توانائی کیوں بچائی جائے؟

فزکس کے مطابق توانائی ہمیشہ conserve رہتی ہے تو پھر توانائی کیوں بچائی جائے؟ کیا یہ واقعی کنزرو رہنے والی مقدار ہے؟ سب سے پہلے یہ کہ توانائی ہے کیا؟
۔۔۔۔۔۔۔
بریٹینیکاانسائیکلوپیڈیا میں توانائی کی تعریف کچھ یوں لکھی ہے، “کام کرنے کی صلاحیت”۔ اس تعریف سے سوال پیدا ہوتا ہے کہ “کام” کیا ہے؟ انسائیکلوپیڈیا میں اس کی تعریف کچھ یوں لکھی ہے کہ “توانائی کے تبادلے کی مقدار”۔ یہ کچھ گول سا لگتا ہے اور اگر یہ کافی نہیں تھا تو انسائیکلوپیڈیا میں اس سے آگے لکھا ہے، وہ بھی آپ کی مدد نہیں کرے گا۔
۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔
ہم ایک رولر کوسٹر کی مثال لیتے ہیں۔ شروع میں اس میں صرف پوٹینشل انرجی ہے جو گریویٹی سے آتی ہے۔ جب یہ نیچے کی طرف جائے گی تو گریوٹیشنل پوٹینشل انرجی کائنیٹک انرجی میں تبدیل ہو جائے گی۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ رولر کوسٹر کی رفتار بڑھ رہی ہے۔ جب یہ اپنے سب سے نیچے مقام پر پہنچ جائے گی تو اس کی رفتار سب سے زیادہ ہو گی۔ یہاں سے اوپر جاتے وقت یہ رفتار سست پڑے گی۔ کائنیٹک انرجی واپس پوٹینشل انرجی میں تبدیل ہو گی۔ اگر ہم فرکشن کو نظرانداز کر دیں تو توانائی کی کنزوریشن کا مطلب یہ ہو گا کہ اس رولر کوسٹ میں اتنی توانائی ہو گی کہ یہ واپس اپنے سب سے اوپر والے مقام تک پہنچ جائے گی جہاں سے اس نے سفر کا آغاز کیا تھا۔
لیکن حقیقت میں ہم فرکشن کو نظرانداز نہیں کر سکتے۔ اس کا مطلب یہ ہے رولر کوسٹر میں توانائی کا کچھ ضیاع ہو گا جس سے پٹری گرم ہو گی یا پھر ہوا میں حرکت ہو گی۔ توانائی تباہ نہیں ہوئی لیکن یہ رولر کوسٹر کو حرکت دینے کے لئے مزید مفید نہیں رہی۔
۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔
اس سادہ مثال سے ہمیں دو چیزوں کا فوری علم ہو جاتا ہے۔ ایک تو یہ کہ توانائی کئی اقسام کی ہے جو ایک سے دوسرے میں تبدیل ہو سکتی ہیں۔ دوسرا یہ کہ جو شے کنزرو رہتی ہے، وہ تمام اقسام کی توانائی کا مجموعہ ہے۔ دوسرا یہ کہ کچھ اقسام کی توانائی حرکت دینے کے لئے زیادہ مفید تھی۔ تو پھر یہ توانائی ہے کیا جس کی بات ہو رہی ہے؟
انیسویں صدی میں فزکس میں اس بارے میں ابہام پایا جاتا تھی۔ اس کی بہت خوبصورتی سے 1915 میں وضاحت کرنے والی ایمی نیوٹر تھیں۔
نیوٹر نے ثابت کیا کہ اگر آپ کے پاس ایسا سسٹم ہے جو وقت کے ساتھ تبدیل نہیں ہوتا تو اس کا لازمی مطلب یہ ہے کہ اس میں ایک مقدار کنزرو رہے گی۔ (فزسسٹ ایسے سسٹم کو کہیں گے کہ یہ time translation invariant ہے)۔ اور ایسے سسٹم میں کنزرو رہنے والی یہ مقدار توانائی ہے۔
اس کا مطلب کیا ہے؟ وقت کے ساتھ غیرمتغیر رہنے کا مطلب یہ نہیں کہ سسٹم تبدیل نہیں ہوتا۔ اس کا مطلب ایسا سسٹم ہے، جس میں سسٹم کی تبدیلی کا تعلق صرف گزرتے ہوئے وقت کی مقدار کے ساتھ ہو۔ یعنی تجربہ کرنے میں اس پر فرق نہ پڑے کہ اس کو شروع کس وقت کیا گیا، بلکہ صرف یہ کہ شروع کئے ہوئے وقت کتنا گزرا۔
