— Objavljeno 05/10/2010 / JUtarnji list.
blog STORM
Priroda je neizrecivo zadivljujuća. Sve pojave oko nas su PRIRODNE pojave, a njih MOŽEMO razumjeti.
Kad bismo nakon dugogodišnjeg učenja prirodoslovlja u školi zaboravili sve detalje, a usvojili jedino gornju tvrdnju, znali bismo puno. Nažalost, to je daleko od tipičnog stava koji izgradimo po završetku školovanja. Za većinu priroda ostaje dosadna, a prirodne pojave teške i nerazumljive. Utjehu tada daje vjera u nadnaravno. Njezini zagovornici nikoga ne muče potencijalnim razumijevanjem. Oni, naprotiv, ističu navodnu vrijednost neshvatljivog. Prihvaćajući takav stav nismo samo zakinuti za radost razumijevanja prirode nego postajemo plodno tlo za razne prevarante i prodavače magle.
Situaciju dodatno pogoršava nekolicina prolupalih znanstvenika koji se na svojem zalasku karijere, umjesto promicanju znanosti, okreću veličanju nadnaravnog. Zasad se neću baviti njima, kao ni štetom koju nanose društvu. Posvetit ću ovaj ciklus, radije, samoj promidžbi znanosti. Tvrdim da temeljni znanstveni koncepti prirodnih pojavava mogu, i moraju, biti razumljivi svima. Moj prvi primjer je DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE.
ŠTO JE DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE?
Drugi zakon termodinamike (dalje u tekstu 2zTd) jedan je od neupitno najvažnijih zakona u prirodi. Možemo ga izraziti na mnogo različitih načina, koji se svi svode na isto: preko toplinskog stroja, perpetuum mobilea, entropije... No, prije svega moram spomenuti prvi zakon termodinamike i pojam energije.
Energija je - uz prostor, vrijeme i tvar - jedan od najtemeljnijih pojmova u fizici. Svemir možemo opisati kao prostor koji se širi u vremenu, a ispunjavaju ga energija i tvar. Prostor i vrijeme su međusobno blisko povezani kao i tvar (odnosno materija1) i energija. U teoriji relativnosti svodimo ih na jedinstvene pojmove prostorvremena i materijeenergije. No, to je već druga priča. Recimo zasad da se energija i tvar mogu pretvarati jedno u drugo te da je energija mjera kojom opisujemo sposobnost materijalnih tijela u prostoru da se prerasporede. Drugim riječima, sposobnost tijela da se gibaju. Osnovnoškolska definicija energije je: "sposobnost tijela da izvrši rad". A, rad (isto kao i toplina) je "energija u prijelazu". Dio energije koji prijeđe s jednog tijela na drugo, ili s jednog dijela sustava, mnoštva tijela, na drugi dio sustava. Taj dio energije je, najčešće, onaj dio koji je, iz naše perspektive, koristan.
Prvi zakon termodinamike (termodinamika je dio fizike koji opisuje gibanje energije; kao što mehanika opisuje gibanje tvari) govori što se događa s toplinom koju predamo sustavu: dio topline prijeđe u rad, a dio u unutrašnju energiju sustava. Ukratko, prema prvom zakonu termodinamike energija se samo prerasporedi, ali NE NESTANE. On je, zapravo, samo posebni oblik općenitijeg zakona – zakona očuvanja energije – prema kojem je ukupna energija zatvorenog sustava stalna u vremenu: ne može se stvoriti (ni iz čega) niti uništiti (pretvoriti ni u što). Ključni dio tvrdnje odnosi se na ZATVORENI sustav. Pod time mislimo na fizički sustav – skup materijalnih tijela i energije – koji je odvojen od svoje okoline. Konkretno, ne izmjenjuje svoj sadržaj (ni energiju ni tvar) s okolinom.
Dakle, u zatvorenom sustavu energija se može pretvarati iz jednog oblika u drugi, iz jednog oblika u drugi, iz jednog oblika u drugi... Ali, postoji kvaka. Količina tih promjena je ograničena. U svakoj od promjena dio energije prijeđe u takav oblik koji više nije pogodan za nove prijelaze. Slikovito možemo reći da u zatvorenom sustavu energija "slabi" u obavljanju korisnog rada. Upravo to je 2zTd. Zatvoreni sustav u konačnici postiže stanje u kojem nikakve promjene više nisu moguće. To stanje nazivamo toplinskom smrću.
