Η «αμνησία» της εντροπίας.

Πηγή: physics4u

Μια νέα θεωρία προτείνει ότι δεν παρατηρούμε φαινόμενα στα οποία να μειώνεται η εντροπία, διότι όλες οι αποδείξεις από τις διαδικασίες αυτές διαγράφονται όταν οι συσχετισμοί απομακρυνθούν από το σύστημα.

Η εντροπία λοιπόν μπορεί να μειωθεί, σύμφωνα με τη νέα αυτή πρόταση – αλλά η διαδικασία θα καταστρέψει όλα τα αποδεικτικά στοιχεία της ύπαρξής της, και θα διαγράψει κάθε μνήμη που ένας παρατηρητής θα μπορούσε να έχει από αυτή τη μείωση.

Η αίσθηση που έχουμε για το χρόνο περιγράφεται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, που λέει ότι κάθε κλειστό σύστημα – από σωματίδια σε ένα απομονωμένο κουτί έως ολόκληρο το σύμπαν – μπορεί να γίνει πιο ‘άτακτο’ μόνο. Το μέτρο αυτής της αταξίας, που είναι γνωστό ως εντροπία, μπορεί μόνο να αυξάνεται.

Στον μακρόκοσμο η αύξηση της εντροπίας σχετίζεται με τη ροή της θερμότητας, που πηγαίνει πάντα από το πιο θερμό προς το πιο ψυχρό αντικείμενο. Η μεταβολή της εντροπίας μπορεί επίσης να περιγραφεί ως μια ροή των πληροφοριών: όσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία του συστήματος, τόσο λιγότερες πληροφορίες αυτή περιέχει.

Στον κόσμο της κβαντικής μηχανικής, ένα κουτί γεμάτο σωματίδια κερδίζει εντροπία – και χάνει πληροφορίες – όταν αυτό γίνεται πιο πεπλεγμένο (φαινόμενο διεμπλοκής) με τον έξω κόσμο.

Ένας εξωτερικός παρατηρητής του κουτιού μπορεί να ‘διεμπλακεί’ περισσότερο με αυτό. Αυτή η διεμπλοκή  – η οποία συνεπάγεται την απώλεια των πληροφοριών στα σωματίδια – αυξάνει τις διαθέσιμες πληροφορίες του παρατηρητή.

Τι λέει λοιπόν η νέα θεωρία: ότι η συνεχής αύξηση της εντροπίας, και ως εκ τούτου ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, μπορεί να είναι απλώς μια ψευδαίσθηση, ένα τεχνητό γεγονός της κβαντικής μηχανικής.

Μπορεί η εντροπία να μειώνεται αν όμως διαγραφούν οι αποδείξεις

Η νέα πρόταση μοιάζει φυσικά με σενάριο επιστημονικής φαντασίας, αλλά πρόσφατα προτάθηκε από τον θεωρητικό φυσικό Lorenzo Maccone, ένας επισκέπτης επιστήμονας στο MIT, σε μια προσπάθεια του να επιλύσει ένα μακροχρόνιο παράδοξο στη φυσική.

Οι νόμοι της φυσικής, που περιγράφουν τα πάντα, από την ηλεκτρική ενέργεια έως τα κινούμενα αντικείμενα και την εξοικονόμηση ενέργειας, είναι χρονικά αμετάβλητοι. Δηλαδή, οι νόμοι εξακολουθούν να ισχύουν ακόμα κι αν έχει αντιστραφεί ο χρόνος. Ωστόσο, αυτή η συμμετρία της αντιστροφής του χρόνου έρχεται σε άμεση αντίθεση με τα καθημερινά φαινόμενα, όπου είναι προφανές ότι ο χρόνος κινείται προς τα εμπρός και όχι προς τα πίσω. Για παράδειγμα, όταν το γάλα έχει χυθεί έξω από το ποτήρι, δεν μπορεί να ρεύσει πάλι πίσω στο ποτήρι, ή όταν σπάσει σε κομμάτια ένα αγγείο, δεν μπορούν να συνενωθούν πίσω πάλι. Αυτό επισημοποιήθηκε αμετάκλητα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, που λέει ότι η εντροπία πάντα αυξάνεται ή παραμένει ίδια, αλλά ποτέ δεν μειώνεται.

