Entropy – động lực của vũ trụ
Chúng ta đã biết định luật 2 nhiệt động học khẳng định rằng: entropy của một hệ kín luôn luôn tăng. Điều đó có nghĩa là hệ kín ngày càng trở nên mất trật tự. Thế tại sao hiện nay vũ trụ ta quan sát được dường như không tiến triển như vậy. Bài viết này nhằm chứng minh rằng định luật 2 vẫn là định luật cơ bản đối với quá trình tiến triển của vũ trụ.
Thế nào là entropy?
Có hai định nghĩa của entropy: định nghĩa nhiệt động học và định nghĩa cơ học thống kê. Định nghĩa nhiệt động học được phát triển đầu tiên.
1/ Từ quan điểm nhiệt động học hệ gồm nhiều thành phần (nguyên tử, phân tử) và trạng thái của hệ được miêu tả bởi các tính chất trung bình của những thành phần đó. Chi tiết các thành phần của hệ không được xét đến tuy nhiên cách hành xử của chúng được được mô tả bằng những tính chất trung bình vĩ mô như T (nhiệt độ), Q (nhiệt lượng)…
Hãy xét để minh họa chu trình Carnot.
Trong chu trình Carnot nhiệt lượng Q N được hấp thụ ở nhiệt độ
TN từ một bình chứa nóng rồi từ đó một nhiệt lượng QL được chuyển sang một bình chứa lạnh ở nhiệt độ TL.
Theo nguyên lý Carnot, công W chỉ sản ra nếu QN > QL. Và ta có:
Hệ số 
gọi là hệ số hữu dụng Carnot (Carnot efficency) là một số nhỏ hơn một.
Khi TL = TN thì không có công nào được sản ra.
Song thực tế công W không đạt được trị số max trên đây và thực tế ta có (Clausius)
Ta lại có
Vì vậy nếu gọi entropy S = Q/T
Từ đó ta có SN < SL.
Trên đây là một minh họa ứng dụng khái niệm entropy.
2/ Tiếp theo là định nghĩa cơ học thống kê dựa trên chuyển động của các thành phần vi mô (cổ điển là các hạt Newton và lượng tử là các hạt như photon, phonon, spin,…).
Entropy tính qua số trạng thái vi mô i và xác suất pi của trạng thái đó.
Khái niệm entropy đã tiến triển nhiều từ thế kỷ 19.
Theo Leonard Susskind thì entropy là khái niệm thông tin ẩn (information cachées), tức số đo độ không hiểu biết của chúng ta về một hệ.
Theo Roger Penrose, entropy là số đo độ hỗn độn (randomness), vì vậy sự tiến triển của hệ là không tiên đoán được (nói cách khác hệ chứa nhiều thông tin khác nhau và bất cập đối với chúng ta).
Định luật 2 nhiệt động học theo tinh thần thế kỷ 19 sẽ dẫn đến tình trạng gọi là chết nhiệt của vũ trụ (mort thermique): vũ trụ kết liễu đời mình bằng một trạng thái hỗn độn, không trăng, không sao, không thiên hà.
Song với người ta đã quan sát trong 14 tỷ năm qua, dường như không phải một trạng thái hỗn độn tiên đoán bởi định luật 2 nhiệt động học mà một quá trình hình thành nguyên tử, phân tử, các tế bào sống. Làm thế nào để giải thích những điều đó không mâu thuẫn với quan điểm nhiệt động học?
Để giải thích điều đó chúng ta cần biết định luật 2 đã thu nhập được nhiều nội dung mới làm tăng số nguồn entropy lên rất nhiều. Yếu tố chính là chúng ta phải đưa vào lý thuyết các tương tác hấp dẫn, hạt nhân, điện từ,… trong thế entropy luôn tăng.
Entropy luôn là nguồn gốc để hiểu động học (dynamique) của các thiên hà, của vũ trụ. Nói chung entropy nằm ở mọi nơi luôn là một yếu tố tế nhị và độc tôn.
Các thiên hà được điều khiển bởi entropy, xem một hiện tượng vũ trụ minh họa ở hình 1.
Entropy xét song song với hấp dẫn, hạt nhân, điện từ
Hình1. Những thiên hà Antennes NGC4038 (phía dưới) và NGC4039 đang va chạm nhau, chúng tương tác qua hấp dẫn, hấp dẫn này gắn liền với entropy.
