فلك وعلم الكونياتفيزياء نظريةميكانيكا الكم

الكون يميل نحو الفوضى! لكن لمَ يجهل الجميع السبب؟

الإنتروبي Entropy هي كلمة الفيزيائيين السحرية، التي تُقحم للإجابة عن عدد من أكبر الأسئلة في الكوزمولوجيا (علم الكون) Cosmology. ومع ذلك، فإن إعادة التفكير كمياً بهذا المفهوم قد تكون ضرورية لمعرفة ماهيته.

بقلم: مايكل بروكس

ترجمة: همام بيطار

لن تستطيع كل خيول الملك أو رجاله تجميع هامبتي Humpty مجدداً. يعرف معظمنا قصة هامبتي دامبتي Humpty Dumpty المؤسفة، لكن هل سبق لك أن لاحظت أنّ القصيدة لا تُشير أبداً إلى بيضة؟ في الحقيقة، حصل بطل هذه القصة المشؤوم على شكل رجل بهيئة بيضة بعدما قابل آليس Alice في كتاب لويس كارول  Lewis Carroll  عبر المرآة Through the Looking Glass، ليصير بعده ذكر البيضة المكسورة مرتبطاً بالأضرار التي لا يمكن إصلاحها. ولذلك ربما ينال كارول قسما من اللوم عن التشويش الذي تعانيه أفكارنا حول الإنتروبي Entropy.

عادة ما نفكر بالإنتروبي على أنه مقياسٌ لعدم الانتظام Disorder أو العشوائية Randomness، وبذلك فهو مرتبطٌ بالديناميكا الحرارية Thermodynamics – فرع الفيزياء الذي يدرس الحرارة والشغل الميكانيكي Mechanical Work. وميل هذه الخاصية إلى التزايد باستمرار منحها مكانة مرموقة باعتبارها الإجابة الأكثر إيجازاً عن عدد من أشد الأسئلة عمقاً، انطلاقاً من ماهية الحياة ووصولاً إلى الكيفية التي تطور بها الكون، ولِمَ يجرِ الزمنُ إلى الأمام دائماً كالسهم. وكما هي الحال مع هامبتي، يصير مفهوم الإنتروبي مشوشاً ما إن تشرع بالكشف عمّا تحت سطحه.

بداية، ليس هناك تعريفٌ وحيد، وحتى لو فهمنا الإنتروبي عموما على أنها مقياس أو كمية، فإن تصورنا الحالي عن الإنتروبي لا يعمد إلى وصف الأشياء التي خُصص لها أساساً، على الأقل عندما يتعلق ذلك بالكون. ويقول أنتوني أغيري Anthony Aguirre من جامعة كاليفورنيا University of California في سانتا كروز: “الأمر مربك جداً”.

يُخطط أغيري وآخرون الآن للبحث مجدداً عن نسخة عالمية وصالحة للإنتروبي مرتكزين في ذلك على أكثر نظرياتنا جوهرية: ميكانيكا الكم Quantum Mechanics، وهم يأملون بتثبيت فهمنا للاتجاهية Directionality المحيرة لكوننا -أو إلغائها .

قد نكون في خضم وضعٍ مشابه لثورة كوبرنيكوس  Copernican revolution عندما أدركنا أنّ الأرض تدور حول الشمس وليس العكس. يقول ووجيتش زوريك Wojciech Zurek من مختبر لوس آلاموس الوطني Los Alamos National Laboratory في نيوميكسيكو: “غيّر ذلك نظرتنا للكون. فمنذ ذلك الحين، صار بوسع الشخص رؤية الترابطات بين ظواهر بدت في السابق مستقلة عن بعضها، وهذا ما يحصل تماما مع الطريقة الجديدة للنظر إلى الديناميكا الحرارية” .

بدأ كل ذلك منذ أيام كارول أثناء الثورة الصناعية Industrial Revolution عندما كان مهندسو العصر الفيكتوري يحاولون بيأسٍ معرفة سبب عدم فعالية محركات البخار العاملة بالفحم. وقد مثّل الإنتروبي حينها طريقة رياضياتية لتقدير كمية الحرارة غير المتاحة لإنجاز شغل ميكانيكي مفيد، كتحريك مكبس. وفي ثمانينات القرن الـ19، عرَّف رودولف كلاوزيوس Rudolf Clausius الإنتروبي على أنها كمية الطاقة الحرارية التي يُمكن إضافتها إلى نظام ما دون رفع درجة حرارته درجة واحدة.

