Maailm meie ümber on pidevas muutumises. Kui jätame kohvitassi lauale, siis see jahtub; kui laseme klaasil põrandale kukkuda, puruneb see kildudeks, kuid me ei näe kunagi killustikku iseenesest terviklikuks klaasiks kokku tulemas. See ilmne asümmeetria on meie igapäevaelu lahutamatu osa, kuid füüsikaseaduste tasandil on see olnud sajandeid kestnud mõistatus. Newtoni mehaanika ja Einsteini relatiivsusteooria toimivad suurepäraselt nii ajas edasi kui ka tagasi liikudes, jättes mulje, et universumile ei tohiks ajal suunda olla. Siiski eksisteerib üks fundamentaalne seadus, mis tõmbab sellele näilisele sümmeetriale kriipsu peale ja dikteerib ühesuunalise voo: termodünaamika teine seadus.
Entroopia kui korratuse mõõdupuu
Et mõista, miks aeg liigub vaid ühes suunas, peame kõigepealt defineerima mõiste, mis on selle nähtuse tuumaks: entroopia. Lihtsustatult öeldes on entroopia süsteemi korratuse või energia hajumise mõõt. Termodünaamika teine seadus väidab, et isoleeritud süsteemis entroopia ajas kunagi ei vähene, vaid kaldub alati kasvama või püsima konstantsena.
Kujutage ette ruumi, mis on täidetud gaasimolekulidega. Kui kõik molekulid on surutud ruumi ühte nurka, on süsteem korrastatud ja selle entroopia on madal. Kui me aga avame barjääri, hajuvad molekulid üle kogu ruumi. See on tõenäolisem seisund, kuna molekulidel on miljardeid viise olla laiali hajutatud, kuid vaid väga vähe viise olla koondunud ühte punkti. See tendents liikuda madala entroopia olekust kõrge entroopia olekusse ongi see, mida me tajume aja kulgemisena.
Aja noole kontseptsioon
Füüsik Arthur Eddington tutvustas 1927. aastal mõistet “aja nool”, kirjeldades just seda suunda, mida termodünaamika teine seadus määratleb. See on universumi sisemine kell, mis ei tööta mitte tiksuvate sekundite, vaid korratuse kuhjumise põhjal.
Meie tajutav ajasuund – minevikust tulevikku – on otseses seoses entroopia kasvuga. Kui me vaatame videot kildudeks purunevast vaasist, tunneme intuitiivselt ära, kas see mängib õigetpidi või tagurpidi. Tagurpidi vaadates näeme protsessi, mis vähendab entroopiat, mis on füüsikaliselt võimalik vaid siis, kui süsteemi sekkutakse väljastpoolt. Looduslikus, suletud süsteemis toimub alati lagunemine, hajumine ja soojuse ühtlustumine, mitte aga spontaanne korrastumine.
Mikroskoopiline ja makroskoopiline vaade
Oluline on teha vahet mikroskoopilisel tasandil, kus üksikud aatomid võivad liikuda kaootiliselt ja juhuslikult, ning makroskoopilisel tasandil, kus me näeme statistilisi seaduspärasid. Termodünaamika teine seadus ei ole absoluutne reegel üksiku molekuli jaoks, vaid statistiline tõenäosus. Väga suurte süsteemide puhul on tõenäosus, et entroopia väheneks, nii astronoomiliselt väike, et seda võib praktikas lugeda võimatuks.
See tähendab, et “aja nool” ei ole mitte seadus, mis keelab tagasiliikumist, vaid seadus, mis muudab korrastumise äärmiselt ebatõenäoliseks. Universum liigub lihtsalt suurema tõenäosusega seisundite poole, kus energia on ühtlasemalt jaotunud.
Energia hajumine ja termiline tasakaal
Kõik protsessid, mis meie ümber toimuvad – alates päikese põlemisest kuni meie rakkude metabolismini – põhinevad energia muundumisel ja hajumisel. Kui kütus põleb, vabaneb energia soojusena, mis hajub keskkonda ja suurendab universumi entroopiat. See soojuse hajumine on pöördumatu protsess.
Kui universum kunagi jõuab seisundini, kus kogu energia on ühtlaselt jaotunud ja entroopia on maksimaalne, nimetatakse seda “soojussurmaks”. Selles seisundis ei ole võimalik enam mingisugune töö ega aja tajutav kulgemine, sest kõik protsessid on peatunud. Õnneks on universum praegu kaugel sellest seisundist, mis võimaldabki elu ja komplekssete struktuuride eksisteerimist.
Elu kui entroopia vastane jõud
Sageli tekib küsimus: kui entroopia peab alati kasvama, siis kuidas saab eksisteerida elu, mis loob keerukaid ja korrastatud struktuure? See on kriitiline arusaamatus. Elusorganismid ei ole isoleeritud süsteemid. Me tarbime energiat toidust ja päikesest, mida me hiljem soojusena keskkonda tagasi kiirgame.
Elu vähendab oma kohalikku entroopiat, kuid teeb seda universumi kui terviku entroopia kasvu arvelt. Meie keha tekitab korra, eraldades ümbritsevasse keskkonda märksa suurema hulga korratust. Seega on elu paradoksaalsel kombel termodünaamika teise seaduse suurepärane tööriist, mis kiirendab energia hajumist ja suurendab universumi entroopiat.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on entroopia lihtsas keeles?
