Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 3

Artykuły

Przemyślenia o entropii

9th Lut '13

Tekst trochę nietypowy, napisany pod wpływem forumowych dyskusji. Zamiast skupiać się w sposób bardzo konkretny nad jakimś zagadnieniem, posnułem nieco luźniejszych przemyśleń. Tematem tych refleksji będzie poziom nieuporządkowania, czy może właśnie uporządkowania, otaczającej nas rzeczywistości i jego wpływ na kształt wszechświata.

My tu ga­du ga­du, a en­tro­pia rośnie 
~ Inter­ne­towy Anonim


Rozważmy kakao. Wyko­nanie pospo­li­tego Nesquika jest dzie­cinnie proste. Chodzi o to aby wsypać do mleka nieco brą­zo­wego pyłu i obracać łyżką na tyle długo aby się rów­no­miernie rozszedł po szklance. Pomi­jając kwestię roz­pusz­czal­ności; nigdy nie zdarzy się sytuacja, w której drobiny kakao ułożą jakieś upo­rząd­ko­wane struk­tury. Z każdą sekundą mie­szania mleka będzie ono coraz bardziej brązowe, aż stanie się całkiem jed­no­lite. Nie liczmy na to, że dalszym beł­ta­niem lub trzę­sie­niem pojem­nika, sprawimy, że oba skład­niki napoju na powrót się roz­dzielą. Aby tego dokonać potrzeba nieco zachodu i odpo­wied­nich narzędzi do odfil­tro­wania cieczy. Jeszcze więcej wysiłku musie­li­byśmy poświęcić w celu ułożenia i utrzy­mania na powierzchni mleka jakiegoś kaka­owego wzoru.

Upo­rząd­ko­wanie wymaga energii i czasu. Z pewnego punktu widzenia tego samego potrzeba dla uzy­skania chaosu. Niby tak, ale nie do końca. Można sobie wyobrazić, że zamknięty układ fizyczny pozo­sta­wiony samemu sobie i nie pod­le­ga­jący zmianom, utrzy­muje swój poziom upo­rząd­ko­wania. Takie wyobra­żenie nie ma jednak prze­ło­żenia w rze­czy­wi­stości z pro­za­icz­nego powodu: wszech­świat podlega ciągłym zmianom, jeden układ prze­chodzi w drugi, a wszystko począwszy od skali atomowej do gwiaz­dowej znajduje się w ruchu. Zawdzię­czamy to wszech­obecnej energii i różnicom poten­cjałów poszcze­gól­nych układów. Powierzchnia Słońca roz­grzana jest 5,5 tys. °C, która to tem­pe­ra­tura wraz ze światłem ucieka w prze­strzeń kosmiczną, prze­ka­zując w ten sposób energię do następ­nych układów powo­dując w nich zmiany. Takich kosmicz­nych łyżek, mie­sza­ją­cych materię i energię wszech­świata jest pełno – od hiper­ener­ge­tycz­nych błysków gamma, przez wspo­mniane gwiazdy, aż po efekty kwantowe. W każdym miejscu jeden układ prze­chodzi w drugi. Rację miał Heraklit z Efezu twier­dzący, że wszystko płynie, nic nie trwa.

Tu pojawia się zasadzka. Skoro entropia stale wzrasta, to w jaki sposób mimo to, powstały tak roz­bu­do­wane i skom­pli­ko­wane struk­tury jak obiekty kosmiczne, czy nasze ciała? Jak zrodziły się złożone z cząstek ele­men­tar­nych atomy? Gdy skoń­czycie czytać ten tekst, poziom nie­upo­rząd­ko­wania wszech­świata będzie nieco wyższy niż w tej sekun­dzie. Ergo, kosmos w pierw­szych chwilach po wielkim wybuchu musiał odzna­czać się daleko mniej­szym chaosem niż ten, który obser­wu­jemy obecnie! Swojego czasu kon­tro­wer­syjny fizyk i kre­acjo­nista Kent Hovind (IMO prze­brzydły nacią­gacz), stwier­dził, że widzi w tym fakcie zaprze­czenie kon­cepcji wiel­kiego wybuchu. W przy­ro­dzie nie zdarza się aby eks­plozja dawała początek jakiejś orga­ni­zacji, a wręcz odwrotnie. Pomi­jając to, że słowo „wybuch” nie jest naj­szczę­śliw­szym terminem pasu­jącym do słynnej teorii i znalazło się w nazwie niejako przy­pad­kiem; możemy sobie uzmy­słowić z jak poważnym pro­blemem mamy do czy­nienia.

