Neviditelný čert

Zatímco v 18. století začaly tvorbě modelů vesmíru dominovat Newtonovy zákony gravitace a pohybu, v 19. století se o slovo přihlásila statistická termodynamika. 19. století se někdy nazývá Stoletím páry, čímž se myslí, že byl vynalezen parní stroj a nejen to. Započala se strojová průmyslová revoluce, která byla samozřejmě podnícena klasickou newtonovskou mechanikou, jenže z ní vypadlo něco, s čím tvůrci vesmírných modelů dle Newtona nepočítali. Formulace termodynamiky dost vážným způsobem nahlodala modely vesmíru z 18. století. Pojďme se podívat, čemu to vedlo a jak si s tím různí vědátoři a myslitelé poradili.

Lucifer

Během 19. století se začal vynořovat nový způsob pohledu na vesmír. Ve viktoriánské éře vrcholila průmyslová revoluce. Ekonomiku tohoto období ovládaly stroje, lodi, parní stroje, vysoké pece a technika vůbec a to se odráželo i ve vědecké činnosti, jež vyvrcholila objevem termodynamiky. Proces změn a pokroku se stal článkem víry filosofů i inženýrů. Není tedy divu, že přírodovědci začali o vesmíru uvažovat jako o mohutném stroji a ptali se, co k jeho minulosti i budoucnosti mohou říct zákony termodynamiky.

Nejvýznamnějším fyzikálním objevem v oblasti tepelných strojů bylo zjištění, že se v nich energie nesená uspořádanými systémy – jako je elektrický proud nebo těleso v rotačním pohybu – mění v energii zcela neuspořádaných systémů, teplo či záření. V roce 1850 ukázal Rudolf Clausius (1822-1888), že v konečném uzavřeném systému, z něhož nemůže nic uniknout, je tento proces jízdou jednosměrnou ulicí. Míra neuspořádanosti systému nesoucího energii – nazval ji entropií (viz též Ludwig Boltzmann a Emmy Noetherová) – nemůže nikdy klesat. Této skutečnosti se začalo říkat druhý zákon termodynamiky a je to jeden z nejobecnějších fyzikálních zákonů. Není to však zákon v tradičním newtonovském smyslu. Neříká nám, co se stane, když na těleso působí síla nebo když těleso padá pod vlivem gravitace: je to statistický zákon, který popisuje chování velkého počtu molekul.

Newtonovy zákony dovolují řadu jevů, které se ale v praxi nikdy nevyskytnou. Umožňují třeba vinné skleničce spadnout na podlahu a roztříštit se na spoustu střepů – a to se samozřejmě občas děje -, ale dovolují i proces „obrácený v čase“, při němž se střepy spontánně opět poskládají do původní skleničky; s takovým jevem se ovšem nikdy nesetkáme. Rozdíl mezi oběma pochody spočívá v tom, že je velmi snadné připravit podmínky, které vedou k rozbití sklenky, je však fantasticky nepravděpodobné, že by mohla nastat taková situace, kdy se střepy správného tvaru a velikosti začnou pohybovat příslušnými rychlostmi obráceným směrem a začnou se opětovně skládat do tvaru sklenky. (Poznámka: Kromě tohoto čistě mechanického problému je zde ještě jeden problém. I kdyby se ty střepy vrátily do původních poloh, tak za daného stavu by se těžko dokázaly vzájemně „slepit“. Do hry vstupují ještě další síly na molekulární úrovni.) Obecně řečeno – nikdy nezažijeme takový sled událostí, při kterém by se neuspořádaný systém spontánně přeměnil v uspořádaný – vídáme naopak vždy rozpad uspořádanosti v neuspořádanost.

