قانون و بی نظمی

بیگ بنگ: ولاتکو وِدرالِ فیزیکدان می گوید: ما در حال ساخت ماشینی هستیم که به وسیله تونل زنی از میان تعداد زیادی از قوانین محکم و استوار طبیعت، عمل می کند. وی می گوید: چند سال پیش، ایده ای داشتم که ممکن است نشانه ی کمی جنون به شمار آید. با خودم فکر کردم که آیا راهی برای ساختن موتوری کارآمدتر وجود دارد؟ و آیا قوانین فیزیک این اجازه را می دهند؟

DbVoGfXkAIIDWCبه گزارش بیگ بنگ، شما در ضمیر خودتان برای رد کردن این پیشنهاد تردیدی نخواهید داشت. همه می دانیم که بازدهی موتورها، تحت حاکمیت ترمودینامیک، یکی از ستون‌های بسیار محکم فیزیک است. این یکی از مجموعه قوانین طبیعی است که شما به وسیلۀ آن نمی توانید زیاد مانور دهید. با این حال، اگر من دفترم در دانشگاه آکسفورد را ترک کرده و به سمت پایین راهرو قدم بزنم، می توانم ماشینی را ببینم، که بی اعتنا به این قوانین کار می کند. این ماشینی با توان و پیچیدگی قابل توجه، به همراه لیزرهای سبز و یونها، به جای روغن و پیستون‌ها است. راهی طولانی در پیش است، اما من اعتقاد دارم، اختراعاتی از این دست، اَشکالی از تکنولوژی آینده خواهد بود.

کامپیوترهای بهتر و کارآ تر از راه خواهند رسید. و اینچنین موتورهایی، طلایه‌دار دوران نوین علم هستند. برای ساختن این موتورها، ما در حال کشف حوزه‌ای هستیم که “ترمودینامیک کوانتومی” نامیده می شود. مجموعه‌ای بازنویسی شده از نظرات‌مان در مورد چیستی و در واقع سرشت حیات، کیهان و همه چیز. ترمودینامیک، نظریه‌ای است که اثر متقابل میان دما و حرارت، انرژی و کار را توصیف می کند. لذا خیلی از چیزها از مغز تا عضلات شما گرفته تا موتور ِ خودروها و ماشین مخلوط کن آشپزخانه و همچنین ستاره‌ها تا اختروش‌ها را به خوبی تنظیم می کند. ترمودینامیک بستری را از آنچه می توانیم حل کنیم شامل ِ انواع چیزهایی که می توانند یا نمی توانند در کیهان رخ دهند، فراهم می کند. اگر یک برگر بخورید، یا باید کالری آن را بسوزانید یا چاق‌تر شوید. قهوه تا زمانی که روی میز قرار دارد، هرگز خود به خود گرم نمی شود. کیهان همان طور که گسترش می یابد، سردتر شده، و بطور بی‌رحمانه‌ای به سوی مرگ گرمایی در آینده‌ای دور هدایت می شود. همۀ اینها حقایق گریزناپذیر قابل ارجاع به ترمودینامیک هستند. در واقع این حقایق، از دو قانون اصلی آن می آیند، که به طور خلاقانه‌ای قوانین اول و دوم نامیده شده‌اند.

این قوانین مسیری طولانی در پیشینه خود دارند. یکی از داستان‌های مورد علاقۀ من در مورد ایجاد آنها، ماجرای درگیر شدن پزشک آلمانی “جولیوس فون مایر” با این مباحث است. پزشکی که عشق واقعی‌اش فیزیک بود. این ماجرا به دهه ۱۸۴۰ میلادی باز می گردد. زمانی که مایر بعنوان جراح در کشتی در سفری دریایی به جاکارتای اندونزی مشغول به کار شد. در طی این سفر، او متوجۀ چیزی نادر شد: نزدیک مدار استوا، خون در رگ های ملوانان، آبی به نظر نمی رسید همانطور که در بازگشت به خانه‌شان در آلمان، باید قرمز تیره باشد. مایر این فرضیه را ارائه داد که خون قرمزتر به علت کمبود غذایی است که برای حفظ حرارت بدن در آب و هوای گرم تر استفاده شده است. او با تفکر در مورد دادن و گرفتن در خِلال سوخت و ساز و دما و حرارت تولید شده در بدن، ماهیت قانون اول را روشن ساخت: انرژی نمی تواند ایجاد شده یا از بین برود، بلکه تنها به اطراف منتقل می شود.

