Υπάρχει μια έννοια κρίσιμης σημασίας για τη χημεία και τη φυσική.
Μας βοηθάει να εξηγήσουμε γιατί οι φυσικές διαδικασίες
ακολουθούν μία κατεύθυνση, κι όχι την αντίθετη:
γιατί λιώνει ο πάγος,
γιατί η κρέμα απλώνεται στον καφέ,
γιατί ο αέρας διαφεύγει από ένα σκασμένο λάστιχο.
Αυτή η έννοια είναι η εντροπία,
και είναι εξαιρετικά δύσκολο να την καταλάβουμε.
Η εντροπία συχνά περιγράφεται ως ένα μέτρο της αταξίας.
Αυτή είναι μια βολική περιγραφή, αλλά δυστυχώς μας παραπλανεί.
Για παράδειγμα, τι είναι πιο ακατάστατο -
μια κούπα σπασμένου πάγου, ή ένα ποτήρι με νερό σε θερμοκρασία δωματίου;
Οι περισσότεροι θα έλεγαν ο πάγος,
αλλά αυτό στην πραγματικότητα έχει χαμηλότερη εντροπία.
Ορίστε, λοιπόν, ένας άλλος τρόπος να το καταλάβουμε με τη χρήση πιθανοτήτων.
Αυτό ίσως να είναι πιο δύσκολο στην κατανόηση,
αλλά πάρτε λίγο χρόνο για να το επεξεργαστείτε
και θα καταλάβετε πολύ καλύτερα την εντροπία.
Φανταστείτε δύο μικρά στερεά αντικείμενα
τα οποία αποτελούνται από έξι ατομικούς δεσμούς το καθένα.
Σε αυτό το μοντέλο η ενέργεια κάθε στερεού είναι αποθηκευμένη στους δεσμούς.
Μπορούμε να τα φανταστούμε ως απλά δοχεία,
που μπορούν να περιέχουν άτμητες ποσότητες ενέργειας, γνωστές ως κβάντα.
Όσο περισσότερη ενέργεια έχει ένα στερεό, τόσο πιο ζεστό είναι.
Και η ενέργεια μπορεί να κατανεμηθεί στα δύο στερεά με πολλούς τρόπους,
αλλά πάντα με την ίδια συνολική ενέργεια στο καθένα.
Κάθε μία από αυτές τις καταστάσεις ονομάζεται μικροκατάσταση.
Για 6 κβάντα ενέργειας στο Στερεό Α και 2 στο Στερεό Β,
υπάρχουν 9.702 μικροκαταστάσεις.
Βέβαια, υπάρχουν κι άλλοι πιθανοί τρόποι να διανεμηθούν τα 8 κβάντα μας.
Για παράδειγμα, όλη η ενέργεια θα μπορούσε να είναι στο Στερεό Α
και καθόλου στο Στερεό Β, ή μισή στο Α και μισή στο Β.
Αν υποθέσουμε πως κάθε μικροκατάσταση είναι εξίσου πιθανή,
βλέπουμε πως μερικές από τις ενεργειακές καταστάσεις
έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να προκύψουν απ' ό,τι άλλες.
Αυτό ισχύει λόγω του μεγαλύτερου αριθμού μικροκαταστάσεων.
Η εντροπία είναι ένας άμεσος τρόπος μέτρησης
της πιθανότητας εμφάνισης κάθε ενεργειακής κατάστασης.
Αυτό που βλέπουμε είναι ότι η ενεργειακή κατάσταση
στην οποία η ενέργεια είναι κατανεμημένη κατά το μέγιστο στο στερεό
έχει τη μεγαλύτερη εντροπία.
Γενικά, λοιπόν, μπορούμε να φανταστούμε την εντροπία
ως μέτρηση αυτής της ενεργειακής χωρικής κατανομής.
Χαμηλή εντροπία σημαίνει ότι η ενέργεια είναι συγκεντρωμένη.
Υψηλή εντροπία σημαίνει ότι είναι απλωμένη.
Για να δούμε γιατί η εντροπία χρησιμεύει στην επεξήγηση αυθόρμητων διαδικασιών,
όπως η ψύξη ζεστών αντικειμένων,
πρέπει να κοιτάξουμε ένα δυναμικό σύστημα όπου η ενέργεια κινείται.
Στην πραγματικότητα, η ενέργεια δεν παραμένει σταθερή·
συνεχώς μετακινείται ανάμεσα σε γειτονικούς δεσμούς.
Καθώς η ενέργεια κινείται, η ενεργειακή κατάσταση μπορεί να αλλάξει.
Εξαιτίας της κατανομής των μικροκαταστάσεων,
υπάρχει 21% πιθανότητα το σύστημα να βρεθεί αργότερα στην κατάσταση
όπου η ενέργεια είναι χωρικά εξαπλωμένη κατά το μέγιστο,
υπάρχει 13% πιθανότητα να επιστρέψει στην αρχική κατάσταση,
και 8% πιθανότητα το στερεό Α να αποκτήσει κι άλλη ενέργεια.
Και πάλι βλέπουμε πως, επειδή υπάρχουν περισσότεροι τρόποι να έχουμε
διάχυτη ενέργεια και υψηλή εντροπία απ' ό,τι συγκεντρωμένη ενέργεια,
η ενέργεια τείνει να απλώνεται.
Γι' αυτό αν βάλετε ένα καυτό αντικείμενο κοντά σε ένα κρύο,
το κρύο θα ζεσταθεί και το καυτό θα κρυώσει.
Αλλά ακόμα και σε αυτό το παράδειγμα, υπάρχει μια πιθανότητα 8%
το καυτό αντικείμενο να γίνει ακόμα πιο καυτό.
Γιατί δεν συμβαίνει αυτό ποτέ στην πραγματική ζωή;
Όλα έχουν να κάνουν με το μέγεθος του συστήματος.
Τα υποθετικά στερεά μας έχουν μόνο έξι δεσμούς το καθένα.
Ας μεγεθύνουμε τα στερεά στις 6.000 και 8.000 μονάδες ενέργειας,
και να ξαναρχίσουμε το σύστημα με τρία τέταρτα ενέργειας στο Α
και ένα τέταρτο στο Β.
Τώρα βρίσκουμε πως η πιθανότητα
το στερεό Α να αποκτήσει αυθόρμητα περισσότερη ενέργεια
είναι αυτός ο μικροσκοπικός αριθμός.
Τα καθημερινά μας αντικείμενα έχουν πολλά παραπάνω σωματίδια
απ' ό,τι αυτό.
Στον πραγματικό κόσμο η πιθανότητα ένα καυτό αντικείμενο να γίνει ακόμα πιο καυτό
είναι τόσο εξαιρετικά μικρή, που απλώς δε συμβαίνει ποτέ.
Ο πάγος λιώνει,
η κρέμα διαλύεται,
και το λάστιχο ξεφουσκώνει,
επειδή αυτές οι καταστάσεις
έχουν πιο απλωμένη ενέργεια απ' ό,τι οι αρχικές.
Δεν υπάρχει κάποια μυστηριώδης δύναμη
που να ωθεί το σύστημα προς υψηλότερη εντροπία.
Απλώς η υψηλότερη εντροπία είναι πάντα στατιστικά πιο πιθανή.
Γι' αυτό η εντροπία έχει ονομαστεί το βέλος του χρόνου.
Αν η ενέργεια έχει την δυνατότητα να εξαπλωθεί, θα το κάνει.