لماذا يمضي الوقت فقط إلى الأمام: علم الانتروبيا وعدم الالتزام | أخبار التكنولوجيا
لماذا نتكبر ولكن أبدا أصغر سنا؟ لماذا لا يستطيع الزجاج المحطم العودة معًا؟ لماذا لا “أحداث” غير مثقلة – نتذكر أخطاء الأمس ولكن ليس لدينا “تذكر” انتصارات الغد؟ تشترك هذه الألغاز اليومية في إجابة واحدة: الوقت له اتجاه مدمج ، ويشير إلى زيادة الاضطراب.
في قلب هذا “سهم الوقت” إنتروبيا، يمكن ترتيب مقياس لعدد الطرق التي يمكن بها ترتيب الأجزاء الصغيرة من النظام – الجزيئات أو الذرات أو أجزاء المعلومات – أثناء النظر إلينا. الدول المنخفضة الإنترابية ، مثل الوجه الشاب أو الزجاج غير المنقطعة ، محددة للغاية وقليلة. الحالات عالية التحديد ، مثل التجاعيد أو القطع المكسورة ، أكثر عددًا إلى حد كبير.
تمامًا كما هو أسهل بكثير أن تطرد مجموعة من الدومينو بدلاً من الوقوف في كل واحد ، تتحرك الطبيعة دائمًا نحو الترتيبات الأكثر احتمالًا.
لرؤية هذا في العمل ، تخيل غرفة لعب الطفل. غرفة أنيقة تمامًا – مع كل لعبة في مكانها – هي مجرد ترتيب واحد. يمكن أن تحدث غرفة فوضوية – ألعاب منتشرة في كل مكان – بملايين الطرق المختلفة. إذا تركت بمفردها ، تظل الغرفة فوضوية ، لأن الاضطراب هو الافتراضي. ترتيب الترتيب يتطلب جهد مركّز.
صب الكريمة في القهوة وشاهد دوامة معا. لا تراهم أبدًا يفصلون أنفسهم مرة أخرى ، لأن هناك طرقًا فلكية أكثر لخلط جزيئات الكريمة والقهوة من تشكيل تلك الأشرطة الرشيقة الأولية. وبالمثل ، عندما يذوب الجليد في مشروب أو عطر ينجرف عبر الغرفة ، تتدفق العملية بشكل طبيعي نحو الحالات المختلطة والانتشار.
سهم الوقت
في منتصف القرن التاسع عشر ، لاحظ المهندسون الذين يقومون ببناء محركات البخار شيئًا محيرًا: تدفقت الحرارة بشكل طبيعي من الساخنة إلى الباردة ، ولا يمكن أن تنعكس أي آلية تمامًا على هذا التدفق. استحوذ الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس على هذا القانون الثاني للديناميكا الحرارية – تحرك الحرارة في اتجاه واحد ، وأن “إحدى الطرق” هو نفس الاتجاه الذي يمثل مرور الوقت.
حول الفيزيائي النظري النمساوي لودفيج بولتزمان هذا القانون التجريبي إلى مبدأ عميق. لقد أظهر أنه ينشأ من العد البسيط: هناك طرق أكثر بكثير لتكون الجسيمات مختلطة من أن يتم ترتيبها بدقة. إذا قمت بخلط مجموعة من البطاقات ، فهناك 8 × 10⁶⁷ أوامر محتملة ، ولكن ترتيب واحد صحيح فقط. اختزال عشوائي تقريبًا لا يعيد الترتيب.
تستمر القصة أسفل هذا الإعلان
اتبع تدفق الحرارة والحركة الجزيئية نفس المبدأ: تستكشف الأنظمة بشكل عشوائي جميع التكوينات الممكنة ، والتكوينات المضطربة تفوق عددها بشكل كبير. لأن الطبيعة تفضل بشكل ساحق الخليط ، تتدفق الحرارة من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الباردة وليس في العكس. مع هذا ، يكتسب الوقت نفسه سهمه الذي لا رجعة فيه.
