قانون دوم ترمودینامیک در معرض نقض شدن قرار گرفت

به گزارش کلیک، قوانین ترمودینامیک از جمله اصول مهم در فیزیک مدرن هستند، چرا که آن ها چگونگی رفتار سه کمیت فیزیکی بنیادی (درجه حرارت، انرژی، و آنتروپی) را در شرایط مختلف معین می کنند.

اما در حال حاضر فیزیکدانان می گویند که آن ها یک نقطه ضعف در یکی از این قوانین یافته اند و می تواند حالاتی را به وجود بیاورد که در آن ها آنتروپی یا به نوعی بی نظمی، در واقع با گذشت زمان کاهش می یابد.

به لطف فیزیک مدرن، تقریبا هر چیزی در جهان هستی را می توان با توجه به دو نظریه توضیح داد؛ نسبیت عام برای چیزهای بزرگ مانند ستاره ها، کهکشان ها و همین طور همین جهان و مکانیک کوانتومی، برای رفتارهایی که در مقیاس اتمی توضیح داده می شوند.

در آن دو شاخه، چهار قوانین ترمودینامیک جای می گیرند که چگونگی تبدیل گرما (یا انرژی حرارتی) را به انواع مختلف انرژی و بالعکس بیان می کند و نیز اثر آن بر اشکال مختلف ماده را مشمول می شود.

در واقع، اگر شما می خواهید بدانید که چگونه انرژی در داخل یک سیستم حرکت می کند، از یک اتم گرفته تا یک سیاه چاله، این قوانین مورد نیاز شما است و باید از آن ها اطلاع کافی داشته باشید.

موضوع مورد علاقه ما در حال حاضر قانون دوم ترمودینامیک است که به انتقال انرژی در یک سیستم از 'حالت قابل استفاده "به" غیر قابل استفاده می پردازد. در واقع، وقتی انرژی قابل استفاده در یک سیستم بسته و یا ایزوله کاهش می یابد و انرژی غیر قابل استفاده افزایش پیدا می کند، آنتروپی نیز افزایش می یابد.

آنتروپی یک معیار اندازه گیری بی نظمی در یک سیستم بسته و یا ایزوله است و قانون دوم ترمودینامیک می گوید که هر چه انرژی قابل استفاده در سیستم از دست برود، بی نظمی و جا به جایی افزایش می یابد و این پیشرفت به سمت بی نظمی هرگز توانایی معکوس شدن ندارد.

همان طور که ALOK توضیح داده است، قانون دوم ترمودینامیک احتمالا حتی عمق و ژرفای بیشتری نسبت به قانون اول ترمودینامیک دارد که می گوید انرژی نمی تواند ایجاد شود یا از بین برد؛ دلیل ژرفای عمیق تر آن نیز این است که محدودیت هایی که در جهان هستی ما وجود دارد را به روشنی بیان می کند.

او در ادامه اذعان داشت: این قانون در مورد ناکارآمدی، انحطاط و فروپاشی است. در حقیقت، قانون مورد نظر به ما می گوید که تمام کارهایی که ما انجام می دهیم ذاتا بیهوده است و نیز این که فرایند های برگشت ناپذیری در این دنیا وجود دارند. این قانون جالب همچنین یک نشانه و پیکان برای زمان در اختیار ما قرار می دهد و به ما می گوید که جهان ما دستخوش اتفاقات غیرقابل گریز تلخ و دچار سرنوشت تاریک است!

اما وقتی از همه این موضوعات عبور کنیم، اگر واقعا قانون دوم ترمودینامیک در همه موارد و موضوعات صدق نکند، آن وقت چه می شود!؟ در واقع، چه می شود اگر بتوان یک سیستم ایجاد کرد که در آن آنتروپی کاهش یابد.

محققان در وزارت آزمایشگاه ملی آرگون انرژی می گویند که ممکن است یک راه گریز و در واقع نقض در قانون دوم ترمودینامیک یافته باشند که در آن آنتروپی می تواند در جهت مخالف پیشرفت کند؛ آن هم تنها در کوتاه مدت و در مقیاس میکروسکوپی.