A co když tento „druhý zákon“ vládne celému vesmíru? V Clausiově pojetí to znamená, že „entropie světa míří k svému maximu“. Speciálně zdůrazňoval, že to vylučuje cyklický vesmír, ve kterém se stále opakují tytéž podmínky, i takový vesmír, který zemře a znovu se zrodí ze svého popela jako bájný Fénix. Tato argumentace vedla k představě „tepelné smrti vesmíru“. Z jednosměrnosti vývoje od uspořádanosti k neuspořádanosti vyplývalo, že vesmír je odsouzen k tomu, aby pravidelné struktury v něm postupně degradovaly ze stavu pořádku ve stav nepořádku a aby se v daleké budoucnosti dostal do stavu naprosté neuspořádanosti. Ohlížíme-li se zpět v čase, znamená taková trvalá degradace pořádku, že v minulosti musel být svět mnohem uspořádanější. Měl snad vesmír svůj počátek ve stavu maximální uspořádanosti? Je správným závěrem, že vesmír nemůže být nekonečně starý, protože jinak by už teď musel být ve stavu maximální neuspořádanosti.

Myšlenky se v sérii článků mezi lety 1851 a 1854 chopil Kelvin. Zajímalo ho, co z druhého termodynamického zákona může vyplynout jak pro minulost, tak pro budoucnost. Se silnou náboženskou motivací přijímal představu počátku vesmíru před konečnou dobou a odvrhoval myšlenku vesmíru cyklického. Přesto se mu myšlenka tepelné smrti nelíbila a nebyl ochoten ji přijmout jako nezbytný důsledek druhého termodynamického zákona. Domníval se, že vesmír je nekonečný (Clausiův argument vyžadoval konečnost vesmíru), a zvažoval i možnost, že by se přírodní zákony mohly v budoucnosti měnit. I další fyzici, například Ernst Mach, se snažili platnost druhého zákona omezit jen na konečné objekty, jako jsou hvězdy či planety, a odmítali jeho působení ve vesmíru jako celku. Nezdálo se jim zřejmé, že by vesmír měl být uzavžený termodynamický systém, ani to, že by se měl řídit zákonem růstu entropie.

K druhému zákonu termodynamiky se při vyvozování nutnosti počátku vesmíru neobraceli jen křesťanští apologetici. Jejich názor sdíleli i někteří zapálení materialisté, například logik, filosof a ekonom William Jevons (1840-1882). I on věřil, že vesmír musí mít počátek, jestliže před dávným časem v minulosti neplatily jiné přírodní zákony. Političtí filosofové uznávali představu růstu entropie jen za předpokladu vesmíru cyklického. Soudili, že argumenty založené na představě konečnosti vesmíru a rozpadu vesmíru ve stavu tepelné smrti svědčí pro existenci Boží, a to rozhodně odmítali.

O poslední změnu termodynamické perspektivy vesmíru se zasloužil Ludwig Boltzmann (1844-1906) a Ernst Zermelo (1971-1953) v roce 1895, když se zabývali představou, že vesmír je nekonečný a ve stavu celkové termodynamické rovnováhy už je. V takovém stavu se totiž na různých místech vždy vyskytnou náhodné odchylky, fluktuace, od celkového rovnovážného stavu. Některé z nich mohou dosahovat rozměru Mléčné dráhy a nabízet v sobě místa pro existenci života. Takové fluktuace jsou sice velmi vzácné, jenže i život je vzácný jev.

Podobné myšlenky o fluktuaci jako Boltzmann vyslovil už dříve, v roce 1879, anglický fyzik Samuel Tolver Preston (1844-1917). Z tohoto vystudovaného telegrafního inženýra se nakonec stal expert na termodynamiku a gravitaci. Hluboce na něj zapůsobila rozloha vesmíru. Soudil, že z vlastností malého kousku, který z něj vidíme, bychom neměli činit dalekosáhlé závěry o celku. Tvrdil, že ve vesmíru existují oblasti, kde panují podmínky podporující život, nemůžeme si však představovat, že by tomu tak bylo v celém vesmíru. V naší části vesmíru musíme proto pozorovat růst entropie, takže se mohou uskutečňovat biochemické pochody, protože „z faktu naší existence plyne, že se musíme nacházet v části vesmíru vhodné pro život“.

Zdroj: John D. Barrow, Kniha vesmírů

06.02.2014, 00:09:01   Publikoval Luciferkomentářů: 1