آنتروپی: آنچه زندگی را پیچیده‌تر می‌کند!

آنتروپی معیاری از بی‌نظمی در عالم است و توضیح می‌دهد چرا با گذشت زمان، عالم بیشتر و بیشتر پیچیده می‌شود. در این مقاله قصد داریم این مفهوم اساسی را توضیح دهیم و معنای آن در دنیای علم را مطالعه کنیم.

مروری بر ترمودینامیک

ترمودینامیک یکی از علوم اساسی و دانش‌های بنیادی بشر است که در آن رفتار ماده تحت فشارها و دماهای مختلف مورد مطالعه قرار می‌گیرد. ترمودینامیک برای رشته‌های مختلف علمی از مهندسی تا علوم طبیعی و شیمی و حتی فیزیک و اقتصاد نیز مهم است.

در ترمودینامیک قوانینی بنیادی وجود دارد که با آزمایش‌های متعدد پذیرفته شده‌اند. این قوانین عبارتند از:

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک مربوط به بقای انرژی است: انرژی نه تولید می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود.

پس انرژی همواره درحال تغییر شکل است. انرژی گرمایی خورشید تبدیل به انرژی شیمیایی گیاه می‌شود، انرژی باد به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و غیره. پس می‌توان از این قانون نتیجه گرفت میزان انرژی خالص موجود در جهان ثابت است.

آنتروپی

قانون دوم ترمودینامیک به آنتروپی اشاره دارد و بیان می‌کند: هرچه در زمان جلو می‌رویم، آنتروپی خالص یک سیستم بسته (منزوی) افزایش می‌یابد و یا ثابت می‌ماند.

سیستم بسته به سیستمی گفته می‌شود که ورود و خروج انرژی در آن رخ نمی‌دهد و تمام رخدادهای فیزیکی آن محصور به محیط درونی است. در علم ترمودینامیک آنتروپی همیشه کمیتی مثبت است. اما آنتروپی چیست؟

مفهوم آنتروپی

کلمه آنتروپی از زبان یونانی آمده و به‌معنای «دگرگونی» و «هرج و مرج» است. کشف این مفهوم به «رودولف کلازیوس»، ریاضی‌دان و فیزیک‌دان آلمانی نسبت داده شده، اما نقل شده است که مهندس جوان دیگری با نام «سعدی کارنو» که فرانسوی بود، به‌صورت مستقل با درنظرگرفتن مفهوم بازده نگاهی به مفهوم آنتروپی نیز داشته است.

کلازیوس درحقیقت فرایند تبدیل گرما به کار را مطالعه می‌کرد. او در مطالعات خود دریافت گرما از جسمی در دمای بالا به جسمی در دمای پایین انتقال می‌یابد. این جریان یک‌طرفه است و اگر بخواهیم گرما از جسم با دمای کمتر به جسم با دمای بیشتر منتقل شود، باید روی آن کار انجام دهیم.

یک فنجان قهوه داغ را در نظر بگیرید. هنگامی که فنجان را در محیط اتاق قرار می‌دهید، گرما از آن به داخل اتاق جریان می‌یابد؛ زیرا اتاق دمای کمتری دارد و در قیاس با فنجان قهوه جسم سرد است. اما اگر بخواهیم فنجان قهوه را گرم‌تر کنیم، باید به آن گرما دهیم - به عبارت دیگر روی آن کار انجام دهیم. در این حالت نیاز به یک منبع انرژی داریم.

این ایده بیان قانون دوم ترمودینامیک از زبان کلازیوس است: «هیچ‌گاه گرما به‌خودی‌خود از جسمی با دمای پایین‌تر به جسمی با دمای بالاتر منتقل نمی‌شود.»

کلازیوس همچنین دریافت سیستم‌ها تمام انرژی دریافتی را به کار تبدیل نمی‌کنند، بلکه مقداری از آن همواره به‌عنوان مالیات طبیعت گرفته می‌شود. به عبارت دیگر، می‌توان گفت بازده هیچ سیستم فیزیکی 100 درصد نیست. دانشمندان پس از مطرح‌شدن این ایده پرسیدند پس بقیه گرما و انرژی کجا می‌رود؟ کلازیوس درنهایت موفق شد با درنظرگرفتن یک موتور بخار ثابت کند همواره بخشی از انرژی ورودی به کار تبدیل شده و برخی به‌صورت جریان هدر رفت وارد طبیعت می‌شود.

