak olsaydı, odaların sıcaklıkları hiç değişmeyecekti. Ancak, Maxwell'in cini, ortamdaki hava moleküllerini izleyerek hızlarını sürekli karşılaştırıyor. Soldaki odadan kapıya doğru gelen hızlı bir molekül gördüğünde kapıyı aniden açıp kapayarak, sağdaki odaya geçmesine izin veriyor. Aksine, sağdaki odadan kapıya doğru gelen yavaş bir molekül gördüğünde de onu sol tarafa geçiriyor. Cin bu işi sürdürecek olursa, sağ taraf gitgide ısınacak sol taraf da soğuyacaktır.


Maxwell'in cininin termodinamiğin 2. yasasını çiğnediği ortada. Cinin çok küçük olduğunu ve işini, hareket için neredeyse hiç enerji kullanmadan yaptığını düşünürsek, bunu nasıl başarıyor? Maxwell, deneyini tartışmaya yol açacak biçimde tasarlamıştı ve cini bugüne değin farklı yerlerde farklı biçimlerde tartışıldı da. İki oda ve ortadaki cini bir sistem olarak ele alabiliriz. Termodinamik açısından bu sistemin tuhaflığı, giderek daha düzenli hale geliyormuş gibi göründüğüdür. Teknik ifadesiyle, "bu sistem entropi üretmiyor" gibi görünüyor.

Bu sonuca, sadece moleküllerin dağılımına bakarak varıyoruz. Sorunun yegâne çözümü, cinimizin, sistemin geri kalanının aksine çok fazla entropi ürettiği sonucuna varmaktır. Bunun bir açıklaması cinin, tüm moleküllerin hızlarını aklında tutup ortalamanın üzerinde hıza sahip olanlarla diğerlerini ayırt etmeye çalışırken beyninin çok fazla çalıştığı ve bu sırada çok fazla entropi ürettiğidir. O kadar fazla ki, sonuçta, sistemin bütünü de entropi üretir duruma geliyor.