Поезията на термодинамичните закони

Ще започна и тази статия с препратка към филма "Аватар", тъй като се случи две реплики от филма да задействат асоциативната верига, довела в крайна сметка до желанието ми да напиша нещата по-долу. В единия случай главният герой разказваше за разбирането на Хората, че за да живее, човек взима енергия назаем и някой ден трябва да я върне. В другия случай той успокояваше умиращото животно, което току-що беше повалил по време на лов, с думите, че тялото му ще се превърне в част от хората. Както и други филми и книги с акцент върху племенни култури, и тук авторите скицират една житейска философия, която звучи някак мило, поетично - мъдростта на онези, които са близо до природата и живеят в хармония с нея.

Това обаче не е някакво мистично или поетично отношение към живота и природата, а едно доста точно описание на динамиката им - поне доколкото ни е известно. А именно дълбокото осмисляне на фундаменталните природни закони има потенциала да променя погледа и отношението ни към света и към самите нас. Както и да ни носи огромна естетическа наслада. Затова и преди половин век Сър Чарлз Сноу провокира с твърдението, че незнанието на така наречените "интелектуалци" какво представлява вторият закон на термодинамиката е равносилно на това, така наречените "учени" да не са прочели нито една творба на Шекспир.

Примерът със законите на термодинамиката е навярно най-подходящата илюстрация на това, за което говоря. От основния курс по физика в училище вероятно всички си спомнят първия закон на термодинамиката - закона за запазване на енергията. Той сам по себе си предизвиква революция в разбирането на едно дете за света. Поне за мен беше така. Енергията никога не се губи, никога не се създава - единствено преминава от един вид в друг. Бях удивена, очарована, вдъхновена.

Въпреки че импликациите на втория закон на термодинамиката са не по-малко фундаментални, малцина свързват с него подобно "Аха!" изживяване. Всъщност, малцина са познатите ми, които имат представа за какво става дума, без да са изучавали физика и/или химия като част от висшето си образование.

В най-популярната си формулировка, вторият закон на термодинамиката - законът за ентропията - гласи, че в една затворена система с времето ентропията винаги се увеличава, никога не намалява. Казано с по-прости думи, това означава, че енергията от всякакъв вид в нашата Вселена се разсейва, ако нищо не я възпрепятства. А ентропията количествено описва това разсейване - колко енергия е преминала от концентрирана към разсеяна.

Горещите предмети изстиват. Защо? Бързо вибриращите молекули на горещото тяло притежават по-висока кинетична енергия в сравнение с по-ниско енергетичните молекули на по-студеното обкръжение. Тази енергия спонтанно се разпределя докато температурата на тялото и обкръжението се изравнят. Компресираният въздух в автомобилната гума излита навън, когато гумата се спука. Защо? Защото когато имат възможност, сблъсканите молекули на газа разпределят енергията си в по-рехавата атмосфера. Бензинът се запалва, когато се смеси с кислород и се подаде искра. Защо? Химичните връзки на молекулите на бензина и тези на кислорода са по-високо енергетични, отколкото тези на водата и въглеродния двуокис, които биха се образували когато бензинът и кислородът реагират. Така че когато тази реакция се осъществи, излишната енергия се отделя като топлина, която се разпределя. Затова бензинът и кислородът имат тенденцията да влизат в реакция.

