SW057 الحركة الدائمة ومخالفتها لقانون المكانيكا الحرارية

الحركة الدائمة ومخالفتها لقانون الديناميكية الحرارية

نظر الكل إلى ذلك البناء الزجاجي القبيح – الذي ظهر فجأءة في ساحة النسيق- بكل استغراب، غرفة مكعبه مصنوعة من الزجاج الخالص، مضيئة، منيرة،  والأغرب أن بداخلها جسم يتحرك وينظر إليهم وبيده آدة كتابة كلما نظر إليهم من داخل الغرفة قام بتدوين ملاحظاته، اقشعرت أبداهم لهذا المنظر القبيح في وسط ساحة النسيق، أمر غير مألوف على كوكب صافين.

لا تنسى أن تدعم السايوير بودكاست من خلال Patreon، كن مع الداعمين.
Become a Patron!

ياله من منظر… آه… لا يمكنني وصفه، كيف سأصفه حينما أعود؟ هكذا كان يفكر معتز وهو يدون ملاحظته بداخل البريق – المركبة الفضائية الزجاجية، التي أرسلت من الأرض إلى كواكب بعيدة –  وهو ينظر إلى عالم مختلف عما تعود عليه على الأرض، عالم لم يرى مثله من قبل ولم يخطر على قلب بشر، بدأ بتسجيل جميع ملاحظاته عن ذلك الكوكب:

لم أر في حياتي أجمل وأروع من هذه الكائنات، وجوهها – إن صح التعبير – متناسقة لا عيب أو خلل فيها، عيونها كأنما رسمت بالكمبيوتر بدقة متناهية، كل شيء فيها وكأنه وضع في مكانه الصحيح بلا أدنى خطأ.

وحتى تساقط الأوراق من الأشجار، فإنها تسقط لتشكل رسمة دائرية أو حلزونية دقيقة.

المباني كلها مبنية بدقة لا يمكن حتى للكمبيوتر ولا الآلات أن تأتي بدقة كهذه، المزارع حينما يرمي بالبذور على الأرض فإنها لا تتناثر بعشوائية، بل تترتب كما لو أن واحدة واحدة وضعت في الأرض باستخدام القياس.

حتى حينما تسقط الأشياء لتنكسر، فإنها تنكسر وتتبعثر بشكل منتظم، ولتعود مرة أخرى لتلتصق ببعضها البعض في شكل متناسق، ربما لم يكن كالشكل الأول، ولكنه بالتأكيد شكل متناسق لا خلل فيه.

بعد أن انتهت مدة بقاء البريق على كوكب صافين، بدأ ذلك الصرح الزجاجي بالإنطلاق بسرعة مذهلة إلى الحد الذي توقف فيها الوقت، وعاد معتز لزملائه في المختبر، وبكل حماس قام بشرح جميع ملاحظاته لزملائه العلماء، فلم يصدقه أحد، بل كان الكل متفقين على أن ما ذكره معتز من انتظام الطبيعة إنما هو مخالفة لقوانين الديناميكية الحرارية صراحة، وخصوصا القانون الثاني المختص بالإنتروبيا، والذي لا تحيد عنه الطبيعة في أي نقطة من نقاط الكون.

فخاب أمل معتز ورجع إلى منزله متضايقا من أصدقائه، بقيت علياء في المختبر تدرس الإحداثيات للكوكب الذي إرسل إليه البريق، فأذهلها ما اكتشفت، لربما كان معتز صادقا، حيث أنه كان المفروض أن يرسل البريق إلى كوكب على الطرف الآخر من الكون، ولكن يبدو أن البريق اخترق كوننا هذا ليصل إلى كونا آخر موازيا لكوننا، وبهذا تختلف قوانين الديناميكا الحرارية، ولربما كانت الإنتروبيا في انحسار، ولربما كان النظام الطبيعي كما ذكر معتز.

