Az energiamegmaradás kettős hatása az univerzumban

Az energiamegmaradás kettős hatása az univerzumban – TARTALOM

1. Hogy lehet, hogy az egyik gép hatásfoka nagyobb, mint a másiké?
2. Három elv a hőfolyamatok tulajdonságairól
3. Nem tudunk visszamenni az időben
4. Az univerzumban a „unalom” nagyon is kedvez nekünk

Hogy lehet, hogy az egyik gép hatásfoka nagyobb, mint a másiké?

Az alapvető törvény, amely szerint az anyag és az energia a világegyetemünkben működik, az, hogy semmi sem keletkezik és nem is vész el. Az anyag és az energia között valójában nincs különbség, ahogy a híres Einstein-egyenlet, az E = m ⸱ c² is mondja: az anyag tulajdonképpen az energia egyfajta „kondenzátuma”, az egyik formája. Az a gondolat, hogy az energia nem keletkezik és nem is vész el, csak átalakul, egyszerűnek tűnhet, de a 19. század közepén ez óriási forradalom volt, és ennek a gondolatnak a megalkotója, Julius Robert Mayer, ellenállással és meg nem értéssel találkozott.

A termodinamika iránti érdeklődés 1821-ben kezdődött, amikor a fiatal francia fizikus, Nicolas Carnot találkozott a gőzgéppel – és elkezdte vizsgálni, miért hatékonyabbak a német gőzgépek a franciáknál. 1824-ben kiadta „Gondolatok a tűz hajtóerejéről” című művét, amelyben először írta le azt, amit ma Carnot-ciklusnak ismerünk – ez lett az alapja a gőz- és belső égésű motorok, sőt tulajdonképpen minden olyan gép hatékony tervezésének, amely gázok tágulásával és mechanikai energiájával dolgozik.

Sok tudós foglalkozott termodinamikával – és fokozatosan általánosították, mígnem a német fizikus Max Planck a fekete test sugárzásának problémájára is kiterjesztette, ezzel a termodinamika egészen a kvantumelmélet területére jutott. Ez azért volt fontos, mert hirtelen kiderült, hogy a termodinamika nem a gőzről szól, ami mozgatja a dugattyúkat, hanem az energia teljes átalakulásáról az univerzumban, az ezt irányító szabályokról – és arról a folyamatos átmenetről is, amikor a magas, jól hasznosítható potenciális energiájú állapotokból olyan állapotok felé haladunk, ahol az energia annyira szétszórt és kaotikus, hogy nem lehet hatékonyan felhasználni.

Három elv a hőfolyamatok tulajdonságairól

Az első azt mondja, hogy az energia nem keletkezik és nem is vész el. A második azt mondja, hogy a hő magától a melegebb testektől a hidegebbek felé terjed, és nem fordítva. A harmadik törvény szerint bármit is teszünk, soha nem jutunk el az abszolút termodinamikai nulláig. Ezek a törvények furcsán hangzanak, de valójában valami rendkívül fontosat mondanak az univerzumról, amelyben élünk.

Kezdjük a harmadik termodinamikai törvénnyel. Már az a gondolat is, hogy a hőmérséklet összefügg a részecskék átlagos mozgási sebességével, William Thompsont – akit lord Kelvin néven ismerünk – korának radikális következtetésére vezette: léteznie kell egy hőmérsékletnek, amelyen a részecskék teljesen megállnak. Ha az univerzum zárt, és véges mennyiségű energia van benne, akkor elvben egyre több energiát fordíthatunk arra, hogy valahol az abszolút nullára hűtsünk – mivel azonban továbbra is egyetlen univerzumon belül vagyunk, és az energia mindig a melegebb helyekről a hidegebbek felé halad, az a hely végül egyszerűen felmelegszik. A bármennyire táguló univerzum egyre hidegebb lesz, de sehol sem éri el az abszolút nullát.

A második törvény még furcsább. Miért halad a hő csak egy irányba – és nem fordítva? A statisztikus mechanika szerint mikroszinten akármerre mehet, de minél nagyobb rendszereket nézünk, annál valószínűbb, hogy átlagosan az energia onnan halad, ahol sok van belőle oda, ahol kevés. Ez tisztán valószínűségi kérdés – és ugyanez a valószínűség magyarázza azt is, miért valószínűbb, hogy egy dobásnál összetörsz egy poharat, mint hogy az magától spontán módon újra összeáll.

