Entropie, démon rozpadu?
Démonická argumentace
V rámci argumentace ve prospěch Božích zásahů do vzniku pozemského života, či dokonce ve prospěch kreacionismu, tedy nábožensky motivovaného přesvědčení o stvoření světa, je čas od času na denní světlo vyvoláván i jeden z nejpodivuhodnějších démonů naší reality. Nevěříte?
Ano, jde o “démona rozpadu“, entropii. V tomto případě je používána k jakémusi “vědeckému“ důkazu o stvoření pozemského života Bohem, víceméně tak, jak je to popsáno v bibli. Tvrdí se přitom obvykle, že neúprosnému vlivu entropie se náš život zázračným způsobem vymyká. Kdyby tomu totiž tak nebylo, pozemský život by přece už dávno musel zaniknout, rozpadnout se, resp. by vůbec nemohl existovat nebo se vyvíjet.
Vymyká-li se ovšem pozemský život fyzikálním principům, nemá pak smyslu poměřovat jej přírodními zákony a vědeckými hledisky. A odtud pak zpravidla plyne voda na mlýn nejen náboženským fundamentalistům, ale i nejrůznějším novodobým esoterikům, mágům či hermetikům.
Chudák entropie
Připomeňme si konkrétně některé z publikovaných úvah tohoto druhu, využívajících, nebo spíše zneužívajících k argumentaci entropie:
“Zákon entropie, proti němuž v principu nic nenamítáme, však selhává v jediném bodě – totiž právě u života. … již prvotní informace genetického kódu, organizace buněčné hmoty, je velkou vzpourou proti obecné tendenci.“
Cílem tohoto autora (Slavomír Ravik [1]) bylo v daném případě předložení pozoruhodných důkazů o tom, že “dnes k nám Bůh promlouvá přírodními zákony“. Nic proti tomu. Bohužel však jeho vlastní argumentace zde selhává také v jediném bodě. Totiž právě v chybné interpretaci entropie.
Následující autor (Hans-Joachim Zillmer [2]) argumentuje svou knihou proti Darwinově evoluční teorii a snaží se tak dokázat, že Země je stará jen několik tisíc let a život na ní byl stvořen. Kým? Jak je komu libo. Buď Bohem, anebo případně mimozemšťany. Mimo jiné říká:
“Všechny věci stárnou a rozpadají se…Proto není možný vývoj od jednoduchého systému ke složitějšímu.“
Podobně “antievolučně“, tedy ve prospěch stvoření provedeného Bohem (na rozdíl od předchozí knihy ovšem s vyloučením mimozemšťanů), je naladěna i kniha pěti švýcarských autorů [3], z níž vybíráme dva citáty; první pro přiblížení celkového pojetí knihy:
“Je-li bible Božím slovem, pak je její obsah pravdivý. Dle našich poznatků není v bibli jediné tvrzení, které by dnešní věda dokázala zcela nezpochybnitelně vyvrátit.“
A druhý týkající se entropie:
“Neboť podle nálezů fosilií by se měly nové druhy živočichů objevovat náhle. Vymírání je opakem evoluce. Je účinkem entropie, přírodního zákona rozpadu.“
V kontextu knihy to má znamenat, že objevování nových živočišných druhů, jak mají dokládat fosilní nálezy, ve skutečnosti nenastává. Naopak, zmíněný zákon založený na entropii dovoluje pouze vymírání již dávno a naráz stvořených živočišných druhů. V čemž autoři spatřují “vědecký“ důkaz kreacionismu, tedy zároveň i jakýsi pádný úder, namířený proti evoluční teorii.
Dle uvedených citátů je tedy chudáku nevinné entropii přisuzována role jakéhosi strašáka, démona rozpadu, který přirozené evoluci svým způsobem buď brání, anebo dokonce veškerý náš život odsuzuje k pomalému ale jistému vymírání. Pouze nadpřirozeným zásahům můžeme děkovat za to, že nás entropický démon již dávno nevyhubil, či dokonce, že nám kdy dovolil vůbec vzniknout.