Entroopia on süsteemi korratuse määr. Mida rohkem on süsteemis energiat laiali hajunud ja mida vähem on võimalik seda kasutada töö tegemiseks, seda kõrgem on entroopia.
Kas termodünaamika teine seadus on rikutav?
Termodünaamika teine seadus põhineb statistikal. Väga väikestes süsteemides ja lühikeste ajaperioodide jooksul võib esineda kõikumisi, kus entroopia ajutiselt väheneb, kuid makroskoopilises mastaabis on seadus praktiliselt rikkumatu.
Kas aeg eksisteerib ilma entroopiata?
Füüsikud arutlevad sageli, kas aeg on fundamentaalne suurus või tekib see entroopia kaudu. Paljud teoreetilise füüsika mudelid viitavad sellele, et meie arusaam ajast on lahutamatult seotud just universumi evolutsiooniga entroopia kasvu suunas.
Mis juhtub universumiga, kui entroopia jõuab maksimumini?
Seda nimetatakse soojussurmaks. Universumis ei toimu enam ühtegi füüsilist protsessi, temperatuurid on kõikjal võrdsed ja elu või aja voolamine sellisena, nagu me seda tunneme, ei ole enam võimalik.
Kuidas on termodünaamika seotud teabega?
Infoteooria ja termodünaamika on tihedalt seotud. Andmete töötlemine nõuab energiat ja tekitab alati soojust, mis suurendab entroopiat. Informatsiooni kustutamine on füüsiline protsess, mis on samuti seotud entroopia kasvuga.
Universumi algus ja “Suur Pauk”
Kui entroopia pidevalt kasvab, siis tähendab see loogiliselt, et minevikus pidi entroopia olema oluliselt madalam. See viib meid tagasi Suure Paugu hetkeni. Universum alustas oma eksistentsi äärmiselt madala entroopiaga olekust, mis on siiani kosmoloogide jaoks üks suurimaid mõistatusi.
Miks oli varajane universum nii hästi organiseeritud? Mõned teooriad viitavad gravitatsioonilistele jõududele, mis alguses olid ebaühtlaselt jaotunud ja võimaldasid hiljem tekkida tähtedel ja galaktikatel. See algne “madala entroopia varu” ongi see, mida me viimased 13,8 miljardit aastat oleme järk-järgult “ära kulutanud”, võimaldades igasuguste sündmuste, sealhulgas meie endi eksistentsi, toimumist.
Süsteemide iseeneslik korrastumine versus entroopia
Paljud inimesed vaatavad loodust – näiteks lumehelveste keerulisi mustreid või keeristorme – ja küsivad, kuidas saab entroopia kasvada, kui loodus loob nii ilusaid ja korrastatud objekte. Vastus peitub energiavoos.
Lumehelves tekib veeauru jahtumisel, kusjuures see protsess eraldab latentset soojust ümbritsevasse keskkonda. See vabanev soojus suurendab universumi üldist entroopiat palju rohkem, kui lumehelbe kristalne struktuur seda vähendab. Meid petab sageli see, et vaatame vaid väikest osa süsteemist, unustades tervikpildi. Igasugune kohalik korrastumine nõuab alati energia ümberpaigutamist, mis omakorda toodab soojust ehk suurendab kaost mujal.
Aja subjektiivne ja objektiivne tajumine
Meie aju tajub aega lineaarsena, sest meie bioloogilised protsessid on samuti entroopilised. Meie mälestused moodustuvad sündmuste ahelana, mis on seotud põhjuslikkusega. Põhjus peab alati eelnema tagajärjele, ja see põhjuslikkuse ahel on füüsiliselt kinnistatud entroopia kasvu protsessi.
Kui me võtame klaasi purunemise, siis purunenud klaas on “tagajärg” ja klaasi kukkumine “põhjus”. Me ei saa mäletada tulevikku, sest tuleviku sündmused ei ole veel põhjustanud muutusi meie ajus või universumi entroopilises seisundis. Seega on meie ajataju mitte ainult psühholoogiline nähtus, vaid otsene peegeldus universumi termodünaamilisest arengust.
Kosmoloogiline perspektiiv ja tulevikuvaade
Kõik füüsikalised süsteemid, alates aatomituumadest kuni galaktikate parvedeni, järgivad seda paratamatut teekonda. Kui vaatame kaugele tulevikku, näeme, kuidas tähed kustuvad ja mustad augud aurustuvad Hawkingi kiirguse kaudu. See on aeglane, kuid vääramatu entroopia suurenemine.
Iga sekundi möödumine, iga südamelöök ja iga mõte, mida mõtleme, aitab kaasa sellele universaalsele suundumusele. Me elame ajastul, kus universumis on veel piisavalt kontsentreeritud energiat, et hoida üleval keerulisi struktuure. Me oleme õnnelikus positsioonis, olles sündinud ajal, mil universum on veel “noor” ja täis võimalusi, vaatamata sellele, et termodünaamika seadused näitavad kindlat suunda lõpu poole.
See teadmine ei tohiks meid aga kurvaks teha. Vastupidi, see annab meie tegudele tähenduse. Kuna aeg liigub vaid ühes suunas ja energia hajub pöördumatult, on iga hetk unikaalne ja kordumatu. Meie eksistents on haruldane korrastatud sähvatus universumi laienevas ja jahtuvas tühjuses. Mõistmine, miks aeg liigub ühes suunas, aitab meil väärtustada praegust hetke, sest see on osa suurest, keerulisest ja imelisest protsessist, mida me nimetame universumi evolutsiooniks.
