Ted Grant, Alan Woods
Překlad: M.Matejovský
Všetko vplýva na všetko ostatné. Atómy a molekuly sú takmer vždy vystavené prúdu energie a materiálu zvonku, čo, ak je dostatočne silné, môže čiastočne zvrátiť zdanlivo neúprosné smerovanie k neusporiadanosti podľa druhého termodynamického zákona. V skutočnosti príroda ukazuje početné prípady nielen neusporiadanosti a rozkladu, ale aj opačných procesov - spontánnej samoorganizovanosti a rastu. Drevo hnije, ale stromy rastú. Podľa Prigogina sa samoorganizujúce štruktúry vyskytujú všade v prírode.
8 ŠÍPKA ČASU
DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON
„Takto svet skončí.
Nie treskom, ale fňukaním.“ (T. S. Eliot)
Termodynamika je odbor teoretickej fyziky, ktorý sa zaoberá zákonmi pohybu tepla a premeny tepla na iné druhy energie. Slovo je odvodené z gréckych slov therme („teplo“) a dynamis („sila“). Zakladá sa na dvoch základných princípoch, ktoré pôvodne vychádzali z experimentov, ale teraz sa považujú za axiómy. Prvým princípom je zákon zachovania energie, ktorý je vyjadrený ako zákon rovnocennosti tepla a práce. Druhý princíp hovorí, že teplo nemôže samo o sebe prechádzať z chladnejšieho telesa na teleso teplejšie bez nejakých zmien v okolitých telesách.
Termodynamika bol produkt priemyselnej revolúcie. Na začiatku 19. storočia sa zistilo, že energia sa môže meniť rôznymi spôsobmi, ale nedá sa ani vytvoriť ani zničiť. To je prvý zákon termodynamiky, jeden zo základných zákonov fyziky. Potom, v roku 1850, objavil Robert Clausius druhý zákon termodynamiky. Ten uvádza, že „entropia“ (t.j. pomer energie telesa ku jeho teplote) sa pri akejkoľvek zmene energie zvyšuje, napríklad v parnom stroji.
Entropia sa všeobecne chápe ako označenie inherentného smerovania k neusporiadanosti. Každej rodine je známe, najmä keď sú v nej malé deti, že dom, bez nejakého vedomého zásahu, má tendenciu prejsť zo stavu usporiadanosti do stavu neusporiadanosti. Žehlička hrdzavie, drevo hnije, surové mäso sa rozkladá, voda vo vani vychladne. Inými slovami, zdá sa, že existuje všeobecné smerovanie k rozkladu. Podľa druhého termodynamického zákona sa atómy, ponechané samy o sebe, čo najviac náhodne zmiešajú. Ku korózii dochádza, pretože sa atómy železa spájajú s kyslíkom v okolitom vzduchu a tvoria oxid železitý. Rýchlo sa pohybujúce molekuly na vodnej hladine vo vani sa zražajú s pomalšie sa pohybujúcimi molekulami chladného vzduchu a odovzdávajú im svoju energiu.
Tento zákon má svoje hranice, neplatí pre systémy pozostávajúce z malého počtu častíc (mikrosystémy) a systémy s nekonečným počtom častíc (vesmír). Avšak neustále boli pokusy rozšíriť platnosť tohto zákona nad jeho hranice, čo viedlo k rôznym falošným filozofickým záverom. V polovici minulého storočia sa R. Clausius a W. Thomson, autori druhej termodynamickej vety, na vesmír ako celok a dospeli k úplne nesprávnej teórii známej ako „tepelná smrť“, teórii o konci vesmíru.
Druhý termodynamický zákon v roku 1877 znovu definoval Ludwig Boltzmann, ktorý sa ho pokúsil odvodiť z atómovej teórie hmoty, ktorá sa neskôr dostávala do popredia. Podľa Boltzmannovej verzie je entropia funkciou pravdepodobnosti istého stavu hmoty: čím je stav pravdepodobnejší, tým je vyššia jeho entropia. Podľa tejto verzie všetky systémy smerujú k rovnovážnemu stavu (stav, v ktorom nie je čistý tok energie). Preto, ak položíme horúci objekt vedľa chladného, energia (teplo) prúdi z horúceho na studený, až sa dosiahne rovnováha, t.j. obidva majú rovnakú teplotu.
