الإنتروبي

الإنتروبي

"الإنتروبي" هو مصطلح مهمٌّ وأساسي لفهم الكثير من الظواهر الموجودة من حولنا في الكون، و"الإنتروبي" يُنظَر إليه من خلال عدَّة علوم؛ فمن خلال علم الميكانيكا الإحصائيَّة يعدُّ مقياسًا لمقدار الطاقة داخل أيِّ نظام فيزيائي لا يمكن فيه استخدام هذه الطاقة لإنتاج عملٍ، وهو القانون الثاني من قوانين الديناميكا الحراريَّة الأربعة.

وهو مصطلح معقَّد بعض الشيء، ويحتاج إلى ثقافةٍ فيزيائيَّة واسعة لفهمه، ولكن يمكن تلخيصه - دون التطرُّقِ للكثير من المصطلحات العلمية المتخصِّصة - بأنَّه: ما يساوي الفواقِدَ النَّاتجة عن أيِّ شغل، فعلميًّا: لا يمكن تصميم معدَّة ما بكفاءة تصل لنسبة 100 %؛ لأنَّ أي شغل لا بدَّ أن تَصْحَبه فواقد، وهذه الفواقدُ تنشأ عن عشوائيَّة النِّظام، و"الإنتروبي" هو المقدار الذي يحدِّد مدى عشوائية هذا النظام.

وكمثالٍ عملي للإنتروبي: نجد أنَّه عند وضع كمية من الماء في كوبٍ وترْكِه لعدَّة أيام؛ فإننا سنجد كمِّية المياه قد نقصَتْ، هذا النقص سببه العشوائيَّة - مقياسها "الإنتروبي" - التي تجبر الجُزَيئات على التصادم والارتطام، ثم الهروب من كوب المياه.

وقد يكون لهذه العشوائيَّة - أو ما يُطلَق عليها: عشوائيَّة النِّظام، أو فوضى النظام - أسبابٌ؛ كالاحتكاك، أو انتقال الحرارة، وكلمة عشوائية أو فوضى هنا - يعترض عليها الكثيرون - مقصود بها المسببات التي تقلِّل الشغل الناتج، فمن الطبيعيِّ أن أيَّ نظام ينتج شغلاً معيَّنًا - في مثالنا السابق هو: الاحتفاظ بكمِّية المياه التي وضعناها بالكوب كما هي دون تغيُّر - ولكن بسبب أحد مسبِّبات العشوائية كالاحتكاك أو انتقال الحرارة ينقص الماء، وبِهذا يقلُّ الشغل الناتج، و"الإنتروبي" هو الذي يحدِّد لنا مقدار هذه العشوائيَّة، ولا يمكن استخدام مقدار هذه الطاقة المفقودة لإنتاج عمل، فلو أمكن استخدامُها لإنتاج عملٍ تكون الطَّاقة في هذه الحالة قد تحوَّلَت من صورتها الحالية لصورة لأخرى، ولن تكون فاقدًا.

"الإنتروبي" إذًا هو دالٌّ على القدرة الضائعة، وكلما قل "الإنتروبي" قلت الخسائر واتجه الأمر نحو المثالية أكثر، ورغم أن "الإنتروبي" مصطلح فيزيائي في الأساس فهو مفهوم شامل عميق جدًّا، يحتاج إلى التأمل، كما يفسر الكثير من العمليات التي تحدث في الطبيعة، وحتى على مستوى الكون ذاته، فـ"الإنتروبي" هو الذي يحدِّد اتجاه تدفُّقِ الطاقة والحرارة والشغل من نظامٍ لآخر.

أما "الإنتروبي" من منظور علم الفيزياء فهو التغيُّر التلقائي الذي يَحدث في النِّظام، ومن المعروف أن التغيُّرات التلقائية تتَّجِه بشكل عام نحو إحداث توازن في الاختلافات الكامنة داخل أي نظام، سواء كان هذا النظام فيزيائيًّا أو كيميائيًّا، بحيث يتم تقليل الفوارق لأقل مقدار ممكن؛ ليصل النظام إلى حالة من التوازُن.

و"الإنتروبية" تمثل مقدار التقدُّم نحو هذا التوازن الذي يمحو الاختلافات الموجودة داخل النظام، وهى مقياس لـ"عدم الانتظام"، وليست مقياسًا للانتظام، فكلما ازداد انتقال الحرارة داخل النظام بهدف إحداث توازن فيه، دلَّ ذلك على أن البيئة غيرُ مستقرةٍ، وتسعى إلى الاستقرار، وبذلك تزداد "الإنتروبية"، فـ"الإنتروبية" تتناسب عكسيًّا مع "الانتظام"، وتتناسب طرديًّا مع "عدم الانتظام".

يتعامل "الإنتروبي" مع العمليات الفيزيائيَّة لأنظمة التجمُّعات الكبيرة للجُزَيئات، ويبحث في شروط سيرها كعملية تلقائيَّة أم لا، والتغيُّرات التلقائية للنظام تميل عادة إلى أنْ تُوازِنَ اختلافات النظام؛ كأنْ تُوازِنَ الحرارة أو الضغط أو الكثافة، أو حتى المكوّن الكيميائي داخله.