پیدایش آنچه که قانون دوم نامیده می شود به حدود ۲۰ سال قبل از سوار شدن مایر به کشتی‌اش بر می گردد. در آن زمان، موتورهای بخار اروپا را تغییر داده بودند. کوره‌ها و پیستون‌های آنها، کارخانه‌ها و ماشین‌های انقلاب صنعتی را به حرکت در آورده بودند. مهندس فرانسوی “سَدی کارنو” از این موضوع ناراحت بود که هیچکس درک درستی از چگونگی کار این موتورها ندارد. لذا شخصا دست به کار شد. بینش عمیق او این بود که فارغ از نوع دستگاه، چیزهای داغ، همیشه حرارت را به محیط اطرافشان منتشر می کنند. بعنوان مثال، هنگامی که آب در موتورهای بخار گرم می شود، همیشه مقداری از حرارت به هوای بیرون نشت می کند. بنابراین این موتورها، هرگز به طور کامل کارآ نیستند. در سال ۱۸۲۴، او تنها کتاب خود را جهت عمومی کردن این ایده منتشر کرد. این کتاب نشان می دهد که هیچ موتوری نمی تواند از محدودۀ معینی که به عنوان “بازدهی کارنو” شناخته می شود، فراتر رود. این بازدهی، به تفاوت دمایی مابین منبع حرارتی (کوره) و چاه حرارتی (هوای بیرون) بستگی دارد.

انتروپی گریزناپذیر

کارنو چند سال بعد فوت کرد و کتابش برای دهه‌ها نادیده گرفته شد. تا اینکه فیزیکدان آلمانی، رُدُلف کلازیوس به آن پرداخت. کارنو حرارت را به عنوان یک ماده بی وزن می پنداشت، اما کلازیوس حرارت را در واقع مربوط به چگونگی حرکت سریع اتم‌ها یا مولکول‌ها مربوط می دانست. که این امر او را قادر ساخت ایده‌های کارنو را بر حسب ترم‌های اندازه‌گیریِ بی نظمی که “اِنتروپی” نامید، اصلاح نماید. تصور کنید جعبه‌ای دارید که دارای ذراتی داغ با حرکت سریع و ذراتی سرد با حرکت کُند است. این یک چینش منظم است، زیرا همه ی ذرات در مجموع دارای انرژی های مشابه هستند. اما کلازیوس عنوان کرد که کیهان شبیه حالت‌های انتروپی پایین نیست. اگر شما جعبه‌ها را باز کنید، ذرات درهم هستند. این مساله، او را به سوی قانون دوم آنچنان که ما امروزه می دانیم سوق داد: انتروپی به صورت طبیعی افزایش می یابد، مگر اینکه شما مقداری کار برای توقفش به کار ببرید.

با پیروی از منطق ِ این دو قانون، شما در نهایت به توصیفی پولادین در مورد آنچه در کیهان رخ می دهد، دست خواهید یافت. اخترفیزیکدان “آرتور اِدینگتون” یک بار گفت: «اگر نظریه خود را بر خلاف قانون دوم ترمودینامیک یافتید، من نمی توانم هیچ امیدی به شما بدهم؛ برای نظریه شما هیچ چیزی جز فروافتادن در ورطۀ سرشکستگی وجود ندارد.» پس ایدۀ من برای یک موتور که قوانین را زیر پا می گذارد، چه می شود؟ به نظر می رسد پا در هوا می ماند. در واقع، ما نامی برای موتوری که جدای از ترمودینامیک کار می کند، داریم. ما آن را “ماشین حرکت دائمی” می نامیم، که ضرب‌المثلی برای چارچولک بازی علمی است. اما ماشین پایین راهرو از این نوع نیست. این ماشین، زیرکانه اما مشروع به کار انداخته می شود: از طریق فیزیک کوانتومی.

