الحياة فوضوية: ما هي الانتروبيا ( مقياس الفوضى ) ؟

الحياة فوضوية: ما هي الانتروبيا ( مقياس الفوضى ) ؟ – هناك بعض الحقائق الشاملة: الموت، الضرائب، القانون الثاني للديناميكا الحرارية (thermodynamics). أنا متأكد أنك ستجد الكثير من المقالات على الإنترنت حول أول شيئين في القائمة السابقة، ولكن هذا المقال حول الشيء الثالث.






هذا القانون؛ الذي حدده (سادي كارنوت – Sadi Carnot) لأول مرة عام 1824 ضمن تفكراته حول كيفية العمل المفيدة والغامضة في الواقع التي تعمل بها المحركات البخارية، يقف بشموخ وفخر اليوم، ويرتقي إلى حقيقة راسخة عن الوجود. مهما حاولت جاهدًا، لن تستطيع أن تفلت من القبضة الباردة والقاسية لاستنتاجه: في الأنظمة المعزولة، لا يمكن للانتروبيا أن تنقص. حسنًا، ما هي الانتروبيا (مقياس الفوضى)؟ ولماذا تتغير؟


عد الجزيئات


إذا أعطيتك صندوقًا مملوءًا بالهواء، وطلبت منك قياس خصائصه، فسيقودك حدسك أولًا إلى الإتيان بمسطرة ترمومتر (مقياس حرارة)، وتسجيل أهم الأرقام العلمية مثل الحجم، ودرجة الحرارة أو الضغط. هناك سببٌ وجيه لحدسك الأول هذا. أنت تعرف أن شيئًا مثل «الهواء» هو في الواقع مجموعة من الجزيئات المجهرية الرنانة والمضطربة.

قد تتخيل -بإيجاز- أنه يمكنك تسجيل جميع المواضع والسرعات الاتجاهية (velocities) لكل جزيء واحد، ولكنك ستتخلى عن مثل هذه الأفكار كونها شديدة التعقيد والسخافة. في نهاية المطاف، فإن أرقامًا مثل درجة الحرارة، والضغط، والحجم تزودك بكل المعلومات التي تهتم بها حقًا. هذه الحقائق ستفيدك بكل ما تحتاج معرفته عن كيفية تصرف صندوق الهواء إذا فتحته، أو ضغطته، أو فجرته. لا يهم حقًا كيف ترتب كل تلك الجسيمات الصغيرة نفسها؛ لأن هذا شأنها، ولا علاقة لك به.






وهذا هو تمامًا بيت القصيد. هناك العديد من الطرق المختلفة لترتيب جزيئات الهواء في صندوقك وتؤدي جميع تلك الطرق إلى نفس الضغط، ودرجة الحرارة، والحجم. بادل جسيمًا واحدًا مع آخر، هل ستلاحظ ذلك حتى؟ حاول تدوير بعضٍ منها، هل استطعت أن تشاهد ذلك؟ كلا، لم تفعل. فقد يبقى كلٌ من الضغط، ودرجة الحرارة، والحجم دون تغيير. وهنا يأتي دور الانتروبيا. يعبر مفهوم الانتروبيا عن عدد الطرق المختلفة التي يمكنك إعادة ترتيب الأشياء التي لا تستطيع رؤيتها (جزيئات الهواء الضئيلة) لكي تحصل على نفس القياسات التي يمكنك رؤيتها (مثل الضغط).
تغيير الزمن


ذلك ظريف، لكن لماذا لا ينخفض ذلك الرقم أبدًا؟ لاكتشاف ذلك؛ دعنا نتأمل شخصًا ينظف غرفته. تخيل استجماع رباطة جأشك في النهاية، الانتهاء من جدول عطلة نهاية الأسبوع، والاستيقاظ مبكرًا واحتساء كوب من القهوة، وفعل الشيء الذي كنت تؤجله منذ العطلة: تنظيف غرفتك. من الأعلى إلى الأسفل، ومن كل زاوية. نظيفة ومنظمة. مكانٌ لكل شيء وكل شيء في مكانه. إنه الكمال.

إلى متى تعتقد أن ذاك النموذج الأفلاطوني للغرفة سيستمر؟ ليس طويلًا، أنت تدرك ذلك، إذ إن مساعيك العبثية -وربما وجودك بأكمله- يتوافق مع التركيز الحاد. ولكن لم لا تبقى غرفتك نظيفة ومرتبة لسنوات قادمة؟ لأنه إذا تغير شيءٌ واحد -شيءٌ واحد فقط- فإن الغرفة لم تعد نظيفة. جورب قذر على السرير؟ إذن هي غرفة فوضوية. غطاء وسادة متسخ؟ أيضًا غرفة فوضوية. علبة من البسكويت على المنضدة بجانب السرير؟ أنا لن أحكم، ولكنها أيضًا فوضوية.