الديناميكية الحرارية ^[1]الديناميكية الحرارية Thermo Dynamics ^[2]Thermo Dynamics

أبتدأت الثورة الصناعية ^[3]الثورة الصناعية The Industrial Revolution ^[4]The Industrial Revolution بين القرن الثامن عشر والتاسع عشر. أصبح هناك تحول كبير في كل المجالات الصناعية، وابتدأ هذا التحول في بريطانيا، وتعتبر الثورة الصناعية على أنها نقطة تحول هائلة غيرت طبيعة حياة البشر حول العالم، ومثلها مثل الإنترنت في تأثيرها وأكبر من ذلك بكثير، إلى درجة أن يعتبر المؤرخون أن إنطلاقة الثورة الصناعية هي واحدة من أهم الأحداث في تاريخ البشرية منذ أن استأنس الإنسان الحيوان والنبات. (وسأخصص بودكاست لهذا الموضوع بالخصوص لأهميته).

أثناء هذه الثورة الصناعية بدأت المكائن الكبيرة بالظهور بدلا من تلك اليدوية الصغيرة، من هذه المكائن أُخترع المحرك البخاري (تعتمد هذه المحركات على الحرارة من خلال الفحم لتبخير الماء ومن ثم الاستفادة من البخار المضغوط في تحريك المكائن، مثال على ذلك القطارات والسفن البخارية)، في خلال تلك الفترة بدأ علم الديناميكا الحرارية، وأسس لهذا العلم العالم الفيزيائي نوكولاس سعدي كارنو ^[5]نوكولاس سعدي كارنو Nicolas Léonard Sadi Carnot ^[6]Nicolas Léonard Sadi Carnot ، (ربما يبدو غريبا أن شخص فرنسي اسمه سعدي، يرجع وجود هذا الإسم إلى أن أبوه قائد عسكري أحب أن يسمي ابنه على اسم الشاعر الفارسي المسلم سعدي الشيرازي أو  أبو محمد مصلح الدين بن عبد الله الشيرازي).

بعد أن تم تطوير المكائن البخارية لتعمل بكفاءة أكبر تساءل كارنو ما إذا كان بإمكان وضع بعض النظريات العلمية لهذا التطور المذهل للمكائن، وجرد فكرة المكائن البخارية إلى نموذج مثالي للمحرك الحراري، ومن هذا المحرك التجريدي أصبح بالإمكان تكوين قوانين رياضية لفهم المكائن البخارية، ومنها تم استنتاج قانون رياضي للكفاءة لاحقا. في هذا النموذج التجريدي قام كارنو بتكوين فكرة الآلة التي تعمل بالحد الأقصى للكفاءة، وهذه الآلة هي آلة افتراضية.

الإنتروبيا

بعد أن انتهت هند من تصفيف جميع طلبات التسجيل المئة متقدم وذلك حسب الترتيب الأبجدي، قدمتهم للمراسل لتوصيلهم إلى قسم التسجيل في الجامعة، زميلها في العمل أيمن البناي سرح في جمالها الصارخ، فهو لا ينظر إليها بل خلالها، مخترقا جمال وجهها وشعرها الناعم، ليسقط صورة لها في ذهنه السرحان، أخذ يمشي متجها إلى الباب ورأسه إلى الأمام استحياءا وعينيه تلاحقان هند بكل سرية.

فجأءة، وبلا وعي، يصطدم أيمن بالمراسل، وتتطاير الأوراق في كل الإتجاهات، وليسقط كلاهما على الأرض، واحد منهم بامتعاض، والآخر بارتباك وحرج، نظرت هند إلى أيمن وضحكت، ونظرت إلى الأوراق فتأففت.

لنفترض أن أيمن قام بتجميع الأوراق مع المراسل، ووضعها فوق بعضها البعض، يا ترى هل من الممكن أن تترتب الأوراق ترتيبا أبجديا كما رتبتها هند؟ من البديهي أن تجيب على هذا السؤال بلا، من الناحية العلمية هذا الشيء ممكن ولا احتماله ضئيل جدا، ما الذي يدعوك لأن ترفض إمكانية أن تترتب الأوراق بعد أن تبعثرت وتساقطت؟ لماذا لا تتوقع أن تعود هذه الأوراق إلى حالتها الأولى؟