وبعد ذلك بفترة وجيزة زاد لودفيغ بولتزمان Ludwig Boltzmann من دقة الأمر قليلاً، إذ أدرك حينها أن الشغل الميكانيكي الذي ينتجه غاز ساخن كالبخار يصدر عن حركة الجزيئات Molecules، لكنه عرَف أيضاً استحالة تتبع حركة كل ذرة Atom أو جزيء داخل النظام. ولذلك اقترح الشغل مع الاحتمالات، وعرَّف الإنتروبي بدلالة عدد الطرق المختلفة التي يمكن بها ترتيب الجزيئات داخل نظام مغلق Closed system، وكلما ازداد عدد الترتيبات المحتملة، زاد الإنتروبي.

وقد عملت إنتروبي بولتزمان جيداً وبشكل مدهش عند وصف الأنظمة الحرارية Thermal systems، مثل المحركات البخارية Steam Engines – ومازال صعبا في التطبيق، غير أن الفيزيائيين والكيميائيين يستعملونه يومياً. ولكن أُثير عدد من الأسئلة الصعبة في وقت مبكر من عام 1867 عندما وضع جيمس كليرك ماكسويل James Clerk Maxwell تجربة ذهنية يُقيم شيطان ماكر داخل صندوق مقسم إلى حجرتين خلالها عدد الجزيئات. ويبدأ الأمر مع تقسيم الجزيئات بين الحجرتين بالتساوي ودون وجود أي فروق في درجة الحرارة بينهما، ومن ثمّ لن يكون بإمكان النظام إنجاز أي شغل ميكانيكي مفيد، لكن الشيطان يستخدم معرفته بحركات الجزيئات منفردةً ليفصل تلك الساخنة عن البطيئة عبر فتح باب بين الحجرتين.

يمثل هذا مشكلةً، إذ يبدو أن الشيطان جعل من النظام جاهزاً لإنتاج شغل: افتح الباب، ومن ثمّ ستتمكن الجزيئات عالية الطاقة من دفع مكبس ما. وبعبارة أخرى، خفّض الشيطان من إنتروبي النظام منتهكاً بذلك القانون الثاني في الديناميكا الحرارية Second law of thermodynamics، الذي ينص على أنّ إنتروبي نظامٍ مغلقٍ ستواصل التزايد بمرور الوقت.

 

عصيٌ على التحطيم

القانون الأول في الديناميكا الحرارية First law of thermodynamics

بشكلٍ عام، لا يمكن استحداث الطاقة أو تدميرها، فأي طاقة تُضاف إلى النظام تتجلى على شكل زيادة في طاقته الداخلية، وتسمح له بإنجاز شغل.

القانون الثاني في الديناميكا الحرارية Second law of thermodynamics

لا تتناقص الإنتروبي الكلية لنظامٍ مغلق أبداً، وغالباً ما يُعبر عن هذا بالقول بميل الكون نحو الفوضى.

يُعتبر هذا القانون أكثر قوانين الطبيعة قوة ومدىً، ويقول سيباستيان ديفنر Sebastian Deffner من جامعة ميريلاند University of Maryland في بالتيمور: “لا يُمكن مطلقاً انتهاك القانون الثاني بأي حالٍ من الأحوال، أو تحت أي ظرف”، ويتابع: “نكتشف، في كل مرة نشاهد فيها انتهاكاً ظاهريًّا، أننا تغاضينا عن إحدى المساهمات التي تُنتج الإنتروبي”.

هذه هي حال شيطان ماكسويل Maxwell’s Demon  أيضاً، فقد تبيّن أن ما تغاضينا عنه في هذه الحالة يُشكل الآن عنصراً أساسياً من عناصر فهمنا للأنظمة الفيزيائية: المعلومات Information. ويستطيع الشيطان أن يؤدي خدعته إذا كان بمقدوره تخزين معلومات عن الجزيئات وحركاتها. وبسبب محدودية ذاكرته، يجب عليه تجاهل بعض المعلومات، وقد برهن الفيزيائي شارل بينيت Charles Bennett في ثمانينات القرن العشرين أن لذلك أثرًا فيزيائيًا يتضمن زيادة في الإنتروبي. إذاً، تؤدي العملية التي تسمح للشيطان بتخفيض الإنتروبي داخل النظام إلى زيادته في مكانٍ ما آخر.

وبذلك يخرج القانون الثاني سالماً مجدداً، لكن الإنتروبي تغيّرت. وكشفت رؤية بينيت أن الأمر لا يتعلق بالحرارة، أو عدد الطرق المحتملة لترتيب الجزيئات، أو الشغل فقط؛ فعند البحث عميقاً، يبدو أنّ الإنتروبي مرتبطةٌ بالمعلومات، ولهذا بعض النتائج المثيرة للاهتمام حول الكيفية التي تُستخدم فيها المعلومات في نهاية المطاف كوقود (انظر: الاعتماد على الحقائق). وأثار ذلك أيضاً أسئلة جديدة حول ارتباط المعلومات بالقانون الثاني، والعمليات الكبيرة في كوننا -أسئلةٌ أجبرت الفيزيائيين على مراجعة فهمهم للإنتروبي مجدداً.