Boltzmann sa ako prvý zaoberal problémami prechodu z mikroskopickej úrovne na makroskopickú úroveň vo fyzike. Pokúšal sa zladiť nové termodynamické teórie s klasickou fyzikou trajektórií. Nasledujúc Maxwellov príklad snažil sa odstrániť problémy pomocou teórie pravdepodobnosti. To predstavovalo radikálny rozchod so starými newtonovskými metódami mechanického determinizmu. Boltzmann si uvedomil, že nevratný nárast entropie by sa mohol považovať za vyjadrenie narastajúcej molekulárnej neusporiadanosti. Jeho princíp usporiadanosti predpokladá, že pravdepodobnejší stav systému je ten, v ktorom sa množstvo súčasne prebiehajúcich udalostí štatisticky navzájom ruší. Hoci sa molekuly môžu pohybovať náhodne, v priemere sa v každom časovom okamihu bude rovnaký počet molekúl pohybovať jedným ako aj iným smerom.
Existuje protirečenie medzi energiou a entropiou. Nestabilná rovnováha medzi nimi závisí na teplote. Pri nízkych teplotách dominuje energia a prevládajú usporiadané (slabá entropia) a nízkoenergetické stavy, napr. pri kryštáloch, kde sú molekuly uzavreté v konkrétnej pozícii vzhľadom k iným molekulám. Avšak, pri vysokej teplote prevláda entropia a prejavuje sa ako neusporiadanosť molekúl. Štruktúra kryštálu sa rozpadá a dochádza k premene najprv na kvapalinu, potom do plynného stavu.
Druhý zákon hovorí, že entropia izolovaného systému sa vždy zvyšuje, a keď sú dva systémy prepojené, ich spoločná entropia je väčšia ako súčet entropií jednotlivých systémov. Avšak druhý termodynamický zákon nie je ako iné fyzikálne zákony, ako Newtonov zákon gravitácie, pretože sa nedá vždy použiť. Keďže pochádza z konkrétnej oblasti klasickej mechaniky, je limitovaný tým, že Boltzmann nezohľadnil také sily, ako elektromagnetizmus alebo dokonca gravitáciu, alebo čo i len zrážky atómov. To dáva tak obmedzený obraz o fyzikálnych procesoch, že sa nedá všeobecne aplikovať, aj keď pre isté systémy platí, ako sú napríklad kotly. Druhý zákon neplatí za každých okolností. Odporuje mu napríklad Brownov pohyb. A ako všeobecný zákon vesmíru vo svojej klasickej podobe neplatí vôbec.
Vyhlasovalo sa, že druhý termodynamický zákon znamená, že vesmír ako celok nezadržateľne speje k stavu entropie. Keď to porovnáme s uzavretým systémom, musí celý vesmír nakoniec skončiť v stave rovnováhy s rovnakou teplotou na každom mieste. Hviezdam dojde palivo. Skončí všetok život. Vesmír sa pomaly zmení v beztvarú rozľahlú ničotu. Utrpí „tepelnú smrť“. Tento bezútešný pohľad na vesmír je v priamom rozpore so všetkým, čo vieme o jeho minulom vývine, alebo čo vidíme v súčasnosti. Samotná myšlienka, že hmota speje k nejakému absolútnemu rovnovážneho stavu je v rozpore so samotnou prírodou. Je to neživý, abstraktný pohľad na vesmír. V súčasnosti je vesmír veľmi ďaleko od bytia v nejakom druhu rovnováhy, a neexistuje ani najmenší náznak toho, že takýto stav niekedy v minulosti existoval, alebo nastane v budúcnosti. Okrem toho, ak je tendencia k zvyšovaniu entropie trvalá a lineárna, nie je jasné, prečo vesmír už dávno neskončil ako vlažná „polievka“ nediferencovaných častíc.