ربما أنت تعرف الإجابة بشكل ضمني ووجداني، ولكن من الناحية العلمية فهناك قانون كوني لا يحيد عنه كل ما في الكون، وهذا القانون هو القانون الثاني في الديناميكة الحرارية والذي يقول أن الإنتروبيا في نظام مغلق تكون في حالة إزدياد، ماذا تعني هذه الجملة بشكل عام؟ هذه الفكرة تبين أن الطبيعة تنتقل من حالة من النظام إلى لا نظام فوضى، وهذا القانون الطبيعي هو ما يلزم الأوراق حينما تتبعثر أن تفقد ترتيبها، طيب إذا كان كذلك، فلماذا تتجه الأمور للفوضى بدلا من النظام؟

لنرجع إلى الأوراق مرة أخرى، الترتيب الصحيح لهذه الأوراق هو أنت تكون متسلسلة أبجديا، إذا كانت كذلك فهي مرتبه، وغير ذلك فهي غير منتظمة، وعند وقوع الأوراق على الأرض وتبعثرها ما حدث أنها خرجت عن ذلك التسلسل، السؤال هو: كم عدد الطرق التي يمكن بها بعثرت الأوراق بحيث أن لا تكون متلسلسة أبجديا؟ نحن نعلم أن عدد الطرق التي تكون فيها الأوراق منتظمة هي واحدة فقط، وهو التسلسل الصحيح، ولكن في مقابل ذلك عدد الطرق التي يمكن للأوراق أن تكون متبعثرة إذا ما كانت مئة ورقة هي:

933 26215 44394 41526 81699 23885 62667 00490 71596 82643 81621 46859 29638 95217 59999 32299 15608 94146 39761 56518 28625 36979 20827 22375 82511 85210 91686 40000 00000 00000 00000 00000

وهذا رقم لا يستهان به أبدا، فلو سقطت الأوراق على الأرض فالإحتمال أن يصدف وأن تترتب أبجدايا هو احتمال واحد من 9 وأمامها 157 صفر تقريبا، فمن الصعب جدا أن يحالفنا الحظ وأن تترتب الأوراق أبجديا.

حتى لو افترضنا جدلا أنه حين يجمع أيمن الأوراق قد يجد أن جزءا من هذه الأوراق مرتبة وجزءا منها غير مترتب، فمثلا من الممكن أن تأتي الأوراق بحيث تكون الورقة الأولى صحيحة، والثانية خاطئة، ثم الثالثة صحيحة والرابعة خاطئة، أي واحدة مرتبة ترتيبا أبجديا والتي تليها غير مرتبة، أو من الممكن أن يأتي النصف الأول من الأوراق مرتبا، والنصف الثاني غير مرتب، على الأقل ذلك يعتبر نوع من الترتيب أو ترتيب جزئي بدلا من العشوائية الكاملة، حتى لو أخذنا بجميع احتمالات الترتيب الجزئي في هذه الحالة فإن عدد الحالات المرتبة جزئيا ضئيل جدا جدا جدا في مقابل عدد الحالات الغير متربة، ولذلك فإن الأمور تتجه للفوضى وليس للنظام. ولكني يكون لديك نظام لابد من بذل جهد حتى تتنظم الأوراق (وحتى في قضية بذل الجهد، لا يعني ذلك أن الأمور تنتظم بالإجمال، إنما تنتظم جزئيا، وتصبح فوضى في مكان آخر، ربما تستطيع تنظيم الأوراق، ولكن ببذلك للجهد أن تطلق حرارة، وهذه الحرارة تساهم في الفوضى من جانب آخر بزيادة، لذلك كل شيء في الكون يتجه للفوضوية بشكل أكبر كلما تقدم الوقت).

من أكثر الأمثلة المستخدمة من قبل العلماء لشرح فكرة الأنتروبيا هي فكرة البيضة المكسورة، يتساءل العلماء، لماذا يحدث وأن ترى بيضة تقع على الأرض فتنسكر وتتناثر وتتفرق أجزاؤها في كل مكان؟ وفي المقابل لم تر في حياتك، ولا حتى مرة واحدة بيضة مسكورة وتتجمع لتكون بيضة متكاملة صحيحة سلمية، لماذا يا ترى؟ من الطبيعي أن تستغرب من هذا السؤال، وخصوصا أنك اعتدت أن لا ترى شيئا كمثل هذا، وربما لا تتصور أن ترى بيضة تجتمع أجزاؤها بعد إن انكسرت حتى لو بقيت حيا إلى أن ينتهي الكون كله.