كيف يعمل الانتروبيا
يقيس Entropy ، من وجهة نظر Boltzmann ، عدد الطرق التي يمكن بها ترتيب النظام على المستوى المجهري مع النظر في المستوى العياني. تتوافق الحالات المنخفضة الإدارية-مثل غرفة مرتبة أو طبقات منفصلة من الكريمة والقهوة-مع عدد قليل جدًا من الترتيبات. تتوافق الحالات عالية الإنتروبيا-مثل غرفة فوضوية أو قهوة مختلطة بشكل موحد-مع العديد من الترتيبات الكبيرة نظرًا لوجود العديد من الطرق التي يمكن من خلالها خلط القهوة أو اللعب في الغرفة.
عندما يتطور نظام ما ، فإنه بالتأكيد يتحرك نحو تكوينات الإنتروبيا العالية لأن هناك ببساطة المزيد منها. هذا الاتجاه الإحصائي يكمن وراء كل عملية في اتجاه واحد نلاحظها: ذوبان الجليد ، انتشار العطور ، تشكيل الذكريات.
المزيد من الأمثلة اليومية
⏳ الحليب المملح: بمجرد خلط الحليب مع الحبوب ، انتشرت جزيئات الحليب الفردية في العديد من الطرق الممكنة التي لا يعودون جميعًا إلى مواقعها الأصلية في الوعاء.
تستمر القصة أسفل هذا الإعلان
⏳ing: خلايانا والبروتينات تتراكم تدريجيا تغييرات عشوائية صغيرة. إن عكس تلك التغييرات الدقيقة – مما يجعلنا أصغر سناً – يتطلب كل جزيء في أجسامنا لاستعادة خطواته تمامًا ، وهو استحالة إحصائية.
⏳ المحركات والثلاجات: كل محرك حقيقي يبصق حرارة النفايات. أن الحرارة “المفقودة” تمثل الطاقة التي تنتشر في حركات جزيئية عشوائية لا حصر لها. إن محاولة التقاط كل شيء وإعادة استخدامه سيطالب بإعادة تنظيم تريليونات الحركات في نمط واحد دقيق – معجزة إحصائية أخرى لا تحدث أبدًا.
مردود عملي
فهم الانتروبيا ليس مجرد أكاديمي. وهو يرشد المهندسين في تصميم محركات وثلاجات أكثر كفاءة ويبلغ علماء الكمبيوتر حول كيفية إدارة المعلومات والحرارة – في مراكز البيانات. في الطب ، يساعد الباحثون على فهم كيفية انهيار الخلايا ولماذا يحدث الشيخوخة ، مما يشير إلى طرق لإبطاء هذه العملية أو اكتشافها.
من بولتزمان إلى الكون
كتب بولتزمان الشهير إنتروبيا كـ s = k · ln w ، حيث يحسب w عدد الطرق التي يمكن ترتيبها بالذرات. في هذا الرأي ، ينمو الانتروبيا لأن W يزيد عادة مع تطور الأنظمة.
تستمر القصة أسفل هذا الإعلان
على المقاييس الكونية ، بدأ الكون في حالة إدخال منخفضة بشكل غير عادي في Big Bang-Matter and Energy معبأة في شكل مرتبة للغاية. منذ ذلك الحين ، دفعت الجاذبية والتفاعلات النووية إنتروبيا أعلى من أي وقت مضى ، من تكوين النجوم إلى عمليات دمج الثقب الأسود ، كل خطوة تفتح عوالم جديدة واسعة من الاضطراب. حتى فيزياء الثقب الأسود تستخدم إنتروبيا للتحقيق في الحدود النهائية للمعلومات والتبخر.
لماذا يهم
لذا في المرة القادمة ، يخبرك نخب الصباح البني أو قهوتك ، أو غريزتك تخبرك بالتوقف عن تسرب كوب من الماء ، فأنت تشهد إنتروبيا في العمل. سهم الوقت ليس قوة غامضة. إنها ببساطة الساعة المدمجة في الطرق التي لا حصر لها تفوق الاضطراب. ونعم ، تمامًا مثلما لا يمكنك إلغاء هذا الخبز أو إلغاء إبطال الحليب ، لا يمكنك الترجيح اليوم-لذلك يمكنك الاستفادة القصوى من كل لحظة.
Shravan Hanasoge هو عالم الفيزياء الفلكية في معهد تاتا للبحوث الأساسية.
اكتشاف المزيد من موقع تجاربنا
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