Αυτή η αντίθεση έχει δημιουργήσει ένα παράδοξο αναστρεψιμότητας, που επίσης ονομάζεται παράδοξο του Loschmidt, και το οποίο οι επιστήμονες προσπάθησαν να το κατανοήσουν από τότε που ο Johann Loschmidt άρχισε να εξετάζει το πρόβλημα το 1876. Οι επιστήμονες από τότε έχουν προτείνει πολλές λύσεις για αυτό το αίνιγμα, από την προσπάθεια να ενσωματώσουν το αμετάκλητο στους φυσικούς νόμους έως το να απαιτήσουν αρχικές καταστάσεις με χαμηλή εντροπία.

Η ιδέα του Maccone, που δημοσιεύθηκε σε πρόσφατη έκδοση του Physical Review Letters, είναι μία εντελώς νέα προσέγγιση για το παράδοξο, που βασίζεται στην υπόθεση ότι η κβαντική μηχανική ισχύει σε όλες τις κλίμακες. Ο Maccone θεωρητικά δείχνει ότι η εντροπία μπορεί τόσο να αυξάνεται όσο και να μειώνεται, αλλά ότι θα πρέπει πάντα να αυξάνεται για φαινόμενα που αφήνουν ένα ίχνος της πληροφορίας πίσω. Η εντροπία μπορεί να μειωθεί σε ορισμένα φαινόμενα (όταν συσχετίζεται με ένα παρατηρητή), αλλά τα φαινόμενα αυτά δεν θα αφήνουν πίσω τους καμία πληροφορία ότι έχει συμβεί μια τέτοια μείωση. Για αυτές τις καταστάσεις είναι σαν τα φαινόμενα να μην έχουν συμβεί ποτέ, δεδομένου ότι δεν αφήνουν αποδεικτικά στοιχεία πίσω τους.

Όπως εξηγεί ο Maccone, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ανάγεται στη συνέχεια σε μια απλή ταυτολογία: η φυσική δεν μπορεί να μελετήσει διαδικασίες όπου η εντροπία έχει μειωθεί, λόγω της πλήρους έλλειψης πληροφοριών. Η λύση επιτρέπει να υπάρχουν αναστρέψιμα σε φορά φαινόμενα (σε συμφωνία με τους νόμους της φυσικής), αλλά δεν μπορούν να παρατηρηθούν (σε συμφωνία με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής).

Στη μελέτη του, ο Maccone παρουσιάζει δύο νοητικά πειράματα για να περιγράψει αυτή την ιδέα, ακολουθούμενα από μια αναλυτική περιγραφή. Περιγράφει δύο καταστάσεις όπου οι μειώσεις της εντροπίας και όλες οι καταγραφές της θα διαγραφούν μετά μόνιμα. Και στα δύο σενάρια, η εντροπία στα συστήματα πρώτα αυξάνεται και στη συνέχεια μειώνεται, αλλά η μείωση αυτή συνοδεύεται από τη διαγραφή στην κάθε μνήμη της εμφάνισής της. Το κλειδί για την μείωση της εντροπίας στην πρώτη θέση είναι μια συσχέτιση μεταξύ του παρατηρητή και του εν λόγω φαινομένου. Όπως εξηγεί ο Maccone, όταν συμβεί μια αλληλεπίδραση μεταξύ του παρατηρητή και ενός φαινομένου που παρατηρήθηκε μειώνεται η εντροπία του συστήματος παρατηρητή και παρατηρούμενου συστήματος, αλλά η αλληλεπίδραση πρέπει επίσης να μειώσει και κβαντική αμοιβαία πληροφορία τους. Όταν η πληροφορία αυτή καταστρέφεται, η μνήμη του παρατηρητή καταστρέφεται μαζί με της.

Στην πρώτη περίπτωση κατά την οποία η εντροπία μειώνεται, ο Maccone περιγράφει μια κατάσταση όπου ο Μπομπ στέλνει στην Αλίκη κάποια ενέργεια υπό μορφή φωτός, αρχικά σε μια κατάσταση μηδενικής εντροπίας. Χρησιμοποιώντας ανιχνευτές, η Αλίκη λαμβάνει το φως και παρατηρεί τους ανιχνευτές της να θερμαίνονται, αποκαλύπτοντας έτσι ότι η θερμότητα έχει χαθεί και ότι η εντροπία αυξάνεται στο απομονωμένο εργαστήριο της.

