Τι είναι τελικά η εντροπία;

H ζωή είναι μια ανθολογία της καταστροφής. Ό,τι φτιάχνεις τελικά σπάει. Όλοι όσοι αγαπάτε θα πεθάνουν. Οποιαδήποτε αίσθηση τάξης ή σταθερότητας αναπόφευκτα καταρρέει. Ολόκληρο το σύμπαν ακολουθεί ένα θλιβερό ταξίδι προς μια βαρετή κατάσταση απόλυτης αταξίας.

Για να παρακολουθήσουν αυτή την κοσμική εξέλιξη οι φυσικοί χρησιμοποιούν μια έννοια που ονομάζεται εντροπία. Η εντροπία είναι το μέτρο της αταξίας και η δήλωση ότι η εντροπία συνεχώς αυξάνεται – γνωστή ως δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής – είναι από τις πιο ισχυρές εντολές της φύσης.

Μας στοιχειώνει η καθολική τάση προς την αταξία. Η τάξη είναι εύθραυστη. Χρειάζονται μήνες προσεκτικού σχεδιασμού και καλλιτεχνίας για να φτιάξεις ένα βάζο, αλλά μια στιγμή για να το σπάσεις με μια μπάλα ποδοσφαίρου. Περνάμε την ζωή μας προσπαθώντας να κατανοήσουμε έναν χαοτικό και απρόβλεπτο κόσμο, όπου οποιαδήποτε προσπάθεια να τον ελέγξουμε φαίνεται μάταιη. Ο δεύτερος νόμος απαιτεί ότι οι μηχανές δεν μπορούν ποτέ να έχουν απόδοση 100%, πράγμα που σημαίνει ότι όποτε αναδύεται κάποια δομή στο σύμπαν, στην ουσία η ενέργεια διασκορπίζεται περαιτέρω – είτε πρόκειται για ένα άστρο που τελικά εκρήγνυται είτε ένας ζωντανός οργανισμός που μετατρέπει την τροφή σε θερμότητα. Είμαστε, παρά τις καλύτερες προθέσεις μας, έρμαια της εντροπίας.

«Τίποτα στη ζωή δεν είναι σίγουρο εκτός από τον θάνατο, τους φόρους και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής», έγραψε ο Seth Lloyd, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Δεν μπορούμε να αποφύγουμε αυτή την μοίρα. Η αύξηση της εντροπίας είναι βαθιά συνυφασμένη με τις πιο βασικές εμπειρίες μας, εξηγώντας γιατί ο χρόνος ρέει προς το μέλλον και γιατί ο κόσμος φαίνεται ντετερμινιστικός και όχι κβαντομηχανικά αβέβαιος.

Η κινητήρια δύναμη της φωτιάς

Η έννοια της εντροπίας προέκυψε από μια προσπάθεια τελειοποίησης των μηχανών κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης. Ένας 28χρονος Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός ονόματι Sadi Carnot υπολόγισε την απόλυτη απόδοση μιας ατμοκίνητης μηχανής. Το 1824, δημοσίευσε ένα μικρό βιβλίο 118 σελίδων με τίτλο «Σκέψεις επί της κινητήριας δυνάμεως του πυρός» το οποίο επωλείτο στις όχθες του Σηκουάνα για 3 φράγκα και εξαντλήθηκε πολύ γρήγορα. Στο βιβλίο αυτό εισαγόταν έμμεσα για πρώτη φορά η έννοια της εντροπίας, μια ιδέα που θα ποσοτικοποιούσε τoν αδυσώπητo κατήφορο του σύμπαντος προς την φθορά.

Ο Sadi Carnot (1796-1832) σε ηλικία 17 ετών.
Η επίδρασή του στην φυσική σε σχέση με την ποσότητα των γραπτών του, συγκρίνεται με εκείνη του Évariste Galois (1811-1832) στα μαθηματικά και του Arthur Rimbaud (1854-1891) στην ποίηση.