To je ďalší príklad toho, čo sa stane, keď sa pokúšame rozšíriť platnosť vedeckých teórií za hranice, kde preukázateľne platia. O obmedzeniach termodynamických princípov diskutovali v minulom storočí pri polemike o veku zemegule lord Kelvin, slávny anglický fyzik a geológovia. Závery lorda Kelvina na základe termodynamiky boli v rozpore so všetkými vedomosťami o geologickej a biologickej evolúcii. Jeho teória konštatovala, že Zem musela vzniknuť iba pred 20 miliónmi rokmi. Obrovské množstvo dôkazov preukázalo, že pravdu mali geológovia a nie lord Kelvin.
V roku 1928 Sir James Jean, anglický vedec a idealista, oživil staré argumenty o „tepelnej smrti“ vesmíru tým, že pridal prvky prevzaté z Einsteinovej teórie relativity. Keďže hmota a energia sú rovnocenné, tvrdil, musí vesmír nakoniec skončiť úplnou premenou hmoty na energiu: „Druhý termodynamický zákon,“ prorokoval tajomne, „núti materiály vo vesmíre (sic!) pohybovať sa stále rovnakým smerom po rovnakej dráhe, ktorá končí iba smrťou a zničením.“ (citované v Lerner, cit.d., str. 134)
Podobné pesimistické scenáre odzneli opäť nedávno. Podľa slov nedávno publikovanej knihy:
„Vesmír vo veľmi vzdialenej budúcnosti by teda mal byť nepredstaviteľne zriedená ‘polievka‘ fotónov, neutrín a zmenšujúceho sa počtu elektrónov a pozitrónov, stále viac a viac sa od seba pomaly vzďaľujúcich. Pokiaľ je nám známe, nedôjde k žiadnym ďalším základným fyzikálnym procesom. Nedôjde k žiadnym významným udalostiam, ktoré by prerušili bezútešnú neplodnosť vesmíru, ktorý na konci svojej púti, ešte stále čelí večnému životu, alebo skôr večnej smrti.
Tento neutešený obraz chladnej, tmavej, nevýraznej skoro-ničoty sa podobá ‚tepelnej smrti‘, ktorú opísala fyzika devätnásteho storočia.“ (P. Davies, The Last Three Minutes, str. 98-99)
Aký z toho všetkého máme vyvodiť záver? Ak je všetok život, všetka hmota, nielen na Zemi, ale v celom vesmíre, odsúdená k zániku, tak prečo sa o niečo snažiť? Neoprávnené rozšírenie platnosti druhého zákona za hranice jeho skutočnej pôsobnosti viedlo k rôznorodým falošným a nihilistickým filozofickým záverom. Tak mohol Bertrand Russell, britský filozof, vo svojej knihe Prečo nie som kresťan napísať nasledujúce riadky:
„Všetka práca, všetka obetavosť, všetky nápady, všetky zablysnutia ľudského génia sú určené k zániku v obrovskej smrti slnečnej sústavy, a ... celý chrám ľudských vymožeností musí byť nevyhnutne pochovaný pod troskami skrachovaného vesmíru – to všetko je, skoro neoddiskutovateľne, takmer úplne isté, takže nemôže prežiť žiadna filozofia, ktorá to odmieta. Iba na konštrukcii týchto právd, len na pevnom základe húževnatej beznádeje, sa dá nanovo bezpečne postaviť obydlie duše.“ (citované v Davies, cit.d., str. 13)
PORIADOK Z CHAOSU
V posledných rokoch tento pesimistický výklad druhého termodynamického zákona spochybnili prekvapujúce nové teórie. Belgický nositeľ Nobelovej ceny Ilya Prigogine a jeho spolupracovníci sú priekopníkmi úplne iného výkladu klasickej teórie termodynamiky. Existujú určité paralely medzi teóriou Boltzmanna a Darwina. Podľa oboch teórií veľký počet náhodných fluktuácií vedie k nezvratnej zmene, pri jednej vo forme biologickej evolúcie, pri druhej rozptýlením energie a vývinom smerom k neusporiadanosti. V termodynamike čas znamená degradáciu a smrť. Vyvstáva otázka, ako sa to stotožňuje s fenoménom života, ktorý má tendenciu k organizovanosti a stále sa zvyšujúcej zložitosti.