entropy fractalترمودینامیک از تئوری کوانتومی قدیمی تر است و در واقع؛ مسئول تولد آن است. در سال ۱۹۰۰ میلادی فیزیکدان آلمانی، “ماکس پلانک” کوشش می کرد خصوصیات اشیائی فرضی را که “جسم سیاه” نامیده می شد و همۀ اشعه‌هایی که به آن می تابید را جذب کرده و سپس دوباره بازمی تاباند را بفهمد. بهترین فیزیک در آن زمان پیشنهاد می کرد که باید تعداد نامحدودی از طول موج ها وجود داشته باشد. لذا جسم سیاه باید مقدار انرژیِ بی نهایت را بیرون می داد. که چیزی مزخرف بود. پلانک مساله را با فرض اینکه انرژی فقط می تواند تکه تکه منتشر شود، حل کرد. او این تکه‌ها را “کوانتا” نامید.

این جهش، برای توضیح بسیاری از پرسش‌های آزاردهنده در فیزیک کمک شایانی کرد. اما هنگامی که ما شروع به مطالعۀ اشیائی که طبق نمایشنامه کوانتومی، به ایفای نقش می پردازند می کنیم، در می یابیم که آنها چیزهای خارق‌العاده‌ای انجام می دهند. یکی از بهترین و شناخته شده‌ترین مثال‌ها، “درهم تنیدگی” است. هنگامی که دو ذره در هم بافته می شوند به طوری که تداخل با یکی از آنها، فورا خصوصیات دیگری را تغییر می دهد. مثال دیگر این است که یک اتم می تواند به طور همزمان در حالت انرژی بالا و پایین وجود داشته باشد. که به “برهم نهی” مشهور است.

این رفتارها، همۀ قوانین معمول در دینامیک را زیر پا می گذارند. آیا دلیلی وجود دارد که فکر کنیم ترمودینامیک مستثنی است؟ فقط در طی پنج سال گذشته یا بیشتر است که ما ابزارهایی برای تحقیق در مورد این پرسش در اختیار داریم. کار “توبیاس اسکاتس” در موسسه مطالعات پیشرفتۀ فرایبورگ آلمان را در سال ۲۰۱۶ در نظر بگیرید. او آزمایشی را برای نگاه کردن به یون های درون کریستال ترتیب داد. او به آنها مقداری انرژی داد و سپس به نظاره نشست که آنها چگونه سرد می شوند. برخلاف فنجان قهوه که رفته رفته سرد می شود، به نظر می رسید یون‌ها برای مدتی انرژی خود را از دست داده ولی به طور ناگهانی به حالت قبل پرش می کرد. این اثباتی است بر آنچه ما نسبت به آن بدگمان شده بودیم: قوانین ترمودینامیک کلاسیک، همیشه در جهان کوانتومی کار نمی کنند.

متاسفانه، چسباندن قوانین ترمودینامیک کلاسیک در کاربردهای کوانتومی، فریب کارانه است. به این دلیل که، معادل کوانتومیِ مفاهیم ترمودینامیک کلاسیک نظیر حرارت و اِنتروپی، هنوز روشن نیست. این مفاهیم محصول نهایی حرکتِ دسته جمعی ذرات هستند؛ لذا هنگامی که با یک یا دو ذره سروکار دارید، چگونه می توانید در مورد نظایر این مفاهیم فکر کنید؟

بگذریم. با خود فکر کردم به هر حال باید نسخه ی کوانتومیِ موتور حرارتی را بسازم. این موتور متفاوت‌تر از هر چیزی خواهد بود که کارنو با آن آشنایی داشت، اما با اصولی مشابه. ایده این بود که یک جفت مولکول آلی را ایجاد کرده و با تاباندن نورِ درخشان بر رویشان، آنها را به سطح انرژی بالا رساند. با انجام آزمایش فقط از سمت چپ، با بازنشر نور با فرکانس‌های مختلف، مولکول‌ها اندکی به سطح انرژی پایین‌تر برخواهند گشت.