Концентрирана енергия към разпределена енергия. Това е поскоката на енергията в природата. Термодинамичната стрела на времето. Топлината не може да протича от студено тяло към топло - това би намалило ентропията. А теоретично би бил възможен следният сценарий. В един студен газ повечето молекули се движат бавно, но има и такива, които се движат по-бързо. Също така, в топлия газ повечето молекули се движат бързо, но има и такива, които се движат по-бавно. Ако взимаме най-бързите молекули от студения газ и ги слагаме при топлия, а най-бавните молекули от топлия газ слагаме при студения, студеният ще стане по-студен, а топлия - по-топъл. Това горе-долу е и постановката на един мисловен експеримент, наречен "Демонът на Максуел". Двата газа са разделени от топлонепроводима стена, в която има вратичка колкото за една молекула. Едно демонче следи скоростта на молекулите и когато бърза молекула от студения газ или бавна молекула от топлия газ се опита да премине от другата страна, отваря вратичката. И така ентропията на затворената система на двата газа намалява. Уловката е там, че системата на двата газа всъщност не е затворена - демонът също е част от нея, понеже измервайки скоростта на молекулите на газа, той взаимодейства с него. А за да следи молекулите е необходима енергия. Когато изразходва тази енергия, неговата ентропия или тази на устройството, което използва за измерването, се увеличава повече, отколкото намалява ентропията на системата на двата газа, така че в крайна сметка ентропията на системата демон плюс газ се увеличава.

Според втория закон на термодинамиката живите организми, включително и ние хората, сме под постоянна заплаха. Органичните съединения, които ни изграждат, са много високо енергетични. Ние представляваме концентрирана енергия, която само чака да се разпилее. А всичкият този кислород около нас само чака да ни окисли и превърне в топлина, която да увеличи ентропията на Вселената. За щастие, макар по всичко да изглежда, че законът е абсолютен, той не е толкова строг и не казва кога енергията трябва да се разпилее. И тя няма да се разпилее, докато има нещо, което й пречи да го направи. Както стените на автомобилната гума пречат на молекулите на компресирания въздух да се разхвърчат навън, така и органичните ни молекули са защитени от спонтанна реакция с кислорода чрез така наречената енергия на активация - енергийната бариера, която трябва да бъде преодоляна, за да започне изобщо реакцията. Това е ролята на искрата, подпалваща горивната смес от бензин и кислород. Това е и ролята на пламъка, когато се опарим, или на слънчевите лъчи, когато раменете ни изгарят на плажа.

Въпреки заплахата, която представлява за нас, без втория закон на термодинамиката животът би бил немислим. Законът гарантира посоката, в която се движи енергията - от концентрирана към разсеяна. А "автоматичните" биологични процеси в организма ни разчитат на това. Организмът ни разчита, че храната, която поглъщаме, ще влезе в реакция с кислорода, който сме вдишали, за да разпръснат те енергията, от която се нуждаем.

Първият закон на термодинамиката създава впечатлението за безкраен кръговрат на енергията, в който на някого му идва ред да бъде облагодетелстван от енергията, когато на друг му дойде реда да се раздели с нея. Вторият закон на термодинамиката обаче управлява този процес на рециклиране и му поставя граници. Увеличаването на ентропията е пряко свързано с количеството работа, която една система може да извърши. Работата представлява пренос на енергия. Колкото по-добре разпределена е енергията, толкова по-малко пренос ще се извършва, толкова по-малко е полезната енергия. А законът за ентропията ни казва, че ентропията с времето расте. При превръщането на енергията, част от нея се разсейва като топлина. А всяка затворена система в крайна сметка се стреми към състояние на термодинамично равновесие - състоянието, в което енергията е максимално разпределена, а с това ентропията е максимална и няма повече спонтанни потоци на енергия. Когато системата достигне това състояние, нищо вече не се случва в нея без външна намеса - тя е мъртва.

А какво, ако няма друга система, която да извърши тази външна намеса - ако затворената система в термодинамично равновесие, за която говорим, е самата Вселена? Така наречената Топлинна смърт на Вселената е едно възможно крайно състояние на Вселената, в което тя е достигнала максималната си ентропия. Не е много ясно обаче, дали то наистина може да бъде достигнато.

Каквато и да е съдбата на Вселената, вторият закон на термодинамиката е едно от онези нейни гениални, елегантни хрумвания, които заслужават бурните овации на всичко живо. Това, че цялата Вселена се стреми към смърт, прави живота възможен.

Възможно ли е някой да не вижда поезията в това?