יש מושג שחיוני לכימיה ופיזיקה.
הוא עוזר להסביר למה תהליכים פיזיים הולכים לכיוון אחד ולא לאחר:
למה קרח נמס,
למה חלב מתפשט בקפה,
למה אויר דולף מצמיג עם תקר.
זו אנטרופיה, וקשה להבינה.
אנטרופיה מתוארת לעיתים קרובות כמידה של חוסר סדר.
זו תמונה נוחה, אבל היא מטעה.
לדוגמה, מה יותר חסר סדר -
כוס של קרח כתוש או כוס עם מים בטמפרטורת החדר?
רוב האנשים יגידו שהקרח,
אבל יש לו למעשה אנטרופיה נמוכה יותר.
אז דרך אחרת לחשוב עליה זה דרך הסתברות.
זה אולי מסובך יותר להבנה, אבל קחו את הזמן להפנים את זה
ותהיה לכם הבנה הרבה יותר טובה של אנטרופיה.
חשבו על שני מוצקים קטנים
שמורכבים משישה קשרים אטומים כל אחד.
במודל הזה, האנרגיה בכל מוצק נאגרת בקשרים.
אפשר לחשוב עליהם כמיכלים פשוטים,
שיכולים להכיל יחידות בלתי ניתנות לחלוקה של אנרגיה שידועות כקוואנטה.
ככל שיש למוצק יותר אנרגיה, כך הוא חם יותר.
מסתבר שיש אין ספור דרכים לחלק את האנרגיה
בשני המוצקים
ושעדיין תהיה להם אותה כמות אנרגיה.
כל אחת מהאופציות האלה נקראת מיקרו מצב.
עבור שש קוואנטות של אנרגיה במוצק א' ושתיים במוצק ב',
יש 9702 מיקרו מצבים.
כמובן, יש דרכים אחרות בהן ניתן לארגן את שמונה קוואנטות האנרגיה שלנו.
לדוגמה, כל האנרגיה יכולה להיות במוצק א' ואף אחת ב-ב',
או חצי ב א' וחצי ב-ב'.
אם אנחנו מניחים שכל מיקרו מצב סביר באותה מידה,
אנחנו יכולים לראות שלכמה מסידורי האנרגיה
יש הסתברות גבוהה יותר מאשר אחרות.
זה בגלל שיש להן יותר מיקרו מצבים.
אנטרופיה היא מידה ישירה של הסתברות של כל סידור אנרגיה.
מה שאנחנו רואים זה שלסידור האנרגיה
בו האנרגיה מפוזרת הכי הרבה בין המוצקים
יש את האנטרופיה הכי גבוהה.
אז במובן הכללי,
אנטרופיה יכולה להיחשב כמידה של התפשטות האנרגיה.
אנטרופיה נמוכה משמעה שהאנרגיה מרוכזת.
אנטרופיה גבוהה משמעה שהיא מפוזרת.
כדי לראות איך אנטרופיה שימושית בהסבר תהליכים ספונטניים,
כמו עצמים חמים שמתקררים,
אנחנו צריכים להביט במערכת דינמית בה האנרגיה נעה.
במציאות, אנרגיה לא נשארת במקום.
היא כל הזמן נעה בין קשרים שכנים.
כשהאנרגיה נעה,
סידורי האנרגיה יכולים להשתנות.
בגלל ההתפלגות של מיקרו המצבים,
יש סיכוי של 21% שהמערכת תהיה מאוחר יותר במצב
בו האנרגיה מפוזרת באופן מקסימלי.
יש 13% סיכוי שהיא תחזור למצב ההתחלתי,
וסיכוי של 8% שא' למעשה יצבור אנרגיה.
שוב, אנחנו רואים שבגלל שיש יותר דרכים לקבל אנרגיה מפוזרת
ואנטרופיה גבוהה מאשר אנרגיה מרוכזת,
האנרגיה נוטה להתפשט.
לכן אם תשימו עצם חם קרוב לעצם קר,
הקר יתחמם והחם יתקרר.
אבל אפילו בדוגמה הזו,
יש סיכוי של 8% שהעצם החם יתחמם.
למה זה אף פעם לא קורה בחיים האמתיים?
הכל קשור לגודל המערכת.
למוצקים ההיפוטטיים שלנו היו שישה קשרים כל אחד.
בואו נגדיל את המוצקים ל-6,000 קשרים ו-8,000 יחידות אנרגיה,
ושוב נתחיל את המערכת עם שלושה רבעים מהאנרגיה ב-א'
ורבע ב-ב'.
עכשיו אנחנו מגלים שהסיכוי שא' ירכוש עוד אנרגיה באופן ספונטני
הוא מספר זעיר זה.
לעצמים מוכרים ויום יומיים יש הרבה יותר חלקיקים מזה.
הסיכוי של עצם חם בעולם האמיתי להעשות חם יותר
קטן בצורה אבסורדית,
שזה פשוט אף פעם לא קורה.
קרח נמס,
חלב מתערבב,
וצמיגים מאבדים אויר
כי למצבים האלה יש יותר אנרגיה מפוזרת מהמקוריים.
אין כוח מסתורי שדוחף את המערך לכיוון אנטרופיה גבוהה יותר.
זה פשוט שאנטרופיה גבוהה יותר תמיד סבירה יותר סטטיסטית.
לכן אנטרופיה נקראת חץ הזמן.
אם לאנרגיה יש את ההזדמנות להתפשט, היא תעשה זאת.