Šedá zóna
Nemáme nic proti Bohu, ovšem ani proti evoluci, entropii či fyzice vůbec. Dokonce si uvědomujeme, že moderní přírodovědné poznatky zahrnují i jakousi (možná principiální a věčnou) “šedou zónu“ poznání, která se může stát základnou pro jisté sbližující tendence, mezi odvěkými a (přinejmenším donedávna) naprosto nesmiřitelnými světonázorovými rivaly, totiž mezi vědou a náboženstvím. Mimochodem, o toto téma se pokusíme na jiném místě našich stránek. Jakkoliv je ovšem tato problematika rozsáhlá, spletitá, a přes nejupřímnější snahy plná nejrůznějších subjektivních postojů, jedno je jisté zcela nepochybně:
Výše naznačená “démonická argumentace“ je nesmysl. Plyne z naprostého nepochopení skutečného vlivu entropie. Citovaní autoři, což ostatně při jakémkoliv horování za “velké ideje“ bývá problémem velmi rozšířeným, prostě nevědí, o čem mluví.
A o čem že to vlastně mluví?
Entropie
Řekněme si nejprve, že existuje část fyziky, která se nazývá termodynamika, zabývá se vzájemnými přeměnami různých druhů energie a určuje také směr s nimi spojených fyzikálních a chemických dějů.
Entropie potom představuje jednu z nejvýznamnějších termodynamických veličin. Do fyziky či termodynamiky byla zavedena již roku 1865 německým fyzikem Rudolfem Clausiem. Entropii (resp. její změnu) lze vyjádřit jako poměr tepla vyměněného mezi soustavou a okolím ku teplotě, při níž tato výměna probíhá. Tato forma vyjádření nám nejspíše mnoho neřekne. V každém případě je ovšem třeba smířit se s tím, že entropie není snadným tématem k úvahám.
Neuspořádanost a pravděpodobnost
Mnohem názornější nám jistě bude připadat interpretace entropie, kterou v roce 1896 zavedl rakouský fyzik Ludwig Boltzmann. Dokázal, že entropie přímo souvisí s pravděpodobností konfigurace, kterou termodynamický systém zaujímá, tedy, že entropie je zároveň mírou neuspořádanosti systému.
Neuspořádaný systém má vyšší entropii a jeho existence je tedy i více pravděpodobná. Naproti tomu entropie i pravděpodobnost uspořádanějšího systému jsou nižší. Vyplývá to ze skutečnosti, že systém o nižším stupni uspořádanosti “má k dispozici“ více statisticky rovnocenných konfigurací, než systém, jehož stupeň uspořádanosti je vyšší.
Ani to asi není zrovna nejsrozumitelnější. Ukažme si to tedy např. na balíčku karet:
Balíček karet
Celý balíček má jediné správné uspořádání, kdy karty jdou za sebou jedna po druhé přesně podle stanovené karetní posloupnosti. Označme tento stav názvem “všechny karty dobře“.
Vyjmeme-li nyní z balíčku ve stavu “všechny karty dobře“ jednu kartu a vložíme ji zpět avšak na nesprávné místo, získáme stav “jedna karta špatně“. Balíček tím ztratí cosi ze svého původního perfektního uspořádání, ale co víc, uvědomíme si, že operaci “jedna karta špatně“ můžeme provést s kteroukoliv kartou v balíčku, pokud ji vložíme na kterékoliv “špatné“ místo. To ovšem znamená, že počet jednotlivých uspořádání našeho balíčku, která odpovídají stavu “jedna karta špatně“, je značný.
Přesněji řečeno, z n karet lze jednu vložit na n-1 nesprávných míst. To však lze samozřejmě provést s každou z n karet, takže vznikne n(n-1) možných konfigurací pouze pro uspořádání “jedna karta špatně“. Např. u základního souboru 52 bridžových karet (tj. 13 karet od každé barvy) by se pak jednalo o 2652 konfigurací. Neuspořádanost takového balíčku je pro všechny tyto konfigurace stejná, a stejná je tudíž i pravděpodobnost existence každé z nich.