Muszę przyznać, że owe zagad­nienie – roli entropii w momencie powstania wszech­rzeczy – zaprzą­tało mi głowę dość długi czas. Niestety nie zna­la­złem w swoich książ­kach żadnego dokład­nego wyja­śnienia poświę­co­nego w całości temu pro­ble­mowi, ale chyba wpadłem na odpo­wiedź. Klucz stanowi złamanie symetrii.

Żeby poprawnie naświe­tlić sprawę cofnijmy się o ponad 13,7 mld lat, kon­kret­niej do 10^-43 sekundy po powstaniu świata. Gorąco, gęsto i nie­sta­bilnie. Oto obraz tzw. ery Plancka. Tem­pe­ra­tura około kwin­ty­liarda stopni (33 zera) nie pozwa­lała się ufor­mować żadnym skom­pli­ko­wanym obiektom; nawet tak nie­wielkim jak protony i neutrony! Była to bardzo jed­no­lita, kipiąca zupa, czysty chaos. Przy­najm­niej z punktu widzenia żywej istoty, dla której takie śro­do­wisko jest nie tylko nie­zdatne do życia, ale nawet do wyobra­żenia. Ale czy zamęt powstały w chwilę po wielkim wybuchu tak samo postrzega fizyka?

Spójrzmy z innej per­spek­tywy. Wystrze­lona w 2001 roku sonda Wil­kin­sona dokonała pomiaru różnic tem­pe­ratur mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wania tła. Efektem była swoista mapa młodego wszech­świata. Ukazała ona coś nie­sa­mo­wi­tego: różnice pomiędzy tem­pe­ra­tu­rami w różnych czę­ściach kosmosu są niemal żadne. Innymi słowy wszech­świat zaraz po naro­dzi­nach był jed­no­lity. Tworzył na swój sposób piękną, spójną całość. Znowuż teorie poświę­cone wielkiej uni­fi­kacji (zwłaszcza GUT) przy­znają, że w pierw­szym ogniu wiel­kiego wybuchu nie istniały oddzia­ły­wania fizyczne w znanym nam dzisiaj kształcie. Oddzia­ły­wanie silne, oddzia­ły­wanie słabe, elek­tro­ma­gne­tyzm oraz gra­wi­tacja sta­no­wiły wówczas jedną super-siłę. (Notabene, odna­le­zienie sposobu, czy wzoru na powrót uni­fi­ku­ją­cego te cztery siły jest Świętym Graalem fizyki.) Dopiero gdy przed­wieczna symetria uległa złamaniu, oso­bli­wość pękła niczym roz­trza­skana szklanka. Okazuje się zatem, że pier­wotna kipiąca zupa, wcale nie musi być utoż­sa­miana z nie­po­rząd­kiem, w prze­ci­wień­stwie do dzi­siej­szego wszech­świata.