Ο Carnot πέθανε από χολέρα σε ηλικία 36 ετών, οκτώ χρόνια μετά την δημοσίευση του βιβλίου του, το οποίο αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό από την επιστημονική κοινότητα. Ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε το 1834 (δύο χρόνια μετά τον θάνατο του Carnot και δέκα χρόνια μετά τη δημοσίευση του βιβλίου του) από τον μηχανικό Émile Clapeyron κατάφερε τελικά να επιστήσει την προσοχή στο έργο του Carnot. Έτσι, μερικά χρόνια αργότερα χρησιμοποιήθηκε από τον Λόρδο Kelvin (o οποίος δυσκολεύθηκε πολύ να βρει αντίγραφο του βιβλίου του Carnot) και τον Rudolf Clausius για να ορίσουν τις έννοιες της απόλυτης θερμοκρασίας, της εντροπίας και να διατυπώσουν τον δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής. Το 1890 δημοσιεύθηκε μια αγγλική μετάφραση του βιβλίου του Carnot από τον R.H. Thurston «Reflections on the Motive Power of Fire«.

Ο Carnot συνειδητοποίησε ότι η ατμομηχανή εκμεταλλεύεται την τάση της θερμότητας να ρέει από τα θερμά σώματα στα ψυχρά. Και σχεδίασε μια θερμική μηχανή με την μέγιστη απόδοση που μπορούσε να φανταστεί κανείς, θέτοντας ένα όριο στο κλάσμα της θερμότητας που μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμο έργο, ένα αποτέλεσμα που σήμερα είναι γνωστό ως θεώρημα του Carnot. Η σπουδαιότερη δήλωσή του εμφανίζεται ως περιορισμός στην τελευταία σελίδα του βιβλίου: «Στην πράξη, δεν θα μπορέσουμε ποτέ να χρησιμοποιήσουμε όλη την κινητήρια δύναμη των καύσιμων υλικών». Κάποια ενέργεια θα διαχέεται πάντα μέσω τριβής, δονήσεων ή άλλης ανεπιθύμητης μορφής κίνησης. Η τελειότητα είναι ανέφικτη.

Διαβάζοντας το βιβλίο του Carnot μερικές δεκαετίες αργότερα, το 1865, ο Γερμανός φυσικός Rudolf Clausius εισήγαγε την έννοια της εντροπίας και στη συνέχεια διατύπωσε αυτό που έγινε γνωστό ως ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: «Η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται».

Όμως, παρά την θεμελιώδη σημασία της, η εντροπία είναι ίσως η πιο διχαστική έννοια στη φυσική. Σύμφωνα με τον Lloyd: «Η εντροπία ήταν πάντα πρόβλημα. Η σύγχυση πηγάζει εν μέρει από τον τρόπο με τον οποίο ο όρος χρησιμοποιείται και διακινείται σε διάφορους τομείς- έχει παρόμοια, αλλά ξεχωριστή σημασία σε κάθε τομέα, από την φυσική έως τη θεωρία πληροφοριών, την οικολογία και την ψυχανάλυση. Αλλά για να κατανοήσουμε πραγματικά την έννοια της εντροπίας απαιτούνται κάποια βαθιά άβολα φιλοσοφικά άλματα.

Καθώς οι φυσικοί του περασμένου αιώνα εργάστηκαν για να ενώσουν φαινομενικά ανόμοια πεδία έριξαν στην έννοια της εντροπίας νέο φως, μετατόπισαν την συνήθη ερμηνεία της, από μέτρο της αταξίας σε μέτρο της άγνοιας. Η εντροπία δεν θεωρείται ως μια ιδιότητα εγγενής σε ένα σύστημα, αλλά ως μια ιδιότητα που σχετίζεται με έναν παρατηρητή που αλληλεπιδρά με το σύστημα. Αυτή η σύγχρονη άποψη φωτίζει τον βαθύ δεσμό μεταξύ της πληροφορίας και της ενέργειας, η οποία βοηθά τώρα να εγκαινιαστεί μια μίνι-βιομηχανική επανάσταση στις μικρότερες κλίμακες.

διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Zack Savitsky με τίτλο: «Τι είναι εντροπία; Ένα μέτρο για το πόσο λίγα γνωρίζουμε πραγματικά.» – https://www.quantamagazine.org/what-is-entropy-a-measure-of-just-how-little-we-really-know-20241213/

https://physicsgg.me/2024/12/20/%cf%84%ce%b9-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%b5%ce%bb%ce%b9%ce%ba%ce%ac-%ce%b7-%ce%b5%ce%bd%cf%84%cf%81%ce%bf%cf%80%ce%af%ce%b1/