بیگ بنگ: اين اصل كه به عنوان قانون اول ترموديناميك شناخته مي شود، يكي از قوي ترين اصول علمي است كه ظاهرا مويي لاي درزش نمي رود. به حدي در تاريخ اين اصل علمي، قدرتمند ظاهر شده است كه امانوئل كانت، فيلسوف مشهور آلماني آنرا يك اصل پيش از تجربه مي دانست، يعني شبيه قوانين رياضي بي نياز و مستقل ازتجربه. البته نظر كانت در مورد اصول تحليلي همچون رياضي درست است، اما در مورد قانون بقاي انرژي رد شده است، اين قانون واقعا از هفت خوان رستم تجربه رد شده است.

2333

فيلسوفان يونان باستان همچون تالس(Thales of Miletus) و امپدوكلس (Empedocles) اشاراتي فلسفي به قانون پايستگي داشته اند. در قرن شانزدهم، گاليله از طريق حركت آونگ كه انرژي پتانسيل آن به جنبشي و برعكس تبديل مي شود، اشاره كوچكي به اين موضوع داشته است. در اواخر همان قرن، لايبنيتز آلماني (Gottfried Leibniz) اولين تلاش را براي فرموله كردن پايستگي انرژي جنبشي در غياب اصطكاك انجام داد. در همان زمان قانون بقاي تكانه (مومنتوم) حتي با وجود اصطكاك كاربردي شده بود. به زودي مهندسين و شيميدانها به اين نتيجه رسيدند كه قانون مومنتوم براي محاسبات عملي كافي نيست. از طرفي فرمول لايبنيتز هم در عمل كارايي چنداني نداشت چون اصطكاك معمولا همه جا بود و انرژي جنبشي گم مي شد! پس از كش و قوسهاي زياد سرانجام در سال 1838 كارل فريدريش موهر اولين دكترين پايستگي انرژي را بيان كرد كه در آن به كلمه فيزيكي كرافت (انرژي يا كار) اشاره شده است، وي ادامه مي دهد كه بسته به شرايط، انرژي مي تواند به صورت حركت ، ميل تركيبي شيميايي، جاذبه، الكتريسيته، نور و مغناطيس ظاهر شده و از يك شكل به اشكال ديگر در آيد.

با تلاش دانشمنداني از جمله ژول گرما نيز وارد معادله و صورتي از انرژي شد. در سال 1850 ويليام رنكين اسكاتلندي براي اولين بار از عبارت ” قانون بقاي انرژي” استفاده كرد. فرآيند رسيدن به اين قانون در مفهوم ترموديناميك نيز نتيجه نيم قرن تلاش و سعي و خطا بوده است. با اين وجود معناي علمي آن با تلاش دانشمنداني همچون ويليام رانكين ، جرمان هس روسي، جوليوس ماير آلماني و از همه مهم تر كلازيوس آلماني به بار نشست. امروزه پايستگي انرژي به عنوان قانون اول ترموديناميك شناخته مي شود : انرژي يك سيستم منزوي ثابت است. آدمي كمي وسوسه مي شود كه نظر كانت را در مورد پايستگي انرژي بپذيرد، به نظر مي رسد كه دانشمندان هر جا كه انرژي گم مي شده است، با يافتن يك مفهوم يا معادله جديد آن را نجات داده اند! اگر انرژي جنبشي گم شود، مفهوم گرما به داد آن مي رسد. اگر گرما گم شود، مي توان نور را وارد معادله كرد. اگر همه اينها گم شد، انرژي پتانسيل وارد كارزار مي شود. آيا به راستي اينگونه است؟

اگر تبديل انرژي به صورتهاي مختلف يك طرفه باشد اين موضوع درست است. فرض كنيد انرژي گرمايي گم شود و دانشمندان براي نجات بقاي انرژي،نور را عامل آن بدانند. اگر نور نتواند به گرما يا صورت ديگري از انرژي تبديل شود، معادله جديد صرفا قصد نجات پايستگي انرژي را دارد. اما تا زمانيكه صورتهاي مختلف انرژي بتوانند به يكديگر تبديل شوند، قانون پايستگي كاملا تجربي و كاربردي است! در طول تاريخ قانون پايستگي انرژي بارها تهديد شده است. برخي از اين تهديدها شبه علمي و برخي كاملا علمي بوده است. در ادامه به بررسي برخي از اين تهديدها مي پردازيم.