پس از آن، مفهوم آنتروپی به‌عنوان معیاری از بی‌نظمی در عالم (سیستم‌های برگشت‌ناپذیر) مطرح شد که اثر نهایی آن‌ همواره در عالم باقی می‌ماند. کلازیوس آنتروپی را با «S» نشان داد و آن را کمیتی همیشه مثبت در نظر گرفت.

بدین‌ترتیب دانشمندان موفق شدند ثابت کنند رخدادهای طبیعت همواره در جهت افزایش بی‌نظمی پیش می‌روند. پس آنتروپی کمیتی همواره مثبت است. درحقیقت آنتروپی میزان انرژی در یک سیستم است که به کار مفید تبدیل نشده و به‌صورت انرژی در طبیعت آزاد می‌شود تا سبب افزایش اختلالات شود.

با درنظرگرفتن آنتروپی به‌عنوان مفهوم بی‌نظمی، می‌توان گفت همواره بی‌نظمی عالم درحال افزایش است.

آنتروپی را می‌توان هم در سطح میکروسکوپی و هم در سطح ماکروسکوپی تعریف کرد. در هر یک از این ابعاد، اختلالات عالم با گذشت زمان افزایش می‌یابد، انرژی در سطح سیستم‌ها پراکنده می‌شود و نهایتاً هرج‌ومرج در سیستم افزایش می‌یابد. در علم هر چیزی را که بی‌نظم‌تر باشد، آنتروپیک‌تر در نظر می‌گیرند.

کلازیوس در مراحل بعدی مطالعات خود دو مفهوم «جریان برگشت‌پذیر» و «جریان برگشت‌ناپذیر» را مطرح کرد. در جریان‌های برگشت‌پذیر تغییرات یک سیستم دوطرفه هستند و سیستم می‌تواند با صرف همان مقدار انرژی به حالت اولیه خود بازگردد، اما در سیستم‌های برگشت‌ناپذیر هیچ‌گاه سیستم مجدداً در حالت اولیه قرار نمی‌گیرد؛ مگر با صرف انرژی بیشتر. علاوه‌براین، در سیستم‌های برگشت‌ناپذیر همواره یک نتیجه غیرقابل‌حذف به‌عنوان اثر دائمی باقی می‌ماند.

این درحالی است که کلازیوس نشان داد انرژی عالم ثابت بوده و این اثر دائمی همان آنتروپی است که همواره افزایش می‌یابد. همین امر سبب می‌شود بتوان گذشته را از آینده متمایز کرد.

«استیون هاوکینگ»، فیزیکدان انگلیسی، باور دارد آنتروپی از معدود مفاهیمی است که می‌توان آن را شاهدی برای وجود زمان دانست. به عبارت دیگر، آن را می‌توان به جهت پیشروی زمان مرتبط کرد که تنها یک جهت دارد و همواره رو به جلو است. هرچه در زمان به جلو می‌رویم، آنتروپی افزایش می‌یابد و این یک فرایند غیرقابل‌برگشت است.

این نکته را در نظر داشته باشید که گاهی ممکن است آنتروپی به‌صورت موضعی و یا موقت در بخشی از یک سیستم بزرگ کاهش یابد. اما این اصلاً به‌معنای نقض قانون مذکور نیست. حتی اگر شاهد کاهش آنتروپی به‌صورت موقت یا موضعی باشیم، بازهم درنهایت می‌بینیم آنتروپی سیستم در کل افزایش یافته است.

بهتر است بگوییم آنتروپی یک مدل ذهنی مهم است؛ زیرا در هر بخش از زندگی ما کاربرد دارد. این مفهوم اجتناب‌ناپذیر است و حتی اگر بخواهیم آن را نادیده بگیریم، نتیجه چیزی جز فروپاشی نخواهد بود. درک واقعی آنتروپی منجر به تغییر اساسی در نگرش ما به جهان می‌شود.

از آنجا که آنتروپی معیاری از بی‌نظمی در عالم است و بر تمام جنبه‌های زندگی ما اثر می‌گذارد، دانشمندان عقیده دارند می‌توان آنتروپی را به‌عنوان مالیات طبیعت از انسان در نظر گرفت.

هم‌زمان که شما درحال خواندن این مقاله هستید، آنتروپی در اطراف شما درحال افزایش است. سلول‌های بدن شما درحال انحطاط هستند، زمین درحال آلوده‌ترشدن است و گرمای قهوه‌تان نیز در عالم پخش می‌شود که همگی منجر به افزایش بی‌نظمی در عالم می‌شود.

سؤالات متداول درباره آنتروپی