Zákon stanovuje, že veci, ak sú ponechané samé o sebe, smerujú k vyššej entropii. V roku 1960 si Ilya Prigogine a iní uvedomili, že v reálnom svete nie sú takmer nikdy atómy a molekúly „ponechané samé o sebe“. Všetko vplýva na všetko ostatné. Atómy a molekuly sú takmer vždy vystavené prúdu energie a materiálu zvonku, čo, ak je dostatočne silné, môže čiastočne zvrátiť zdanlivo neúprosné smerovanie k neusporiadanosti podľa druhého termodynamického zákona. V skutočnosti príroda ukazuje početné prípady nielen neusporiadanosti a rozkladu, ale aj opačných procesov - spontánnej samoorganizovanosti a rastu. Drevo hnije, ale stromy rastú. Podľa Prigogina sa samoorganizujúce štruktúry vyskytujú všade v prírode. Takisto M. Waldrop uzatvára:
„Laser je samoorganizovaný systém, kedy sa častice svetla, fotóny spontánne zoskupia do jedného silného zväzku, v ktorom sa každý fotón pohybuje v presne danej forme. Hurikán je samoorganizovaný systém poháňaný stálym prúdom energie zo Slnka, ktorý poháňa vetry a čerpe dažďovú vodu z oceánov. Živá bunka - aj keď príliš zložitá, aby sa dala analyzovať matematicky - je samoorganizovaný systém, ktorý prežíva tým, že čerpe energiu vo forme potravín a vylučuje ju vo forme tepla a odpadu.“ (M. Waldrop, Complexity, str. 33-34)
Všade v prírode vidíme štruktúry. Niektoré z nich sú usporiadané, niektoré neusporiadané. Existuje rozklad, ale tiež rast. Existuje život, ale aj smrť. A v skutočnosti sú tieto protikladné smery zviazané dohromady. Sú neoddeliteľné. Druhý zákon tvrdí, že celá príroda smeruje iba k neusporiadanosti a rozkladu. Avšak nezhoduje sa to so všeobecnými štruktúrami, ktoré v prírode pozorujeme. Samotný koncept „entropie“ je, mimo striktných hraníc termodynamiky, problematický.
„Pozorní fyzici, ktorí sa venujú termodynamike, si uvedomujú znepokojujúcu otázku, vyjadrenú jedným z nich, ‚ako môže prúd energie bez účelu naplaviť na svet život a vedomie’. Problémy znásobuje chúlostivý pojem entropie, ktorý je rozumne definovaný pre termodynamické účely, pokiaľ ide o teplo a teplotu, ale diabolsky ťažko uplatniteľný ako meradlo neusporiadanosti. Fyzici majú dosť ťažkostí s meraním miery usporiadanosti vo vode, ktorá pri prechode na ľad tvorí kryštalické štruktúry a celý čas vyžaruje energiu. Ale termodynamická entropia úplne zlyhá ako meradlo meniaceho sa stupňa formy a beztvarosti pri vytváraní aminokyselín, mikroorganizmov, samoreprodukujúcich sa rastlín a živočíchov, zložitých informačných systémov, ako je mozog. Tieto rozvíjajúce sa ostrovčeky usporiadanosti sa celkom určite musia riadiť druhým termodynamickým zákonom. Dôležité zákony, tvorivé zákony, ležia niekde inde.“ (J. Gleick, cit.d., str. 308)
Proces jadrovej fúzie nie je príkladom rozkladu, ale vytvorenia vesmíru. To zdôraznil v roku 1931 H.T. Poggio, ktorý varoval prorokov termodynamického súmraku pred neoprávnenými pokusmi extrapolovať na celý vesmír zákon, ktorý platí len na zemi v určitých limitovaných situáciach. „Nebuďme si takí istí, že vesmír je ako hodinky, ktoré sa stále spomaľujú. Dajú sa natiahnuť.“ (Lerner, op. cit., str. 139)
Druhý zákon obsahuje dva základné prvky - negatívny a pozitívny. Prvý hovorí, že určité procesy nie sú možné (napr. že teplo prechádza z horúcej zdroja na chladné, nikdy nie naopak), a druhý (ktorý vyplýva z prvého) uvádza, že entropia je nevyhnutný rys všetkých izolovaných systémov. V izolovanom systéme všetky nerovnovážne situácie spôsobujú vývin k rovnakému typu rovnovážneho stavu. Tradičná termodynamika videla v entropii iba pohyb smerom k neusporiadanosti. To sa však vzťahuje iba na jednoduché, izolované systémy (napr. parný stroj). Prigoginova nová interpretácia Boltzmannovej teórie je oveľa širšia a radikálne odlišná.