Zároveň ale víme, že pro balíček existuje pouze jedna jediná (a žádná jiná) konfigurace ve stavu “všechny karty dobře“. Je tedy zřejmé, že v balíčku karet je stav “jedna karta špatně“, představovaný množstvím statisticky rovnocenných eventualit, mnohem pravděpodobnější než stav “všechny karty dobře“, obsahující pouze jednu jedinou možnou konfiguraci.
Jinak řečeno, pro systém je “snadnější“ dosáhnout některé z mnoha rovnocenných a méně uspořádaných konfigurací, než přesně té jediné, které přísluší uspořádanost nejvyšší.
Z toho vyplývá, že v přírodě a v celém vesmíru vůbec probíhají veškeré samovolné děje ve směru poklesu uspořádanosti systémů, tedy zároveň ve směru nárůstu neuspořádanosti, entropie, dokud nedosáhnou její maximální hodnoty za daných podmínek; tím se systém dostává do svého nejpravděpodobnějšího (tzv. rovnovážného) stavu.
Důležitá maličkost
Povšimněme si prosím celkem nenápadného slůvka “samovolné“ (děje). Toto slovo neznamená nic více a nic méně, než že děje probíhají samovolně, spontánně, tedy bez jakéhokoliv cizího vlivu.
Jinak řečeno, tyto děje mohou probíhat pouze v takové soustavě, ve které je působení cizích vlivů zabráněno. Z fyzikálního hlediska jde tedy o to, že je zde (nějak) zabráněno výměně energie a hmoty mezi soustavou a jejím okolím; taková soustava se nazývá izolovaná.
V této souvislosti používá fyzikální chemik Antonín Tockstein [4], dle našeho názoru velmi výstižného obratu, že totiž:
“… v izolované soustavě spěje entropie k maximu …“
Pro naši další potřebu si ještě zaveďme, že soustava i její okolí jsou součástí vyšší jednotky, systému.
Uvařme si kávu
Podívejme se na typický projev entropie v našem běžném životě. Asi nás po přečtení výše uvedených citátů překvapí, že její projev nebude nikterak drastický, naopak nanejvýš příjemný.
Představme si, že vyrážíme na výlet a do termosky si s sebou připravíme horkou kávu. Uděláme to tak, že rozpustný kávový granulát vsypeme do termosky a zalijeme horkou vodou, kdo případně sladí, přidá ještě cukr. Z vlastní zkušenosti víme, že ani není potřeba protřepávat. Můžeme si být naprosto jistí, že až za hodinu či dvě termosku otevřeme, budeme mít k dispozici vonící horkou kávu.
Protože se tak stalo bez protřepávání (předpokládejme), představoval vlastně vnitřek termosky (předpokládejme, že naše termoska je naprosto dokonalá) již zmíněnou izolovanou soustavu. Granulát (plus případně cukr) tedy podlehl působení entropie a skutečně samovolně se rozpustil ve vodě. Tím entropie soustavy (granulát + cukr + voda) v termosce dosáhla svého maxima. Soustava původně tří samostatných složek samovolně nabyla formy jediné (a z fyzikálního hlediska méně uspořádané) homogenní směsi, kávy, a dosáhla tak za daných podmínek své nejvyšší možné neuspořádanosti, tedy nejvyšší možné entropie.
Vidíme, že v tomto případě se tedy žádné entropické vymírání nekonalo. Naopak, celý děj nám umožnil, abychom si pochutnali na dobré kávě.
Země není termoska
Pokusme se nyní o poněkud šílenou představu. Že totiž naše Země je termoska; přesněji řečeno, že je uzavřena v jakési gigantické a dokonalé termosce. Co by se v takovém případě dělo?
Život na temné Zemi bez slunečního svitu by brzy vyčerpal veškeré dostupné energetické zásoby, a pak by zanikl. Samovolně by se zhroutil či rozpadl. Entropie by v této bizarní izolované soustavě slavila svůj triumf, přesně tak, jak to vyplývá z výše uvedených výroků.
