Entropija: Najnerazumljiviji koncept u fizici

Postavimo jednostavno pitanje: “Šta Zemlja dobija od Sunca?” Odgovori su očigledni i, naizgled, tačni. Toplota, svjetlost, energija – sve su to temelji našeg postojanja.

Svakog dana naša planeta prima ogromnu količinu sunčeve energije, koja pokreće okeanske struje, vjetrove, omogućava fotosintezu i, što je najvažnije, održava život.

Ali, evo gdje stvari postaju veoma zbunjujuće. Ako Zemlja konstantno prima energiju, zašto se ne pregrijava?

Prema osnovnom zakonu očuvanja energije, Zemlja mora zračiti nazad u svemir praktično istu količinu energije koju prima da bi održala stabilnu temperaturu tokom geoloških epoha.

Ako energija koja “ulazi” i “izlazi” ostaje ista, šta je onda taj stvarni, suštinski dar koji dobijamo od Sunca?

Šta je to “nešto posebno” što nam omogućava ne samo život, već i postojanje bilo kakve složenosti i strukture na našoj planeti?

Odgovor leži u jednom od najvažnijih, a često i najpogrešnijem shvaćenom konceptu u fizici koji se naziva entropija.

Početak priče: Neupotrebljiva energija

Da bismo razumjeli šta je entropija, moramo se nakratko vratiti u Francusku ranog 19. vijeka.

Mladi inžinjer po imenu Sadi Carnot, sin jednog od Napoleonovih generala, bio je opsjednut parnim mašinama.

U to vrijeme, parne mašine bile su okosnica industrijskog napretka, ali su bile izuzetno neefikasne, pretvarajući svega oko 3% toplotne energije u koristan mehanički rad.

Carnot je želio shvatiti osnovne principe koji stoje iza njihovog rada kako bi ih unaprijedio i vratio Francuskoj tehnološku prednost.

Zamislio je idealnu mašinu, savršeni motor bez trenja i gubitka toplote.

Naravno, ovakva mašina ne postoji u stvarnosti, ali je kao teorijski model bila izuzetno korisna za razumijevanje osnovnih principa.

Ono što je Carnot otkrio jeste da toplota sama po sebi nije dovoljna da obavi rad. Potreban je još jedan ključni element: toplotni ponor – mjesto koje je hladnije od izvora toplote.

Da bismo razumjeli zašto je to važno, moramo shvatiti kako se toplota ponaša.

Toplota, po svojoj prirodi, uvijek teži da prelazi sa tijela koje je toplije na tijelo koje je hladnije.

Taj prelaz, taj tok toplote, stvara mogućnost za obavljanje rada.

Na primjer, u stvarnim motorima koji pokreću većinu današnjih automobila, prilikom izgaranja goriva dolazi do stvaranja visokih temperatura.

Ali, da bi se ta energija iskoristila za pokretanje klipa ili turbine, mora postojati način da se višak toplote “odbaci” negdje drugo – u okolinu, u vodu za hlađenje, u vazduh.

To je upravo svrha toplotnog ponora, jer bez tog hladnijeg kraja toplota bi ostala zarobljena i ništa se ne bi moglo učiniti sa njom.

Ipak, nemoguće je svu toplotu pretvoriti u rad. Dio energije se uvijek mora izgubiti.

Carnot je shvatio da je upravo ovo “bacanje” toplote neizbježno i da efikasnost mašine ne zavisi od dizajna ili materijala, već isključivo od temperaturne razlike između vrućeg izvora i hladnog ponora.

Formula za maksimalnu teoretsku efikasnost (η) idealne mašine je iznenađujuće jednostavna:

Ova formula nam govori da bi mašina bila 100% efikasna, hladni ponor bi morao biti na temperaturi apsolutne nule (0 Kelvina ili -273.15°C), što je u praksi nemoguće postići.

Dakle, čak i u savršenom svijetu, dio energije je predodređen da postane “neupotrebljiv”.

Ta neupotrebljiva, raspršena energija je ključ kako bi se razumjela entropija.

Entropija: Mjera nereda

Decenijama kasnije, njemački fizičar Rudolf Clausius nadogradio je Carnotov rad i formalizovao ovu ideju. Skovao je termin “entropija” kako bi opisao mjeru raspršenosti ili neuređenosti energije u sistemu.

Kada je energija koncentrisana – poput toplote u parnom kotlu – ona ima nisku entropiju i visok potencijal za vršenje rada.

Kada se ta energija proširi, ohladi i rasprši po okolini, njena entropija raste, a sposobnost da vrši koristan rad opada.

Clausius je sažeo svoja otkrića u dva fundamentalna zakona termodinamike:

1. Energija svemira je konstantna – ne može se stvoriti ni uništiti.
2. Entropija svemira teži ka maksimumu – energija se s vremenom spontano širi i raspršuje.

Šoljica vruće kafe se uvijek hladi, nikada se spontano ne zagrijava. Kocka leda u čaši vode se uvijek topi. Parfem ispušten u sobu se širi dok ne ispuni cijeli prostor.

Svi ovi procesi su primjeri nezaustavljivog rasta entropije. To je prirodna tendencija sistema da prelaze iz uređenih, manje vjerovatnih stanja u neuređena, mnogo vjerovatnija stanja.

Zašto se energija uvijek širi?

Ali zašto? Zašto sistemi teže neredu? Odgovor je dao Ludwig Boltzmann, koji je entropiju povezao sa statistikom i vjerovatnoćom.

Zamislite Rubikovu kocku. Postoji samo jedno stanje u kojem je ona riješena – stanje savršenog reda i niske entropije.

Međutim, postoje kvintilioni (milijarde milijardi) stanja u kojima je ona izmiješana.