Od brojnih izričaja 2zTd vjerojatno je najjednostavniji onaj kojeg je, 1850. godine, formulirao njemački fizičar Rudolf Clausius: toplina ne može spontano prelaziti s tijela niže temperature, na tijelo više temperature. Može (kao što može i voda uzbrdo) samo u slučaju kad postoji vanjska sila, odnosno interakcija s okolinom. No tada sustav više nije zatvoren.
ENTROPIJA KAO MJERA NEREDA
2zTd često se opisuje preko toplinskog stroja. Toplinski stroj je bilo koji uređaj koji toplinu pretvara u rad: od prvog učinkovitog parnog stroja koji je usavršio James Watt do motora zadnjeg modela Ferrarija. Krajnje apstrahirani toplinski stroj sastoji se od dvaju toplinskih spremnika: toplijeg i hladnijeg. Pri prijelazu energije (a tu energiju u prijelazu nazivamo toplinom) s toplijeg na hladniji spremnik, dio energije (koji NE prijeđe na hladniji spremnik) je RAD. Da bismo dobili rad (taj dio energije koji nam je koristan) jedan dio topline MORA prijeći na hladniji spremnik. Nije moguće načiniti toplinski stroj bez hladnijeg spremnika koji bi obavljao rad tako da crpi energiju samo iz toplijeg spremnika. Time ne bi bio narušen prvi zakon termodinamike, ali bi bio narušen drugi.
Nadalje, prva dva zakona termodinamike mogu se izraziti preko perpetuum mobilea – hipotetskog vječno pokretljivog stroja. Dakle, 1zTd: perpetuum mobile prve vrste nije moguć. Bio bi to stroj koji bi obavljao rad stvarajući energiju ni iz čega. 2zTd: perpetuum mobile druge vrste nije moguć. To bi bio stroj koji bi obavljao rad crpeći energiju iz toplijeg spremnika bez postojanja hladnijeg spremnika.
Konačno, 2zTd u fizici se najčešće izražava pomoću entropije. Entropija je fizička veličina koja je daleko od intuitivne. Definirana je u termodinamici kao mjera "oslabljenosti" u obavljanju korisnog rada. Matematički, (mala) promjena entropije odgovara omjeru (male) promjene topline pri stalnoj temperaturi. Ukupna promjena entropije je zbroj svih malih promjena. To se onda svodi na integral, no pustimo višu matematiku.
Austrijski fizičar Ludwig Boltzmann izrazio je tu istu entropiju, koristeći statističke metode, pomoću mikroskopskih stanja sustava. Poanta je u tome da pojedinom makroskopskom stanju sustava (koje možemo opaziti kroz mjerljive parametre) odgovaraju brojna mikroskopska stanja (koja odgovaraju unutrašnjim preraspodjelama čestica). Spontane promjene odvijaju se od manje vjerojatnih prema više vjerojatnim makroskopskim stanjima. U tom smislu entropiju možemo shvatiti kao mjeru NEREDA u sustavu. Dakle, 2zTd izražen preko entropije: UKUPNA entropija ZATVORENOG SUSTAVA ne može se, s vremenom, smanjivati. Može samo rasti. Drugim riječima - nered u zatvorenom sustavu može, s vremenom, samo rasti. Zatvoreni sustav spontano teži stanju većeg nereda.