Ovšem jejich autoři zpravidla zapomínají na jednu velmi podstatnou maličkost. Naše Země žádnou termoskou není. Naopak. Na její povrch denně, od jejího vzniku, dopadá značná energie slunečního záření; případné další energetické “přísuny“ či “vklady“ nechme nyní pro jednoduchost stranou.
Energie slunečního záření ze zčásti odráží zpět od zemského povrchu či atmosféry, zčásti vstupuje do životních pochodů v pozemské biosféře. Tato energie odedávna poháněla procesy směřující k vyššímu uspořádání fyzikálních, chemických a biologických struktur. Je tak budována živá hmota. I z těchto procesů ovšem jistá část energie v jisté formě opět odpadá, stejně jako jistá část hmoty.
Energie původně dopadající na Zemi od Slunce jako v podstatě homogenní svazek záření (fotonů), je tedy zčásti pohlcována, zčásti v různých formách a směrech opět “vracena“ do okolí. Energetické a hmotné toky spojené s procesy v biosféře působí tak zároveň i na okolí a zvyšují jeho neuspořádanost. Ačkoliv se tedy entropie lokálních soustav snižuje (zvyšuje se jejich uspořádanost), entropie jejich okolí dále roste, a to dokonce do té míry, že roste i souhrnná entropie celkového systému.
To zároveň platí i pro tak “speciální“ součást biosféry a jejích procesů, jakou je člověk a veškerá jeho činnost.
Naší biosférou i námi samými stále jakoby protékají dva nerozlučně spojené proudy. Ten první tvoří přísun energie, bez níž by se život nemohl rozvíjet a ani my bychom nemohli žít a budovat. Ten druhý tvoří úbytek entropie, který umožňuje zvyšování nebo alespoň udržování vysoké uspořádanosti biosféry, ale i veškerého prostředí naší civilizace. To vše samozřejmě za cenu vzniku emisí “energetického i hmotného odpadu“, kterými je udržována dostatečná entropie okolí, zajišťující výsledný nárůst entropie globálního systému.
Slunce
Jak již bylo uvedeno, popsané procesy jsou možné především díky trvalému slunečnímu záření. Z této energie je hrazeno jak lokální snižování entropie uspořádávajících se či budovaných soustav, tak i “globální“ zvyšování entropie jejich okolí. Vše je možné díky tomu, že prostě svítí Slunce. Proto zde ovšem v žádném případě nelze hovořit o dějích samovolných.
Ovšem o nezbytnosti Slunce pro veškerý pozemský život snad není nutno nikoho přesvědčovat. Zdá se však, že autoři oněch výroků na roli Slunce, jakožto zdroje energie příznivě ovlivňujícího entropickou bilanci Země a jejího okolí, prostě zapomínají. Jakoby v souladu s anekdotou, že Slunce není příliš důležité, neboť svítí pouze ve dne, kdy je stejně světlo.
Vraťme se v této souvislosti znovu k již citovanému výroku H.-J.Zillmera. Před tím jsme z důvodů jednoduchosti jeho část pouze vytečkovali. Originální podoba však zní [2]:
“Všechny věci stárnou a rozpadají se bez přívodu dostatečné energie. Proto není možný vývoj od jednoduchého systému ke složitějšímu.“
Na základě toho co jsme si již řekli, je tedy zřejmé, že Zillmerova první věta vlastně vyvrací tvrzení věty druhé. Autor si toho zřejmě vůbec není vědom, jinak řečeno, opravdu nemá ani ponětí, o čem vlastně mluví.
Neboť jak již víme, vhodný přívod energie (zároveň ovšem i její částečný “odpad“) je skutečně prostředkem, který vyvíjejícím se soustavám umožňuje vzdorovat tlaku entropie.
Z hlediska termodynamiky není tedy na životě nic “mimofyzikálního“, “protifyzikálního“ či “protientropického“ a v této souvislosti tedy ani nic nadpřirozeného.
Tím ovšem zdaleka nechceme říci, že proces vzniku života na Zemi je dnes zcela objasněn. Naopak, mnoho nevysvětlených tajemství, či dokonce pochybností stále zůstává. Avšak nutnost jakéhosi mystického vymknutí se zákonitostem termodynamiky k nim zcela určitě nepatří.
