بسیار جالب است که دانشمندان در مورد بسیاری از بنیادی ترین قوانین حاکم بر جهان، هنوز به توافق عمومی نرسیده اند. یکی از این مفاهیم به نظر ساده، گرمی یا سردی یا همان دماست. تصور کنید یک تکه یخ را درون خورشید بیندازید و درست قبل از ذوب شدن کامل آن، بپرسید: الان دمای این تکه یخ، چقدر است؟ آیا این سوال، معنادار است؟ فیزیک کلاسیکی می گوید، نه! زیرا فیزیک کلاسیکی می گوید ویژگی هایی مانند دما و ولتاژ را فقط می توان در سیستم هایی که در تعادل هستند، اندازه گیری کرد (و واضح است تکه یخ درون خورشید، به هیچ وجه در تعادل نیست!). دما و ولتاژ دو متغیر بنیادی هستند که در قرن نوزدهم، توسعه یافتند و حالا بسیار تعجب برانگیز است که در قرن بیست و یکم و پس از گذشت دو قرن، هنوز به جز برای حالت های تعادلی، تعریف ریاضیاتی دقیقی ندارند! واقعیت این است که حالت تعادل، یک حالت ایده آل است که واقعا در طبیعت، رخ نمی دهد. ( شاید به جز در مرگ گرمایی زمین که برای پایان جهان، پیش بینی شده است). اما حالا و در پژوهش جالبی، دانشمندان نشان داده اند که دمای سیستم را در هر حالتی، حتی دور از تعادل، می توان اندازه گیری کرد. در واقع آنها نشان داده اند اندازه گیری دمای سیستم های غیرتعادلی ، ممکن است. نتایج این پژوهش، چند روز پیش در ژورنال Physical Review B منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
تمام اجزای کائنات، از کوارک ها (اجزای سازنده پروتون ها و نوترون ها) تا کهکشان ها، گرایشی ذاتی برای رسیدن به تعادل با محیط اطرافشان دارند و می خواهند به بیشترین درجه از بی نظمی که البته من آن را عادلانه ترین توزیع انرژی تعبیر می کنم، برسند. این پدیده (توزیع عادلانه انرژی)، انتروپی نامیده می شود و وقتی در قالب قانون دوم ترمودینامیک، توصیف می شود، کمی پیچیده تر می شود. اجازه دهید یک مثال ساده بزنیم: اگر یک تکه یخ را درون یک لیوان آب بریزید (انتروپی کمتر)، پس از مدتی می بینید که ملکول های یخ، ساختار بلوری خود را از دست داده و با آب درون لیوان، مخلوط و یکدست می شوند (انتروپی بیشتر). قطعه یخی که درون خورشید، می اندازیم، در واقع بسیار بسیار از حالت تعادل، دور است. مثال ساده دیگر، یک اشاره گر (pointer) لیزری است. وقتی لیزر را روشن می کنید، الکترون های درون آن، گرمتر از چیزی می شوند که ما به آن، مثبت بی نهایت می گوییم. به این نکته توجه کنید که اینجا داریم در مورد پدیده های کوانتومی، صحبت می کنیم، در این مورد دمای الکترون، ربطی به دمای نور لیزر ندارد و دقیقا به همین دلیل است که اشاره گر در دست شما بخار نمی شود!
وقتی لیزر روشن می شود، از حالت تعادل، به شدت دور می شود. فیزیکدانان می گویند اندازه گیری دمای سیستم های غیرتعادلی ، غیرممکن است. اما نتایج این پژوهش، دقیقا خلاف این را ثابت می کند: اندازه گیری دمای سیستم های غیرتعادلی ، امکان پذیر است. حالا سوال دیگری پیش می آید: چرا کسی می خواهد دمای یک سیستم دور از تعادل را بداند؟ پاسخ این است: تکنولوژی میکروالکترونیک امروزی به این دلیل محدود شده است که دستگاه ها، مقدار زیادی گرما را تلف می کنند و با کوچک شدن ابعاد، این اتلاف گرما، بیشتر هم می شود. اندازه گیری دمای سیستم های غیرتعادلی می تواند این محدودیت را بردارد. دانشمندان این پژوهش می گویند:
از آنجایی که ما توانستیم دما و ولتاژ را حتی در مقیاس زیراتمی تعریف کنیم؛ می توانیم امیدوار باشیم که دستگاهی با همین دید، ساخته شود به طوری که نیازی نباشد که برای افزایش بازدهی، تمام اجزای آن، سرد شود، بلکه فقط نقطه ای که ترانزیستور قرار می گیرد باید سرد شود. در حال حاضر، این فقط یک رویاست، چون هیچ راه عملی برای انجام چنین کاری وجود ندارد! نظریه ما بسیار جامع بوده و به موارد زیادی، قابل تعمیم است: از پلاسمای کوارک-گلوئون که در شتاب دهنده های ذرات تولید می شود تا اشاره گرهای لیزری و ستاره های نوترونی. همه آنها از اصول یکسانی، پیروی می کنند. قانون دوم ترمودینامیک، نه تنها عمومی ترین قانون فیزیک، بلکه عمومی ترین قانون کل طبیعت است. دانشمندان زیادی که در زمینه های فیزیک کوانتومی کار می کنند می گویند قانون دوم ترمودینامیک برای سیستم های غیرتعادلی، قابل کاربرد نیست، اما ما نشان دادیم که چنین نیست. بنابراین تمام اجزای کائنات باید در برابر قانون دوم ترمودینامیک، تسلیم شوند.