و"الإنتروبي" هو تحوُّلٌ نحو حالة أكثر فوضويَّة على المستوى الجُزَيئي، حيث تتَّجِه التغيُّرات التلقائية عادة لكسب مزيدٍ من الحرية لحركة الجزيئات أو الذرَّات، ولهذا بدأ العلماء مؤخَّرًا ينظرون إلى "الإنتروبي" على أنه تشتيتٌ للطاقة، ودالة للحالة الانتشاريَّة في الأنظمة الثيرموديناميكية.

وكمثالٍ عملي يوضِّح هذه المفاهيم: نجد أننا إذا أحضرنا قارورتين؛ تحتوي كلٌّ منهما على غاز مختلف عن الغاز الآخر، ثم فتَحْنا القارورتين على بعضهما البعض بحيث تختلطان معًا، وتصبحان نظامًا واحدًا، فسنجد أنَّ الغازَيْن بدأا في الانتشار والاختلاط، وبعد فترة يصل النظام إلى حالة من التَّوازن، وتتوزَّع الجزيئات بشكل متساوٍ، ولو أخذنا سنتيمترًا مكعبًا من الغاز من أي مكان من القارورتين فسوف نجد عددًا متساويًا من نوعي جزيئات الغاز.

وتعتبر "الإنتروبية" متغيِّرًا حرًّا عند قياس الخواص المجهرية للنظام كبقية المتغيرات الحرة الأخرى، كالضغط ودرجة الحرارة تمامًا، وبهذا يمكن القول أن "الإنتروبية" تعني: إمَّا كمية الطاقة الموجودة داخل نظامٍ ما، ولا يمكن استخدمها لإنتاج شغل، أو هي: مقياسٌ لعدم الانتظام الموجود داخل النظام والهادف لإحداث توازُنٍ فيه، وذلك طبقًا للعلم الذي نتناول مفهوم "الإنتروبية" من خلاله، هل هو علم الفيزياء أم الديناميكا الحراريَّة، أم علم الديناميكا الإحصائية.

وتُعرَّب "الإنتروبيا" بألفاظٍ ومصطلحات عديدة؛ فمنها الاعتلاج، ومنها القصور الحراري.

ويعتقد البعض بأنَّ مصطلح الاعتلاج أفضل من "الإنتروبي"؛ لأن "الإنتروبي" يشير إلى العشوائية، والكون ليس فيه عشوائية بطبيعة الحال؛ فما يطلق عليه عشوائية تحكمه هو الآخر قوانينُ ثابتةٌ وراسخة، أما الاعتلاج فيعني الهرج والمرج، أو اختلاط الحابل بالنابل، كما ذكرنا في المثال السابق؛ لذلك يفضل الكثيرون استخدام مصطلح الاعتلاج وليس "الإنتروبية".

يعتقد البعض أنَّ الكون سيكون مآله إلى الموت الحراريَّ، وأن العمليات اللاعكسية التي ستحدث في الطبيعة - تتَّسِم بأنَّها إما عمليات عكسية يمكن للنِّظام أن يعودَ فيها إلى حالته البدائيَّة دون أيِّ ضياع للطَّاقة، وعمليات لا عكسية يتمُّ فيها فقدانٌ للطَّاقة أو للشغل - ستزداد بها نسبة الاعتلاج حتَّى تصل إلى أقصى درجاتها، وتصبح مادة الكون خليطًا من نسق واحد؛ حيث تسري الحرارة من المناطق ذات درجة الحرارة الأعلى إلى المناطق ذات درجة الحرارة الأقل، حتى يُصبح الكون كله ذا درجة حرارة واحدة، وعندها لا يمكن الحصول على شغل ميكانيكي، وتكون الطاقة الكونية كلها قد تحولت إلى نوعٍ واحد من الطاقة، وهذا ما يُطْلِق عليه العلماء الموت الحراريَّ للكون.

وبخلاف أهميَّة مفهوم "الإنتروبي" عند دراسة علمَيِ الديناميكا الحرارية والفيزياء، فإنَّ "الإنتروبي" يعدُّ حجر الأساس في "نظريَّة المعلومات"، وهى وثيقة الصِّلة أيضًا بعلم الديناميكا الحراريَّة، ونظرية المعلومات هي أحد أحدث تخصصات وفروع الرياضيَّات التطبيقيَّة، الذي يتضمَّن تكوين أكبر قدرٍ من البيانات (تحويلها لكميات)؛ لنقلها وتخزينها ضمن وسَطٍ، أو نقلها عبر قناة اتِّصال.

ويعرف قياس المعلومات بـ"إنتروبيَّة" المعلومات، وهو متوسِّطُ عدد "البتات" اللازم للتخزين والاتصال، وهى النظرية التي تمثَّلَت في عدة تطبيقات شديدة الأهمية، كاختراع (السي دي)، وتطبيقات الهواتف المحمولة، ونجاح رحلات الفضاء، وفَهْم ظاهرة الثُّقوب السَّوداء، وتطوُّر الإنترنت، هذا بخلاف التطبيقات المباشرة، كابتكار صيغة ملفَّات ضغط البيانات غير المنقوصة "زيب"، وضغط البيانات المنقوصة مثل "إم بي ثري"، وتشفير قنوات نقل البيانات، وسعاتها كخطوط "دي إس إل".