آپ گھر کی چھت سے چھلانگ دوپہر کو لگائیں یا رات کو، زمین پر پہنچتے وقت اتنا ہی وقت لگے گا تو ہم کہیں گے کہ اس سسٹم میں time translation invariance ہے۔
۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔
توانائی اپنی ڈیفی نیشن کے مطابق ہی کنزرو رہتی ہے اور نیوٹر تھیورم اس کا مضبوط بنیادوں پر ریاضی کا طریقہ بتاتا ہے کہ توانائی کیسے نکالی جاتی ہے۔
ٹھیک؟ تقریباً۔ یہ اس سے کچھ تھوڑا سا پیچیدہ ہے۔ لیکن بہت مختصر خلاصہ یہ کہ فزکس میں ہمارے پاس طریقہ ہے جس سے توانائی کی ڈیفی نیشن کی جا سکے اور یہ اپنی ڈیفی نیشن کے مطابق کنزرو رہتی ہے جس کا مطلب یہ ہے کہ یہ وقت کے ساتھ تبدیل نہیں ہوتی۔ رولر کوسٹر والی مثال میں کائنیٹک انرجی کو اگر پوٹینشل انرجی میں جمع کیا جائے اور ہوا کے مالیکیول اور پٹڑی کے مالیکیول کو سسٹم کا حصہ بنایا جائے اور ان کے درجہ حرارت وغیرہ کا بھی حساب رکھا جائے تو پھر یہ غیرمتغیر ہو گی۔
لیکن اگر آپ کسی سسٹم کے اجزا کو دیکھیں تو پھر آپ کو علم ہو گا کہ سسٹم کی تمام حالتیں اس میں تبدیلی لانے (یعنی کام کرنے) کے لئے یکساں طور پر مفید نہیں، خواہ ان میں توانائی برابر ہو۔
مثال کے طور پر، کوئلے کو دیکھ لیتے ہیں۔ اس کی آپس کے کیمیائی بانڈ بہت سی توانائی ذخیرہ کرتے ہیں۔ اگر اس کو آگ لگائی جائے تو کوئلے اور ہوا کے درمیان ایک چین ری ایکشن شروع ہوتا ہے۔ اس ری ایکشن میں کیمائی بانڈز کے درمیان توانائی ہوا کے مالیکیولز کی کائنیٹک انرجی میں تبدیل ہوتی ہے۔ اس کا مطلب صرف یہ ہے کہ ہوا گرم ہوتی ہے۔ چونکہ یہ گرم ہوتی ہے تو یہ اوپر کی طرف اٹھتی ہے۔ اور اس حرکت سے ہم مفید کام لے سکتے ہیں۔ مثلاً اس سے ٹربائن چلائی جا سکتی ہے۔ اس ٹربائن سے گاڑی چلائی جا سکتی ہے یا بجلی بنائی جا سکتی ہے۔
لیکن فرض کیجئے کہ ہم اس توانائی سے کچھ بھی نہیں کرتے اور کوئلہ جلاتے رہتے ہیں۔ سسٹم کی کل توانائی تو پھر بھی تبدیل نہیں ہوئی (کیونکہ اس نے ہمیشہ کنزرو رہنا ہے)۔ کوئلے کی کیمیائی توانائی ہوا کے مالیکیولز کی کائنیٹک توانائی میں تبدیل ہو گئی۔ لیکن اب یہ توانائی غیرمفید ہے۔ اس سے ہم ٹربائن نہیں چلا سکتے۔ فرق کیا ہے؟
ان دونوں معاملات میں فرق انٹروپی کا ہے۔ شروع میں توانائی کوئلے میں پیک تھی اور انٹروپی کم تھی۔ بعد میں یہ توانائی ہوا کے مالیکیولز کی حرکت میں پھیل گئی تھی اور انٹروپی زیادہ تھی۔
ایسا سسٹم جس کی انٹروپی کم ہو، اس کی توانائی سے میکروسکوپک تبدیلیاں کی جا سکتی ہیں (جیسا کہ ٹربائن چلانا)۔ فزسسٹ اس کو مفید توانائی یا فری انرجی کہتے ہیں اور یہ توانائی کام میں لائی جا سکتی ہے۔
جبکہ اگر توانائی زیادہ انٹروپی کی صورت میں ہو تو یہ غیرمفید ہے۔ فزسسٹ اس کو حرارت کہتے ہیں اور اس سے کام نہیں لیا جا سکتا۔