إنّها مراجعة طال انتظارها وفقا لزوريك الذي لطالما راودته الشكوك حول صياغة بولتزمان Boltzmann’s Framing. ويقول زوريك إنّ التصور المرتبط بكل الحالات المحتملة كان “حيلة مستوحاة”، فعلى الرغم من كونها مفيدة، فإنه لا يوجد تبرير حقيقي لها. ويعتقد أنه عند التعامل مع الأنظمة المحدودة (المنتهية) Finite systems، مثل محرك ما أو تفاعل كيميائي، لن يكون هناك أي معنى لوضع إطار للأشياء بدلالة عدد الطرق المحتملة واللانهائية، التي يمكن من خلالها ترتيب الجزيئات.

ويرى زوريك أن هذا مجرد “تضليل” قادنا إلى شعور زائف مفاده أننا نفهم سلوك الأنظمة الفيزيائية، كما أنه يشتبه في أنّ نجاح خدع بولتزمان الإحصائية يعود إلى أنّ ما ندعوه “إنتروبي” هو في الحقيقة أمر مرتبطٌ بالفيزياء الكمية Quantum Physics، فالعالَم الكمي احتمالي، وخصائصه تُعرّف بالتعابير الإحصائية نفسها التي صادفها بولتزمان، ومن هنا جاءت فكرة احتمالية وجود شيء ما بين طيّات هذه النظرية الأساسية ربما قاد إلى نسخة بولتزمان عن الإنتروبي.

الجذور الكمّية Quantum Roots

إذاً، شرع زوريك بإعادة صياغة مفهومنا الحالي المبني على نظرية المعلومات بالاستعانة بالفيزياء الكمية. وسيدور منهجه حول التشابك الكمي Quantum Entanglement الذي يسمح لأنظمة فيزيائية منفصلة بمشاركة خصائصها فيما بينها؛ مما يعني أن إجراء قياس في أحدها سيؤثر في مخرج أي قياس تالٍ يُنجز في نظام آخر.

وخلال عام 2018 أثبت زوريك أنه بالإمكان اشتقاق الديناميكا الحرارية انطلاقاً من أنظمة كمية متشابكة مع محيطها. ويعني ذلك أن التشابك يُحدد كمية وطبيعة المعلومات المتاحة حول الحالة State، التي تقدم بدورها قياساً للإنتروبي. ويُمثل ذلك خطوة مهمة جداً، فربط المعلومات والإنتروبي بواسطة ميكانيكا الكم لن يقدم عمقاً جديداً لفهمنا للكيفية التي تتصرف بها الأنظمة الفيزيائية وتتفاعل فقط، وإنما يعدنا أيضاً بإعادة الإنتروبي لتكون كمية حقيقية قابلة للقياس.

ولم يكن زوريك الوحيد الذي تجرأ على طرح أسئلة صعبة بخصوص الإنتروبي التي تُمثل إجابة عن كل شيء تقريباً، إذ يعمل أغيري مع زملائه دومينيك سافرانك Dominik Safranek وجوشوا دويتش Joshua Deutsch من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز UC Santa Cruz، على تطوير نسخة جديدة تشكل المعلومات نواتها أيضاً، وقد دعوها “الإنتروبي الرصدية”Observational   Entropy؛ لأنها مصممة لتأخذ بالحسبان كمية المعلومات التي يُمكن اكتسابها عند إجراء سلسلة من القياسات على نظام كمي.

وبشكلٍ مثير للاهتمام، تتغير الإنتروبي الرصدية لنظام ما تبعاً للطريقة التي يختارها الراصد لإجراء سلسلة القياسات، ويقول سافرانك: “إنه ليس شيئاً له قيمة ثابتة ووضعية قبل إنجاز تلك القياسات”.

 والسبب في ذلك ناتج من كون خصائص جسم ما أو نظام تبقى غير مُعرفة في ميكانيك الكم حتى لحظة إجراء القياس، كما يشرح. إضافة إلى ذلك، ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبيرغ Heisenberg’s Uncertainty Principle على أنّ قياس إحدى الخصائص يُغير الأخرى التي لم يجرِ قياسها -ولذلك يؤثر ترتيب القياسات التي تُجريها في قيمة الإنتروبي الرصدية للنظام. فهي إعادة صياغة للكيفية التي نفهم بها الإنتروبي، لكن هذه الصياغة لاتزال مرتبطة بالمفهوم التقليدي الذي تتعلق فيه مخرجات القياس بالتشكيلات المحتملة والممكنة للنظام.

