آنتروپی به زبان ساده

تا به حال فکر کرده‌اید که چرا جهان همیشه از نظم به سمت بی‌نظمی می‌رود؟ این حرکت اجتناب‌ناپذیر، ریشه در مفهومی به نام آنتروپی دارد.

در فیزیک و شیمی، مفهوم بسیار مهمی وجود دارد که به ما می‌گوید چرا فرآیندهای طبیعی همیشه در یک جهت خاص پیش می‌روند و نه برعکس. مثلا چرا بستنی، آب می‌شود، اما خودبه‌خود یخ نمی‌زند؟ چرا خامه در قهوه پخش می‌شود، اما دوباره جمع نمی‌شود؟ یا چرا هوای لاستیک پنچر، از آن خارج می‌شود، اما دوباره به داخل لاستیک برنمی‌گردد؟ جواب همه‌ی این فرآیندها در مفهومی به‌نام آنتروپی نهفته است.

آنتروپی چیست؟آنتروپی (Entropy) مفهومی است که بسیاری آن را با بی‌نظمی تعریف می‌کنند. این تعبیر در نگاه اول شاید ساده و کاربردی به‌نظر برسد، اما در واقع می‌تواند تصویر نادرستی از مفهوم اصلی ارائه دهد. به‌عنوان مثال، اگر از شما بپرسند آیا یک لیوان پر از یخ بی‌نظم‌تر است یا لیوانی که در آن فقط آب ولرم وجود دارد، احتمالاً می‌گویید: یخ، بی‌نظم‌تر است. اما آنتروپیِ آب ولرم بیشتر از یخ است، زیرا مولکول‌های آب ولرم آزادانه‌تر حرکت می‌کنند و حالت‌های ممکن بیشتری دارند🧊

آنتروپی با بسیاری از پدیده‌های آشنا در زندگی روزمره مرتبط است. این مفهوم، میزان بی‌نظمی یا تعداد حالت‌های ممکن یک سیستم را توصیف می‌کند. هرچه آنتروپی یک سیستم بیشتر باشد، پیش‌بینی رفتار آن دشوارتر می‌شود؛ چراکه گزینه‌های بیشتری برای نحوه‌ی چیدمان اجزای آن وجود دارند.

آنتروپی راز حرکت یک‌طرفه‌ی زمان است

یک پازل هزار تکه را در نظر بگیرید. وقتی پازل کامل و مرتب است، تنها یک حالت مشخص دارد. این حالت، نظم بالایی دارد و می‌توان گفت آنتروپی آن پایین است. حال جعبه‌ی پازل را تکان دهید تا تمام قطعات آن به هم بریزند. اکنون قطعات پازل می‌توانند به بی‌نهایت شکل مختلف و نامنظم در کنار هم قرار بگیرند. این حالتِ به‌هم‌ریخته، نشان‌دهنده بی‌نظمی بسیار بیشتر و در نتیجه، آنتروپی بالاتر است.

طبیعت نیز همین‌گونه عمل می‌کند. سیستم‌ها به طور خود‌به‌خود تمایل دارند از حالت‌های منظم (آنتروپی پایین) به سمت حالت‌های نامنظم‌تر (آنتروپی بالاتر) حرکت کنند، مگر اینکه انرژی خارجی برای حفظ یا ایجاد نظم صرف شود (مانند انرژی که شما برای مرتب کردن دوباره‌ی قطعات پازل یا تمیز کردن اتاقتان مصرف می‌کنید). فهم آنتروپی، کلیدی برای درک این است که چرا برخی اتفاقات در جهان رخ می‌دهند و برخی دیگر، مثل سفر به گذشته، هرگز اتفاق نمی‌افتند.

در واقع، آنتروپی همان پدیده‌ای‌ است که به زمان جهت می‌دهد. قوانین بنیادین فیزیک، مانند قوانین حرکت نیوتن یا معادله‌ی شرودینگر در فیزیک کوانتوم، از لحاظ ریاضی قابل‌برگشت هستند؛ یعنی اگر مسیر یک رویداد فیزیکی را در زمان معکوس کنیم، همچنان با این قوانین، سازگار باقی می‌ماند. در واقع، آنتروپی همان پدیده‌ای‌ است که به زمان جهت می‌دهد. قوانین بنیادین فیزیک، مانند قوانین حرکت نیوتن یا معادله‌ی شرودینگر در فیزیک کوانتوم، از لحاظ ریاضی قابل‌برگشت هستند؛ یعنی اگر مسیر یک رویداد فیزیکی را در زمان معکوس کنیم، همچنان با این قوانین، سازگار باقی می‌ماند.

بااین‌حال، آنچه تجربه‌ی ما از جهان را شکل می‌دهد، دقیقاً خلاف این موضوع است: زمان برای ما همیشه رو به جلو حرکت می‌کند. این جهت‌داریِ زمان را نمی‌توان با قوانین بنیادی توضیح داد، مگر آن‌که نقش آنتروپی را در نظر بگیریم. تنها با مفهوم آنتروپی است که می‌توان درک کرد چرا گذشته منظم‌تر است و آینده همواره آشفته‌تر به‌نظر می‌رسد.