آنتروپی- بخش اول

شب به مهمانی می روید. قفل پنجره باز مانده است، از بخت بد آن شب هوا توفانی می شود. از مهمانی که بر می گردید …! خانم های وسواسی در این مواقع دیوانه می شوند! چرا طبیعت اینگونه است؟ در عرض چند ساعت تمام نظم و تمیزی خانه با یک توفان که تنها از حجم یک پنجره به خانه هجوم آورده ، به هم می ریزد، چرا یکبار اتفاق نیفتاده که پنجره باز بماند وتوفان خانه را تمیز و منظم کند؟! (البته بعضی آقایان مجرد به ویژه در خوابگاهها ادعا می کنند چنین چیزی را در اتاق خود دیده اند، بعدها معلوم شده که هیچ توفانی قدرت بی نظم کردن شلختگی ایشان را ندارد!) به نظر می رسد که گم شدن انرژی هنگام تبدیل آن به انرژی کار، دانشمندان را به سوی مفهوم آنتروپی سوق داده باشد، با این حال پدیده هایی که نشانگر اصل آنتروپی هستند به کرات در زندگی روزمره ما رخ می دهد. با ما همراه باشید تا خود به این اتفاقات پی ببرید.

مفهوم واژه آنتروپی اولین بار در سال ۱۸۰۳ میلادی توسط دانشمند فرانسوی علاقمند به آثار سعدی یعنی لازار کارنو وارد علم می شود. پسر او سعدی کارنو راه پدر را ادامه داده و این واژه را برای دانش ترمودینامیک آشناتر می سازد. در ادامه دانشمند آلمانی رودولف کلازیوس مفهموم آنتروپی را در ارتباط با مفاهیم دما و گرما به عنوان قانون دوم ترمودینامیک جا می اندازد. این قانون بعدها توسط دانشمندانی همچون گیبس، هلمهولتز،ماکسول و پلانک توسعه یافت و بخش لاینفکی از ترمودینامیک کلاسیک شد. در آینده ای نزدیک این لودویک ادوارد بولتزمن ، دانشمند اتریشی بود که برای اولین بار مفهوم آنتروپی را با مکانیک آماری در آمیخت و بنیانگذار ترمودینامیک آماری شد. استخراج کمیتهای ترمودینامیک کلاسیک توسط ترمودینامیک آماری بر اساس ساختارهای اتمی به راستی حیرت انگیز و لذت بخش است. مفاهیم فلسفی ترمودینامیک آماری نیز واقعا عمیق است.

چگونه مفهموم آنتروپی خلق می شود؟ باور کنید یادگیری فرآیند خلق مفاهیم علمی در فراگیری زبان علم و تمام بحثهایی که در مورد آن شد، بسیار حیاتی است. بیایید تاریخچه ذکر شده را فراموش کنیم و خودمان خالق مفهوم آنتروپی شویم و از علم لذت ببریم. یک فن(پنکه) در نظر بگیرید، با اطمینان از اینکه سیم آن به برق وصل نیست به این پرسش پاسخ دهید : آیا این فن می تواند خود به خود بچرخد؟چرا؟ در سمینارهایی که در دانشگاه داشته ام، بیشتر دانشجوها جواب های شاعرانه می دهند مانند : “دلیلی ندارد خود به خود بچرخد” ، “بدیهی است که نمی چرخد” ، “بدون برق نمی چرخد” ، “برای چرخش انرژی می خواهد”و … ظاهرا برخی جوابها علمی است، اما باور کنید معدود دانشجوهایی پیدا می شدند که دقیقا با زبان علمی به این پرسش جواب دهند! پاسخ علمی آن چیست؟ ” طبق اصل بقای انرژی یا قانون اول ترمودینامیک این فن خود به خود نمی چرخد.” ما زمانی حرفه ای می شویم که بتوانیم مشاهدات و پرسش هایمان را بر طبق اصول علمی بررسی نموده و پاسخ دهیم، قطعا آن زمانی که مطمئن شویم پرسشی وجود دارد که با هیچکدام از اصول علمی موجود قابل پاسخ نیست، راه برای کشف یک اصل جدید فراهم می آید!