بخش مهم کار این است که اگر آزمایش را صرفا از سمت راست برپا کنیم، نور منتشر شده هیچ اطلاعاتی حمل نمی کند که بتواند بگوید از کدام دو مولکول آمده است. طبق تئوری کوانتومی، این نیروها به آنها درهم تنیده شده و لذا هنگامی که یک مولکول به سطح انرژی پایین تر می پرد، دیگری هم به طور خودکار همین کار را می کند. این عمل توسط ِ هر دو نور منتشره، و در راستای فرآیندی موسوم به “اَبَر رسانایی” انجام می شود. من انتظار داشتم که این موتور کوانتومی باز هم تحت نشتی‌های انرژی به همان شیوه‌ای که کارنو نزدیک به ۲۰۰ سال پیش مشخص کرد باشد. اما به دلیل ابررسانایی، این موتور، باید انرژی را سریعتر انتقال داده و کارآ تر از موتور غیرکوانتومی باشد.

من سال گذشته با کمک دو همکار آزمایشگر خود، تریستان فارو و روبرت تیلر، کنترل آزمایش را در حالی که مولکول ها درهم تنیده نبودند، کامل کردم. ولی همان طور که در حال تنظیم نسخۀ نهایی جذابی برای ارائه بودیم، از دیگران پیشی گرفتیم. در اکتبر ۲۰۱۷، همکاران آکسفوردی‌ام، آن وامسلی و تیمش، آزمایشی مشابه با آنچه که ما انتظار داشتیم، توصیف کردند. در این موتور، مولکول‌های آلی عمل جذب و انتشار را انجام نمی دادند، بلکه اتم‌ها درون یک حفره مشخص در الماس به دام افتادند. اتم‌ها درهم تنیده نبودند، اما به صورت برهم نهی از حالات انرژی بالا و پایین بودند. و با اطمینان کافی، وامسلی و تیمش مشاهده کردند که نور سریعتر از آنچه قوانین کلاسیک ترمودینامیک پیش بینی می کند، تولید شد. هنوز کاملا روشن نیست که چرا اینچنین است. و قطعا درجه ی خطا کوچک است. با این وجود، اولین اثبات قاطعی است بر اینکه موتور حرارتیِ کوانتومی می تواند قوانین پولادین را بشکند.

من انتظار دارم این ماشین تکمیل شود. و در مورد آیندۀ ماشین‌های حرارتیِ کوانتومی هیجان‌زده هستم. چیزی که در ابتدا مرا به این بازی کشاند، کارم روی کامپیوترهای کوانتومی بود. بحث‌های زیادی وجود دارد در مورد طرز کار این ماشین‌های آتی با استفاده از بیت‌ها یا کیوبیت های کوانتومی و اینکه باید بتوانند همۀ محاسبات دشوار را حل کنند. اما به کارگیری آنها در گرو سرد کردن سخت افزارشان به دماهای بسیار پایین است. و این امر مستلزم مقادیر عظیمی از انرژی است. اَخلاف ماشین وامسلی می توانند به این مهم کمک کنند. با این همه، موتور حرارتی، حرارت را به کار مستقیم تبدیل می کند. برای مثال در موتور بخار، حرارت موجب حرکت پیستون می شود. اگر این فرآیند را معکوس کنید می توانید از کار مستقیمِ پمپِ حرارتی استفاده کنید که نتیجه‌اش یخچال کوانتومی است. گِلِب ماسِنیکُف از دانشگاه ملی سنگاپور و همکارانش، قبلا روی یخچال‌های کوانتومی با نشانه‌هایی نویدبخش از اینکه ممکن است نسبت به همتایان کلاسیک شان کارآ تر باشند، آزمایشاتی انجام دادند.

این تنها کامپیوترهای کوانتومی نیستند که باید از این فرآیند سود ببرند. یکی از موانع بزرگ بر سر راهِ خیلی کوچک کردن مدارهای معمولی این است که اگر سعی کنیم اجزایشان را فشرده‌تر کنیم، بسیار داغ می شوند. سرد کردن آنها دقیقا چیزی است که به آن نیاز داریم. اگر در مورد یک یخچال کوانتومی در دسترس فکر می کنید، اجازه دهید باتری‌های کوانتومی را به شما معرفی کنم. دانشجوی سابقم، فلیکس بایِندِر، اکنون در دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، نشان داده است که باتری‌های کوانتومی می توانند نسبت به موارد معمولی خیلی سریعتر شارژ شوند.