Hấp dẫn có thể có nguồn gốc từ entropy (xem hình 1)
Erik Verlinde cho rằng, hấp dẫn là một lực entropic, xin tham khảo tài liệu1 trang 78. Fa = -meΦ∇aΦ trong đó Φ = thế hấp dẫn.
Như vậy hấp dẫn có nguồn gốc entropy. Đây là hệ quả của khuynh hướng của một hệ muốn tăng entropy.
Vào đầu thế kỷ 20, người ta chú ý nhiều đến hấp dẫn và điều này dẫn đến việc đào sâu khái niệm entropy.
Giống như một chất khí (ban đầu là homogene) khi bị nung nóng sẽ trở thành một hệ (không còn homogene nữa) của các ion và electron (một loại plasma), và tương tự một hệ lớn nguyên thủy cũng có thể được xem như một gaz gồm nhiều sao tương tác hấp dẫn với nhau.
Điều thấy được là dưới tác động của hấp dẫn một hệ đồng nhất- homogene (nhẵn đều) có thể biến thành một thể không đồng nhất-non homogene (gồm các khối tụ bao quanh bởi chân không) đúng theo định luật 2 nhiệt động học. Đây chính là sự hình thành các sao, từ đó hình thành sự sống như trên trái đất. Có thể nói, đây là nguồn entropy mới cho vũ trụ.
Điểm này gắn liền với hấp dẫn entropic2.
Chúng ta còn biết đến các entropy do các tương tác hạt nhân, điện từ (ngoài hấp dẫn).
Một phần khối lượng mặt trời (trong phản ứng nhiệt hạch) biến thành photon chiếu sáng cũng là một nguồn. Vì lực hạt nhân trong các sao hình thành những nguyên tố nặng (C,N,O) dẫn đến sự xuất hiện các phân tử, yếu tố của sự sống.
Vai trò của photon
Photon rời các sao và đi vào khoảng không vũ trụ. Như vậy, số lượng photon tăng dần và là một nguồn entropy.
Các sao với khối lượng lớn sẽ biến dần thành lỗ đen (BH-Black hole). Và vào khoảng 1069 năm, tất cả BH sẽ bốc hơi vì bức xạ Hawking và như thế các BH là một nguồn entropy lớn.
Sự hình thành các sao, các thiên hà, các nguyên tử các phân tử, các tế bào sống là những hiện tượng phù hợp với định luật 2 nhiệt động học. Song phải đưa vào lý thuyết tương tác hấp dẫn và các tương tác khác thì điều này mới được sáng tỏ.
Người ta tự hỏi không biết các quá trình đó kéo dài bao nhiêu lâu?
Nhắc lại là quan điểm nhiệt động học thế kỷ 19, 20 về chết nhiệt dựa trên một sự thiếu hiểu biết toàn diện về các tương tác do đó thiếu kết hợp với tương tác hấp dẫn và các tương tác khác.
Chắc rằng chúng ta sẽ phát hiện nhiều thiên thể mới (có thể nhiều tương tác mới) làm tăng các nguồn entropy và đẩy xa chết nhiệt. Tương lai vũ trụ còn chưa tiên đoán được.
Kết luận
Như vậy ta thấy rằng vũ trụ vẫn tiến triển theo định luật 2 nhiệt động học. Song trên quá trình đó chú ý đến tương tác hấp dẫn và các tương tác khác (hạt nhân, điện từ,…) chúng ta thấy xuất hiện sự hình thành những quá trình tạo nên hệ không thuần nhất (non homogene) từ những hệ thuần nhất (homogene) theo đúng định luật 2 nhiệt động học, và đó chính là sự hình thành các thiên hà, các sao. Và dường như quá trình này là một quá trình nhiều cấp (hierarchy) không biết kéo dài bao lâu. Và cũng chú ý rằng trong quá trình đó entropy luôn tăng và bảo đảm định luật 2 mà không mâu thuẫn với hiện trạng vũ trụ mà ta quan sát được. □
——–
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Cao Chi, Những vấn đề mới trong Vật lý hiện đại, NXB Tri Thức, 2018.
2 ENTROPIE L’architecte
de l’Univers, La Recherche số tháng 2/2019.