Ωστόσο, ο Μπομπ μπορεί θεωρητικά να χειριστεί την κατάσταση ‘ανακαλώντας’ (αποσύροντας) την ενέργεια που έχει αποστείλει στην Αλίκη, και στη συνέχεια διαγράφοντας όλα τα αποδεικτικά στοιχεία της ύπαρξης της ενέργειας του – συμπεριλαμβανομένης και της διαγραφής της μνήμης και του σημειωματάριου όπου κατέγραψε τις θερμοκρασίες των ανιχνευτών. Πρώτον, για την ανάκτηση της ενέργειας, ο Μπομπ πρέπει να επιστρέψει την ενέργεια σε μια κατάσταση μηδενικής εντροπίας. Κι αυτό το κάνει εξαλείφοντας όλους τους συσχετισμούς μεταξύ της ενέργειας και της Αλίκης, καθώς και κάθε άλλων μακροσκοπικών συστημάτων στο εργαστήριο. Με τη διαγραφή όλων των αρχικών συσχετισμών, ο Μπομπ μπορεί να επιτρέψει στο σύστημα να χάσει εντροπία. Παρά το γεγονός ότι η πράξη του αποσυσχετισμού απαιτεί ενέργεια, ο Maccone εξηγεί ότι αυτό δεν συνεπάγεται αναγκαστικά πως προκαλεί την αύξηση της εντροπίας.

Στην δεύτερη περίπτωση κατά την οποία μειώνεται η εντροπία εμπλέκεται μια κβαντική μέτρηση κβαντική αντί της κλασικής μέτρησης. Εδώ, ο Μπομπ στέλνει στην Αλίκη ένα σωματίδιο σε μια συγκεκριμένη κατάσταση σπιν. Η Αλίκη εκτελεί μια κβαντική μέτρηση η οποία αυξάνει την εντροπία του συστήματος. Αλλά και πάλι, ο Μπομπ μπορεί να χειριστεί θεωρητικά την κατάσταση, αυτή τη φορά αναστρέφοντας τη μετατροπή της μέτρησης της Αλίκης. Αυτή η ενέργεια αποσυσχετίζει όλα τα αποδεικτικά στοιχεία των μετρήσεων της Αλίκης γύρω από την κατάσταση των σπιν. Παρόλο που η Αλίκη θυμάται την εκτέλεση του πειράματος, αυτή δεν έχει καμία μνήμη ή απόδειξη του τι ήταν το αποτέλεσμα της μέτρησης, και έτσι το απιν επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση μηδενικής εντροπίας.

Αν και θεωρητικά είναι δυνατόν να γίνουν τα πειράματα, αυτές οι καταστάσεις στις οποίες μειώνεται η εντροπία θα ήταν πολύ δύσκολο να αποδειχθούν πειραματικά, λόγω της δυσκολίας στο χειρισμό μακροσκοπικών συσχετισμών. Αυτός είναι ο λόγος που αυτά τα φαινόμενα είναι αφανή στη φυσική. Ακόμα, όπως εξηγεί ο Maccone, η θεωρία είναι μια απλή εφαρμογή της κβαντικής μηχανικής όταν εφαρμόζεται σε μακροσκοπικά συστήματα, και θα μπορούσε ενδεχομένως να επαληθευθεί.

Η εξήγηση μπορεί να προσφέρει επίσης μια κατανόηση του τι είναι η εντροπία στο σύμπαν. Η προσέγγιση υποστηρίζει την ιδέα ότι το σύμπαν μπορεί να είναι σε κατάσταση μηδενικής εντροπίας, έστω και αν φαίνεται σε εμάς τους παρατηρητές να έχει υψηλότερη εντροπία. Όπως εξηγεί ο Maccone, το σύμπαν είναι σε καθαρή κατάσταση μηδενικής εντροπίας, επειδή δεν μπορεί να συσχετιστεί με οποιοδήποτε άλλο σύστημα, δεδομένου ότι, εξ ορισμού, περιλαμβάνει όλα τα φυσικά συστήματα.

Πηγή: PhysOrg, New Scientist

Σχετικά άρθρα

1. Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος και το βέλος του χρόνου

2. Το βέλος του χρόνου, η πληροφορία και η εντροπία

Advertisements

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s