محركهاي دائمي : در دوره اي از تاريخ اروپا رقابتي بين مخترعين براي ساخت يك محرك دائمي ايجاد شده بود. شايد بتوان اين تلاش را شبيه كوشش كيمياگران براي تبديل فلزي همچون مس به طلا دانست. البته تفاوت آن اين است كه امروزه با ليزر مي توان كيمياگري كرد و حتي از هيدروژن به طلا رسيد، اما هيچكس به فكر ساخت محرك دائم نيست! به نظر مي رسيد كه يك مخترع به نام اورفيرئوس آلماني كه نام واقعيش بسلر بود، سرانجام توانست محرك دائمي را بسازد. ماشين او چرخ بزرگ با اتصالات نسبتا پيچيده اي بود كه دائم مي چرخيد. حتي در آزمايشهاي دقيقي كه به عمل آمد، معلوم شد كه اين چرخ چندين روز مي چرخد، اما طولي نكشيد كه حيله مخترع فاش شد. ايشان به طور زيركانه محفظه اي را طراحي كرده بود كه شخصي در آن پنهان مي شد و در زمان مناسب چرخ را مي چرخاند! در زمانيكه همه از امكان ساخت محرك دائمي ناميد شده بودند،در سال 1800 ميلادي يك مخترع هوشمند ساعتي ساخت كه بدون كوك دائما كار مي كرد، اما واقعيت اين است كه كوك آن توسط اختلاف در فشار هوا انجام مي شد و خطري براي قانون بقاي انرژي ايجاد نمي كرد. (جزئيات آنرا در مرجع 1 ص 93 بخوانيد.)

همچنين در سال 1903 ميلادي پروفسور استرت دستگاهي موسوم به ساعت راديومي اختراع كرد كه ظاهرا بدون حقه و فريب مي تواند حداقل هزار سال از خود تحرك ظريفي نشان دهد. امروزه ديگر كسي براي محركهاي دائمي و نقض قانون بقاي انرژي تلاش نمي كند. همانطور كه يك جرثقيل نمي تواند خودش را بلند كند، انرژي نيز نمي تواند از هيچ به وجود آيد. از اتفاقاتي كه سبب گم شدن انرژي در سيستمها مي شد، دانشمندان به تعريف سيستم منزوي رسيدند. يعني سيستمي كه تبادل انرژي با محيط خود ندارد. اين نوع سيستم در ذهن و نوشتن ساده به دست مي آيد، اما در آزمايشگاهها موضوع فرق مي كند. خيلي بايد دقت كنيد تا از منزوي بودن و يا ميزان تبادل انرژي سيستم با محيط مطمئن شويد. امروزه نقض پايستگي انرژي در يك سيستم به معناي عدم دقت در منزوي كردن آن است. در هر حال دانشمندان ، اين مراحل را نيز پشت سر گذاشته بودند اما خبر نداشتند كه جرم و انرژي نيز قابل تبديل به يكديگرند. معادله مشهور E = MC2اینشتين اين آمادگي را براي تعريف دقيق تر سيستم هاي منزوي داد.

shutterstock_106227293

در واكنشهاي راديو اكتيويته كه اورانيوم به عناصر سرب و هليوم تجزيه مي شود، مقداري از جرم در طرف دوم معادله گم مي شود كه به صورت كمي طبق معادله ياد شده به انرژي تبديل ميشود. در جوش هسته اي نيز زمانيكه هيدروژن به هليوم تبديل مي شود، با محاسبات جرم اتمي معلوم مي شود كه جرم هليوم حاصله كمتر از هيدروژنهاست. اين جرم نيز به انرژي تبديل مي شود. جرم خورشيد در هر ثانيه چند تن كم مي شود. انرژي معادل آن همان نوري است كه به فضا منتشر مي كند. البته اگر ترازوي سوپر دقيق داشتيم نيازي نبود كه معادله انيشتين را در واكنشهاي هسته اي جستجو كنيم. اگر شما يك طبقه بالا برويد، معادل انرژي صرف شده بر جرمتان افزوده مي شود و برعكس (آيا مي توانيد مقدار آن را حساب كنيد؟) ! البته نه به اين معنا كه ذراتي به بدن اضافه مي شود، بلكه برجرم تك تك اتمهاي بدن اضافه مي شود! جرم يك فنر كشيده يا جمع شده معادل انرژي ذخيره شده، بيشتر از همان فنر در حالت عادي است.