في هذا المثال، لا توجد سوى إجراءات مختارة تؤدي إلى القياس: «نظيف»، ولكن هناك الملايين والملايين من الإجراءات الممكنة التي تؤدي إلى القياس: «فوضوي». إذا كان لإعصار ما أن يضرب غرفتك التي نظفت حديثًا، فما هي فرص بقائها في حالة نظيفة؟ إنها ليست معدومة؛ يمكن للإعصار، بمحض احتمال عشوائي، أن يلتقط كل شيء في غرفتك ويعيده إلى مكانه الأصلي. لكن ذلك سيكون احتمالًا ضئيلًا جدًا مماثلًا لربح تذكرة اليانصيب الكبرى، ولنكن واقعيين، لن تكون الفائز. فكفة الميزان تميل بشكل كبير كي تجد غرفة فوضوية بعد ضربة الإعصار؛ ببساطة لأن هناك طرقًا أكثر بكثير حتى تكون الغرفة تعمها الفوضى




الإنتروبيا قانون مطاع


بالمثل، لا يوجد شيء على الإطلاق يمنع جزيئات الهواء في غرفتك من اتخاذ قرار جماعي بالتوجه في نفس الاتجاه والتزاحم في زاوية ما، جديًا لا يوجد قانون للجسيمات أو التفاعلات الجزيئية يمنع ذلك. لكن حركة جزيئات الهواء محكومة بتصادمات وحركات عشوائية لا حصر لها؛ أي أنها أعاصير جزيئية ذات نشاط لا ينتهي.

هذه الحركات التي لا حصر لها ستترك الهواء -بشكل أساسي ودائم- في حالة غير منظمة، و فوضوية ؛ فجزيئات الهواء تنتشر بشكل متساو في جميع أنحاء الغرفة. وكل ذلك بسبب وجود الكثير والكثير من الطرق لتنتشر جزيئات الهواء، مقابل القليل من الطرق لكي تنحصر في زاوية ما.
في نهاية المطاف، لا تنتقل الأنظمة أبدًا من الفوضى إلى النظام (ما لم تكن هناك طريقة لإضافة الطاقة إليها، ولكن هذه قصة لمقالة أخرى) بسبب الإحصائيات الكاملة والغامرة التي تمنعها.

احتمال وجود حالة غير منتظمة مقابل حالة منظمة ليس شبيهًا بما يتراوح بين 1 إلى 10 أو 1 إلى 3720، بل هو أشبه بـ 1 إلى تريليونات تريليونات تريليونات (أضف بضعة تريليونات لكي يكون قياسًا صحيحًا). وكما هو الأمر في غرفتنا التي كانت في السابق مرتبة، هناك طرقٌ قليلة جدًا للحصول على غرفة نظيفة، وعدد هائل جدًا من الطرق للحصول على غرفة فوضوية. وترتيبات مختلفة من « الحالة الفوضوية » (مثل جورب قذر ترك على السرير مقابل جورب قذر ترك على طاولة التزيين) ستؤدي إلى نفس قياس درجة الحرارة أو الضغط.

تشير الانتروبيا إلى عدد الطرق المختلفة التي يمكنك من خلالها إعادة ترتيب غرفتك الفوضوية للحصول على نفس تلك القيم. الأنظمة التي تركت إلى أجهزة الفوضى الخاصة بها، سوف تسعى دائمًا إلى تحقيق قدر أكبر من الانتروبيا، وذلك ببساطة لأنه هناك الكثير من الطرق لصنع الفوضى أكثر من طرق النظافة (بالنسبة للغرفة): القانون الثاني للديناميكا الحرارية.


هامش:


إنتروبيا – entropy:
كمية رياضية متداولة فى علم الديناميكا الحرارية، وتساوي ΔQ/T، حيث (ΔQ) كمية الحرارة التي تكتسب أو تفقد، (T) درجة الحرارة المنطلقة التي يحدث ذلك عندها، ويُعبّر عن التغير في الانتروبيا بالرمز (ΔS) وتُعدّ الانتروبيا مقياسًا للعشوائية و الفوضى .
مصدر التعريف: معجم الفيزياء، إعداد لجنة مصطلحات الفيزياء بالمجمع، مجمع اللغة العربية، القاهرة، 2009م