فهم القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الثاني للديناميكا الحرارية يوضح لنا حقيقة أساسية عن الكون وهي أن الأشياء الساخنة تميل دائمًا إلى البرودة ما لم نبذل جهدًا لإيقاف هذا التراجع. يعكس هذا القانون مفهومًا عميقًا للغاية يتعلق بالفوضى، والتي تُعرف بكمية تُسمى الإنتروبيا، والتي تزداد باستمرار.

في عام 1915، وجه عالم الفيزياء الفلكية البريطاني آرثر إدينجتون تحذيرًا قاسيًا لمن يسعون إلى أن يصبحوا فيزيائيين نظريين. كتب: "إذا كانت نظريتك تتعارض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية، فلا أستطيع أن أقدم لك أي أمل؛ لأن ما ينتظرك هو الانهيار في أعمق درجات الإذلال".

شرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يعتبر القانون الثاني للديناميكا الحرارية من المبادئ الأكثر عمقًا في القوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية. يمكن تجسيد أهميته بشكل واضح من خلال تصور موقف يتعارض معه.

تخيل وضع 20 عملة معدنية، حيث يكون وجهها لأعلى، على صينية، ثم هزها وتصويرها أثناء الحركة. في النهاية، ستجد العملات المعدنية جميعها تتجه نحو نفس الوجه لأعلى، وهو تسلسل غير واقعي ومقلق بعض الشيء.

وكذلك تخيل صفار البيض وبياضه يعودان للاختلاط مرة أخرى بعد فتح البيضة، أو عالم حيث يمكنك تجميع الجوارب في أزواج بسهولة كما يمكنك خلطها.

تعود جذور الديناميكا الحرارية إلى الجهود المبذولة لفهم المحركات البخارية التي كانت محرك الثورة الصناعية في أوروبا خلال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. اكتشف المهندس الفرنسي سادي كارنو أن الحرارة تميل دائمًا إلى الانتشار والتبدد، مما يؤدي إلى انتقالها إلى مناطق أكثر برودة.

أي شيء يتعارض مع هذا الاتجاه يتطلب جهدًا إضافيًا، نظرًا لأن الجزيئات المتحركة في الأجسام الساخنة تكون أكثر اضطرابًا من تلك الموجودة في الأجسام الباردة.

تعتبر الزيادة في الإنتروبيا ظاهرة عالمية، لدرجة أن العديد من علماء الفيزياء يرون أن هذا هو السبب وراء شعورنا بتدفق الزمن. وهو أيضًا السبب وراء ضرورة ضخ قلوبنا للدم باستمرار وتزويد خلايانا بالطاقة، كإجراء مؤقت ضد بداية التحلل والاضطراب الحتمي.

هل هناك أي أمل للخروج من هذا؟ ربما. إن قوانين الديناميكا الحرارية تعتبر صحيحة فقط كمتوسطات إحصائية، ويعتقد البعض أن القانون الثاني لن يكون بهذه الصرامة على المقاييس الصغيرة في عالم الفيزياء الكمومية حيث تتفاعل جزيئات قليلة.

بل إن بعض علماء الفيزياء يعتقدون أن الآلات الكمومية قد تغير هذه القواعد أو تعيد صياغتها بشكل جديد.
رحلة العمر الحلقة 23

الديناميكا الحرارية والثقب الأسود

قد لا يكون لهذا تأثير كبير على المقاييس الكبيرة، ولكن إحدى الحالات التي تظهر فيها الديناميكا الحرارية الكمومية هي عند أفق حدث الثقب الأسود، مما قد يساعد في حل اللغز الدائم حول كيفية توحيد النسبية العامة مع نظرية الكم.

يحدد القانون الثاني في شكله الكلاسيكي أيضًا المصير النهائي للكون. مع زيادة الإنتروبيا، سيأتي وقت لن يبقى فيه نظام لصنع الفوضى، وفي النهاية ستتوقف الأشياء المثيرة للاهتمام عن الحدوث، مما يؤدي إلى "موت حراري" طويل وبطيء.

لكن ربما لا. هناك سيناريوهات أخرى تتنبأ بنهاية أكثر دراماتيكية. فقد اقترح مؤسس الديناميكا الحرارية الإحصائية الكلاسيكية، لودفيج بولتزمان، في عام 1896 نظرية غريبة تفيد أنه في حال وجود وقت كافٍ في كون كبير بما فيه الكفاية، فقد تؤدي التقلبات العشوائية إلى إنشاء كون فرعي يشبه عالمنا.

الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه قد يُنتج دماغًا يعتقد أنه موجود في مثل هذا الكون، ويعتقد أن الإنتروبيا في ارتفاع مستمر. في هذه الحالة، قد تكون جميع اليقينيات الثابتة في الديناميكا الحرارية مجرد وهم.