اہم نکتہ کیا ہے؟ توانائی کنزرو ہوتی ہے، فری توانائی کنزرو نہیں ہوتی۔ اس لئے، اگر کوئی کہے کہ اضافی روشنی بجھا کر توانائی محفوظ رکھ لیں تو ان کا مطلب یہ ہے کہ “فری توانائی” محفوظ کریں کیونکہ اگر آپ روشنی اس وقت جلائیں گے جب اس کی ضرورت نہیں ہو گی تو آپ مفید توانائی (بجلی جہاں سے بھی آ رہی ہے) کو غیرمفید حرارت میں تبدیل کر رہے ہیں۔
کل توانائی کنزرو رہتی ہے لیکن فری توانائی نہیں۔
۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔۔
آئن سٹائن نے کہا تھا کہ توانائی کنزرو نہیں ہوتی۔ یہ دعویٰ درست ہے اور سننے میں تضاد لگتا ہے لیکن ایسا نہیں۔ اس کا مطلب کیا ہے؟
یاد رہے کہ انرجی کی ڈیفی نیشن نیوٹر تھیورم کے مطابق ہے جو ہمیں یہ بتاتا ہے کہ اگر زیرِ مطالعہ سسٹم ٹائم ٹرانسلیشن کے حساب سے invariant ہو تو پھر توانائی وہ مقدار ہے جو کنزرو رہتی ہے۔ (اس کا مطلب یہ کہ اس بات سے کوئی فرق نہ پڑے کہ کوئی تجربہ شروع کس وقت ہوا)۔ لیکن آئن سٹائن کی جنرل تھیوری آف ریلیٹیویٹی ہمیں بتاتی ہے کہ کائنات خود میں ایسا سسٹم نہیں۔ یہ پھیل رہی ہے۔ اور اگر یہ پھیل رہی ہے تو پھر اس سے فرق پڑتا ہے کہ تجربہ کب شروع کیا گیا۔ پھیلیتی کائنات time translation invariant نہیں ہے۔ اس پر نیوٹر تھیورم کا اطلاق نہیں ہوتا۔
اس کا یہ مطلب نہیں کہ ہماری کائنات میں توانائی کنزرو نہیں ہوتی۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ اگر کوئی ایسا کیس ہو، جس میں پھیلتی کائنات کی اہمیت ہو، وہاں پر توانائی کی کنزرو نہیں رہے گی۔
اس کی ایک اچھی مثال کاسمولوجیکل ریڈشفٹ ہے۔ اگر ہمارے پاس روشنی ہے جس کی ویولینتھ ابتدائی کائنات میں کم تھی تو پھیلتی کائنات کے بعد یہ ویولینتھ بڑھ جائے گی۔ ویولینتھ بڑھنے کا مطلب توانائی کا کم ہونا ہے۔ یہ والی توانائی کہاں گئی؟ کہیں بھی نہیں۔ یہ کنزرو نہیں رہے گی۔ (نہیں، واقعی میں نہیں)۔
تاہم، جنرل ریلیٹویٹی کا یہ ایفیکٹ عام معاملات میں اس قدر کم ہے کہ اس کو تمام عملی کاموں کے لئے نظرانداز کیا جا سکتا ہے اور زمین پر تمام پراسسز کے لئے اس کا کردار صفر ہے۔ یہ قابلِ ذکر صرف کاسمولوجی کے لئے ہے جس میں ہم تمام کائنات کو بطور ایک سسٹم کے دیکھتے ہیں۔ اس معاملے میں تکنیکی طور پر یہ درست ہے کہ جنرل ریلیٹیویٹی کے مطابق اس سسٹم میں توانائی کی کنزرویشن نہیں ہے۔ تاہم اس کا کوئی اثر ہمارے ارضی معاملات پر نہیں پڑتا۔
۔۔۔۔۔۔۔۔۔
خلاصہ یہ کہ کسی سسٹم کی توانائی اس وقت تک کنزرو رہے گی جب تک کہ کائنات کا پھیلاوٗ اس میں نظرانداز کیا جا سکے۔ لیکن مفید توانائی، جسے فزسسٹ فری انرجی کہتے ہیں، کی مقدار کنزرو نہیں رہتی کیونکہ انٹروپی بڑھتی ہے۔
اور اگر آپ فالتو روشنی بجھا دیں تو آپ کے اس فیصلے سے سب کو فائدہ ہو گا۔

یہ ویڈیو دیکھنے کے لئے