Przemyślenia o entropii

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 (czyt. 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…

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].
Kapsuła w płomieniach – misja Apollo 1 Architekt nowej fizyki cz.3: tułaczka Einsteina 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o Enceladusie