“Entropia musi wzrastać” – pisał w swoim sławnym Ostatnim pytaniu, Izaak Asimov. Trudno mistrzowi pióra odmówić racji, warto jednak rozważyć ten problem i pokusić się o graficzną wizualizację wyjaśniającą dlaczego stopień uporządkowania wszechświata bezpowrotnie maleje.

Druga zasada ter­mo­dy­na­miki ciąży nad nami nie­mi­ło­sier­nie, bez względu czy nad tym roz­my­ślamy czy nie. To jedna z naj­bar­dziej ele­men­tar­nych reguł rzą­dzą­cych naszą rze­czy­wi­sto­ścią: każdy układ dąży do naj­niż­szego stanu ener­ge­tycz­nego, co w praktyce oznacza kom­pletny chaos. Pozo­sta­wiony sam sobie budynek będzie niszczał i bez naszej inge­ren­cji prędzej czy później musi ulec roz­pa­dowi. Gwoli ści­sło­ści, po dosta­tecz­nie długim czasie rozsypią się również same cegły, wiązania mole­ku­larne, a wreszcie nawet atomy. Wszelkie odstęp­stwa od tej zasady mają cha­rak­ter co najwyżej lokalny i mogą zaist­nieć wyłącz­nie kosztem energii innego układu. (Tak moi drodzy, kupując nowe auto pamię­taj­cie, że właśnie włą­czy­li­ście się do rabun­ko­wej dzia­łal­no­ści ludz­ko­ści!)

Należy zadać sobie pytanie, dlaczego tak działa natura i dlaczego tzw. ter­mo­dy­na­miczna strzałka czasu zwrócona jest akurat w tę stronę. Oczy­wi­ście już w XIX wieku znalazł się pewien mądry facet, pocho­dzący z Kosza­lina niejaki Rudolf Clausius, który w zwięzły mate­ma­tyczny sposób opisał naj­więk­szą bolączkę wszech­świata. My jednak jesteśmy wygodni i zamiast do wzorów skie­ru­jemy się w stronę bardziej oddzia­łu­ją­cego na wyobraź­nię schematu gra­ficz­nego.
komorki fazowe

Na pod­sta­wie grafiki zamiesz­czo­nej w R. Penrose, Makro­świat, mikro­świat i ludzki umysł. Celowo nie wpro­wa­dzam pojęcia prze­strzeni fazowej, ale bardziej docie­kli­wych zachęcam do googlo­wa­nia.

Praw­do­po­dob­nie wszyscy mniej więcej rozu­mieją co sym­bo­li­zuje powyższa rycina. Każda komórka to stan w jakim może znaleźć się dane ciało; im jest drob­niej­sza z tym większym upo­rząd­ko­wa­niem i zarazem mniejszą entropią mamy do czy­nie­nia. Przy­wo­ła­nym obiektem może być wszystko, począw­szy od atomu czy szklanki a kończąc na całym wszech­świe­cie. Jak widać strzałka porusza się w dość nie­kon­tro­lo­wany sposób, ale koniec końców zawsze trafia do większej komórki ani razu nie powra­ca­jąc do poprzed­niej. Czy może być inaczej? Teo­re­tycz­nie tak, acz­kol­wiek meta­fo­ryczne komórki słusznie sugerują, że  nie­po­rów­ny­wal­nie łatwiej prze­nieść się z mniej­szej do większej niż na odwrót.

Co istotne różnice między komór­kami okażą się naprawdę dra­styczne w przy­padku bardziej skom­pli­ko­wa­nych układów. Samo­czynne złożenie obiektu makro­sko­po­wego (np. roz­bi­tego kubka) w całość, wyma­ga­łoby wie­lo­krot­nego tra­fia­nia naszej strzałki z olbrzy­mich komórek do komórek mikro­sko­pij­nych. Zwykłem mawiać, że jeśli praw­do­po­do­bień­stwo jakiegoś zda­rze­nia wynosi więcej niż zero, nie można go wyklu­czyć; jednak w tym przy­padku mówimy o wiel­ko­ściach z kil­ku­dzie­się­cioma zerami. Pisząc prościej, jeżeli ist­nia­łyby miliardy wszech­świa­tów zamiesz­ka­nych przez biliony nie­zdar­nych cywi­li­za­cji tłu­ką­cych kubki, to w ciągu eonów być może raz jakiś kosmita doświad­czyłby cudu samo­na­pra­wia­ją­cego się naczynia. Chociaż i tak wyka­za­łem się w tych sza­cun­kach hur­ra­op­ty­mi­zmem.