Pamię­tajmy, że wzrostu entropii nie da się zatrzymać. Nawet jeżeli gdzieś nastę­puje jej zmniej­szenie, to dzieje się to kosztem energii i upo­rząd­ko­wania innego układu. Zgodnie z drugą zasadą ter­mo­dy­na­miki entropia całego kosmosu będzie rosła dopóki nie osiągnie on stanu o naj­niż­szej możliwej energii. To będzie śmierć cieplna wszech­świata – tem­pe­ra­tura spadnie do zera abso­lut­nego. Co prawda od ery wiel­kiego chłodu dzielą nas setki miliardów lat, ale prędzej czy później nadej­dzie, unie­moż­li­wiając egzy­stencje jakiej­kol­wiek formy życia. Wszędzie będzie ciemno, zimno i martwo.
— Tyle gwiazd, tyle planet… — szepnęła Jer­ro­dine, pogrą­żona w swoich myślach. — Ciekawe, czy inne rodziny już zawsze będą wyruszać, tak jak my, ku nowym planetom…
— Nie, nie zawsze — powie­dział z uśmie­chem Jerrodd. — Któregoś dnia to wszystko się skończy. Nie wcze­śniej jednak niż za biliony lat. Wiele bilionów. Rozu­miesz? Wtedy, gdy skończą się gwiazdy. Entropia musi wzrastać…
— Co to jest entropia, papo? — pisnęła Jer­ro­dette II.
— Entropia, skarbie, to takie słowo, które oznacza liczbę końców, liczbę śmierci we Wszech­świecie. Wszystko się wyczer­puje, widzisz, tak jak twój mały robot „walkie–talkie”. Pamię­tasz?
— I nie można po prostu założyć nowej baterii, tak jak do mojego robota?
— Gwiazdy już same z siebie są źródłami energii, kochanie. Kiedy one się skończą, nie będzie już żadnych innych źródeł.
Jer­ro­dette I jęknęła: — Och, nie pozwól im tatusiu! Nie pozwól, żeby gwiazdy się skoń­czyły!
— Widzisz, do czego dopro­wa­dziłeś! — szepnęła Jer­ro­dine ziry­to­wana.(…)
— Tato, niech tata zapyta MICRO­VACa! — lamen­to­wała Jer­ro­dette I. — Niech tata zapyta, jak to zrobić, żeby gwiazdy z powrotem świeciły?! (…)
— No już, dobrze, dzieci. Zapytam MICRO­VACa. Nie martwcie się, zaraz nam powie, v Rzucił MICRO­VA­Cowi pytanie, pośpiesznie dodając: „Odpo­wiedź drukuj”.
Potem rozwinął cienką, cel­lu­rową wstęgę wydruku i odezwał się do dziew­czynek pełnym otuchy głosem:
— No widzicie? MICROVAC powie­dział, że kiedy nadej­dzie czas, będzie na wszystko uważać. Więc już się nie martwcie.
— A teraz, dziew­czynki, czas spać — dorzu­ciła Jer­ro­dine. — Niebawem będziemy w naszym nowym domu.
Zanim znisz­czył cel­lu­rową taśmę, Jerrodd raz jeszcze prze­czytał wydru­ko­wane na niej słowa:
BRAK DOSTATECZNYCH DANYCH DO UDZIELENIA JEDNOZNACZNEJ ODPOWIEDZI.
Wzruszył ramio­nami i spojrzał na wide­oplan. X–23 była tuż, tuż…
~ Isaac Asimov
Literatura uzupełniająca:
I. Asimov, Ostatnie pytanie, Warszawa 1956;
S. Hawking, Krótka Historia Czasu, Warszawa 2007;
S. Hawking, Teoria Wszystkiego: powstanie i losy wszechświata, Warszawa 2005;
K. Howind, wykład Wiek Ziemi, Pensacola 2007;
Co to jest entropia?, [online: http://www.jakubw.pl/faq/fizyka/node84.html].
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Pingback: Janusze nauki #2: mądrości z YouTube | Kwantowo.pl()

  • Argonium Gas

    Ja mam pytanie. Czy 3 zasada ter­mo­dy­na­miki przy­pad­kiem nie pozwala światu osiągnąć tem­pe­ra­tury zera abso­lut­nego? W sumie na mój rozum tem­pe­ra­tura będzie się do niej coraz bliżej zbliżać, ale nigdy jej nie osiągnie. Jest jeszcze moż­li­wość, że ja coś źle zro­zu­miałem, w sumie dlatego pytam. Jeśli zwrot, że tem­pe­ratua osiągnie zero abso­lutne było upo­rsz­cze­niem (tak w sumie podej­rzewam), to proszę mi wybaczyć moje cze­pial­stwo.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Tak, to uprosz­czenie. Z zerem abso­lutnym wiąże się wiele poten­cjal­nych pro­blemów, również na gruncie mecha­niki kwan­towej. Bo czy można sobie wyobrazić w pełni zastygły świat biorąc pod uwagę zasadę nie­ozna­czo­ności? Istnieją jednak głosy mówiące o tym, że wszech­świat mogłoby spotkać jakiegoś rodzaju przej­ście fazowe, które zmie­ni­łoby reguły gry. Ale to raczej mało praw­do­po­dobne.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0