Sunki entropijos ranka

Tačiau įsigilinus į skaičius, paaiškėtų, kad tokios statistinės fluktuacijos būtų galima tikėtis po laiko, gerokai viršijančio Visatos amžių. Praktikoje mes vargu ar kada užfiksuosime tokį įvykį. Tačiau tokia tikimybė yra. Kai kam tai nepatiko. Jie norėjo, kad antrasis termodinamikos dėsnis būtų visiškai absoliučiai totaliai nepajudinamas, jie bodėjosi faktu, kad tai tik tvirtinimas, kuris „teisingas didžiąją laiko dalį“. Bolcmano prielaidos sukėlė daug ginčų ir priešpriešų, tačiau mūsų laikais jos visuotinai pripažįstamos.

Entropija ir gyvenimas

Visa tai labai įdomu (bent jau fizikams), tačiau šių idėjų pasekmės siekia toli už garo variklių ir kavos puodelių ribų. Laiko strėlė savo egzistavimą liudija kuo įvairiausiai: mūsų kūnai sensta, prisimename praeitį, o ne ateitį, pasekmė visada pasireiškia po priežasties. Pasirodo visus šiuos reiškinius galima priskirti antrajam termodinamikos dėsniui. Entropija tiesiogine šio žodžio prasme užtikrina gyvybės egzistavimo galimybę.

Pagrindinis energijos šaltinis Žemėje – Saulės šviesa. Kaip aiškino Klauzijus, šiluma natūraliai sklinda nuo karšto kūno (Saulės) šaltesniam (Žemei). Tačiau jei viskas tuo ir baigtųsi, gan greitai du objektai vienas kito atžvilgiu pasiektų pusiausvyrą — įgytų vienodą temperatūrą. Iš tiesų taip ir nutiktų, jei Saulė užimtų visą dangų, o neatrodytų mums kaip nedidelis maždaug vienos kampo sekundės dydžio diskas. Taip, tokiu atveju išvystume labai liūdną, absoliučiai netinkamą gyvybei pasaulį — ir ne tik dėl itin aukštos temperatūros, bet ir dėl to, kad toks pasaulis būtų statiškas. Pusiausvyrą pasiekusiame pasaulyje niekas nekistų.

Realioje Visatoje mūsų planeta iki Saulės temperatūros neįkaista, nes nuolat netenka šilumos, spinduliuodama ją į kosminę erdvę. Ir vienintelė priežastis, dėl kurios tai įmanoma, kaip nepamirštų paminėti Klauzijus, yra ta, kad kosmose gerokai šalčiau nei Žemėje.[14] Tad, būtent todėl, kad Saulė tėra karšta dėmelė šaltame danguje, Žemė ir nekaista be perstojo, o sugeria Saulės energiją, keičia ją ir spinduliuoja į kosmosą. Vykstant šiam procesui, entropija, savaime suprantama, auga; fiksuoto Saulės siunčiamos energijos kiekio entropija gerokai mažesnė, nei tokio apties kiekio Žemės išspinduliuojamos energijos.

Savo ruožtu šis procesas paaiškina, kodėl Žemės biosfera — toli gražu ne statiška. [15] Gauname energiją iš Saulės, tačiau tai nereiškia, kad ji kaitina ir kaitina, kol pasiekiama pusiausvyra; Saulės energija — labai žemos entropijos spinduliavimas, todėl galime jį panaudoti savo reikmėms, o paskui išlaisvinti jau kaip didelės entropijos spinduliavimą. Visa tai įmanoma tik todėl, kad Visatos bendrai ir Saulės sistemos konkrečiai entropija yra gan maža (anksčiau ji buvo dar žemesnė). Jei Visata būtų būtų arti temperatūrinės pusiausvyros, joje nevykto jokie procesai.

