آنتروپی در یک فضاپیمای شتاب دار ناپدید می شود؟
ارسال شده: دوشنبه ۱۳۹۹/۵/۲۷ - ۲۱:۱۴
یک جعبه مقاوم و عایق و پرجرم که حاوی (مثلا) گاز اکسیژن کم دما هست در اختیار داریم. میدونیم که مولکول های اکسیژن به شکل تصادفی در جعبه حرکت می کنند، و سیستم آنتروپی و انرژی مشخصی داره. اگر این جعبه رو در یک فضاپیما قرار بدیم و به تدریج شتاب بگیریم، میتونیم ببینیم که مولکول ها به علت اینرسیای که دارند، به سمت کف ظرف و بر خلاف جهت شتاب فضاپیما سوق پیدا می کنند. (درست به همون علت که یک راننده موقع گاز دادن، به سمت صندلیش کشیده میشه). البته حرکت هر مولکول با سرعت و جهت تصادفی هست. اما میتونیم بگیم گاز سرعت سوق به سمت کف ظرف پیدا می کنه. به تدریج با افزایش شتاب فضاپیما، این سرعت سوق رفته رفته زیاد میشه و به یک نقطهای میرسیم که شتاب اونقدر بالاست که تمام مولکول ها محکم به کف ظرف میچسبند و به عبارتی، درجه آزادی حرکتشون رو از دست میدهند. تحت چنین شرایطی، میتونیم ادعا کنیم که آنتروپی سیستم کاهش پیدا کرده. چون حالتهای ممکن سرعت یا انرژی برای ملوکولها از یک طیف وسیع، به یک حالت خاص (سکون تمام مولکولها در کف ظرف) هست تقلیل پیدا میکنه.
همینجا میشه پرسید که آنتروپی اولیه ظرف کجا رفته؟ آیا قانون دوم ترمودینامیک که ادعا میکنه در یک سیستم ایزوله (که الان جعبه هست)، آنتروپی کاهش پیدا نمیکنه رو میشه با یک فضاپیمای شتاب دار دور زد؟
حتی اگر رفته رفته فضاپیما شتابش رو به تدریج کاهش بده (یعنی در همون جهتی که شتاب داشت، شتاب حرکتش رو کمتر کنه. نه این که ترمز بگیره!)، همچنان مولکولها از کف ظرف فاصله نمی گیرند و حرکت تصادفی پیدا نمی کنند و سکون خودشون رو در کف ظرف حفظ می کنند. چون در تمام فواصل زمانی، سرعت فضاپیما افزاینده ست و در انتها فضاپیما به یک سرعت ثابت میرسه، تنها در حالتی که فضاپیما ترمز بگیره و شتاب کاهنده پیدا کنه مولکولها از کف ظرف جدا میشن و حرکت تصادفی پیدا می کنند.
مشابه مسئله بالا رو برای میدان گرانشی هم داریم. اگر جعبه حاوی گاز رو نزدیک به یک ستاره پرجرم کنیم، بالاخره در فاصله ای مشخص انقدر میدان گرانشی قدرتمند میشه که تمام مولکول هارو به سمت کف ظرف میکشه و به هیچ مولکولی اجازه حرکت در جهت های دیگه رو نمیده و به عبارتی، میدان گرانشی به شکل یک کاهنده آنتروپی عمل میکنه. که البته تعجب آور هم نیست چون با توجه به اصل هم ارزی، چه جسم تحت میدان گرانشی باشه و چه سفینه شتاب دار، بهرحال تجربه یکسانی رو خواهد داشت. و خب ما داریم صرفا با میدان گرانشی، یا شتاب فضاپیما، آنتروپی یک سیستم ایزوله رو کاهش میدیم.
اگر به جای گاز، از یک مایع مثلا آب استفاده کنیم این مسئله حتی روشن تر میشه. آب تحت فشار بسیار بالا، به یخ تبدیل میشه، حتی در دمای اتاق. زمانی که آب رو تحت میدان گرانشی شدیدی قرار بدیم، تبدیل به یخ میشه، چون تمام مولکول های آب میخوان به کف ظرف بچسبند و این شبیه اینه که یک وزنه رو روی سطح آب قرار داده باشیم. اگر آب رو در یک فضاپیمایی قرار بدیم که شتاب بالایی داره، به علت فشار زیادی که به آب وارد میشه، آب تبدیل به یخ میشه و به عبارتی آنتروپیش کاهش پیدا می کنه.
مشکل کار کجاست؟
همینجا میشه پرسید که آنتروپی اولیه ظرف کجا رفته؟ آیا قانون دوم ترمودینامیک که ادعا میکنه در یک سیستم ایزوله (که الان جعبه هست)، آنتروپی کاهش پیدا نمیکنه رو میشه با یک فضاپیمای شتاب دار دور زد؟
حتی اگر رفته رفته فضاپیما شتابش رو به تدریج کاهش بده (یعنی در همون جهتی که شتاب داشت، شتاب حرکتش رو کمتر کنه. نه این که ترمز بگیره!)، همچنان مولکولها از کف ظرف فاصله نمی گیرند و حرکت تصادفی پیدا نمی کنند و سکون خودشون رو در کف ظرف حفظ می کنند. چون در تمام فواصل زمانی، سرعت فضاپیما افزاینده ست و در انتها فضاپیما به یک سرعت ثابت میرسه، تنها در حالتی که فضاپیما ترمز بگیره و شتاب کاهنده پیدا کنه مولکولها از کف ظرف جدا میشن و حرکت تصادفی پیدا می کنند.
مشابه مسئله بالا رو برای میدان گرانشی هم داریم. اگر جعبه حاوی گاز رو نزدیک به یک ستاره پرجرم کنیم، بالاخره در فاصله ای مشخص انقدر میدان گرانشی قدرتمند میشه که تمام مولکول هارو به سمت کف ظرف میکشه و به هیچ مولکولی اجازه حرکت در جهت های دیگه رو نمیده و به عبارتی، میدان گرانشی به شکل یک کاهنده آنتروپی عمل میکنه. که البته تعجب آور هم نیست چون با توجه به اصل هم ارزی، چه جسم تحت میدان گرانشی باشه و چه سفینه شتاب دار، بهرحال تجربه یکسانی رو خواهد داشت. و خب ما داریم صرفا با میدان گرانشی، یا شتاب فضاپیما، آنتروپی یک سیستم ایزوله رو کاهش میدیم.
اگر به جای گاز، از یک مایع مثلا آب استفاده کنیم این مسئله حتی روشن تر میشه. آب تحت فشار بسیار بالا، به یخ تبدیل میشه، حتی در دمای اتاق. زمانی که آب رو تحت میدان گرانشی شدیدی قرار بدیم، تبدیل به یخ میشه، چون تمام مولکول های آب میخوان به کف ظرف بچسبند و این شبیه اینه که یک وزنه رو روی سطح آب قرار داده باشیم. اگر آب رو در یک فضاپیمایی قرار بدیم که شتاب بالایی داره، به علت فشار زیادی که به آب وارد میشه، آب تبدیل به یخ میشه و به عبارتی آنتروپیش کاهش پیدا می کنه.
مشکل کار کجاست؟