การสํารวจกระบวนการในธรรมชาติและเหตุผลเบื้องหลังสามารถทําให้เราเข้าใจธรรมชาติของความเป็นจริงได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น ทุกอย่างแสวงหาสภาวะพลังงานที่ต่ําที่สุด: โลกที่เราอาศัยอยู่ถูกหล่อหลอมโดยการแสวงหาความสมดุลอย่างต่อเนื่อง ยกตัวอย่างพฤติกรรมของธาตุ อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมมีแนวโน้มที่จะรวมกันในโมเลกุลของน้ํามากกว่า เนื่องจากสถานะรวมกันของพวกมันมีพลังงานต่ํากว่าเมื่อเทียบกับการดํารงอยู่ที่แยกจากกัน มันเหมือนกับหินที่อยู่ในที่สูงและมีพลังงานศักย์ และโดยธรรมชาติแล้วมีแนวโน้มที่จะอยู่ในสภาวะที่มีพลังงานต่ําลง นั่นคือ ตกลงมา

ธรรมชาติดูเหมือนจะพยายามประหยัดพลังงานอยู่เสมอโดยเลือกวิธีลดการใช้พลังงานให้ได้มากที่สุด อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของภาพรวมที่แนวคิดของเอนโทรปีเปิดเผย เอนโทรปีมักเกี่ยวข้องกับความผิดปกติซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในระบบปิดซึ่งนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงในทุกระดับตั้งแต่ปฏิกิริยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ไปจนถึงเหตุการณ์จักรวาล เอนโทรปีสูงหมายถึงความผิดปกติสูง ซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นความหลากหลายที่เพิ่มขึ้นของสถานะที่เป็นไปได้ของระบบ

ความผิดปกติหรือเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้นนี้กําหนดทิศทางของเวลาและขับเคลื่อนปรากฏการณ์ทั้งหมดที่เราสังเกตเห็น มาขยายแนวคิดนี้เพื่อทําความเข้าใจหลักการที่ควบคุมโลกของเราให้ดียิ่งขึ้น เหตุใดสภาวะพลังงานต่ําจึงสัมพันธ์กับความผิดปกติในระดับสูง ความโกลาหลส่งผลต่อสิ่งง่ายๆ เช่น ดินสอหยดอย่างไร?

แม้ว่าเอนโทรปีมักเกี่ยวข้องกับความโกลาหล แต่ก็แม่นยํากว่าที่จะคิดว่าเอนโทรปีเป็นตัวชี้วัดความไม่แน่นอนหรือสถานะที่เป็นไปได้ของระบบ มุมมองนี้เผยให้เห็นกลไกการขับเคลื่อนที่แท้จริงของจักรวาลและธรรมชาติที่ซับซ้อนกว่าความชอบที่ไม่เป็นระเบียบ

มาวิเคราะห์แรงที่กระตุ้นกระบวนการและปฏิกิริยาทางธรรมชาติโดยแบ่งออกเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สุด ตัวอย่างเช่น เหตุใดอะตอมบางอะตอมจึงรวมกันเป็นโมเลกุลในขณะที่อะตอมบางอะตอมไม่รวมกัน หรือทําไมความร้อนจึงไหลตามธรรมชาติจากร้อนไปเย็น? ปรากฏการณ์เหล่านี้เผยให้เห็นหลักการพื้นฐานที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงในจักรวาลของเรา

ฟิสิกส์ที่มีกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมทําให้เรามีเครื่องมือในการทําความเข้าใจและทํานายการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แต่สิ่งนี้นําไปสู่ความขัดแย้ง: หากกฎหมายเหล่านี้เป็นสัมบูรณ์เหตุใดกระบวนการเหล่านี้จึงไม่สามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่น เหตุใดลูกบอลจึงไม่กลับสู่ความสูงเดิมหลังจากกลิ้งลงจากภูเขา อะไรป้องกันไม่ให้มันกู้คืนพลังงานศักย์จากพลังงานจลน์?

คําตอบอยู่ที่การทําความเข้าใจว่าในขณะที่พลังงานถูกเก็บไว้ในระบบปิด แต่ก็ถูกแจกจ่ายใหม่ไปตามเส้นทางใหม่ อันเป็นผลมาจากแรงเสียดทานพลังงานส่วนหนึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และความร้อนนี้จะถูกกระจายสู่สิ่งแวดล้อม ส่งผลให้พลังงานที่ลูกบอลใช้เพื่อกลับสู่ความสูงเดิมจะกระจายไป

สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงหลักการพื้นฐานของเอนโทรปี: ในระบบที่แยกได้เอนโทรปีจะยังคงเหมือนเดิมหรือเพิ่มขึ้น ดังนั้นในขณะที่กฎของฟิสิกส์อนุญาตให้ย้อนกลับได้ในระดับจุลภาคในระดับมหภาคกระบวนการจะกลายเป็นทิศทางเดียวไปสู่สถานะเอนโทรปีที่สูงขึ้นซึ่งเป็นสถานะประเภทต่างๆมากขึ้นและด้วยเหตุนี้จึงมีความไม่แน่นอนมากขึ้น

พิจารณาตัวอย่าง: คุณสามารถทําลายไข่ได้ แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะให้ไข่กลับสู่รูปร่างเดิม สิ่งนี้ทําให้เราคิดถึงเหตุผลพื้นฐานในการเลือกแนวทางปฏิบัติหนึ่งมากกว่าอีกแนวทางหนึ่ง จักรวาลดูเหมือนจะเคลื่อนไปข้างหน้าตามลูกศรแห่งเวลาเท่านั้น แต่อะไรคือเหตุผลของแนวทางทางเดียวนี้?

ลองแก้ปัญหานี้ด้วยตัวอย่างง่ายๆ ลองนึกภาพดินสอธรรมดายืนในแนวตั้งบนโต๊ะ หากคุณปล่อยมันไป มันจะตกลงมาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และจบลงที่ตําแหน่งแนวนอน ทําไมถึงเป็นเช่นนั้น? ประการแรกดินสอมีพลังงานศักย์ในแนวตั้ง พลังงานนี้จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ – พลังงานของการเคลื่อนไหว เมื่อกระทบกับโต๊ะพลังงานจลน์นี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนและเสียงซึ่งจะถูกส่งไปยังโต๊ะและอากาศโดยรอบ ดังนั้นพลังงานจึงไม่หายไป แต่เปลี่ยนรูปแบบ

เหตุใดดินสอบนโต๊ะจึงไม่สามารถรวบรวมพลังงานจากพื้นที่โดยรอบและยืนตัวตรงได้อีกครั้ง? มันเกี่ยวกับประเด็นการกระจายพลังงาน ท้ายที่สุดถ้าคุณขึ้นไปพลังงานจะอยู่ในระบบ

คําตอบอยู่ที่ความน่าจะเป็นทางสถิติ ตําแหน่งตั้งตรงของปลายดินสอต้องการความสมดุลที่แม่นยําและมีโอกาสน้อยกว่าตําแหน่งแนวนอนที่ไม่เสถียร การเปลี่ยนจากสภาวะที่เป็นระเบียบและไม่น่าจะเป็นไปได้ไปสู่สภาวะที่วุ่นวายและมีแนวโน้มมากขึ้นแสดงให้เห็นว่าธรรมชาติ "เลือก" ระหว่างทั้งสองอย่างไร พลังงานได้รับการอนุรักษ์อย่างไม่ต้องสงสัย แต่ควรใช้สถานะที่เป็นไปได้มากกว่า และนี่คือสิ่งที่ทําให้กระบวนการไม่สามารถย้อนกลับได้ในระดับมหภาค

ดังนั้น แม้ว่าพลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้ แต่ดินสอก็ยังตกลงมาเพราะจะทําให้มันย้ายจากสภาวะที่มีพลังงานศักย์สูงขึ้นและความน่าจะเป็นที่ต่ํากว่าไปสู่สภาวะที่มีพลังงานต่ํากว่าและความน่าจะเป็นที่สูงขึ้น กระบวนการนี้เป็นแบบทิศทางเดียวไม่เพียง แต่เป็นไปตามกฎของฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงกฎของความน่าจะเป็นทําให้ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ไม่สามารถย้อนกลับได้เป็นระเบียบตามธรรมชาติของสิ่งต่าง ๆ ในโลกของเรา

ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจที่มักพบได้ในโลกทางกายภาพคือแม้ว่าพลังงานทั้งหมดในระบบปิดจะยังคงเหมือนเดิม แต่ลักษณะของพลังงานนี้ก็เปลี่ยนไป สิ่งนี้เห็นได้ชัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราพิจารณาการแปลงระหว่างรูปแบบต่างๆ ของพลังงาน ในกรณีของดินสอของเรามันจะสูญเสียตําแหน่งแนวตั้งและตกลงบนโต๊ะ ณ จุดนี้ไม่เพียง แต่การถ่ายโอนพลังงานเกิดขึ้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนจากประเภทหนึ่งไปอีกประเภทหนึ่งด้วย

