وثيقة بدون عنوان
العوالم خارج التوازن
ج. بي. بيتيت
المدير السابق للبحث في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي
ديسمبر 2012
النسخة الإنجليزية، ترجمها فرانسوا براوالت
مقال دعمه الأكاديمي روبرت دوتروي للاصدار في مجلة Pour la Science.
لكن، بعد أشهر من الصمت، فقدت الأمل في أن يتم ذلك
عندما يفكر رجل الشارع في نظام في حالة توازن، فإنه يتخيل كرة في قاع منخفض، أو شيئًا من هذا القبيل.
مفهوم التوازن الحراري يتضمن شيئًا أكثر دقة: وهو مفهوم التوازن الديناميكي. أبسط مثال هو الهواء الذي نتنفسه. جزيئات الهواء تتحرك بحركة موجهة في جميع الاتجاهات، تمثل سرعة متوسطة للاهتزاز الحراري قدرها 400 متر في الثانية. بسرعة مكثفة، تتصادم هذه الجزيئات، وتتفاعل. هذه الاصطدامات تغير سرعتها. ومع ذلك، سيقول الفيزيائي أن هذا يترجم إلى حالة ثابتة، من حيث الإحصائيات. تخيل أن هناك خيالًا يقيس في أي نقطة من الفضاء، في كل لحظة، سرعة جزيئات الهواء التي تهتز في اتجاه معين، على سبيل المثال، في اتجاه معين، مع فجوة زاوية ضيقة. في كل لحظة، يحسب ويعيد الحساب عدد الجزيئات التي تتحرك بسرعة تقع، من حيث القيمة الجبرية، بين V و V + Δ V. يسجل نتائج قياساته على رسم بياني، ويرى ظهور منحنى جاوس جميل، مع بروز بالقرب من هذه السرعة المتوسطة البالغة 400 متر في الثانية. ثم، كلما زاد عدد الجزيئات الأسرع أو الأبطأ، قل عدد هذه الجزيئات.
يكرر هذا الخيال هذه العملية بتركيز أداة القياس في جميع الاتجاهات في الفضاء، ويصل في مفاجأة إلى نتيجة مماثلة. اهتزاز جزيئات الهواء في الغرفة متجه بشكل متساوٍ. علاوة على ذلك، لا شيء يperturbe هذا التوازن الديناميكي، طالما أن درجة حرارة الغاز تبقى ثابتة، لأن درجة الحرارة المطلقة هي بالضبط قياس القيمة المتوسطة للطاقة الحركية المقابلة لهذا الاهتزاز الحراري.
سيقول الفيزيائي أن هذا الغاز في حالة توازن حراري. لهذه الحالة وجوه أخرى. جزيئات الهواء ليست أشياء ذات تناظر كروي. جزيئات ثنائية الذرة، مثل الأكسجين أو الهيليوم، لها أشكال تشبه الفول السوداني. جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء تختلف أكثر. ومع ذلك، يمكن لهذه الأجسام، من خلال دورانها، تخزين الطاقة كمروحة صغيرة للقصور الذاتي. يمكن لهذه الجزيئات أيضًا الاهتزاز. مفهوم توزيع الطاقة يشير إلى أن الطاقة تُوزع بشكل عادل وفقًا لهذه "الأنظمة". أثناء اصطدام، يمكن أن تُحدث الطاقة الحركية اهتزازًا أو دورانًا لجزيء. لكن الظاهرة العكسية ممكنة أيضًا. كل شيء يعتمد على الإحصاء، ويمكن لخيالنا أن يحسب عدد الجزيئات التي توجد في حالة معينة، وتتمتع بطاقة حركية معينة، أو في حالة اهتزاز معينة. في الهواء الذي نتنفسه، يؤدي هذا العد إلى استقرار هذه الحالة. يُقال إن هذا الوسط في حالة توازن حراري مُرتاح.
تخيل ساحرًا يملك القدرة على توقف حركة هذه الجزيئات، في الوقت، وثبات مختلف حركات الدوران والاهتزاز، وتعديلها حسب رغبته، بإنشاء إحصاء مختلف، وتشويه هذا المنحنى الجاوس الجميل، أو حتى اللعب لإنشاء حالة غير متجانسة، حيث تكون سرعة الاهتزاز الحراري مثلاً مرتين أكبر في اتجاه معين مقارنة بالاتجاهات العرضية. ثم يسمح لهذا النظام بالتطور، حسب الاصطدامات.