تلاشي بتا : اين واكنش هسته اي يكي از قويترين تهديدها در تاريخ، عليه پايستگي انرژي بود. از طرفي يكي از بهترين نمونه ها براي نشان دادن تجربيو كاربردي بودن اين قانون است. در يك واكنش راديو اكتيويته ( مانند تجزيه كربن 14 به نيتروژن 14) نوترون تجزيه شده و به پروتون و الكترون تبديل مي شود. دانشمندان به وضوح دريافتند كه سمت راست معادله كاهش انرژي نشان مي دهد!در مواجهه با اين انحراف، نيلز بور حاضر به پذيرفتن نقض بقاي انرژي در سطح زير اتمي شده بود، در عوض ولفگانگ پائولي اتريشي براي تصحيح انحراف، ذره اي را به سمت راست واكنش اضافه نمود. تا اينجاي كار مشكلي نيست، اماپائولي اذعان داشت كه اين ذره هيچگاه شناسايي نخواهد شد، يعني دقيقا تلاش براي نجات پايستگي انرژي به هر بهايي! اينكار اشتباه است و اميدوارم در فلسفه علم به آن بپردازيم.

كشف پاد نوترينو يعني شبيه همان ذره اي كه پائولي به واكنش اضافه كرد، فرض علمي و البته شتاب زده بور را باطل كرد. به اين ترتيب يك بار ديگر قانون پايستگي انرژي سربلند بيرون آمد. اما آيا اين همه ماجراست؟! امروزه خطري بزرگتر در كمين اين قانون نشسته است. اگر توپي كه همچون قانون اول نيوتن قرار است با سرعت يكنواخت حركت كند، بدون نيروي شناخته شده اي بر سرعتش اضافه شود، شما چه نتيجه اي مي گيريد؟ اولين نتيجه نقض بقاي انرژي است، اين اتفاق نه براي يك توپ كه براي تمامي كهكشانها جاري است. كهكشانها نه تنها از همديگر دور مي شوند، بلكه مدتهاست كه بر سرعتشان نيز اضافه مي شود. اگر قرار باشد اصول جاري علمي را پايدار نگه داريم، ناچاريم همچون دانشمندان براي آن مسئولي ناشناخته تعريف كنيم:

انرژي تاريك، انرژيي كه برخلاف تلاشي بتا سهم آن در واكنش كم نيست و طبق محاسبه دانشمندان بيش از 70 % جهان را تشكيل مي دهد و مسئول دور كردن كهكشانها با سرعتي فزاينده از يكديگر و واپاشي ماده و دنيا در آينده است. طبعا دانشمندان، همچون پائولي نامي براي آن انتخاب كرده و آن را در يك سوي معادله قرار داده اند، اما برخلاف وي به يافتن آندر آينده اميدوارند. ما هم منتظر خواهيم بود!

نويسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

منابع:

فيزيك براي سرگرمي ، پرلمان ياكوف ، ترجمه احسان قوام زاده

Conservation of energy History
First law of thermodynamics
Beta decay History
https://www.youtube.com/watch?v=uqAA_D9Mi_I
https://www.youtube.com/watch?v=LKrieVc6O7A
https://www.youtube.com/watch?v=THT_BAdKe6g

پاسخ دادن به هدی لغو پاسخ

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

4 دیدگاه

  1. با عرض سلام و ادب
    آیا دستگاهی که صرفا با میدان مغناطیسی تعداد معینی آهنربا بچرخش درآمده و انرژی مکانیکی تولید نماید ( آنهم برای مدتی طولانی و بدون استفاده از الکتریسیته) منافاتی با قانون پایستگی انرژی ندارد؟ با عنایت به اینکه انرژی میدان مغناطیسی کسری از انرژی خروجی دستگاه میباشد.
    با تشکر

  2. سلام.
    درصورت امکان درباره قانون دوم ترمودینامیک و پارادوکس آن با ساختارهای منظم شونده‌ی «ایلیا پریگوژین» ( برنده نوبل شیمی در سال 1977 برای تحقیق درباره ترمودینامیک غیر متعادل به خصوص توسعه تئوری ساختارهای پراکنده) هم مطلبی کار کنید. بسی ممنون

  3. عالی بود مرسی.
    اونجایی که گفته شد از یک طبقه بالا میریم به جرممون افزوده میشه.اون جرم هم ارز با چه انرژیه؟