Viskas, kas gera, turi pabaigą. Visata tokia gyvybinga būtent todėl, kad joje entropijai yra kur didėti — kol bus pasiekta pusiausvyros būsena, kurioje ji užstrigs. Tačiau negalima manyti, kad ir tai neišvengiama. Gal Visatos entropija augs be galo. Arba gal atvirkščiai, kažkuriuo momentu entropija pasieks maksimalią reikšmę ir sustos. Pastarasis scenarijus vadinamas šilumine Visatos mirtimi, ir mintys apie tokios baigties galimybę kilo senokai, šeštajame XIX amžiaus dešimtmetyje, kartu su kitais termodinamikos atradimais. Pavyzdžiui, Williamas Thomsonas, lordas Kelvinas — britų fizikas ir inžinierius, svariai prisidėjęs prie pirmosios transatlantinės telegrafo linijos tiesimo, mąstydavo ir apie Visatos ateitį:

Jei Visata būtų baigtinė ir privalėtų paklusti egzistuojantiems dėsniams, galutiniu jos egzistavimo rezultatu neišvengiamai taptų visuotinė rimtis ir mirtis. Tačiau neįmanoma įsivaizduoti materijos paplitimo Visatoje ribų, ir todėl mokslas teigia begalinę potencinės energijos transformacijos į judėjimą, ir galiausiai į šilumą, proceso trukmę begalinėje erdvėje, o ne ribotą mechanizmą, veikiantį iš inercijos, kaip laikrodis ir sustojusį amžiams.[16]

Lordas Kelvinas čia, galima sakyti, nuspėjo ateitį, nurodydamas pagrindinį visų tokių diskusijų klausimą, prie kurio knygoje vis grįšime : ar Visatos galimybė plėstis baigtinė ar begalinė? Jeigu baigtinė, tai kada visa teigiama energija bus paversta bevertėmis, aukštos entropijos energijos formomis, Visatos laukia šiluminė mirtis. Tačiau jeigu entropija gali didėti neribotai, galime bent jau spėti, kas begalinio kokios nors formos Visatos augimo ir vystymosi galimybę.

Garsiajame savo apsakyme „Entropija“, Thomasas Pynchonas savo herojus verčia taikyti termodinamikos pamokas socialinei aplinkai.

— Kaip bebūtų, — tęsė Callisto, — jis entropijoje, tai yra, uždarą sistemą charakterizuojančiame betvarkės lygyje, tinkamą kai kurių jo paties pasaulio reiškinių metaforą. Tarkime, jis išvydo, kad jaunoji karta į Madison aveniu žvelgia su tokiu pat ilgesiu, kokiu jo paties karta – į Wall Streetą; ir amerikietiškoje „vartotojų visuomenėje“ jis aptiko vis tų pačių permainų tendencijas: iš menkiausiai tikėtinos būsenos į labiausiai tikėtiną, nuo diferenciacijos prie vienodumo, tuo tvarkingos asmenybė prie chaoso. Trumpiau tariant, jis suprato persakantis Gibbso prognozes socialiniais terminais ir numato savo kultūros šiluminę mirtį, kai idėjos, nelyginant šiluminė energija, nebegalės būti perduodama, nes energija visuose sistemos taškuose galų gale suvienodės ir taip intelektualinis judėjimas baigsis visiems laikams.[17]

Mokslininkams lig šiol nepavyko patvirtinti nė vieno požiūrio; ar Visata plėsis amžinai, ar kada nors nurims taikioje pusiausvyroje — atsakyti neįmanoma.

Kodėl neatsimename ateities?

Taigi, laiko strėlė aprašo ne tik paprastus mechaninius procesus; tai neatskiriama paties gyvenimo savybė. Be to, nuo laiko strėlės priklauso svarbiausia žmogaus sąmonės savybė — tai, kad atsimename praeitį, bet ne ateitį. Fundamentaliems fizikos dėsniams, praeitis ir ateitis absoliučiai lygiaverčiai, tačiau paprasto žmogaus požiūriu, sunku būtų surasti labiau besiskiriančius dalykus. Praeities vaizdiniai saugomi galvoje kaip atsiminimai. Tuo tarpu ateitį tegalime prognozuoti, nors jokios prognozės negali būti tokios patikimos, kaip praeities atsiminimai.

