دراسة تصحح إحدى أفكار أينشتاين وتحل مشكلة عمرها 120 عاما

في إنجاز علمي مثير للجدل، أعلن الأستاذ المتفرغ في قسم فيزياء المادة المكثفة بجامعة إشبيلية الإسبانية خوسيه ماريا مارتين أولايا عن طرحه حلا لمسألة حيّرت العلماء لأكثر من قرن عبر إثبات جديد لنظرية تُعرف باسم "نظرية نرنست"، داحضًا في الوقت ذاته فكرة سابقة وضعها ألبرت أينشتاين قبل أكثر من قرن.

في ورقته العلمية المنشورة مؤخرًا في "يوروبيان فيزيكال جورنال بلس"، يوضح أولايا أن مبرهنة نرنست، التي تقول بأن التغيرات في العشوائية الحرارية (الإنتروبيا) تميل إلى الصفر عند اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق، ليست قانونًا مستقلا كما افترض أينشتاين، بل يمكن اشتقاقها مباشرة من القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

بهذا الطرح، قد يضع أولايا حدًا لفصل طويل من الجدل الفيزيائي، ويعيد ترتيب قوانين الديناميكا الحرارية التي تشكل إحدى ركائز فهمنا للطبيعة، ويقول في تصريحات حصرية للجزيرة نت "يصحح هذا الإثبات خطأً في مسألة جوهرية. مع هذا الإثبات، سنحتاج إلى عبارات (قوانين) أقل لفهم الديناميكا الحرارية، أي لفهم تطور العمليات الطبيعية".

"مُحرك كارنو" لا يمكن بناؤه عمليا بحسب أينشتاين (بيتمان كونتريبيوتر) بين نرنست وأينشتاين

تعود جذور المسألة إلى مطلع القرن العشرين حين قدّم الكيميائي الألماني فالتر نرنست ملاحظاته حول تصرف المواد عند درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق (أي -273 درجة مئوية).

فعند تسخين مادة ما تتحرك جزيئاتها وتصبح أكثر عشوائية، من ثمّ تزداد الإنتروبيا (مقياس للفوضى في المنظومة المغلقة)، وعند تبريدها تقل الحركة ويقل التبعثر، فتنخفض الإنتروبيا.

دفع ذلك نرنست لاستنتاج أن الوصول للصفر المطلق، وهو أدنى درجة حرارة ممكنة نظريًا، سيدفع الجزيئات إلى أن تتوقف حركتها بالكامل تقريبًا، أي تصل الطاقة الحركية إلى الحد الأدنى. بالتالي، يجب أن ينعدم التغير في العشوائية الحرارية عند هذه النقطة، حيث فقدت الجزيئات الطاقة اللازمة لتحريكها.

إعلان

نال نرنست جائزة نوبل في الكيمياء عام 1920 بسبب تمكنه من صياغة القانون الثالث للديناميكا الحرارية، الذي مكّن من حساب التوازنات الكيميائية بناءً على التبادل الحراري. وقد حقق ذلك من خلال دراسة الظروف عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

لكن المحرك الحراري الذي تخيله ويُعرف باسم "مُحرك كارنو" حيث لا يُفقد أي قدر من الطاقة، لا يمكن بناؤه عمليًا بحسب أينشتاين، ومن ثمّ لم يتفق أينشتاين على إمكانية استخدامه لإثبات المبرهنة من خلال تناقض مع القانون الثاني.

عند درجات الحرارة المنخفضة، لا تمتلك الذرات طاقة كافية للقفز إلى المستويات الأعلى (جامعة كورنيل الأميركية) نقطة التحول

يقول أولايا، في تصريحات حصرية للجزيرة نت، "إن انعدام التغير في الإنتروبيا (نظرية نرنست) هو إحدى الخاصيتين العامتين للمادة عند الاقتراب من درجة الحرارة صفر (الصفر المطلق)" ويضيف "بعبارة بسيطة، يجب أن تختلف الأجسام الباردة عن الأجسام الساخنة. وهذا أمر شائع في حياة الناس اليومية".

والحرارة النوعية هي كمية الحرارة التي يحتاجها كيلوغرام واحد من المادة ليرتفع 1 درجة مئوية في حرارته، ولفهم الفكرة تخيّل أنك أمام قطعة من الحديد وكوب من الماء، كل كيلوغرام واحد، وسخنتهم بالنار بالقوة نفسها، ستجد أن الماء يسخن ببطء والحديد يسخن بسرعة، السبب أن الماء له حرارة نوعية عالية، مما يعني أنه يحتاج طاقة كثيرة ليسخن.

