Život je entropický parazit

Pokračování povídání z knihy „Tim se ptá: Proč a jak funguje vesmír“ – co se na papír nevešlo. Dneska o entropii a o líném vesmíru.

Drahý Time,už dříve jsme se bavili o entropii, ale uvědomuji si, že jsem ji pořádně nevysvětlil. Ono totiž entropií je vícero druhů. Nejznámější je ta termodynamická, kterou znáš z každodenní zkušenosti. Na ni navazuje informační a dokonce dokážeme spočítat, o kolik bitů se změní informační entropie, když roztaje kilo ledu. A potom je tu možná ještě gravitační entropie. Ale pojďme na to postupně.

Termodynamická entropie

Entropie je někdy chápaná jako míra uspořádanosti nějakého systému. A jak už jsem psal v tomto článku o zákonech termodynamiky, pro entropii platí, že v uzavřeném systému s časem neklesá. Pojďme si uvést pár příkladů:Máš kádinku čisté vody a kápneš do ní vodou ředitelnou barvu. Úplně na začátku vidíš pár kapek barvy, které se vznáší ve vodě a začnou se rozplývat. Na začátku je ten systém voda a barva více uspořádaný, má menší entropii. Ale bez cizího zásahu se záhy barva ve vodě úplně rozplyne, zvýší se celková entropie systému. Stane se to spontánně, tak říkajíc samo od sebe.Tímto způsobem zformuloval pojem entropie roku 1854 Rudolf Clausius. Právě on jako první zkoumal způsob, proč nějaké děje proběhnou spontánně a některé ne. A také, proč jsou nějaké takové věci nevratné, zatímco jiné jdou přehrát zpátky. Ale hlavním motivem jeho práce bylo nějak stanovit, kolik „vnitřní“ energie je v systému a jakou práci může vykonat. To souvisí dosti úzce s rozvojem parních strojů v té době. Kupříkladu pára ve stlačeném pístu má nižší entropii než pára, když se píst pohne. Rozdíl těch dvou hodnot potom odpovídá práci, kterou píst může vykonat. A z toho je i jednotka termodynamické entropie - J/K. (Pokud Ti tato jednotka připomíná jednotku tepelné kapacity, je to správně) Tedy jak se změní energie systému při změně teploty. Tento jev mimochodem pohání naše ledničky. V chladiči, v místě, kde se odebírá z ledničky a mrazáku teplo, se chladící plyn prudce rozpíná a tím rychle klesá jeho teplota. Následně nabere z ledničky nějaké teplo je odveden pryč do místa, kde se zase stlačí. Tam pro změnu vypouští teplo, proto taky každá lednička dovnitř chladí a do okolí hřeje. Takže když někdy uvidíš ve filmu, jak otevřou mrazák a zamrzne celá místnost, už budeš vědět, že je to nesmysl, tedy Ty jsi to věděl už dříve, ale teď to budeš mít fyzikálně podložené. Je to tím, že druhý termodynamický zákon stanovuje meze pro možnost získat ze soustavy užitečnou práci.

Líný vesmír

Je to tak, vesmír a v podstatě všechny jevy v něm na makroskopické úrovni směřují k vyšší entropii s rostoucím časem od Velkého třesku. Vyšší entropie znamená, že se zbavujeme energie, spontánně se systémy snaží zaujmout stav s co nejmenší energií. Tedy když je ponecháme samy sobě, ať si dělají, co chtějí. Konec konců, jedna z našich představ o konci vesmíru je scénář tepelné smrti, kdy se díky rozpínání vesmír natolik naředí, že vychladne na absolutní nulu s maximální možnou entropie.Ovšem existuje jedna třída systémů, které jsou proti tomu. Obecně je nazýváme živými organismy, životem. Po nějaký čas, tedy po dobu života organismu, dochází k tomu, že se lokálně snižuje jeho entropie. Jak se stvoření narodí, vylíhne, nebo jakkoliv jinak přijde na svět, roste a zdokonaluje se, vytváří tak stále větší množství vysoce organizované hmoty. Na druhou stranu má život tendenci konzumovat látky a u rostlin i záření s nízkou entropií a naopak vylučovat metabolické odpady s entropií vysokou. Takže život můžeme považovat za parazita, který se živí entropií.

Entropie ve statistické fyzice

Ale zpátky k entropii jako takové. Její další změna souvisí se zavedením statistické fyziky. Tu zavedl Ludwig Boltzman v roce 1887 a definoval ji jako součet všech možných stavů daného systému násobených pravděpodobností, že daný stav nastane. A před sumou je konstanta k, která se mění podle toho, jaký chcete výsledek. Buďto bude k Boltzmanova konstanta a potom je výsledek J/K jako u výše uvedené entropie. Anebo k logaritmus při základu dva a potom jednotka této entropie je - chvilka napětí - bit. Ano, jednotka informace. Tato rovnice nám umožní spočítat, o kolik se změní velikost informace třeba pří roztátí kilogramové kostky ledu, nebo jiné podobné věci. Tady vidíš, jak moc je abstraktní pojem informace vepsán do hmoty. To také vysvětluje chování Maxwellova pidižvíka a toho, jak vznikla Landauerova mez. Tahle úvaha je důležitá i pro jednu věc, která trápila fyziky dlouhá léta - ztrácí se informace z vesmíru pádem do černé díry nebo ne? Ale o tom až v dalším pokračování, které napíšu brzo, slibuji. Kromě objasnění entropie černých děr se podíváme i mimo uznávané hranice současné fyziky a podíváme se na koncept gravitační entropie.