السبب يعود لأن عدد الحالات التي من الممكن أن تكون فيها أجزاء هذه البيضة هائل جدا جدا جدا جدا، أو أن عدد الحالات الفوضوية التي يمكن أن تكون عليها البيضة كبير جدا جدا إلى درجة أنه تكون حالة البيض المتكاملة السليمة واحدة من بين هذه الحالات، والإحتمال أن تجتمع ويحدث وأن تكون البيضة في تلك الحالة المتكاملة شبه معدومة بالمقارنة مع تلك الحالات الأخرى.

قانون الديناميكية الحرارية و الحركة الدائمة

توجهت إلى معرض الإختراعات قبل فترة، وأثناء تجولي بين المخترعين وتوقفي للسؤال وصلت إلى أحد الأشخاص من دولة عربية (كان هناك مشاركين من عدة دول سواء أكانت غربية أو عربية)، فسألته عن الجهاز الأسود الغريب الشكل، بدى لي ولأول وهلة على أنه كاميرا فوتوغرافيه قديمة التي تصور الصور على الأفلام (بدلا مما هو موجود الآن)، وذكرني شكل الجهاز بشكل كاميرا البولورويد اللحظية التي تصور الصورة ومباشرة تحمضها وتخرجها من بطنها، ولكن ما لفت انتباهي هو أن هذا الجهاز مغلق من جميع الجوانب، فهو صندوق أسود مغلق فيما عدا زر التشغيل.

فسألت المخترع عن الجهاز، وعما يعمل بالضبط، فقال لي أنه جهاز يشحن التلفونات المتنقلة أو اللابتوب أو ما أشبه، فحينما تخرج إلى البر مثلا بإمكانك شحن أجهزتك المختلفة باستخدام هذا الجهاز، فأدار الجهاز من خلال زر التشغيل، واهتز الجهاز وأصدر صوتا وكأنما كانت هناك آلة ميكانيكة تعمل بالداخل، ثم أوصل الجهاز بالتلفون الموجود على الطاولة ليعيد شحنه، إلى هذه النقطة والفكرة ليست اختراع، فهناك الكثير من البطاريات المتنقلة التي يمكن من خلالها تعبئة الهواتف المتنقلة، وتباع هذه في الأسواق وعلى الإنترنت، فذكرت له ذلك، وطلبت منه أن يخبرني عما يتميز به هذا الجهاز عن غيره، فكان الرد مذهلا.

قال لي أن هذا الجهاز يعمل على الحركة الدائمة أو الحركة الأبدية ^[7]الحركة الدائمة أو الحركة الأبدية Perpetual Motion ^[8]Perpetual Motion ، أي أن الجهاز يعمل بلا حاجة إلى بطاريات ولا حاجة إلى طاقة، حيث يمكن لهذا الجهاز أ يستمد طاقته من نفسه، أرتفعت عدة علامات استفهام في رأسي، حيث أن مثل هذا الجهاز لا يمكن لأي أحد أن يصنع مثله في الكون لمخالفته لمبدأ الديناميكا الحرارية، فكيف بمخترع بسيط من بلد عربي وعلى كوكب الأرض؟ فطلبت منه أن يفتح الجهاز ليريني ما بداخله، فرفض، لأنه يعلم أنني فهمت المقلب، فتركته.

