إنتروبيا وسهم الزمن

إنتروبيا وسهم الزمن
القصور الحراري أو الإنتروبيا هي الكمية الوحيدة في الفيزياء والكيمياء التي تحتاج إلى تعريف اتجاه الزمن أو ما يسمى سهم الزمن . فبحسب القانون الثاني للديناميكا الحرارية تزداد إنتروبية نظام معزول مع مرور الزمن تلقائيا ، أي يمكن قياس مرور الزمن بمعرفة تغير الإنتروبية . ولكن بالنسبة إلى الأنظمة الترموديناميكية (الحرارية) الغير معزولة يمكن لأنتروبية النظام المفتوح أن تنخفض : وتوجد أنظمة عديدة تتغير فيها الانتروبيا وتقل مع الزمن ، مثل الكائنات الحية ، و عمليات التبلور. في تلك الأنظمة تنخفض قيمة الإنتروبيا على حساب زيادته في الوسط المحيط . ومثال على ذلك تبلور البلورات وعمل الثلاجة و ووجود الحياة ،إذ يوجد تبادل طاقة بين النظام والوسط المحيط في النظام المفتوح.
على عكس ذلك نجد أن قارورة بها غاز لا تتغير مع الزمن ويمكن القول بأن أنتروبيته ثابتة . أما إذا كان لدينا قارورتين واحدة بها غاز والأخرى فارغة وبينهما صمام ، فعند فتح الصمام يبدأ الغاز يتوزع في القارورة الفارغة ويصل إلى حالة استقرار عندما تكون كثافة الغاز في القارورة اليمنى مساوية لكثافته في القارورة اليسرى . عندئذ نستطيع القول أن أنتروبية الغاز زادت مع الزمن حتى الوصول إلى حالة التوازن ، ولكن ليس من المحتمل إطلاقا أن يعود الغاز ويتجمع في إحدى القارورتين مهما طال الزمن .
مقدمة
يسمح القانون الثاني للديناميكا الحرارية بثبات إنتروبية نظام بصرف النظر عن الزمن . فإذا كانت الإنتروبية ثابتة بصرف النظر عن اتجاه الزمن فلا يكون للزمن اتجاها معينا . ولكن إنتروبية نظام تكون ثابتة فقط عندما يكون النظام في أعلى درجة من درجات الهرجلة والعشوائية ، مثل ذرات غاز منتشرة في صندوق ، لا تتغير أنتروبيته. ووجود سهم زمني ترموديناميكي يعني أن النظام يكون على درجة عالية من النظام والترتيب في اتجاه واحد للزمن ، وهو بحسب تعريف القانون «الزمن الماضي» .
وعلى عكس قوانين الفيزياء ، نجد أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو قانون لعملية إحصائية في الطبيعة ، ويختص بأنظمة تحتوي على أعداد كبيرة من الجسيمات أو الذرات في نظام عيني كبير . ومن الوجهة الاحتمالية فيمكن القول بأنه يوجد احتمال لكي تتجمع جميع عدد
6 × 1023 من الذرات (وهي ما يحتويه 1 مول من غاز) فجأة في أحد أركان الصندوق ، ولكن هذا الاحتمال ضعيف جدا جدا جدا ، ولذلك لم نر أي مخالفة عمليا لهذا القانون . وتظهر طبيعة الكون لنا أن الأحداث لا تتناظر فيه عند عكس اتجاه الزمن ، وذلك أساسا بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية .
الإنتروبية والكون
ويرتبط سهم الترمويناميكا غالبا بسهم الزمن الكوني حيث أنه بصفة عامة برتبط بالأحوال الابتدائية عند نشأة الكون . فطبقا لنظرية الانفجار العظيم كان الكون في البدء شديد السخونة وكان توزيع الطاقة فيه متساويا . فإذا نظرنا إلى نظام الكون عند نشأته - وهو نظام تسود فيه قوى الجاذبية - نجد أن أنتروبيته كانت منخفضة (بالمقارنة بحالة عالية من الإنتروبيا إذا تجمعت كل المادة في جسم واحد في صورة ثقب أسود ، وهي حالة قد تحدث مستقبلا ) . ومع تمدد الكون منذ بدايته تنخفض درجة حرارته ، وبالتالي تنخفض كمية الطاقة فيه التي يمكنها أداء شغل مع مرور الزمن . بالإضافة إلى ذلك فطبقا لنظرية الاضطراب يمكن أن يحدث اضطراب في كثافة الطاقة ، مما يؤدي إلى تكون مجرات و نجوم. وعلى ذلك يمكن القول بأن للكون سهما زمنيا ترموديناميكي . و لكن ذلك الفكر لا ينظر إلي مسألة لماذا كانت إنتروبية الكون منخفضة عند نشأته . فإذا تسببت الجاذبية في إيقاف تمدد الكون ، ثم عملت على تجميع المادة في نقة واحدة ثانيا فإن درجة حرارة الكون المنكمش ستتزايد ، ويتزايد أيضا الإنتروبية بسبب تزايد الاضطرابات وربما يتكون ثقب أسود
حتى يحدث الانسحاق الشديد عندما تنخفض أنتروبية الكون عما هو عليه الآن.
انظر أيضا
إنتروبيا
سهم الزمن
ثقب أسود
إنتروبية المعلومات Information entropy
عفريت ماكسويل Maxwell's demon
كمون دينامي حراري
مراجع
خواص دينامية حرارية