آیا حیات، قانون دوم ترمودینامیک را نقض میکند؟
انتروپی و عالَم
حسن فتاحي. عضو هيئتتحريريه فصلنامه نقد كتاب علوم محض و كاربردي
قانون دوم ترمودینامیک از آن قوانین ساده، اما پر از ظرافت فیزیکی است و به سختی میتوان ردپای آن را در مباحث عمیق فیزیک ندید. قانون دوم ترمودینامیک در علوم مهندسی و زیستی هم حضوری پررنگ دارد و در این نوشته به گوشهای مهیج از این حضور نگاهی خواهم داشت، اما پیش از ورود به بحث، ابتدا ترمودینامیک و قوانین آن را تعریف خواهم کرد. ترمودینامیک از دو کلمه «ترمو» به معنای گرما و «دینامیک» به معنای پویایی تشکیل شده است. ترمودینامیک که معادل فارسی آن «گرماپویایی» است، شاخهای از فیزیک با موضوع مطالعه قانونهای حاکم بر تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر است یا تحول هر سامانه فیزیکی-شیمیایی با درنظرگرفتن تبادلهای اتفاقی انرژی از هر نوع میان سامانه و محیط بیرون. ترمودینامیک انواعی دارد مانند ترمودینامیک تعادلی و غیرتعادلی، ترمودینامیک تحولهای برگشتپذیر و برگشتناپذیر، ترمودینامیک تعمیمیافته، ترمودینامیک خطی و ناخطی. ترمودینامیک که یک واحد درسی در مقاطع کارشناسی و ارشد فیزیک و برخی گرایشهای مهندسی است، چهار قانون یا اصل اساسی دارد:
قانون صفرم: اگر دو سامانه هر یک جداگانه با سامانه سومی در تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر نیز در تعادل یا ترازمندی گرمایی هستند.
قانون اول: اگر حالت سامانهای که از همه لحاظ منزوی است با انجامگرفتن کار تغییر یابد، مقدار کار لازم تنها به تغییری که در سامانه ایجاد میشود، بستگی دارد و به ابزار انجامدادن کار و نیز به حالات میانی که سامانه بین حالت اولیه و حالت نهایی از آنها میگذرد، بستگی ندارد.
قانون دوم: این قانون بیانهای مختلفی دارد که همگی همارز یکدیگرند:
بیان کلوین: فرایندی که تنها نتیجه آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، بههیچوجه ممکن نیست رخ دهد.
بیان کلاوسیوس: فرایندی که تنها نتیجه آن انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرم باشد، بههیچوجه ممکن نیست رخ دهد.
قانون سوم: درگاشت (معادل فارسی اِنتروپی که در فارسی با تلفظ نهچندان صحیح آنتروپی رواج پیدا کرده) هر سامانهای در تعادل ترمودینامیکی در دمای صفر مطلق دارای اندازه معینی است. این اندازه را برای همه سامانهها برابر صفر گرفتهاند.
