موضوعی حیاتی در شیمی و فیزیک وجود دارد.
که توضیح میدهد چرا فرایندهای فیزیکی در یک جهت حرکت میکنند و نه از سوی دیگر:
چرا یخ آب میشود،
چرا شیر در قهوه پخش میشود،
چرا باد از یک لاستیک سوراخ خارج میشود.
نامش آنتروپی است، و بدبختانه فهمیدنش سخت است.
آنتروپی معمولا به عنوان اندازه گیری بی نظمی تعریف میشود.
این تصویری ساده است، اما متاسفانه گمراه کننده.
برای مثال، کدام بیشتر بینظم است؟
فنجانی از یخ خرد شده یا لیوانی از آب در دمای اتاق؟
بیشتر مردم میگویند یخ،
اما در واقع آنتروپی آن کمتر است.
به شکل دیگری هم از طریق احتمالات میتوان آن را تصور کرد.
ممکن است فهمیدنش سخت تر باشد، اما برای درکش به خود فرصت بده
تا فهم بسیار کاملتری از آنتروپی داشته باشی.
دو جسم جامد کوچک را در نظر بگیر
که هرکدام از شش پیوند اتمی تشکیل شدهاند.
در این مدل، انرژی هر جسم در پیوندهایش ذخیره شده.
میشود آنها را مانند مخزنهایی ساده تصور کرد،
که میتوانند واحدهایی از انرژی نامرئی به نام کوانتا را ذخیره کنند.
هرچقدر انرژی جسم بیشتر باشد، داغتر است.
مشخص شده که راههای بیشماری برای توزیع انرژی
در دو جسم جامد وجود دارد
تا هر کدام همان مجموع انرژی کلی را داشته باشند.
هر کدام از این امکانها یک ریز حالت نام دارد.
برای شش کوانتا انرژی در جامد A و دو کوانتا انرژی در جامد B،
۹۰۷۲ ریز حالت وجود دارد.
مسلماً، راههای دیگری برای مرتب کردن هشت کوانتا انرژی وجود دارد.
مثلا، تمام انرژی در جامد A باشد و چیزی در B نباشد،
یا نصفش در A و نصف دیگر در B،
اگر فرض کنیم هر ریز حالت با دیگری مشابه است،
میتوانیم ببینیم که بعضی از ترتیبهای انرژی
نسبت به سایرین احتمال وقوع بیشتری دارند.
که به دلیل ریزحالتهای بیشتر است.
آنتروپی سنجش مستقیم احتمال هر ترکیب انرژی است.
آنچه میبینیم این است که حالتی از انرژی
که در آن انرژی بیشترین میزان توزیع میان دو جامد را داشته باشد
حداکثر میزان آنتروپی را دارد.
پس بطور کلی،
میتوان آنتروپی را به عنوان میزان توزیع انرژی تصور کرد.
آنتروپی کم یعنی انرژی متمرکز شده است.
آنتروپی زیاد یعنی پخش شده است.
برای آنکه بفهمیم چرا آنتروپی برای تعریف فرآیندهای خود به خودی
مثل سرد شدن اجسام گرم مفید است،
باید ببینیم که در یک سیستم دینامیک انرژی به کجا حرکت میکند.
در واقع، انرژی در یکجا نمیماند.
دائما میان پیوندهای کناری حرکت میکند.
همینطور که انرژی حرکت میکند،
ترکیب انرژی میتواند تغییر کند.
به دلیل توزیع ریز حالتها،
٪۲۱ احتمال دارد که سیستم بعداً در حالت
توزیع حداکثر انرژی قرار گیرد،
٪۱۳ احتمال دارد به شکل اولیه برگردد،
و ۸٪ احتمال دارد که A درواقع انرژی دریافت کند.
دوباره، میبینیم که چون در مقایسه با تمرکز انرژی
راههای بیشتری برای پراکنده شدن انرژی و آنتروپی بیشتر وجود دارد،
انرژی تمایل به پخش شدن دارد.
و به این دلیل است که اگر جسم داغی را در کنار جسمی سرد بگذاری،
آنکه سرد است گرم و آنکه گرم است سرد میشود.
اما در همین مثال هم،
۸٪ احتمال دارد تا جسم گرم، گرمتر شود.
چرا این هیچوقت در دنیای واقعی اتفاق نمیافتد؟
در کل دلیل آن اندازه سیستم است.
اجسام فرضی ما هر کدام تنها شش پیوند داشتند.
بگذارید اجسامی را با ۶۰۰۰ پیوند و ۸۰۰۰ واحد انرژی در نظر گیریم،
و مجدداً سیستمی را بررسی کنیم که سه چهارم انرژی در A
و یک چهارم در B باشد.
حالا میبینیم که احتمال آنکه A خود به خود انرژی بیشتری دریافت کند
عددی بسیار کوچک است.
اجسام آشنای روزمره اجزای بسیار بسیار بیشتری از این دارند.
احتمال اینکه جسم داغ در دنیای واقعی داغتر شود
بینهایت کوچک است،
هیچوقت اتفاق نمیافتد.
یخ آب میشود،
شیر ترکیب می شود،
و لاستیک کم باد میشود
چون این وضعیتها انرژی پخش شدهتری نسبت به حالت اول دارند.
هیچ نیروی مرموزی سیستم را به سوی آنتروپی بیشتر فشار نمیدهد.
تنها به این دلیل است که آنتروپی بیشتر تنها از دید آماری محتمل تر است.
به این دلیل است که آنتروپی پیکان زمان نامیده میشود.
اگر انرژی فرصتی برای پخش شدن پیدا کند، حتما این کار را میکند.