Entropy

Với entropy trong lý thuyết thông tin, xem entropy thông tin. Với các nghĩa khác, xem Entropy (định hướng).

Entropy là một đại lượng vật lý và một khái niệm khoa học trung tâm dùng để mô tả xu hướng của các hệ tự nhiên đi từ trạng thái có ít cấu hình khả dĩ sang trạng thái có nhiều cấu hình khả dĩ hơn. Trong nhiệt động lực học, entropy liên hệ với sự phân tán năng lượng và tính bất thuận nghịch của các quá trình; trong vật lý thống kê, nó gắn với số lượng các trạng thái vi mô tương ứng với một trạng thái vĩ mô; trong lý thuyết thông tin, entropy đo mức độ không chắc chắn của thông tin.

Tổng quan vật lý 
Trong một hệ cô lập, entropy không thể giảm theo thời gian. Mệnh đề này là nội dung cốt lõi của định luật hai nhiệt động lực học. Hệ quả là các quá trình tự nhiên có một chiều ưu tiên: nhiệt truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh, vật chất có xu hướng trộn lẫn, và các cấu trúc có trật tự chỉ có thể được duy trì khi có trao đổi năng lượng với môi trường.

Lịch sử 

Khái niệm entropy hình thành từ các nghiên cứu về động cơ nhiệt trong thế kỷ 19. Sadi Carnot (1824) xác lập giới hạn hiệu suất của động cơ nhiệt. Rudolf Clausius (1850–1865) giới thiệu thuật ngữ entropy và phát biểu định luật hai dưới dạng toán học. Cuối thế kỷ 19, Ludwig Boltzmann và Josiah Willard Gibbs xây dựng nền tảng thống kê cho entropy, liên hệ đại lượng vĩ mô này với số lượng trạng thái vi mô.

Định nghĩa trong nhiệt động lực học cổ điển 
Trong nhiệt động lực học, entropy được định nghĩa thông qua các quá trình thuận nghịch. Với một biến đổi vi phân thuận nghịch ở nhiệt độ tuyệt đối :

Entropy là một hàm trạng thái, không phụ thuộc vào con đường biến đổi. Đơn vị SI của entropy là joule trên kelvin (J·K⁻¹).

Tính thuận nghịch và không thuận nghịch 
Các quá trình thuận nghịch là mô hình lý tưởng, trong đó hệ luôn gần cân bằng và không có tiêu tán; tổng entropy của hệ và môi trường không đổi.

Ngược lại, các quá trình tự nhiên thực tế đều không thuận nghịch do ma sát, khuếch tán hoặc chênh lệch nhiệt độ hữu hạn, và luôn dẫn đến sự gia tăng entropy tổng cộng.

Định nghĩa trong vật lý thống kê 

Trong vật lý thống kê, entropy được gắn với số lượng cấu hình vi mô  ứng với một trạng thái vĩ mô xác định. Định nghĩa Boltzmann:

trong đó  là hằng số Boltzmann.

Entropy là đại lượng quảng tính. Với hai hệ độc lập:

Entropy và mũi tên thời gian 

Sự gia tăng entropy cung cấp cơ sở vật lý cho mũi tên thời gian. Mặc dù các phương trình vi mô là đối xứng theo thời gian, các quá trình vĩ mô thể hiện tính bất thuận nghịch rõ rệt. Chiều mà entropy tăng chính là chiều thời gian quan sát được trong tự nhiên.

Nghịch lý Loschmidt 
Nghịch lý Loschmidt đặt câu hỏi về sự mâu thuẫn giữa tính khả nghịch vi mô và sự gia tăng entropy. Vật lý thống kê giải thích điều này bằng xác suất: các trạng thái entropy thấp là cực kỳ hiếm trong không gian trạng thái.

Con quỷ Maxwell 
Các phân tích hiện đại cho thấy khi tính đến entropy thông tin (nguyên lý Landauer), việc xóa thông tin luôn làm tăng entropy môi trường, bảo toàn định luật hai.

Entropy trong vũ trụ học 
Trong vũ trụ học hiện đại, entropy dùng để mô tả trạng thái nhiệt động lực học tổng thể của vũ trụ và đóng vai trò trung tâm trong việc xác định mũi tên thời gian cũng như số phận cuối cùng của vũ trụ.

Entropy ban đầu của Big Bang 
Mặc dù Big Bang là trạng thái cực nóng và đậm đặc, entropy ban đầu của vũ trụ lại rất thấp do trường hấp dẫn ở trạng thái trật tự cao và phân bố vật chất gần như đồng đều. Trạng thái entropy thấp này được xem là điều kiện nền tảng cho sự hình thành mũi tên thời gian vũ trụ.

Entropy và lỗ đen 
Entropy lỗ đen tỷ lệ với diện tích chân trời sự kiện theo công thức Bekenstein–Hawking.

Lỗ trắng và Big Crunch 
Lỗ trắng là nghiệm toán học nghịch thời gian của lỗ đen nhưng bị coi là phi vật lý do yêu cầu entropy giảm theo thời gian, trái với định luật hai. Trong các kịch bản Big Crunch, entropy tiếp tục tăng, khiến trạng thái cuối không đối xứng với Big Bang ban đầu.

Xem thêm 
 Định luật hai nhiệt động lực học
 Entropy thông tin
 Con quỷ của Maxwell

Tham khảo

Liên kết ngoài 
 
 
 Entropy tại MathWorld
 

Entropy
Nhiệt động lực học
Vật lý thống kê
Đại lượng vật lý