إنها البداية فقط لتلك الأفكار، ولايزال هناك الكثير من العمل لإنجازه. ومع ذلك يأمل الفيزيائيون الداعمون لتلك الأفكار أن تجعل إعادة تعريف الإنتروبي بدلالة ميكانيك الكم أرضية فهمنا أكثر صلابة. ربما تتساءل الآن عمّا سنجنيه من ذلك. حسناً، في نهاية المطاف لم يقل أي فرد إن القانون الثاني في الديناميكا الحرارية، المجرب والموثوق به لن ينطبق بعد ذلك، لكن أغيري متحمس جداً لما يُمكن أن تعنيه إعادة التعريف تلك، ويُضيف قائلاً: “أظن أنها ستكون مثمرة جداً”، أما فلاتكو فيدرال Vlatko Vedral من جامعة أكسفورد؛ فيقول: “أملنا الرئيسي هو أن الديناميكا الحرارية الكمية ستسلط ضوءاً جديداً على المسائل القديمة”، ويتابع: “سهم الزمن Arrow of time هو واحدٌ منها، لكن أُشير أيضاً في تلك الأعمال إلى أصل الحياة وتوسع الكون”.

قد يبدو الارتباط بالحياة غريباً، لكنّ العلماء مازالوا يتساءلون عمّا إذا كان من الممكن اعتبار الآليات الخلوية Cellular Mechanisms داخل الكائنات الحية على أنها إنتروبي مُستغلة Exploiting entropy، وقد اُقترح مؤخراً أنه قد يكون من الممكن إرجاع أصل الحياة إلى تزايد الإنتروبي، إذ تقود فكرة ميل الذرات إلى التموضع في تشكيلات تزيد من قيمة الإنتروبي إلى إنتاج بنى معقدة جداً، بما في ذلك الأشياء الحية. لايزال هذا تخميناً، لكن وجود صورة أوضح لطبيعة الإنتروبي قد يساعد على إخضاع ذلك التخمين للاختبار.

هنالك قضية أخرى على القدر نفسه من التعقيد هي سهم الزمن Arrow of Time. وحقيقة جريان الزمن إلى الأمام، وليس إلى الخلف، تتجلى في كون بعض الأفعال غير قابلة للانعكاس Irreversible -لا يُمكنك إعادة تجميع بيضة، أو قهوة إلى كوب بعد سكبها. وغالباً ما نعتقد أن ذلك يُشكل قاعدة صلبة منصوص عليها في القانون الثاني الذي يُخبرنا بأن على الإنتروبي أن تزداد دائما، كما أن التفسير يبدو بسيطاً: هنالك طرقٌ أكثر لترتيب جزيئات متطابقة في بيضة مكسورة مقارنة بالحالة المرتبة والأنيقة حيث يقبع الصفار داخل بياض البيضة. ولكن استنتاجاً مثل هذا ينطوي على تساؤلات تتعلق بالفرضيات وفقاً لسافرانك الذي يتابع قائلاً: “في بعض الحالات، ليس واضحا أيُ الحالات يجب اعتبارهاً أشد ترتيباً”.

ويتفق ديفنر مع ذلك، ويقول إن الأفراد غالباً ما يفترضون أن لدى الأنظمة الفوضوية مزيدا من الحالات المحتملة، لكن ذلك ليس بالضرورة صحيحاً، ويُضيف قائلًا: “يُمكنك بسهولة تقديم أمثلة يزداد فيها عدد الحالات المحتملة -ومن ثمّ تزداد إنتروبي بولتزمان- لكنها تأتي مرتبة ومهيكلةً جداً”.

إضافةً إلى ذلك، يقول أغيري إن العديد من محاولات تطبيق مفهوم الإنتروبي على المقاييس الكونية عرضة للكثير من التساؤلات لأن التعريف الحالي للإنتروبي ينطبق على حالات قريبة من وضعيات التوازن فقط  Equilibrium States، إذ يستقر النظام بترتيب ثابت، ويضيف قائلًا: “عملياً، لا شيء في حالة توازن. الكون بصورة خاصة ليس كذلك. في الحقيقة، إنّ كل العمليات الكونية التي نهتم بها ترتكز على عدم وجود الكون في حالة تواز”.