به جای حرکت یون‌ها به اطراف، که در باتری‌های سنتی انجام می شد، این دستگاه‌ها دارای بیت‌های الکترونیکی مشابه با بیت کامپیوتر هستند. بیت‌هایی که یا شارژ هستند یا نه. بر اساس ترمودینامیک کلاسیک، مقدار انرژی مورد استفاده برای شارژ باتری به صورت خطی با تعداد بیت‌ها افزایش می یافت. اما بایندر نشان داد که اگر بیت ها را درهم تنیده کنیم، مقدار انرژی مورد نیاز برای شارژ کامل، با ریشه ی دوم تعداد آنها متناسب خواهد بود. این بدان معناست که یک باتری کوانتومی با یک میلیون بیت، در  همان زمانی که برای شارژ ۱۰۰۰ بیت از باتری کلاسیک طول می کشد، به طور کامل شارژ خواهد شد. ویتوریو پِلِگرینی از موسسه فناوری جِنووای ایتالیا، پژوهشگری است که امیدوار است یک چنین “اَبَرباتری” ای را در عرض چند سال آینده بسازد.

خانه‌ای نامرتب

“ترمودینامیک کوانتومی ممکن است بدین معنا باشد که زمان می تواند در دو جهت تیک تاک کند.” ما نباید فکر کنیم که ترمودینامیک کوانتومی فقط محدود به ساخت ابزار است. بلکه روی ژرف ترین تمایزات انگشت می گذارد: زندگی و مرگ. موجودات زنده همواره می کوشند برخلاف قانون دوم ترمودینامیک، با مکیدن انرژی، نظم درون سلول‌های خود را حفظ کنند. توان تولیدی برای این کار توسط اندام‌هایی تامین می شود که مشابه موتور حرارتی هستند و “میتوکُندری” نامیده می شوند. لذا این پرسش جذاب خواهد بود: با اینکه انتخاب طبیعی به تقویت کارآیی تمایل دارد، آیا زیست شناسی موتورهای حرارتی کوانتومی را تکامل بخشیده است؟ این یک بحث داغ است در مورد اینکه چقدر اثرات کوانتومی در زیست شناسی دارای اهمیت هستند. اما به عقیدۀ من کسی که فکر کند تکامل، کارآ ترین موتورهای ممکن را تولید کرده است، دیوانه نیست.

حتی جریان زمان ممکن است به وسیله ی ترمودینامیک کوانتومی از نو قالب ریزی شود. به جز قانون دوم ترمودینامیک، هیچ قانونی در فیزیک وجود ندارد که دلیلی ارائه دهد در مورد اینکه چرا هیچ یک از فرآیندهای طبیعی نمی توانند به عقب برگردند. پافشاری بر این که انتروپی باید افزایش یابد، بسیاری از فیزیکدانان را به سمتی هدایت کرده است که گمان کنند زمان به طریقی از تغییر انتروپی برمی خیزد.

به بیان کلاسیک، انتروپی یک حس غریزی برای ما به وجود می آورد. بعنوان مثال، ترمودینامیک کلاسیک می گوید که بی نظمی در کیهان باید دست کم مشابه با بی نظمی در بخش‌های مختلفش باشد. این امر شبیه این است که بگوییم: میزان کل درهم برهمی یک خانه، می تواند به عنوان مقدار انرژی لازم برای مرتب کردن آن محاسبه شود. این مقدار نمی تواند از درهم برهمی خانۀ نامرتب کمتر باشد.

اگر گیتی از قوانین ترمودینامیک کوانتومی پیروی کند، تصویر آن به طور اساسی متفاوت خواهد بود. ما دقیقا هنوز نمی دانیم که این قوانین چه هستند. اما از معادلات نظریه کوانتومی می دانیم که مقدار کل بی نظمی در گیتی باید ثابت باقی بماند. پس انتروپی چه چیزی زیاد می شود؟ عدم قطعیت کوانتومی ما را از به دست آوردن اطلاعات کامل در مورد حالات بخش‌های منحصر به فرد گیتی باز می دارد. این بدان معناست که بعضی از بخش‌های کیهان می توانند بی نظمی بیشتری از کل مجموعه داشته باشند.