بنابراین به نظر می رسد که پاسخ را یافته ایم و یک فن طبق اصل بقای انرژی خود به خود نمی چرخد. اما پاسخ ما هنوز دقیق نیست. ظاهرا ما مفهوم انرژی را خوب نمی دانیم، مگر اصل بقای انرژی تاکید می کند که فن حتما باید با انرژی الکتریکی بچرخد؟ به هیچ وجه! آیا انرژی دیگری در اطراف فن وجود دارد؟ فراوان، لطفا فکر کنید. مثلا انرژی گرمایی مولکولهای هوا و یا انرژی امواج الکترومغناطیسی سرگردان در محیط که همه جای جهان وجود دارد. پس مشکل چرخش خود به خودی، فقدان انرژی نیست! اکنون پرسش عمیق تری پدید می آید: چرا انرژی مولکولهای هوا سبب چرخش فن نمی شود؟! (یعنی به ازای کاهش دما و خنک شدن محیط، فن بچرخد!) این جاست که دیگر هیچ اصل علمی پاسخگوی پرسش ما نیست و ما برای پاسخ به این پرسش باید خالق مفهوم آنتروپی باشیم.

مفهوم نظم و بی نظمی چیست؟ قبل از پرداختن به این پرسش لازم است یکی از واژه های بسیار مهم در هر شاخه ای از علم را بشناسیم ، یعنی “سیستم”. به زبان احساسی و ادبی ، سیستم مجموعه ای از اعضای مرتبط با هم است که برای رسیدن به یک هدف مشترک دست به دست همدیگر داده اند. اما تعریف علمی آن عبارت است از :گروهی از عناصر وابسته که به منظور خاصی سازمان یافته است.برای شناختن هر سیستمی لازم است که حدود آن مشخص شود. سیستمها ممکن است چند زیر سیستم یا زیر زیر سیستم قابل تشخیص داشته باشند. شما هر آنچه را اراده کنید می توانید تحت یک سیستم مطالعه کنید. مهم این است که سیستم شما از محیط قابل تشخیص باشد. اکنون این پرسش مطرح می شود که کدام سیستم منظم تر است؟ پاسخ این است :هر چهمیان عناصر تشکیل دهنده آن سیستم روابط ساده تری حاکم باشد ، منظم تر است.

بنابراین با زبان ساده تری قابل تعریف است. به طور خلاصه هر چقدر تعریف یک سیستم ساده تر باشد، آن سیستم منظم تر است! مثلا خط مستقیم منظم تر از خط منحنی است، چون معادله تعریف کننده آن ساده تر است. به همین ترتیب دایره منظم تر از بیضی است. شکل هندسی، منظم تر از شکل غیر هندسی است. سیستم اعداد زوج منظم تر از اعداد اول است. اگر شما با یک نگاه به دو سیستم در شرایط کاملا برابر، یکی را راحت تر به خاطر سپرده و باز سازی کنید، قطعا آن یکی منظم تر است. با این اوصاف منزل یک خانم خانه دار منظم تر از آقایان مجرد است. البته نظم اگر به حد وسواسی خود برسد، آزار دهنده خواهد بود، این را می توان از خود طبیعت آموخت. بدن خود ما منظم است، اما این نظم در یک دامنه محدود انعطاف دارد! در ادامه متوجه می شویم که بدن یخ زده ما از این نیز منظم تر است، اما معنای این نظم با مرگ در آمیخته است. به همین ترتیب اگر بدن از ۳۷ درجه گرمتر شود ، بی نظمی در حال افزایش است و در ادامه مرگ آن را فرا می گیرد، پس اگر چه انجماد نظم را افزایش و سوختن آن را کاهش می دهد، اما سوختن و یخ زدن هر دو به معنای مرگ است! با این حال انجماد نقطه امیدی را باقی می گذارد.