الجديد في إثبات أولايا يكمن في أنه لا يفترض وجود حرارة نوعية منعدمة، ولا يستخدم حججًا تعتمد على عدم قابلية بناء المحرك الحراري، بل يعتمد على تفسير أكثر دقة للصفر المطلق بناءً على مقياس ترمومتر كارنو، وهو مقياس تجريبي نظري مستمد من القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

لا يمكن تحقيق محرك كارنو في عالمنا الواقعي لأن كل العمليات فيه يجب أن تكون قابلة للعكس بالكامل، بحيث يعود النظام وكل ما حوله إلى حالته الأصلية دون أي أثر أو فقد في الطاقة، ولا يوجد فيه احتكاك، مما يحقق كفاءة كاملة، وهو أمر مستحيل في عالمنا الحقيقي حتى الآن. ومن محرك كارنو، جاء ترمومتر كارنو، وهو أداة مُجردة خيالية تستخدم خصائص محرك كارنو لقياس درجة الحرارة بدقة مطلقة، وهو المفتاح لفهم معنى الصفر المطلق من منظور الفيزياء النظرية وليس الشعور البشري بالبرد.

يرى أولايا أن غياب فهم عميق لتعريف درجة الحرارة في السياق الديناميكي الحراري هو ما عطّل إثبات المبرهنة لعقود. ويؤكد أن المحرك الافتراضي الذي تخيله نرنست، رغم أنه لا ينتج شغلًا أو حرارة، يظل صالحًا منطقيا وكافيًا للاستنتاج.

يقول أولايا عن دور ترمومتر كارنو عند الصفر المطلق "هذا هو التغيير الجذري، إذ لم تأخذ البراهين والتفنيدات السابقة قيمة درجة الحرارة بصفر على محمل الجد، كانت مجرد شرط رياضي، وكانوا يتحدثون عنها دون مراعاة ما يجب أن تكون عليه قيمتها وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، وكيفية تحديدها".

ضد الفرضية الكلاسيكية

واحدة من العقبات التي لطالما أربكت الباحثين هي ملاحظة نرنست بأن الحرارة النوعية تميل إلى الصفر عند الاقتراب من الصفر المطلق، يتفق سلوك الحرارة النوعية والتغير في الإنتروبيا، أي يقترب كلاهما من الصفر عند الاقتراب من الصفر المطلق، وهو سلوك لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسيره حتى جاءت ميكانيكا الكم.

إعلان

اعتقد العلماء أن الحرارة النوعية للصلب هي قيمة ثابتة، وكانت التجارب تؤيد هذا عند درجات الحرارة المتوسطة والعالية. لكن عند درجات الحرارة الشديدة الانخفاض، بدأت التجارب تُظهر أن الحرارة النوعية لا تبقى ثابتة، بل تنخفض بشكل كبير كلما اقتربت درجة الحرارة من الصفر، وكان هذا تناقضًا كبيرا مع الفيزياء الكلاسيكية، ولا تفسير له آنذاك.

وقد أسهم أينشتاين في حل مشكلة الحرارة النوعية باستخدام نموذجه للأجسام الصلبة الكميّة، فعند درجات الحرارة المنخفضة لا تمتلك الذرات طاقة كافية للقفز إلى المستويات الأعلى، وبالتالي لا تمتص حرارة كثيرة، مما يؤدي إلى انخفاض الحرارة النوعية.

لكن يفصل أولايا بين هذه الملاحظة ومبرهنة نرنست نفسها، ويشير إلى أن انعدام الحرارة النوعية، رغم كونها حقيقة تجريبية، لا تشكل جزءًا ضروريا في إثبات المبرهنة. لذا يعتقد أنه يمكن إثبات مبرهنة نرنست بشكل مستقل عنها، ويقول "لعل إحجام أينشتاين عن قبول دليل نرنست كان مدفوعا بحقيقة مفادها أن اختفاء الحرارة النوعية ليس له تفسير في الفيزياء الكلاسيكية (على النقيض من الفيزياء الكمية)".

ومن أكثر ما يثير الاهتمام في ورقة أولايا هو زعمه أن القانون الثالث للديناميكا الحرارية، كما نعرفه اليوم، لم يعد ضروريًا، ويختتم "بغض النظر عن مبدأ حفظ الطاقة (القانون الأول)، لأنه مشترك بين جميع فروع الفيزياء، احتاجت الديناميكا الحرارية إلى قانونين، مبدأ زيادة الإنتروبيا (القانون الثاني) والقانون الثالث. والآن، نحتاج إلى قانون واحد فقط (بجانب القانون الأول)، في رأيي. يحب الفيزيائيون توحيد النظريات. فهي تأتي بتحسين في معرفتنا بالطبيعة وتبسيط في طريقة وصفنا لها".

يعتقد أولايا أن قبول فكرته في المجتمع الأكاديمي قد يستغرق وقتًا، إلا أنه متفائل بأن نشر ورقته العلمية سيُمهّد الطريق نحو إعادة النظر في المفاهيم الأساسية للحرارة. ربما يفتح هذا الباب لفهم أعمق للكون عند أقصى حالاته، حيث تلامس درجات الحرارة الصفر المطلق، وتختفي العشوائية، وتنهار القوانين التقليدية الكلاسيكية، ويبدأ الفيزيائيون في رسم خريطة جديدة للحرارة أكثر دقة.

المصدر: الجزيرة