این یعنی اگر شما به گیتی به عنوان یک کل نگاه کنید، انتروپی تغییر نخواهد کرد و لذا در آن زمان هم وجود نخواهد داشت. اما با نگاه کردن به تکه‌های کوچک است که انتروپی تغییر کرده و زمان شروع به تیک تاک می کند. زیرا چیزها همیشه و در همه جا، چیزی برای عرضه ندارند. حتی ممکن است که پیکان زمان در بخش‌های مختلفی از کیهان در جهات متفاوتی جریان یابند. این کاوشی دقیق در بنیان‌ ترمودینامیک است که به وسیلۀ آن می فهمیم، تصویری که از واقعیت به ما نشان می دهد چقدر درست است. این است که موتورهای حرارتی کوانتومی برای ما اینچنین جذاب هستند. من نمی توانم از گفتن در مورد آنها تعلل کنم زیرا آنها سرعت زیادی دارند.

نوشته: وِلاتکو وِدرال/ فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان و دانشگاه ملی سنگاپور
ترجمه: سیدامین مهناپور/ عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی در گروه مکانیک

سایت علمی بیگ بنگ/ منبع: مجلۀ نیوساینتیست، آوریل ۲۰۱۸

(18 نفر , میانگین : 4٫61 از 5)
لینک کوتاه مقاله : https://bigbangpage.com/?p=77723
تحریریه‌ی بیگ بنگ

تحریریه‌ی بیگ بنگ

وب سایت بیگ بنگ یک سایت علمی، تحقیقاتی میباشد که توسط تعدادی از علاقمندان به علم و دانش اداره می شود. این سایت از اواخر سال 1391 تاکنون به فعالیت خود در این حوزه ادامه داده است.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۵ پاسخ‌ها

  1. بهنام طیبی گفت:

    چقدر جالب و مفهومی

  2. parsa گفت:

    امیدوارم روزی یک علم جدیدی به غیر از فیزیک کلاسیک و کوانتوم و نسبیت و ریسمان ها
    به وجود بیاد و به همه این سوال های عجیب پاسخ بده

  3. مرتضی گفت:

    واقعاعالی

  4. کاوه کواری گفت:

    واقعا یکی ازبهترین مقاله هاییست که دراین سایت خوندم.هرقسمتیش روکه میخوندم ،یه موقع به خودم میومدم که دقیقه هاست توافکارم غرق شدم وذهنم تاناکجاهارفته.واقعیت وبخوام بگم خوندن این مقاله حدودیک ساعت ونیم طول کشید.واقعاتصوراینکه علم،چگونه فناوری وتکنولوژی هایی رو به زندگی انسانهای آینده هدیه میکنه ومثلا صدسال دیگه انسان درچگونه دنیایی زندگی میکنه،بسیارهیجان انگیزوشگفت آوره.
    فکرشوبکنید،اگه بتونین به پانصدسال قبل برگردین چگونه تکنولوژیهای الان رومیتونیدبراشون توضیح بدید؟؟؟؟جهان اونهاخلاصه میشدبه زمینی صاف وبی انتها،هفت فلک دوار وستاره هایی که صرفاجهت خوشکلترشدن آسمان شب چسپیده به گنبدآسمان…..شایدبه هیچ عنوان نتوانیدباجهان بینی الان متقاعدشون کنید(مثلاشایدمن تکه آهنی روبرمیداشتم ومیگفتم یه چیزی ساخته وکشف میشه که ازداخل این ردمیشه وچندین برابراین مشعلهاروشنایی میده.توزمستون میشه باهاش گرماایجادکردوتابستون سرما.باهاش میشه آهنهایی روبسیارسریع چرخوندوباقراردادنشون توچاههاوقناتهاآبی به اندازه چندین چشمه روبالاکشید.ویه موقه میدیدم که باهمون آهن کبودم کردن وبعنوان یه دیوانه و روانی به زنجیرکشیدنم…..lol:D )
    هعیییی ای علم فیزیک ای برترازخیال هههه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.