قانون اول ترمودینامیک را به یاد بیاورید. انرژی کل یک سامانه بسته همواره پایسته است. اگرچه این قانون در اصل برای سامانههای گرمایی توسعه پیدا کرد، اما اصول پایستگی برای تمام انواع انرژی صدق میکند: انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، شیمیایی و... . انرژی کل یک سامانه بسته که در اینجا عالم را چنین سامانهای در نظر میگیریم، مستقل از نوع ماده آن ثابت است. انرژی از نوعی به نوع دیگر تبدیل میشود، اما هرگز هیچ انرژیای خلق یا نابود نمیشود. از سوی دیگر قانون دوم ترمودینامیک اظهار میکند که هر نوع از تبدیل انرژی، از نوعی به نوع دیگر همراه با ازدستدادن انرژی قابلاستفاده است. یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند، اما کارایی یا بازده آن کامل نیست و بخش کوچکی از آن به شکل گرمای غیرقابل استفاده هدر میشود. این هدررفت گرما که میتوان آن را به شکل انرژی قابل بهرهبرداری هم تصور کرد، به صورت افزایش درگاشت یا همان اِنتروپی بیان میشود. این مفهوم را نخستینبار فیزیکدان اتریشی، لودویگ بولتزمان، به شکل آماری در قالب اندازهگیری حالت بینظمی یک سامانه بیان کرد. عمر 62 ساله بولتزمان مصادف بود با
چهار سال آخر حکومت محمدعلیشاه قاجار، تمام دوران سلطنت 48 ساله ناصرالدینشاه و دوران سلطنت مظفرالدینشاه. در زمان حیات بولتزمان، در ایران دارالفنون تأسیس شده بود و جالب آنکه استادان اتریشی هم در آنجا به تدریس علوم و فنون مشغول بودند. یک سال بعد از درگذشت بولتزمان در ایتالیا، در ایران فرمان جنبش مشروطیت امضا شد. بینظمی بیشتر بهرهمندی کمتر از انرژی قابلاستفاده باقی مانده است و افزایش بینظمی اجتنابناپذیر با گذر زمان است، بنابراین درگاشت یا انتروپی عالم با گذر زمان بعد از مهبانگ پیوسته در حال افزایش است. هرچند عالم بهعنوان یک کل، مانع ایجاد نظم به شکل موضعی نمیشود، اما بهطور طبیعی افزایش موضعی نظم هزینهاش پدیدارشدن یک بینظمی بزرگتر خارج از آن موضع است. این همان چیزی است که وقتی به پدیده «حیات» توجه میکنیم، رخ میدهد. موجودات زنده از مادهای ساخته شدهاند که سازمانیافته شده است. تصور کنید محتویات یک جورچین (همارز فارسی پازل) به هوا پرتاب و سپس روی زمین پخش شوند. در چنین حالتی امکان اینکه تصویر کامل جورچین روی زمین شکل بگیرد، وجود ندارد. برای اینکه تصویر کامل را درست کنیم باید یک نفر فکر کند،
دورتادور اتاق راه برود و تکههای جورچین را جمع کند و کنار هم بچیند. تمام این کارها نیازمند انرژی است که باید در گذر زمان صرف شود. بهطور مشابه، حیات نیازمند مولکولهای بنیادی است و تبدیل آنها به مولکولهای زیستی؛ سازماندهی (موجود زنده) به سلولها. برای موجودات زنده پیچیده یا اندامگان پیچیده، سلولها باید درون بافتها، اندامها و در نهایت درون سامانهها، مانند گردش خون، تنفس، گوارش یا عصبی سازماندهی شوند. سپس تحت کنترل مغز قرار گیرند. تمام این فرایندها نیازمند انرژی است؛ چهبسا انرژیای بیش از صرفا زندهنگهداشتن موجودات زنده. این انرژی توسط غذا از محیط و نیز انرژی خورشیدی تأمین میشود. بنابراین هرچند مردم با پیوندهای باطنیگری، رمزآلود یا دینی و اسطورهای تمایل دارند حیات را امری خارج از قلمرو قوانین فیزیک و بهطور عام، علم نشان دهند و نقطه سقوط اعتبار قوانین علمی قلمداد کنند، اما اینگونه نیست. وقتی یک سامانه حیاتی پدید میآید، درگاشت یا انتروپی کل عالم افزایش پیدا میکند. در طول حیات سامانه زیستی هم درگاشت افزایش مییابد. حتی بعد از مرگ و تجزیه مولکولهای زیستی باز هم با افزایش درگاشت روبهرو هستیم. نظم
درونی آن به بینظمی تبدیل میشود. در پایان بد نیست اشارهای بسیار مختصر داشته باشم به تعریف حیات یا آنچه در متون علمی به آن Life میگویند. برای حیات تعاریف متعددی وجود دارد، اما یک تعریف مورد قبول این است که هر موجودی دارای DNA یا RNA است. در یک تعریف کلی هم موجود زنده، اعم از تکسلولی یا پرسلولی، گیاه یا جانور، به چیزی گفته میشود که موارد حاضر را شامل شود: تغذیه، تنفس، تولید انرژی، دفع، رشد، تولیدمثل، پاسخ به محرک و حرکت. بهاینسان قانون دوم ترمودینامیک نهتنها نقض نمیشود، بلکه جلوههای زیبایی از آن را مشاهده میکنیم.