Chemické reakcie prebiehajú v dôsledku zrážok medzi molekulami. Kolízie normálne nevedú k zmene stavu; molekúly si iba vymieňajú energiu. Napriek tomu niekedy kolízie vytvárajú zmeny v príslušných molekulách („reakčné kolízie“). Tieto reakcie sa dajú urýchliť použitím katalyzátorov. V živých organizmoch majú túto úlohu špecifické proteíny, nazývané enzýmy. Existuje veľa dôvodov domnievať sa, že tento proces zohral rozhodujúcu úlohu pri vzniku života na Zemi. Na prvý pohľad chaotické, čisto náhodné pohyby molekúl dosiahnu v určitom okamihu kritický stav, keď sa kvantita náhle mení na kvalitu. A to je základná vlastnosť všetkých foriem hmoty, nielen organickej, ale aj anorganickej.
„Očividne sa vnímanie orientovaného času postupne zvyšuje, ako sa zvyšuje úroveň biologickej organizovanosti a pravdepodobne kulminuje v ľudskom vedomí.“ (Prigogine a Stengersová, cit.d., str. 298)
Každý živý organizmus spája usporiadanosť a aktivitu. Naproti tomu kryštál v rovnovážnom stave je štruktúrovaný, ale inertný. V prírode nie je rovnováha normálny, ale aby sme citovali Prigogina, je to „vzácny a vratký stav“. Pravidlom je nerovnováha. V jednoduchých izolovaných systémoch ako napríklad kryštál sa rovnováha môže udržať po dlhú dobu, dokonca natrvalo. Ale situácia sa mení, keď sa zaoberáme zložitými procesmi, ako živá hmota. Živá bunka nemôže existovať v rovnovážnom stave, pretože zahynie. Procesy, ktorými sa riadi vznik života, nie sú jednoduché a lineárne, ale dialektické, zahŕňajú náhle skoky, kde sa kvantita mení na kvalitu.
„Klasické“ chemické reakcie sa považujú za veľmi náhodné procesy. Príslušné molekuly sú rozložené rovnomerne v priestore a „normálne“ rozptýlené, t.j. podľa Gaussovej krivky. Tieto typy reakcií zapadajú do konceptu Boltzmanna, podľa ktorého všetky vedľajšie reakcie budú slabnúť a reakcia skončí ako stabilná, nehybná rovnováha. Avšak, v posledných desaťročiach boli objavené chemické reakcie, ktoré sa odlišujú od tohto ideálneho a zjednodušeného konceptu. Sú známe pod spoločným názvom „chemické hodiny“. Najznámejšie príklady sú reakcia Belousov-Žabotinského a bruselský model navrhnutý Ilya Prigoginom.
Lineárna termodynamika popisuje stabilné, predvídateľné správanie systémov, ktoré vedie k minimálnej možnej aktivite. Avšak, keď termodynamické sily pôsobiace na systém dosiahnu bod, kedy je prekročená lineárna oblasť, nedá sa ďalej predpokladať stabilita. Zjavuje sa nepokoj. Po dlhú dobu sa nepokoj považoval za synonymum neusporiadanosti a chaosu. Ale teraz sa zistilo, že to, čo sa zdá byť na makroskopickej úrovni iba chaotický neporiadok, je v skutočnosti na mikroskopickej úrovni vysoko organizované.