يظن ديفنر أن ذلك يقوض من الادعاء بأن سهم الزمن ينتج من زيادة الإنتروبي، فالاثنان متكافئان في اعتقاده، فربما نرى جريان الزمن لأن الأشياء تتحرك مجبرةً نحو وضع التوازن، وتقود هذه العملية بدورها إلى زيادة الإنتروبي، ويقول ديفنر: “زيادة الإنتروبي هي مجرد إعادة صياغة رياضياتية ومناسبة لسهم الزمن العالمي المرصود”.

وانتشار هذا النوع من التفكير الدائري Circular Reasoning هو أحد الأسباب التي تجعل أغيري متحمساً للإنتروبي الرصدية، التي لا تفترض أي شيء حول وضع التوازن، ويعلق على ذلك قائلاً: “قبل إنجازنا لهذا العمل، لم يكن هناك أي نسخة كمية لإنتروبي بولتزمان، والآن لدينا وصف لما تبدو عليه إنتروبي ذلك الكون. إنها تزداد أيضاً، وهذه خطوة جيدة للمضي قدماً في حالة أفكار أخرى مثل سهم الزمن”.

ويُشير زوريك إلى فوائد عملية أيضاً، ليس أقلها أنّ الإنتروبي الكميّة ستساعدنا على تطوير فهمنا واستغلالنا لخصائص ميكانيك الكم لتساعدنا في مجالاتٍ مثل أدوات الاستشعار النانوية Nanoscale Sensors والحواسيب الكمية Quantum Computers، ويعلق قائلاً: “هذا مجالٌ ناشئ وله أهمية كبيرة جداً بالنسبة إلى تقنيات النانو Nanotechnology، ومعالجة المعلومات الكمية Quantum Information Processing”. وإذا كانت المعلومات حقاً مصدراً يُمكن التعامل معه كالحرارة أو الشغل الميكانيكي، فإن هذه الرؤية قد تقود إلى مجموعة من التقنيات التي ستكون ثورية كما كانت الحال مع الثورة الصناعية الأولى First Industrial Revolution، ويعلق ديفنر على ذلك قائلاً: “قد تقدم لنا [الإنتروبي] الكمية ما قدّمه البخار للفيكتوريين”.

الاعتماد على الحقائق RUNNING ON FACTS بصراحة مطلقة، من الصعب جداً تخيل محرك يعمل بالمعلومات، ومع ذلك لن يكون ممكنا معالجة المعلومات دون الاعتماد على أنظمة فيزيائية تستخدم الطاقة، ويتضمن ذلك محو المعلومات: يكلف مسح قرص صلب قدراً من الطاقة. اعكس هذه العملية رأساً على عقب، وحينها تبدو المعلومات كطريقة محتملة لتغذية الآلات بالوقود. تخيل جهازا يحتفظ بالمعلومات بالترميز الثنائي (Binary) على شكل أصفار 0، أو آحاد 1، وهذا الجهاز فارغ في البداية (ما يعني أن حالته كلها أصفار). وهذه حالة مرتبة مثلما هي الحال مع المحيط البارد لمحرك حراري Heat Engine -شيء يُحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. ويقول كريستوفر يارزينسكي Christopher Jarzynski، وهو عالم كيمياء من جامعة ميريلاند University of Maryland : “باستطاعتك من حيث المبدأ بناء جهاز يُحول هذه الحالة إلى مزيج من آحاد وأصفار”، وستستخدم مثل هذه الآلة -لنقل- طاقة حرارية لتغيير حالتها، وسيمثل التحول في هذه الحالة اكتساباً للمعلومات، وبذلك يُمكن تسخير الفعل الفيزيائي، الذي يحول الأصفار إلى آحاد وأصفار، لإنجاز شغل ميكانيكي كرفع كتلة، أو شحن بطارية. يعلق يارزينسكي على الأمر قائلاً: “يُمكنك حصد الشغل من خزان حراري عبر فعل كتابة المعلومات على لوحة ذاكرة فارغة”. قد يكون ذلك مفيداً في سيناريوهات لا يوجد فيها طريقة عملية لتزويد عمليةٍ ما بالوقود، وقد أيدت التجارب هذا المبدأ، أما التحدي الآن فيكمن في استكشاف الإمكانات المتاحة لصناعة آلات وقودها المعلومات. ربما يشبه ذلك الآلات البيولوجية التي تعالج المعلومات الوراثية Genetic Information، أو أدوات الاستشعار ذات المستوى الكمي Quantum-Scale Sensors التي تستخدم دخلها المعلوماتي لتغذية محركات، أو آليات أخرى.

 

© 2020, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

For security, use of Google's reCAPTCHA service is required which is subject to the Google Privacy Policy and Terms of Use.

I agree to these terms.

زر الذهاب إلى الأعلى