لسنا الوحيدون في الرغبة في اختراع الحركة الدائمة، الكثير من الناس لا زالوا يصرون على إمكان ختراع مثل هذا الشيء، وهناك الكثير من الأمثلة على اليوتيوب لأجهزة تتحرك حركة دائمة، ولكن ما إذا محصت هذه الآلات سيكتشف السر. ^[9]LEGO perpetual motion 

وهذا ما كانت تبحث عنه الشركات في بريطانيا حينما بدأت الثورة الصناعية، حيث كانت الشركات تلك تريد إنتاج آلة قادرة على الحركة الدائمة بحيث تكون ذات كفاءة مطلقة، ومن خلال آلة مثل تلك يمكن إنتاج طاقة أبدية، فتخيل لو أنه كانت هناك ألة تتحرك فيها التروبينات بلا حاجة لتمويل طاقة من الخارج لتحريك التوربينات، لكان بالإمكان إنتاج الطاقة من حركة التوربينات نفسها، فقامت تلك الشركات بصرف مبالغ كبيرة على البحث العلمي حتى يقوم العلماء بإنتاج جهاز كمثل هذا، ولكن كل هذه المبالغ أتت في النهاية بنتيجة تخالف الهدف، فقد تم اكتشاف قوانين الدينامكية الحرارية، وليس هناك جهاز يعمل بكفاءة قصوى سوى ذلك النموذج النظري الذي أسس له كارنو، وسيظل هذا النموذج نظريا ما لم تتبدل القوانين الكونية.

صنع جهاز كهذا يخالف القانون الأول الذي يعنى بالطاقة، ربما سمعت به من قبل، وهو أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، ولكن يمكن تحويلها من صورة إلى أخرى، وثانيا، أن الإنتروبيا أو الفوضى تزداد في نظام مغلق، وخصوصا في ما يختص بالحرارة، فلو أن آلة صنعت بحيث تتحرك بطريقة ما، فإن من خلال حركتها ستنتج حرارة، فالسؤال هو هل بالإمكان أخذ هذه الحرارة مرة أخرى لتغذية الآلة بحيث تبقي على ديمومة حركتها؟ القانون الثاني للديناميكية الحرارية لا يسمح لذلك، فالحرارة التي تنتج من الآلة ستتبدد تدريجا بطريقة لا يمكننا إعادتها في الدورة، وبالتالي لا يمكن لأي آلة على وجهه الأرض ولا في السماء أن تدوم حركتها.

ولأي شخص مخترع لآلة الحركة الدائمة أهدي هذه المقطع الصوتي لمسلسل كارتوني ساخر، هذا المسلسل اسمه فيوتشر راما، مسلسل قائم في سنة 3000 آلاف، وهو في منتهى السخرية، ولكنه في نفس الوقت يعتمد على بعض الأفكار العلمية، يجتمع في هذا المسلسل الظريف عدة شخصيات سخيفة، منها عالم كبير في السن، وشاب عبيط، وبنت خرقاء، وربوت صايع، وإمرأة قائدة مركبة متحولة، وهكذا، وفي هذه الحلقة أيمي ونج (Amy Wong) الخرقاء تريد الحصول على الدكتوراة، وكان بحثها العلمي في استخدام الأرض كآلة دائمة الحركة (Perpetual Motion) لتوفير الطاقة، فقدمت هذه الفكرة أمام لجنة من العلماء، ما يهمني في هذا المقطع هو الرد الذي تسمعه على فكرة الحركة الدائمة.

(مقطع صوتي)

ويرد على هذا صناعة الآلة الدائمة الحركة، هومر سيمسون حينما صنعت ابنته هذه الآلة في هذا المقطع الكوميدي:

“في هذا البيت نحن نطيع قوانين الديناميكية الحرارية”

حينما ذكرت القصة في بداية الحلقة، قلت بأن علياء أكتشفت أن البريق اخترق كوننا هذا الذي قوانينه لا تشذ عن قوانين الديناميكا الحرارية إلى كون آخر بقوانين أخرى تكون فيه قوانين الإنتروبيا تختلف، فبدلا من أن تزداد الفوضى فهي تقل، ولذلك كل الأمور متناسقة منضبطة، ولا خلل فيها، ولهذا لكي يمكن لأي شخص أن يخترع مثل هذه الآلة لابد أن يحصل أحد أمرين، إما أن تتغير قوانين الطبيعية لسبب أو لآخر، أو أن يكون هذا الجهاز في كون آخر خارج كوننا هذا.