الفيزياء والفلك > فيزياء
تدفّق الحرارة بعفويّة من نظام بارد إلى نظام ساخن، من دون خرق أي قانونٍ فيزيائيّ!
تمكّن فريقٌ من العلماءِ في جامعةِ نورنبرغ في ألمانيا، من إجراء تجربة كموميّة تبدو للوهلة الأولى وكأنها خرقٌ للديناميكا الحرارية: فقد تمكّن العلماء من جعل الحرارة تتدفق بعفوية من نظام بارد إلى نظام ساخن، من دون خرق أي قانونٍ فيزيائيّ. وبهذا يسلّط عملهم الضوء على العلاقة المعقدة بين ميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية والزمن نفسه.
تتدفّق الحرارة دائما من الأنظمة الساخنة إلى الأنظمة الباردة أو الأقل سخونة. وهو مايُعبّرُ عنه بـ "ازدياد الانتروبيّة" التي هي مقياسٌ للعشوائيّةِ في نظامٍ ما، والّتي تزدادُ دائماً (في نظامٍ مغلقٍ). فمثلاً: إذا وضعت مكعباتِ من الثلج في مشروبك الغازيّ، فإنّه لن يسخن بسرعة. وعندما يحدث هذا التدفق الحراري، نقول أنّ أنتروبيّة النظام تزداد. لذلك، من خلال النظر إلى أنتروبيّة نظام ما، يمكننا أن نعرف ما إذا كان النظام يتقدّم "إلى الأمام" أو "الى الخلف". فزيادة الانتروبيا تحدد السهم الحراري للوقت، والأمر ينطبق أيضًا على العالم المجهري.
حسنًا، الى الآن كل شيء جيد، لكن هناك شرطٌ مهم: فلكيّ تتدفّق الحرارة من النظام الساخن إلى البارد، يجب أن يكون النظامان غير مترابطين. أي لا ينبغي أن يكون هناك أي اتصالٍ خاص يربط بينهما قبل وضعهما معًا. وفي مثالنا السابق لا علاقة خاصّة تربط مكعبات الثلج بالجزيئات التي تشكل مشروبك.
هذا واضح في الأنظمة المجهريّة، لكن في عالم الكم، من الممكن إنشاء حالات كموميّة مرتبطة، يكون اتجاه سهم الزمن فيها عكسيّ!
اقتُرِحَ هذا نظريًا من قبل، ولكن هذه الدراسة تبين أنه من الممكن إثبات هذا تجريبيًا. ولتحقيق ذلك، قاموا بإنشاء نظامين حراريين مترابطين على المستوى الكمّي، وشهدوا بالفعل تدفق الحرارة من النظام البارد إلى النظام الساخن.
وفي الورقة البحثيّة المُتاحة على موقع arXiv، يؤكد الفريق بوجود ما أسموه "مقايضة" أو " trade-off " بين الروابط الكموميّة و أنتروبيا النظام. تسمح هذه المقايضة بعكس تدفق الحرارة. ما يؤكّد أنّ السهم الحراري للزمن يعتمد بشدة على الحالة الأولية للنظام.
ووفقا للباحثين، فإن هذا الانعكاس في تدفّق الحرارة قد لا يقتصر على النظم الكموميّة، بالرَغم من أن هذا لم يُثبت بعد. ومن غير المرجح أن نشهده في الظواهر المجهريّة، ولكن الانتروبيا تلعب دورا كبيرا في تعريف الزمن علميًا، لذلك فمن المهم جدًا متابعة بحوث كهذه.
للمزيد من الاطّلاع :
التشابك الكمّي:
هل سنميز الماضي عن المستقبل لو كان كوننا أكثر بساطة؟ :
المصادر