كم عدد الاصطدامات التي ستكون ضرورية لعودة النظام إلى حالته من التوازن الحراري؟ الإجابة: بضعها. زمن السفر الحر المتوسط لجزيء، بين اصطدامين، يعطي رتبة الحجم لزمن الراحة في غاز، لزمنه. هل هناك وسط خارج التوازن، حيث تختلف إحصاءات سرعة الاهتزازات بشكل ملحوظ عن هذه التجانس المطمئن والمنحنيات الجاوسية الجميلة؟
نعم، وهناك، بل هي الحالة الغالبة في الكون! تشبه المجرة، هذا "الكون-الجزيرة"، المكونة من مئات المليارات من النجوم، ذات كتل في المجمل قريبة، إلى مجموعة غازية، حيث تكون جزيئات الغاز... النجوم. في هذه الحالة بالتحديد، نكتشف عالمًا مذهلًا حيث زمن السفر الحر المتوسط لنجم، تجاه لقاء مع جيرانه، هو 10000 مرة عمر الكون. ولكن ما المقصود بـ "لقاء"؟ هل يشير إلى اصطدام حيث يتصادم النجمان؟ حتى لا. في مجال من الفيزياء النظرية يُسمى نظرية الغازات الحركية، سيُعتبر هناك اصطدام عندما تتغير مسار النجوم بشكل ملحوظ، عندما تمر بجانب جارها. ومع ذلك، تظهر الحسابات أن هذه الأحداث نادرة جدًا، وأن نظام المليارات والآلاف من النجوم المدارية في المجرة يمكن اعتباره نظامًا تقريبًا غير اصطدامي. وبالتالي، منذ ملايين السنين، مدار الشمس لدينا منظم جيدًا، تقريبًا دائري. إذا كانت الشمس مزودة بالوعي، وفي غياب تغيير في مسارها بسبب لقاءات، فإنها ستتجاهل وجود جيرانها. لا تدرك إلا شكل المجال الجاذب "الناعم". تسير كما لو كانت في كوب لا تدرك تقلباته الصغيرة الناتجة عن النجوم الأخرى.
يظهر الاستنتاج فورًا. ضع الخيال، الذي أصبح الآن عالم فلك، بالقرب من الشمس، في مجرينا، واطلب منه إجراء إحصاء على سرعات النجوم المحيطة في جميع الاتجاهات. تظهر شيء واضح تمامًا. الوسط، من حيث الديناميكية، شديد التباين. هناك اتجاه حيث تكون سرعات الاهتزاز النجمي (يُطلق عليها علماء الفلك "السرعات المتبقية"، مقارنة بحركة متوسطة مُحَمَّلة بسرعة 230 كم/ث بالقرب من الشمس، وفقًا لمسار تقريبًا دائري) في المتوسط تقريبًا مرتين أعلى من الاتجاهات العرضية. في الهواء الذي نتنفسه، كان يُتحدث عن كروي السرعة. هناك، يصبح هذا كرويًا مُمَدَّدًا.
حسنًا. ما هي التأثيرات التي تحدثها هذه الحالة على طريقة تفكيرنا في العالم، وفهمه؟ تغير كل شيء. لأننا لا نستطيع ببساطة التعامل، من حيث النظرية، مع أنظمة خارج التوازن بشكل قاطع. إذا افترضنا أن المواقف المتناقضة التي توجد فيها المجرة، مع هذا التأثير المزعج للكتلة المفقودة، الذي اكتشفه السويسري الأمريكي فريتز زويكي، لا يمكننا إنتاج نموذج لأنظمة كتل نقاطية جاذبة ذاتيًا (تدور في مجال جاذبيتها الخاص). تبقى فيزيائنا دائمًا بالقرب من حالة توازن حراري. بالطبع، أي انحراف عن هذا أو ذاك يمثل انحرافًا عن التوازن، على سبيل المثال، انحراف درجة الحرارة بين منطقتين...