ในตอนแรกสิ่งที่ดินสอมีคือพลังงานศักย์ – มันสามารถทํางานได้ในช่วงฤดูใบไม้ร่วง อย่างไรก็ตามเมื่อตกลงมาพลังงานศักย์ของมันจะถูกแปลงเป็นความร้อนและเสียงซึ่งจะถูกส่งไปยังโต๊ะและอากาศ แม้ว่าพลังงานของการเปลี่ยนแปลงนี้จะยังคงถูกเก็บไว้ในระบบ แต่ก็สูญเสียความสามารถในการทํางาน พลังงานความร้อนและเสียงที่เกิดจากการตกจะไม่ถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับพลังงานศักย์ในสถานะเริ่มต้นของดินสออีกต่อไป

กระบวนการนี้แสดงให้เห็นถึงหลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเป็นกฎของพลังงานที่ลดลง พลังงานมักจะเปลี่ยนจากรูปแบบที่มีประโยชน์ไปเป็นรูปแบบที่มีประโยชน์น้อยกว่า เช่น จากสถานะที่มีลําดับเป็นสถานะที่มีการจัดระเบียบน้อยกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งพลังงานที่สามารถทํางานได้จะกระจายตัวและมีพลังงานน้อยลงเรื่อย ๆ ในการทํางานในอนาคต

หลักการเดียวกันนี้ใช้กับปฏิกิริยาเคมีเช่นการสังเคราะห์น้ํา เมื่อไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมกันเป็นน้ํา พลังงานในอะตอมจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลใหม่ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีพลังงานที่ปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม แต่ก็ไม่สามารถทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพเหมือนก่อนเกิดปฏิกิริยาอีกต่อไป สิ่งนี้บ่งชี้ว่าระบบกําลังเปลี่ยนจากสถานะพลังงานสูงไปสู่สถานะพลังงานต่ําและเป็นระเบียบน้อยกว่า

ดังนั้น แม้ว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานจะคงอยู่เสมอ แต่สิ่งสําคัญคือต้องเข้าใจว่าไม่ใช่ทุกรูปแบบของพลังงานที่ทํางานเท่าเทียมกัน การแปลงพลังงานที่มีประโยชน์เป็นพลังงานที่มีประโยชน์น้อยลงเป็นกุญแจสําคัญในการทําความเข้าใจไม่เพียง แต่กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีการทํางานของเอกภพโดยรวมด้วย

ความลับของการกระจายพลังงานในธรรมชาติสามารถอธิบายได้ด้วยตัวเลขที่คาดไม่ถึง ลองนึกภาพโต๊ะ: ประกอบด้วยอะตอมหลายล้านล้านอะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมสามารถโต้ตอบกับพลังงานได้ เช่น พลังงานที่ถ่ายโอนจากดินสอที่ตกลงมา แม้ว่าดินสอจะอยู่กับที่ แต่พลังงานศักย์ของมันถูกจํากัดไว้เพียงไม่กี่วิธีที่สามารถแปลงเป็นการเคลื่อนไหวได้ อย่างไรก็ตามเมื่อพลังงานนี้ถูกปล่อยออกมามันสามารถกระจายได้หลายวิธีระหว่างอะตอมของอากาศโดยรอบและตัวโต๊ะเอง

กระบวนการนี้เป็นเกมแห่งสถิติ: การถ่ายโอนพลังงานของดินสอไปยังอะตอมจํานวนมากไม่เพียง แต่เป็นไปได้ แต่ยังมีโอกาสสูงอีกด้วย เนื่องจากมีหลายวิธีในการกระจายพลังงานระหว่างอะตอมจํานวนมากมากกว่าการเคลื่อนย้ายวัตถุชิ้นเดียว ดังนั้นการถ่ายโอนพลังงานจากดินสอสู่สิ่งแวดล้อมจึงไม่เพียง แต่เป็นไปได้ แต่ยังหลีกเลี่ยงไม่ได้ทางสถิติโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับสถานการณ์ที่พลังงานไม่น่าจะกลับไปที่ดินสอ

เมื่อเจาะลึกลงไปในสาขาอุณหพลศาสตร์ เราจะเจอแนวคิดของเอนโทรปี ซึ่งเป็นการวัดระดับของความผิดปกติ หรือจํานวนวิธีการจัดเรียงระบบ เอนโทรปีเกี่ยวข้องกับลอการิทึมของจํานวนสถานะที่เป็นไปได้ของระบบ: ยิ่งระบบมีการจัดเรียงที่เป็นไปได้มากเท่าใด เอนโทรปีก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าระบบในธรรมชาติจะพัฒนาไปสู่สภาวะเอนโทรปีสูงสุดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้นั่นคือไปสู่จํานวนสถานะที่เป็นไปได้สูงสุด เมื่อเราพูดถึงแนวโน้มของระบบที่จะลดพลังงาน เรากําลังหมายถึงกระบวนการที่พลังงานถูกกระจายในลักษณะที่เพิ่มปริมาณที่ระบบอาจกําหนดค่าให้สูงสุด นี่คือศูนย์รวมของการแสวงหาความหลากหลายและความสามัคคีภายในระบบ ซึ่งจะสร้างปรากฏการณ์มหภาคที่เราสังเกตเห็น