Jeśli więc właśnie spró­bo­wa­li­ście empi­rycz­nie prze­te­sto­wać powyższe stwier­dze­nie – prze­pra­szam za stu­dze­nie entu­zja­zmu – suge­ro­wał­bym nie czekać na samo­czynne zmniej­sze­nie entropii i pójść po miotłę.

podpis-czarny
  • Zain­te­re­so­wany

    Ale skoro praw­do­po­do­bień­stwo jest tak niskie, to jak to się­dzieje że we wszech­świe­cie powstają galak­tyki, gwiazdy i planety. Czyż nie są to struk­tury upo­rząd­ko­wane?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • m

      A czyż rozbity kubek nie jest struk­turą upo­rząd­ko­waną? Owszem, mniej od całego kubka, ale zawsze można go jeszcze zmielić na drobny mak i roz­rzu­cić na wietrze.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Konrad

      To by znaczyło, że wszech­świat z galak­ty­kami, gwiaz­dami itp. ma wyższy poziom entropii, niż stan który go poprze­dzał (np. prawie gładko roz­sma­ro­wana materia/energia po erze inflacji). I na zdrowy rozsądek tak rów­no­mier­nie roz­ło­żona materia i energia jest bardziej upo­rząd­ko­wana niż zapad­nięta w przy­pad­kowo roz­ło­żone skupiska.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • n

        Czyli co, cały obser­wo­wany dziś wszech­świat jest tylko rozbitym kubkiem?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Pisałem o tym kiedyś. Przy­wo­łane przez Ciebie przy­kłady są wyjąt­kami lokal­nymi, na których samo­czynne ukształ­to­wa­nie pozwo­liły prawa fizyki na czele z gra­wi­ta­cją. Nie zmienia to faktu, że era gwiaz­dowa będzie miała swój koniec i wszech­świat jako całość tak czy inaczej dąży do mak­sy­mal­nej entropii. Każda kolejna gene­ra­cja gwiazd jest mniejsza, nato­miast przy­by­wać będzie kosmicz­nych odpadów w stylu białych karłów, gwiazd neu­tro­no­wych i oczy­wi­ście czarnych dziur.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Sky­Pa­pa­razzi

    Zawsze szukałam sen­sow­nego, obra­zo­wego wyja­śnie­nia entropii. Google pro­po­no­wało mi wyja­śnie­nia z grząskim terenem i odci­śnię­tym w nim śladzie buta, ale.… to chyba nie miało sensu? Twój tekst w końcu pozwolił mi zro­zu­mieć zjawisko. Dzięki Tobie jestem mądrzej­sza o nowe pojęcie. A wcze­śniej­sza luka (nie­do­in­for­mo­wa­nie), którą wypeł­niały cha­otyczne, nie­po­ukła­dane myśli jest dziś.… mniej cha­otyczna i o dziwo składa się ze sca­lo­nego mate­riału. Hmmm, czy entropia działa również w przy­padku wyobraźni? ;p

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Damian J

      rozu­mie­nie entropii powoduje to że szukanie związku na dłuższą metę czyli szukanie związku na całe życie kobiety z męż­czy­zną staje się bez sensowne totalnie

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ajron

    Druga zasada ter­mo­dy­na­miki odnosi się tylko do układu zamknię­tego, a co jeśli wszech­świat nie jest układem zamknię­tym?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Chyba sam sobie potra­fisz odpo­wie­dzieć. Pytanie, czy mamy podstawy aby pytać “co jeśli?”.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • badwolf

    Obawiam sie ze praw­do­po­do­bien­stwo samo­ist­nego powsta­nia zycia jest nizsze niz samo­ist­nego powsta­nia kubka. A jednak sie udalo. No i druga sprawa, czarna dziura jest bardzo upo­rzad­ko­wana struk­tura.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Co do życia, zależy od jego defi­ni­cji. Pewne związki che­miczne również są bardzo skom­pli­ko­wane, a jednak mogą samo­rzut­nie powstać. W tym świetle i z uwzględ­nie­niem pewnych praw, które dopiero powoli badamy (patrz: prace prof. Szostaka), powsta­nie pro­to­bak­te­rii w cale nie musi być aż tak nie­praw­do­po­dobne. Jesteśmy jednak dopiero na początku drogi w tym temacie.