Chaos, řád a legendy
Již jsme si vysvětlili, že lokální pokles entropie v “místech rozvoje struktur“ je zároveň více než kompenzován vzrůstem entropie v jejich okolí. Vzrůst entropie lze obecně označit jako chaos, přesněji řečeno, jako úbytek řádu ve prospěch chaosu.
Je pozoruhodné, že jakési přirozené povědomí o této polaritě mezi chaosem a řádem v našem světě je v “kolektivní paměti lidstva“ uloženo zřejmě odedávna. Vyplývá to z náboženských legend mnoha starověkých civilizací, které však proto hned nemusíme podezírat z toho, že jejich příslušníci se ve volných chvílích zabývali termodynamikou. Přitom je ovšem jasné, že takováto domněnka by byla vděčně přijata nadšenci, neúnavně pátrajícími po důkazech rozsáhlého proškolování našich předků mimozemšťany.
Nicméně připomeňme si některé ze zmíněných legend:
Dle babylonské legendy stvořil nejvyšší bůh Marduk svět na základě vítězného boje s příšerou Tiámat, ztělesňující chaos [5].
Je známa i jakási staroegyptská analogie této představy. Obsahuje dvojznačný symbol hada, kdy na jedné straně sluneční bůh Re (Amon) projíždí v noci podzemní říší mrtvých na jakémsi “hadím člunu“, či spíše na obrovském hadovi. Na druhou stranu je každé noci při této cestě napadán jiným obrovským hadem Apepisem, s nímž musí vždy svést vítězný boj. Apepisovo případné vítězství by přivodilo nejen zánik boha Re, Slunce, ale i rozpad či spíše chaos celého vesmíru [6].
Ze starověkých legend, včetně některých biblických textů, je zřejmé vzájemné splývání představy draka a hada, příp. jiných mystických příšer, do symbolu zničení, zmaru, chaosu. Z této rodiny pochází i populární biblický had z Ráje, ztotožňovaný později s neméně populárním ďáblem.
Vraťme se však od podivuhodných legend a symbolů k pohledu současné, neméně podivuhodné přírodovědy. Josef Jelen, vědec v oboru termodynamiky, z jehož úvahy [7] jsme zde čerpali některé poznatky, říká:
“Život a my sami jsme tedy patrně dětmi chaosu. Z chaosu pocházíme a chaos nutně produkujeme, abychom lokálně vytvořili podmínky řádu, uspořádanosti a struktury.“
Mimochodem, odtud zřejmě vyplývá i ten neradostný fakt, že tvorba energetického i hmotného odpadu nerozlučně patří k budování (uspořádávání) lidské civilizace. Přírodní zákony ovšem nijak nebrání rozvíjejícímu se lidskému úsilí o to, aby tento odpad byl “dlouhodobě přijatelného“ charakteru.
Vesmír
Démon rozpadu je však lákavý nejen na úrovni lokálních soustav se sníženou entropií, ale i na úrovni toho největšího, všeobsahujícího systému, který si dokážeme (vlastně stejně nedokážeme) představit, totiž na úrovni vesmíru.
Právě na celý vesmír bývá princip samovolného nárůstu entropie mnohdy aplikován, a opět nesprávně. Vyznavači katastrofických scénářů si představují, že rozpínající se vesmír se nachází na jakési neodvratné cestě k všeobecnému chaosu, k samovolnému rozpadu veškerých uspořádaných struktur, a tedy k zániku v důsledku nutnosti zvyšování entropie.
Opět, jak již víme, by tato představa byla oprávněná pouze za předpokladu, že vesmír je izolovanou soustavou. Fyzikové se však shodují na tom, že vesmír nelze považovat za izolovanou soustavu. Představa jakéhosi ohraničení, omezení, vymezení či dokonce izolace vesmíru zde ztrácí smysl.