NEPOVRATNI PROCESI I SMJER VREMENA
Detalje (naročito matematičke) ove zanimljive i važne priče dao sam u trećem poglavlju svoje treće knjige Pojmovi i koncepti: Dubravko Horvat i Dario Hrupec, Fizika 3: Pojmovi i koncepti (Neodidacta, 2010). Glavna je poruka tog poglavlja da su svi prirodni procesi ireverzibilni ili NEPOVRATNI tj. odvijaju se samo u jednom smjeru, nikad obrnuto. "Rođeni smo, odrastamo i umiremo. Jaja padaju i razbijaju se, mlijeko se miješa s kavom u koju smo ga ulili, kocka leda topi se u čaši vode. Redoslijed smrt-pomlađivanje-rođenje moguć je samo u znanstvenoj fantastici. Nitko još nije vidio jaje koje se odrazbije, kavu s mlijekom koja se odmiješa ili čašu vode u kojoj spontano nastane kocka leda. Vrijeme očito ima smjer i taj smjer često nazivamo strijelom vremena. Najuvjerljiviji primjer u našem je umu: sjećamo se događaja koje nazivamo prošlošću, ali se ne sjećamo događaja koje nazivamo budućnošću.
Možete reći: pa što, to svi znamo, u čemu je problem? Problem je u tome da su temeljni zakoni fizike simetrični u vremenu. Prema njima, odrazbijanje ili odmiješanje nisu zabranjeni. Pa zašto ih onda nikad ne opažamo? Zašto vrijeme u našem, makroskopskom, svijetu ima određeni, uvijek isti, smjer?
To možemo razumjeti iz Boltzmannove statističke definicije entropije, jedine fizičke veličine povezane sa smjerom vremena. Složeni sustav može biti u nekim makroskopskim stanjima od kojih svako odgovara brojnim mikroskopskim stanjima (različitim unutrašnjim raspodjelama čestica). Sva su mikroskopska stanja jednako vjerojatna, ali makroskopska NISU. Sustav se spontano razvija u smjeru sve vjerojatnijih makroskopskih stanja. To je ono što prepoznajemo kao smjer vremena.
ENTROPIJA U ŠIREM KONTEKSTU
Knjiga koju obično preporučujem (u očajnom nedostatku neke bolje) kad govorim o entropiji je Jeremy Rifkin, Entropija: Novi pogled na svijet (Misl, 2002.). Rifkin je američki ekonomist, pisac i aktivist. Nije znanstvenik. Svojedobno je čak bio proglašen najomrženijim čovjekom u znanosti zbog antipropagande genetskih istraživanja. Svejedno, knjiga koju spominjem napisana je prije 30 godina, Entropy: A New World View (Viking Press, 1980.), i nema puno veze s današnjim političkim aktivizmom Jeremyja Rifkina. To nije knjiga koju bih preporučio fizičarima, ali za društvenjake je u redu što se tiče razumijevanja drugog zakona termodinamike i koncepta entropije. Poopćenja 2zTd na društveni i ekonomski kontekst ne treba, naravno, shvaćati doslovno.
ZAŠTO DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE NE PROTURJEČI EVOLUCIJI
Živa bića, na prvi pogled, krše 2zTd jer imaju stalan ili čak rastući "red". Njihova se entropija ne povećava nego se čak smanjuje, odnosno idu u smjeru većegr reda (što je očito u vrijeme embrionalnog razvoja). No, nijedno živo biće, naravno, nije zatvoreni sustav. Dok je živo, neprestano izmjenjuje energiju i tvar s okolinom. Entropija se može smanjivati u dijelu sustava (živo biće), ali mora rasti u cjelokupnom zatvorenom sustavu (živo biće + okolina).
Također, česte su tvrdnje kreacionista da evolucija ne postoji upravo zbog 2zTd. Kao, 2zTd je dokaz da evolucija ne može postojati jer bi, eto, njezino postojanje narušilo taj prirodni zakon. Krivo. Ne postoji proturječje, i to zbog Sunca. Kreacionisti ne samo da ne razumiju evoluciju nego, naravno, ne razumiju ni 2zTd. Cijela Zemlja, također, NIJE zatvoreni sustav. Ona neprekidno prima energiju od Sunca. Ta energija koja na Zemlju stiže izvana omogućuje da se lokalno odvijaju procesi u kojima se entropija smanjuje. U širem pak sustavu (Zemlja + Sunce) entropija neprekidno raste odnosno 2zTd vrijedi.
1Materija je širi pojam od tvari, obuhvaća tvar (elementarne čestice s masom te složene čestice i tijela građena od njih) i medijatore ili prenositelje sila (od kojih neki – kao fotoni i gluoni – nemaju masu).