      Entropia czarnych dziur z kolei to nie­zwy­kle intry­gu­jący temat. Tu mogę odesłać do książki Nowikowa, który ładnie opisuje jak własnie ten problem napro­wa­dził Hawkinga na poszu­ki­wa­nie pro­mie­nio­wa­nia hory­zontu zdarzeń. Inna sprawa co masz na myśli pisząc, że czarna dziura sama w sobie jest “bardzo upo­rząd­ko­wana”?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • tadek

    A ja myślę, że to pojęcie jest rozu­miane, a co gorsza wykła­dane i tłu­ma­czone na opak! Porządek w rozu­mie­niu kosmo­lo­gicz­nym to rów­no­waga a nie twardy chłodny kubek z jednej strony i gorący płyn z drugiej! Wszystko zmierza do stanu rów­no­wagi i to właśnie rów­no­waga jest celem i będzie stanem osta­tecz­nego upo­rząd­ko­wa­nia. Nadając materii porzą­dane przez nas krztałty zużywamy sporo energii żeby tego dokonać i stan ten utrzymać jak naj­dłu­żej. Porządek z naszymi dzia­ła­niami zrobi Entropia. Osta­tecz­nie wyrówna odle­gło­ści pomiędzy czą­stecz­kami, tem­pe­ra­tury i wszelkie stany ener­ge­tyczne. Można dys­ku­to­wać nad pytaniem czy Entropia maleje czy rośnie, ale dla samego zjawiska nasza odpo­wiedź nie ma zna­cze­nia. Wszystko zmierza ku porząd­kowi, rów­no­wa­dze, ener­ge­tycz­nej śmierci. Chaos był na Początku. 

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      To ciekawe podej­ście, ale wszystko zależy tu od punktu sie­dze­nia. Czy martwy wszech­świat można nazwać upo­rząd­ko­wa­nym? Tu dobrze sprawdza się doświad­cze­nie z potrzą­sa­nymi, róż­no­ko­lo­ro­wymi kulkami. Począt­kowo są one ładnie pose­gre­go­wane, a wraz z biegiem czasu dochodzi do kom­plet­nego wymie­sza­nia — dla fizyka to jednak pierwszy stan jest porząd­kiem. W przy­padku wszech­świata sprawa jest oczy­wi­ście bardziej skom­pli­ko­wana, ale wnioski podobne. Czy erę uni­fi­ka­cji sił przyrody, czas gdy młody kosmos wypeł­niało jedynie jed­no­lite super-ener­ge­tyczne pro­mie­nio­wa­nie gamma — można nazwać chaosem? Kwestia kon­wen­cji. Fizyk raczej nazwie taki stan harmonią.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • tadek

        A jak taki stan nazwie artysta, albo człowiek reli­gijny? Faktem jest że,
        na początku młody Wszech­świat wrzał. Taki stan jako har­mo­nijny może
        pasować kucharce. Nato­miast siły tego super-ener­ge­rycz­nego
        pro­mie­nio­wa­nia szukały ujścia. Więc zadzia­łały zgodnie ze strzałką
        Entropii, taką jaką On (Wszech­świat) pojmuje.

        Mówimy, że 
        posprzą­tany pokój, fili­żanka w jednym kawałku, zgodnie pra­cu­jący
        plastik, miedź, krzem i kilka innych mate­ria­łów, to porządek. Nazywamy
        tak stan który jest pożądany przez Nas. Ale co o takim stanie sądzi
        Wszech­świat?

        Myślę, że ocze­ku­jemy od Wszech­świata takiego samego
        poj­mo­wa­nia Porządku jaki jest właściwy ludz­kiemu gatun­kowi. Oczy­wi­ście
        nasuwa się pytanie czy Wszech­świat w jaki­kol­wiek sposób pojmuje
        cokol­wiek. I tutaj uprze­dza­jąc całą jałową dyskusję przejdę do sedna:
        Dzia­ła­jąc w myśl zasady Entropii, zgodnie ze strzałką, jaka jest właściwa dla poj­mo­wa­nia Porządku w kate­go­riach kosmo­lo­gicz­nych, Wszech­świat Robi Porządek.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Terra

    “rozsypią się … wiązania mole­ku­larne, a wreszcie nawet atomy” — chodzi tu o to ze elek­trony opuszczą atomy i zostaną oddzielne jądra i oddzielne elek­trony? Ciekawe. A dlaczego nie mają sie rozpasc jądra? A jesli jądra to i protony na kwarki, a jesli kwarki to .. itd.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0