قانون دوم ترمودینامیک از آن قوانین ساده، اما پر از ظرافت فیزیکی است و به سختی میتوان ردپای آن را در مباحث عمیق فیزیک ندید. قانون دوم ترمودینامیک در علوم مهندسی و زیستی هم حضوری پررنگ دارد و در این نوشته به گوشهای مهیج از این حضور نگاهی خواهم داشت، اما پیش از ورود به بحث، ابتدا ترمودینامیک و قوانین آن را تعریف خواهم کرد. ترمودینامیک از دو کلمه «ترمو» به معنای گرما و «دینامیک» به معنای پویایی تشکیل شده است. ترمودینامیک که معادل فارسی آن «گرماپویایی» است، شاخهای از فیزیک با موضوع مطالعه قانونهای حاکم بر تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر است یا تحول هر سامانه فیزیکی-شیمیایی با درنظرگرفتن تبادلهای اتفاقی انرژی از هر نوع میان سامانه و محیط بیرون. ترمودینامیک انواعی دارد مانند ترمودینامیک تعادلی و غیرتعادلی، ترمودینامیک تحولهای برگشتپذیر و برگشتناپذیر، ترمودینامیک تعمیمیافته، ترمودینامیک خطی و ناخطی. ترمودینامیک که یک واحد درسی در مقاطع کارشناسی و ارشد فیزیک و برخی گرایشهای مهندسی است، چهار قانون یا اصل اساسی دارد:
قانون صفرم: اگر دو سامانه هر یک جداگانه با سامانه سومی در تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر نیز در تعادل یا ترازمندی گرمایی هستند.
قانون اول: اگر حالت سامانهای که از همه لحاظ منزوی است با انجامگرفتن کار تغییر یابد، مقدار کار لازم تنها به تغییری که در سامانه ایجاد میشود، بستگی دارد و به ابزار انجامدادن کار و نیز به حالات میانی که سامانه بین حالت اولیه و حالت نهایی از آنها میگذرد، بستگی ندارد.
قانون دوم: این قانون بیانهای مختلفی دارد که همگی همارز یکدیگرند:
بیان کلوین: فرایندی که تنها نتیجه آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، بههیچوجه ممکن نیست رخ دهد.
بیان کلاوسیوس: فرایندی که تنها نتیجه آن انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرم باشد، بههیچوجه ممکن نیست رخ دهد.
قانون سوم: درگاشت (معادل فارسی اِنتروپی که در فارسی با تلفظ نهچندان صحیح آنتروپی رواج پیدا کرده) هر سامانهای در تعادل ترمودینامیکی در دمای صفر مطلق دارای اندازه معینی است. این اندازه را برای همه سامانهها برابر صفر گرفتهاند.
قانون اول ترمودینامیک را به یاد بیاورید. انرژی کل یک سامانه بسته همواره پایسته است. اگرچه این قانون در اصل برای سامانههای گرمایی توسعه پیدا کرد، اما اصول پایستگی برای تمام انواع انرژی صدق میکند: انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، شیمیایی و... . انرژی کل یک سامانه بسته که در اینجا عالم را چنین سامانهای در نظر میگیریم، مستقل از نوع ماده آن ثابت است. انرژی از نوعی به نوع دیگر تبدیل میشود، اما هرگز هیچ انرژیای خلق یا نابود نمیشود. از سوی دیگر قانون دوم ترمودینامیک اظهار میکند که هر نوع از تبدیل انرژی، از نوعی به نوع دیگر همراه با ازدستدادن انرژی قابلاستفاده است. یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند، اما کارایی یا بازده آن کامل نیست و بخش کوچکی از آن به شکل گرمای غیرقابل استفاده هدر میشود. این هدررفت گرما که میتوان آن را به شکل انرژی قابل بهرهبرداری هم تصور کرد، به صورت افزایش درگاشت یا همان اِنتروپی بیان میشود. این مفهوم را نخستینبار فیزیکدان اتریشی، لودویگ بولتزمان، به شکل آماری در قالب اندازهگیری حالت بینظمی یک سامانه بیان کرد. عمر 62 ساله بولتزمان مصادف بود با