آن ها یک مفهوم آماری را مورد بررسی و کنکاش قرار دادند که در برگیرنده اساس قانون دوم ترمودینامیک است و به نام قضیه H شناخته می شود. در ساده ترین شکل آن، قضیه H توضیح می دهد که چگونه اگر شما یک درب را بین دو اتاق باز کنید که هوای یکی از آن ها داغ و دیگری سرد است، آن دو محیط اتاق در نهایت به یک تعادل گرمایی می رسند و گرما از محیط گرم به محی سردتر منتقل می شود تا جایی که دو محیط به تعادل برسند.

اما همان طور که اوری تامپسون توضیح می دهد، از آن جا که تقریبا دنبال کردن و زیر ذره بین قرار دادن چگونگی حرکت هر مولکول در این سناریو (و آن هایی که به مراتب پیچیده تر هستند) غیر ممکن به نظر می رسد، فیزیکدانان آن ها را در گروه هایی مورد بررسی قرار می دهند، نه اجزای منحصر به فرد و تکی.

برای درک یک ایده واقعی تر از چگونگی رفتار مولکول های منحصر به فرد با توجه به قضیه H، تیم آزمایشگاه آرگون تصمیم گرفتند تا در یک مقیاس کوانتومی به بررسی آن بپردازند. آن ها این کار را با در نظر گرفتن نظریه اطلاعات کوانتومی انجام دادند که بر اساس یک سری سیستم های ریاضی انتزاعی است و سپس آن را در علم فیزیک مواد متراکم اعمال کردند تا به یک مدل کوانتومی قضیه H جدید دست پیدا کنند.

ایوان سادووسکی، یکی از اعضای این تیم گفت: این به ما این اجازه را داد که قضیه H کوانتومی را فرموله کنیم؛ از آن جا که این نظریه مربوط به مواردی است که می توان آن ها را به طور فیزیکی مشاهده کرد.

این مسئله منجر به ایجاد ارتباط بین فرآیندهای مستندشده ی فیزیک کوانتوم و کانال های کوانتومی نظری شده است که نظریه اطلاعات کوانتومی را تشکیل می دهند. آن ها می گویند که در مدل کوانتومی قضیه H جدید، شرایط خاصی وجود دارد که در آن آنتروپی در واقع ممکن است کاهش یابد؛ حداقل به طور موقت! آن ها نتایج را با آزمایش سال ۱۸۶۷ Maxwell's Demon مقایسه کردند که توسط فیزیکدان جیمز کلرک ماکسول انجام شد.

ماکسول پیشنهاد کرد که اگر یک دیو کوچک کوانتومی بر روی یک درب بین دو اتاق ولرم بنشیند و تنها رفت و آمد ذرات در سرعت های خاصی را اجازه دهد تا رخ دهند، می توان به طور موثری جریان گرما را کنترل کرد که این منجر به گرم شدن یکی از اتاق ها شود، در حالی که دیگری رفته رفته گرمای خود را از دست می دهد و سرد می شود.

بدین ترتیب، این دیو تنها به ذرا گرم و سرد اجازه می دهد تا از دو مسیر کاملا مجزا رفت و آمد کنند که در این صورت، دیو از ترکیب شدن ذرات جلوگیری خواهد کرد.

اعضای تیم آرگون به تازگی با یک پیشرفت قابل ملاحظه این موضوع را به مراحل قابل ستایشی رسانده اند و یک مدل ریاضی جدید را ارائه داده اند که نشان می دهد که وقتی یک سیستم کوانتومی ایجاد می شود؛ چگونه با یک حالت آنتروپی متضاد روبرو می شویم؛ در حقیقت، ی ک آنتروپی که در آن بر خلاف قوانین موجود، بی نظمی یا همان آنتروپی به طور موقت کاهش می یابد.

البته که چنین نظریه و مدلی می تواند بسیار جنجال برانگیز باشد و باید اذعان کنیم که همین گونه نیز بوده است، اما محققان دست روی دست نگذاشته اند و در پی اثبات گفته های خود هستند و در این مسیر از نظریه های قبلی و نیز آزمایشات انجام شده مانند آزمایش مذکور راهنمایی می گیرند. آیا فهمیدن این که تمامی موضوعات خوانده شده قبلی ما راجع به قانون دوم ترمودینامیک نقض می شود، برای شما جالب است!؟