แนวคิดของเอนโทรปีเป็นกุญแจสําคัญในการทําความเข้าใจรูปแบบพฤติกรรมของวัตถุในโลกของเรา ยกตัวอย่างดินสอซึ่งจะเสียสมดุลและล้มลงเสมอ เนื่องจากในกรณีนี้พลังงานของระบบจะถูกแบ่งออกเป็นจํานวนการกําหนดค่าที่เป็นไปได้สูงสุด ดังนั้นคําอธิบายที่แม่นยําที่สุดของหลักการเพิ่มเอนโทรปีคือกระบวนการทางธรรมชาติมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในทิศทางของการเพิ่มปริมาณการกระจายพลังงานศักย์ให้สูงสุด สิ่งนี้ไม่ได้ถูกกําหนดอย่างเคร่งครัดโดยกฎของฟิสิกส์ แต่เป็นไปตามกฎของความน่าจะเป็นทางสถิติ

อย่างไรก็ตาม เอนโทรปีไม่ได้เป็นเพียงการวัดความโกลาหลอย่างที่มักเข้าใจผิด มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับจํานวนไมโครสเตตต่างๆ ที่ระบบอาจไปถึงและความน่าจะเป็นของแต่ละสถานะที่เกิดขึ้น ในช่วงเวลาใดก็ตาม สถานะเหล่านั้นที่สามารถทําได้ด้วยวิธีต่างๆ มีแนวโน้มมากขึ้น

การขยายแนวคิดนี้ไปสู่ระดับจักรวาล จักรวาลที่ขยายตัวจะให้พื้นที่และโอกาสมากขึ้นสําหรับสสารและพลังงานขนาดเล็กที่แตกต่างกัน การเรียงสับเปลี่ยนที่เป็นไปได้ทั้งหมดในอดีตมีจํานวนไม่มากเท่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งหมายความว่าระดับเอนโทรปีในจักรวาลที่กว้างขึ้นในปัจจุบันสูงกว่าในอดีต แม้ว่าเราจะไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ทางทฤษฎีของเอกภพที่หดตัว แต่การสังเกตในปัจจุบันและแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ชี้ให้เห็นว่าการขยายตัวเป็นแนวโน้มที่โดดเด่นที่เราคาดว่าจะได้เห็นในอนาคตอันใกล้

จากช่วงเวลาของบิ๊กแบงปริมาตรของจักรวาลนั้นเล็กที่สุด เหตุการณ์พื้นฐานนี้วางรากฐานสําหรับเอนโทรปีให้ถึงระดับต่ําสุดในเวลานั้น จักรวาลก็ขยายตัวและเอนโทรปีก็เติบโตขึ้นเมื่อเส้นด้ายที่มองไม่เห็นของเวลาคลี่คลาย ซึ่งอาจเป็นเบาะแสสําคัญในการทําความเข้าใจธรรมชาติของเวลา

คิดว่ากาลเวลาผ่านไปเป็นลําดับการเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีที่สิ้นสุด ไม่มีอะไรคงที่อย่างแท้จริง: แม้ว่าจะดูเหมือนคงที่ แต่โลกรอบตัวเราก็เคลื่อนไหวตลอดเวลาในจังหวะที่เปลี่ยนแปลงอย่างละเอียด กระบวนการในสมองของเราโมเลกุลที่สั่นสะเทือนบนผนังการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องมีอิทธิพลเหนือพื้นผิวด้านนอกและโครงสร้างภายในของการดํารงอยู่ทั้งหมด การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีนี้อาจเป็นสาระสําคัญของการรับรู้ของเราเกี่ยวกับกาลเวลา หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงไม่มีเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้นแนวคิดเรื่องเวลาอาจสูญเสียความหมาย

ดังนั้นความเชื่อมโยงระหว่างเวลาและเอนโทรปีจึงไม่ใช่แค่การสะท้อนทางปรัชญา แต่เป็นส่วนสําคัญของความเข้าใจของเราเกี่ยวกับความเป็นจริงทางกายภาพ เวลาไม่เพียงแต่วัดลําดับของเหตุการณ์ แต่ยังดูเหมือนจะมีลักษณะทางสถิติ โดยมีโอกาสชี้ไปที่อนาคตมากกว่าโอกาสที่จะหยุดหรือถอยหลัง