Galiausiai, galvoje atmintis apie praeitį galvoje formuojasi nes praeityje entropija buvo mažesnė. Baziniai sudėtingos sistemos, tokios, kaip Visata, komponentai gali išsidėstyti į nesuskaitomą daugybę konfigūracijų, kuriuose esate „jūs su tam tikrais prisiminimais apie praeitį, plius visa likusi Visata“. Jei težinote, kad egzistuojate dabar ir kad prisimenate žygį į paplūdimį vasarą per vasaros atostogas tarp šeštos ir septintos klasės, tai paprasčiausiai neturite pakankamai informacijos, kad galėtumėte padaryti patikimą išvadą, kad tą vasarą išties ėjote į paplūdimį. Kur kas labiau tikėtina, kad jūsų prisiminimai apie tai — tik atsitiktinė fluktuacija, kaip kambarys, kuriame visas oras susikaupė prie vienos sienos. Kad prisiminimai turėtų prasmę, būtina daryti prielaidą, kad Visata irgi buvo sutvarkyta tam tikru būdu — kad entropija anksčiau buvo žemesnė.

Įsivaizduokite, einate gatve ir pastebite ant šaligatvio sudužusį kiaušinį. Sprendžiant pagal ištekėjusį turinį, jis čia guli visai neseniai. Darydami prielaidą, kad entropija anksčiau buvo žemesnė, galime užtikrintai pareikšti, kad vos prieš kelias minutes kiaušinis buvo sveikas, tačiau kažkas jį išmetė ir sudaužė. Kalbėdami apie ateitį, neturime jokių priežasčių manyti, kad entropija sumažės, todėl šio kiaušinio lemties numatyti negalime, — pernelyg daug variantų. Gali jis liks ant asfalto ir supelis, gal kas nors jį nuplaus nuo šaligatvio, o gal jį suės pro šalį bėgantis šuo (tikimybė, kad jis spontaniškai vėl taps nesudužusiu kiaušiniu, itin maža, tačiau, griežtai žiūrint, tokia baigtis irgi tikėtina). Kiaušinis ant šaligatvio — kaip prisiminimai smegenyse; tai ankstesnių įvykių metraštis, tačiau tik darant prielaidą, kad ir entropija tada buvo žemesnė.

Praeitį nuo ateities puikiai atskiria ir priežasties–pasekmės ryšys. O būtent, priežastys atsitinka anksčiau, o pasekmės visada nutinka vėliau. Būtent todėl Baltoji Karalienė mums atrodo tokia absurdiška: kaip ji gali šaukti iš skausmo dar prieš įsidurdama pirštą? Ir vėl dėl visko kalta entropija. Įsivaizduokite į baseiną šokantį plaukiką — vanduo pliūkšteli visada po šuolio. Remiantis mikroskopinės fizikos dėsniais, vandens (o taip pat oro, kuriame sklinda garsas) molekules galima pareguliuoti taip, kad įvyktų „antipliūkštelėjimas“ ir vanduo išstumtų nardytoją iš baseino. Kiekvieno atomo pozicijos ir greičio parinkimas šiuo atveju turėtų būti neįsivaizduojamai tikslus: pasirinkus atsitiktinę pliūkštelėjimo konfigūraciją, tikimybė, kad mikroskopinės jėgos reikiamai susivienys ir išstums nardytoją, labai artima nuliui.

Kitaip tariant, vienas iš „pasekmės“ ir „priežasties“ skirtumų — „pasekmė“ paprastai reiškia entropijos didėjimą. Susidūrus ir nuriedėjus į šalis dviems biliardo kamuoliukams, entropija nepakis ir negalėsime nurodyti, kuris kamuoliukas yra sąveikos priežastis. Tačiau jeigu pradėdami žaidimą lazda smūgiuosite į mušamą kamuoliuką, kuris išsklaidys piramidę (ir taip aiškiai padidins entropiją), galėsite drąsiai sakyti, kad būtent mušamas kamuoliukas privertė išsisklaidyti kitus kamuoliukus, nors prieš fizikos dėsnius visi kamuoliukai lygūs.

Sean M. Carroll
Research Professor at Physics Department and Walter Burke Institute for Theoretical Physics in California Institute of Technology