Ako zatvorite oči i nasumično okrećete kocku, koja je vjerovatnoća da ćete je slučajno riješiti? Praktično nikakva.

Svakim nasumičnim pokretom, vi gotovo sigurno prelazite iz jednog od rijetkih, uređenih stanja u jedno od bezbrojnih, neuređenih stanja.

Isto se dešava sa energijom. Postoji ogroman, nezamislivo veći broj načina na koje se paketići energije mogu rasporediti ravnomjerno po svim atomima u sistemu (visoka entropija), u poređenju sa malim brojem načina na koje svi ti paketići mogu biti koncentrisani na jednom mjestu (niska entropija).

Sistem prirodno teži stanju najveće vjerovatnoće, a to je stanje maksimalne raspršenosti, odnosno maksimalne entropije.

Protok toplote sa hladnog na toplo tijelo nije apsolutno nemoguć, samo je toliko statistički nevjerovatan da ga nikada nećemo vidjeti u našem makroskopskom svijetu.

Sunčev dar niske entropije

Ako sve u svemiru teži ka neredu, kako je onda moguć život? Kako postoje kompleksne strukture poput gradova, drveća, pa i nas samih?

Kako radi klima uređaj, koji očigledno čini unutrašnjost kuće hladnijom (uređenijom), a vanjski zrak toplijim, prkoseći prirodnom toku?

Odgovor je da je moguće lokalno smanjiti entropiju (stvoriti red), ali samo po cijenu još većeg povećanja ukupne entropije negdje drugo.

Vaš klima uređaj hladi sobu, ali elektrana koja proizvodi struju za njega sagorijeva ugalj, oslobađajući ogromne količine raspršene toplote i gasova, dramatično povećavajući ukupnu entropiju svemira.

I tu se vraćamo na naše početno pitanje. Zemlja nije zatvoren sistem. Ona ima Sunce. Pravi dar koji Zemlja dobija od Sunca nije samo energija, već energija niske entropije.

Sunce nam šalje visokoenergetske fotone, koncentrisane u malom broju paketa. Ta energija je “uredna” i sposobna da vrši rad.

Biljke je koriste u procesu fotosinteze da iz jednostavnih molekula (voda, ugljen-dioksid) stvore složene molekule šećera – gradeći red iz nereda.

Životinje jedu biljke, mi jedemo životinje, i na svakom koraku te prehrambene piramide, ta koncentrisana energija se koristi za održavanje života, kretanje i rast, pri čemu se postepeno pretvara u toplotu niže kvalitete (više entropije).

Na kraju, sva ta energija se zrači nazad u svemir, ali u potpuno drugačijem obliku. Za svaki jedan visokoenergetski foton koji stigne sa Sunca, Zemlja emituje oko 20 niskoenergetskih, infracrvenih fotona.

Količina energije je ista, ali je njena entropija drastično povećana. Ona je sada raspršena i “potrošena”.

Sav život, sve oluje, svi procesi na Zemlji, dešavaju se unutar ovog toka – u procesu konverzije sunčeve energije niske entropije u energiju visoke entropije. Mi smo nusprodukti drugog zakona termodinamike.

Neki naučnici, poput Jeremyja Englanda, čak sugerišu da je život možda neizbježna posljedica ovog zakona.

U sistemu koji je neprestano obasjavan energijom, strukture koje su najefikasnije u njenom raspršivanju (povećanju entropije) imaju prednost. A život je spektakularno efikasan u tome.

Entropija svemira

Ova priča ima i kosmičku dimenziju. Ako se entropija svemira stalno povećava, to znači da je u prošlosti morala biti niža.

Logika nas vodi do samog početka – Velikog praska. U tom trenutku, svemir je morao biti u stanju nevjerovatno niske entropije.

Ali kako? Rani svemir je bio vrela, gusta, gotovo savršeno uniformna “supa” čestica. To zvuči kao stanje visokog nereda. Ključ koji nedostaje je gravitacija.

U sistemu kojim dominira gravitacija, uniformno raspoređena materija je zapravo stanje niske entropije. Gravitacija teži da skuplja materiju.

Tokom milijardi godina, gravitacija je od te uniformne supe stvorila galaksije, zvijezde i planete. Svaki put kada se materija skupila, oslobodila je ogromne količine energije, povećavajući ukupnu entropiju svemira.

Najveći generatori entropije u svemiru su crne rupe. Stephen Hawking i Jacob Bekenstein su pokazali da je entropija crne rupe proporcionalna površini njenog horizonta događaja.

Danas se vjeruje da crne rupe sadrže ogromnu većinu ukupne entropije u svemiru.

Ovaj nezaustavljivi rast entropije je ono što nam daje strijelu vremena. Mi pamtimo prošlost, a ne budućnost, jer je prošlost imala nižu entropiju. Vrijeme teče samo u jednom smjeru – ka stanju veće vjerovatnoće, većeg nereda.

Krajnja sudbina ovog procesa je “toplotna smrt” svemira. U dalekoj, dalekoj budućnosti, nakon što i posljednja zvijezda sagori i posljednja crna rupa ispari kroz Hawkingovu radijaciju, svemir će dostići stanje maksimalne entropije.

Biće to hladno, tamno i savršeno uniformno mjesto gdje je energija potpuno raspršena. Ništa se više neće dešavati. Strijela vremena će nestati.

Iako zvuči sumorno, priča o entropiji je zapravo priča o ljepoti. Naš svemir, naša planeta i naši životi postoje u tom prolaznom, ali nevjerovatno bogatom intervalu između početnog reda i konačnog haosa.

Entropija nije naš neprijatelj; ona je fundamentalni proces koji omogućava postojanje strukture, promjene i, na kraju, samog života.