Na druhou stranu, vesmír nejspíše nelze považovat ani za soustavu otevřenou, jejíž lokální snížení entropie by bylo vyvoláno dodávkou energie zvenčí a kryto nárůstem entropie okolí (tedy jak jsme již uvažovali v případě Země a jejího okolí). Pokud by tomu totiž tak bylo, bylo by nutno předpokládat výměnu energie mezi vesmírem a jeho okolím. Zde se ovšem vynořuje řada otázek:
Lze uvažovat o jakési “externí“ energii, vynořující se tu a tam v našem vesmíru, snad ve formě v poslední době populární energie vakua, či při některých speciálních případech chování gravitačně časoprostorových anomálií (černé či tzv. bílé díry, apod.)?
Jak se vyrovnat s pojmem entropie okolí vesmíru, resp. se samotnou představou jakéhosi okolí mimo vesmír?
Mohou roli jistého “víceméně autonomního okolí vesmíru“ hrát právě zmíněné anomální objekty? Nebo lze snad uvažovat o tolik populárních paralelních vesmírech a o výměně energie mezi nimi a vesmírem naším?
Ať je tomu jakkoliv, v každém případě se zdá, že vesmír jako takový není nejvhodnějším objektem pro aplikaci zjednodušeně přímočarých představ o entropii. Netvrdíme samozřejmě, že vesmír nemůže zaniknout. Avšak představu tohoto zániku nelze prostě jen tak připisovat neodvratnému vlivu entropie. Seriózní úvahy na toto téma by se musely ubírat cestami mnohem složitějšími …
Bůh?
Dobrá, řekne si možná někdo nyní, entropie a energie, systémy, soustavy a jejich okolí, kde však zůstal Bůh? Zůstává zde ještě vůbec nějaké místo pro úlohu Boha?
Kdo hledá, najde. Místo, a nejenom místo, ale důstojnou roli Boha bude možno předpokládat vždy. Ostatně, neexistují žádné vědecké prostředky, kterými by bylo možno představu Boha jednoznačně vyvrátit.
Dokonce se zdá, že současné přírodovědné poznatky umožňují v pojetí Boha významný posun. A to od někdejší naivně kreacionistické, doslovné interpretace biblické legendy (mimochodem u které ze zmíněných autorů více méně zatvrzele setrvává jak pětice Švýcarů, tak i H.-J.Zillmer), přes komplikované středověké i pozdější spekulace, až někam k současným výšinám tušeného zákulisí naší reality.
Moderní pohled pátrá po roli Boha někde na úrovni formulací fyzikálních principů univerza a přírodních zákonů; v podstatě v souhlasu s Ravikovou myšlenkou [1], že Bůh k nám dnes promlouvá přírodními zákony.
Jejich součástí je konečně i termodynamika, která je uspořádána tak, že právě v duchu těchto zákonů dovoluje, jak máme ověřeno přinejmenším na naší Zemi, vznik a rozvoj těch nejdokonalejších dosud známých struktur vesmíru; struktur, znamenajících život a inteligenci. A to vše za podmínek, kdy entropie přitom nepřestává “fungovat“ a ani nemusí být překonávána žádnými mimofyzikálními, tedy nadpřirozenými zásahy.
Tomuto uspořádání zákonitostí našeho světa bychom měli být vděční. Co kdyby tomu bylo jinak?
Budeme-li vidět za tímto uspořádáním jakousi Velkou Náhodu, Přírodu, či samotného Boha, záleží pak zcela na nás.
Literatura
Ravik S.: Bůh žije, Pražská imaginace, Praha, 1990.
Zillmer H.-J.: Darwinův omyl, Euromedia Group, 2001.
Bourquin M., Carigiet G.L., Liechti C., Stutz H., Wildi M.: Das Schöpfungsmodell. Schwengeler Verlag, Berneck, Schweiz, 2003.
Tockstein A.: Základy fyzikální chemie I, SNTL, Praha, 1982.
Heller J.: Chceme vidět znamení, Vesmír 70, 12, 1991.
Quesnel A.: Mýty a legendy, Egypt, Řecko, Galie. Gemini, Bratislava, 1992.
Jelen J.: Energie a entropie, Vesmír 70, 12, 1991.
červen 2004, z webu Mysterydogs
Doc. Ing. Tomáš Dosoudil, CSc.