چهار سال آخر حکومت محمدعلیشاه قاجار، تمام دوران سلطنت 48 ساله ناصرالدینشاه و دوران سلطنت مظفرالدینشاه. در زمان حیات بولتزمان، در ایران دارالفنون تأسیس شده بود و جالب آنکه استادان اتریشی هم در آنجا به تدریس علوم و فنون مشغول بودند. یک سال بعد از درگذشت بولتزمان در ایتالیا، در ایران فرمان جنبش مشروطیت امضا شد. بینظمی بیشتر بهرهمندی کمتر از انرژی قابلاستفاده باقی مانده است و افزایش بینظمی اجتنابناپذیر با گذر زمان است، بنابراین درگاشت یا انتروپی عالم با گذر زمان بعد از مهبانگ پیوسته در حال افزایش است. هرچند عالم بهعنوان یک کل، مانع ایجاد نظم به شکل موضعی نمیشود، اما بهطور طبیعی افزایش موضعی نظم هزینهاش پدیدارشدن یک بینظمی بزرگتر خارج از آن موضع است. این همان چیزی است که وقتی به پدیده «حیات» توجه میکنیم، رخ میدهد. موجودات زنده از مادهای ساخته شدهاند که سازمانیافته شده است. تصور کنید محتویات یک جورچین (همارز فارسی پازل) به هوا پرتاب و سپس روی زمین پخش شوند. در چنین حالتی امکان اینکه تصویر کامل جورچین روی زمین شکل بگیرد، وجود ندارد. برای اینکه تصویر کامل را درست کنیم باید یک نفر فکر کند،
دورتادور اتاق راه برود و تکههای جورچین را جمع کند و کنار هم بچیند. تمام این کارها نیازمند انرژی است که باید در گذر زمان صرف شود. بهطور مشابه، حیات نیازمند مولکولهای بنیادی است و تبدیل آنها به مولکولهای زیستی؛ سازماندهی (موجود زنده) به سلولها. برای موجودات زنده پیچیده یا اندامگان پیچیده، سلولها باید درون بافتها، اندامها و در نهایت درون سامانهها، مانند گردش خون، تنفس، گوارش یا عصبی سازماندهی شوند. سپس تحت کنترل مغز قرار گیرند. تمام این فرایندها نیازمند انرژی است؛ چهبسا انرژیای بیش از صرفا زندهنگهداشتن موجودات زنده. این انرژی توسط غذا از محیط و نیز انرژی خورشیدی تأمین میشود. بنابراین هرچند مردم با پیوندهای باطنیگری، رمزآلود یا دینی و اسطورهای تمایل دارند حیات را امری خارج از قلمرو قوانین فیزیک و بهطور عام، علم نشان دهند و نقطه سقوط اعتبار قوانین علمی قلمداد کنند، اما اینگونه نیست. وقتی یک سامانه حیاتی پدید میآید، درگاشت یا انتروپی کل عالم افزایش پیدا میکند. در طول حیات سامانه زیستی هم درگاشت افزایش مییابد. حتی بعد از مرگ و تجزیه مولکولهای زیستی باز هم با افزایش درگاشت روبهرو هستیم. نظم
درونی آن به بینظمی تبدیل میشود. در پایان بد نیست اشارهای بسیار مختصر داشته باشم به تعریف حیات یا آنچه در متون علمی به آن Life میگویند. برای حیات تعاریف متعددی وجود دارد، اما یک تعریف مورد قبول این است که هر موجودی دارای DNA یا RNA است. در یک تعریف کلی هم موجود زنده، اعم از تکسلولی یا پرسلولی، گیاه یا جانور، به چیزی گفته میشود که موارد حاضر را شامل شود: تغذیه، تنفس، تولید انرژی، دفع، رشد، تولیدمثل، پاسخ به محرک و حرکت. بهاینسان قانون دوم ترمودینامیک نهتنها نقض نمیشود، بلکه جلوههای زیبایی از آن را مشاهده میکنیم.