Dnes je už výskum chemických nestabilít bežný. Veľkú závažnosť má výskum pod vedením Ilya Prigogina v Bruseli. Štúdium toho, k čomu dochádza za kritickým bodom, kde sa začína chemická nestabilita, má z pohľadu dialektiky veľký význam. Zvlášť dôležitý je fenomén „chemických hodín“. Bruselský model (americkými vedcami prezývaný „Brusselator“) popisuje správanie molekúl plynu. Predpokladajme dva typy molekúl „červené“ a „modré“, ktoré sa pohybujú chaoticky, úplne náhodne. Dalo by sa očakávať, že v určitom okamihu dôjde k nerovnomernému rozloženiu molekúl dávajúcemu „fialovú“ farbu s občasnými zábleskami červenej alebo modrej. Ale v chemických hodinách k tomu po prekročení hraničného bodu nedôjde. Systém je celý modrý, potom celý červený, a k týmto zmenám dochádza v pravidelných časových intervaloch.
„Takýto stupeň usporiadania, ktorý vyplýva z činnosti miliárd molekúl, sa zdá neuveritelný,“ povedal Prigogine a Stengersová, „a naozaj, ak by neboli objavené chemické hodiny, nikto by v možnosť takéhoto deja neveril. Molekuly musia mať k náhlej zmene farby možnosť „komunikovať“. Systém musí konať ako celok. Ku kľúčovému slovu „komunikovať“, ktoré má očividný význam a dôležitosť v mnohých oblastiach, od chémie až po neurofyziológiu sa budeme opakovane vracať. Disipatívne štruktúry zavádzajú jeden z najjednoduchších fyzikálnych mechanizmov pre komunikáciu.“ (Prigogine, Stengersová, Řád z chaosu, str.142)
Fenomén „chemických hodín“ ukazuje, ako môže v prírode v určitom bode spontánne vzniknúť usporiadanosť z chaosu. To je dôležité pozorovanie, zvlášť vo vzťahu k spôsobu, ktorým z anorganických látok vzniká život.
„Modely ‘fluktuáciami k usporiadanosti’ zavádzajú nestabilný svet, v ktorom malé príčiny môžu mať veľké následky, ale tento svet nie je akýkoľvek. Naopak príčiny zosilnenia malej udalosti sú rozumnym námetom racionálneho skúmania.“ (Prigogine, Stengersová, Řád z chaosu, str.195)
V klasickej teórii prebiehajú chemické reakcie štatisticky usporiadane. Normálne je koncentrácia molekúl priemerná, sú rovnomerné rozdelené. V skutočnosti sa však môžu objaviť miestne koncentrácie, ktoré sa môžu samoorganizovať. Z hľadiska tradičnej teórie je tento výsledok úplne nečakaný. Tieto ohniská toho, čo Prigogine nazýva „samoorganizáciou“, sa môžu usporiadať tak, že ovplyvnia celý systém. Čo sa predtým chápalo ako okrajový jav, sa ukazuje ako rozhodujúce. Tradičný pohľad považoval nevratné procesy za nepríjemnosť, spôsobené trením a inými príčinami tepelných strát v motoroch. Ale situácia sa zmenila. Bez nevratných procesov by život nebol možný. Starý pohľad na nezvratnosť ako subjektívny jav (výsledok neznalosti) je silne spochybnený. Podľa Prigogina existuje nezvratnosť na všetkých úrovniach, mikroskopických ako aj makroskopických. Podľa neho druhý termodynamický zákon vedie k novej koncepcii hmoty. Zo stavu nerovnováhy sa vynára usporiadanosť. „Nerovnováha prináša poriadok z chaosu.“ (Prigogine, Stingers, Order Out of Chaos, str.287