عنکبوتهایی هستند که با جریان هوا به ارتفاعات صعود کرده و کاملا یخ می زنند. سپس با طی مسافتی طولانی به سطح زمین برگشته و به زندگی خود ادامه می دهند، ظاهرا به این امید افرادی با بیماری بدون درمان با پرداخت هزینه ای بالا، بدن خود را به امید آینده فریز می کنند. بیایید نگاهی دقیق به محیط اطرافمان بیندازیم. با اینکه کره زمین دارای شرایط ایده آل و استثنایی برای موجودات زنده است، با این وجود بسیاری از پدیده های خود به خودی سر ناسازگاری با ما دارند. ما خواهان نظم هستیم ، اما …! آبها خود به خود آلوده می شوند و ما باید برای تصفیه آن تلاش کنیم. ما به سختی فلزات خالص تهیه می کنیم ، اما آنها به مرور زنگ می زنند و مسطهلک می شوند. ما محیط منزل و کار را به زحمت تمیز می کنیم ، اما آنها خود به خود کثیف می شوند. یک ظرف بلورین با ارزش در اثر یک بی احتیاطی می شکند و برای همیشه بی ارزش می شود. گاز سبکی که بادکنک را بالا می برد، با ترکیدن آن بلافاصله در هوا پخش شده و با دیگر گازها مخلوط می شود.بیش از نصف انرژی سوخت ما به جای حرکت خودرو ، تلف می شود و ….! چند مثال دیگر را می توانید تصور کنید؟

طبیعت نسبتا منظم است و ما همچون بقیه جانوران به طور غریزی و با استفاده از حواس خود به نظم و بی نظمی طبیعی حساسیت نشان می دهیم. این موضوع برای بقا الزامی است. به طور مثال بوی خوشایند یک گلستان نشان دهنده محیط منظم تری نسبت به محیطی با بوی متعفن اجساد در حال پوسیدن است. جانوران از شامه خود برای یافتن خوراک و محیط امن تر و … استفاده می کنند. برای حس چشایی نیز همینطور است. یک سیب تازه یا یک میوه شیرین مورد قبول است، در حالیکه یک سیب گندیده یا یک سم تلخ مورد پذیرش حس چشایی نیست. به همین ترتیب در مورد حس شنوایی مقایسه کنید یک موسیقی دارای ریتم منظم را با یک صدای بی نظم گوشخراش! لذت و درد برای حس لامسه و …! لطفا در این مورد و مثالهای بیشتر فکر کنید و ببینید چگونه فرآیند فرگشت با این سنسورها ، جانوران و ما را برای بقا و تولید مثل پرورش داده است.

بر گردیم به پرسشی که همانند بسیاری دیگر از این نوع می تواند به خلق مفهوم آنتروپی منجر شود. چرا یک فن خود به خود نمی چرخد؟ چرا انرژی گرمایی مولکول های هوا باعث چرخش فن نمی شود؟ چرا یک فنجان چای خود به خود سرد می شود و گرمایش در محیط پخش می شود، اما عکس آن اتفاق نمی افتد؟ پاسخ عمیق این چرا را ترمودینامیک آماری می دهد. در حالت معمول، چرایی که پاسخی در کتاب علمی نداشته باشد، نشان دهنده وجود یک مفهوم یا قانون جدید علمی است که باید کشف شود. البته این کشف زمانی کامل می شود که یک توضیح جامع علمی داشته و ریاضی آن برای پیش بینی های دقیق فرموله شود. این پرسشها و چراها کلازیوس را واداشت که بگوید : انتقال گرما از یک منبع سرد به منبع گرم امکان ندارد مگر اینکه همزمان با آن مقداری کار به گرما تبدیل شود!

کلوین نیز گفت : غیر ممکن است بتوان گرما از منبعی گرفت و آن را به کار تبدیل کرد بدون آنکه همزمان با آن مقداری گرما از منبع گرم به منبع سرد انتقال نیابد. مقداری آکادمیک شد! موضوع روشن است. گرما که درجه آن با دما نشان داده می شود، نمی تواند خود به خود به کار تبدیل شود. یک محیط همدما به تعادل رسیده است و در حالت تعادل تحولی که به کار منجر شود، اتفاق نمی افتد. گرمایی به کار تبدیل خواهد شد که در کنار سرما قرار داشته باشد و این یعنی عدم تعادل. همه اینها در یک چیز خلاصه می شود که در یک سیستم منزوی یعنی بدون تبادل انرژی با محیط ، این موج گرماست که به سمت سرما هجوم آورده و تا رسیدن به تعادل و همدمایی از پا نمی نشیند. برعکس آن امکان پذیر نیست. یخچال می تواند برعکس عمل کند و با انتقال گرما به بیرون، خود را سردتر کند، اما یخچال یک سیستم منزوی نیست. در بحث ترمودینامیک آماری خواهیم گفت که تمام این جملات با آمار و احتمال بیان می شود!

ادامه دارد »»»

نویسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

bigbangpage.com