Hogy egyértelmű legyen: a mikrouniverzum törvényei nem tiltják, hogy ez összeálljon. Nagyon sok részecske esetén viszont rendkívül valószínűtlen, hogy ezek az események egyszerre történjenek meg, ezért a makrovilágban a poharak nem állnak össze spontán. Ugyanez az elv magyarázza, hogy a dolgok miért tartanak a rendezettől a rendezetlen felé – és ezzel ténylegesen létrehozzák azt, amit az idő nyilának nevezünk.

Nem tudunk visszamenni az időben

Az időt az univerzumban úgy mérjük, hogy megkülönböztetjük az egymástól elkülönülő állapotokat. Mivel a nagy eseményhalmazok valószínűsége egy irányba vezet, mi is az idő áramlását egy irányúnak érzékeljük, még akkor is, ha a mikroszint dimenzióiban elméletileg semmi sem akadályozná az idő ellentétes irányú „folyását”. Csak nagy rendszerekben történnek az események a valószínűség irányába, és nem fordítva. Ahoz, hogy akár csak egyetlen másodpercet visszamenjünk, minden részecske állapotát tökéletesen vissza kellene állítanunk arra az egy másodperccel korábbi állapotra – ez pedig rendkívül valószínűtlen, így inkább történik valami más – ami megint csak egy kicsit előrébb tol minket.

Ennek a felfogásnak a következménye, hogy a távoli jövőben, amikor az univerzum entrópiája a legmagasabb lesz, a részecskék túl messze lesznek egymástól és nem lesznek kölcsönhatásaik, valójában már nem lesz lehetséges az egyes pillanatokat elkülöníteni – az idő nyila elveszíti az irányát, és az idő így gyakorlatilag megszűnik hatékonyan létezni: minden állandóan ugyanaz marad.

Mondtam, hogy a termodinamika szokatlanul sok olyan tudóst „termelt ki”, akik öngyilkosságot követtek el? Kevesen bírják el a mélységbe nézést, szerencsére olyan korban élünk, amikor az univerzum még tele van energiával, és még mindig elég sok időnk van, talán akár tízszer annyi is, mint amennyi a kezdetétől eddig eltelt. A káosz és az energia átalakulása azonban nem csak romboló, hanem teremtő is: azáltal, hogy az első csillagok a hidrogént nehéz elemekké alakították, esélyt adtak a kémia, a biológia és a komplex élet kialakulásának. Az, hogy ma kevesebb óriáscsillag vesz körül minket, azt jelenti, hogy kisebb az esélye annak is, hogy egy szupernóva-robbanás elpusztítja a környezetében az életet.

Az univerzumban a „unalom” nagyon is kedvez nekünk

Ma olyan korban élünk, amikor az univerzum meglepően lakhatóbb, mint a kezdetekkor, amikor szó szerint energiaviharral tombolt, és mindent újra meg újra elpusztított. Nekünk, biológiai lényeknek inkább a kisenergiás „unalom” és a viszonylag üres kozmikus környezet felel meg, ahol nem történik semmi borzalmas, mint amilyen a múlt energiatúltengéses univerzuma volt.

És ráadásul: minél kisebb egy csillag, annál tovább ég, így lehetséges, hogy a lassan égő csillagok energiáját kihasználó élet és civilizációk nagy korszaka még csak ezután jön. A jövő civilizációi élhetnek lassabban, de sokkal tovább, sokkal több nehéz elem áll majd rendelkezésükre – és eljuthatnak oda is, hogy kontrollálni kezdik a fúziót, és a világegyetem megmaradt hidrogénjét és héliumát jóval lassabban és hatékonyabban „égetik el”, mint ahogy azt a csillagok tennék meg helyettük.

A legfontosabb az, hogy a civilizációk átjussanak azon, amit „nagy szűrőknek” (great filter) neveznek: vagyis legyőzzék a saját evolúciójuk veszélyeit, és azokat a veszélyeket is, amelyeket maguknak gyártanak azzal, hogy egymással háborúznak, tönkreteszik a saját ökoszisztémáikat, és általában úgy viselkednek, mintha nem sok eszük lenne. Bár a termodinamika nem túl optimista azzal kapcsolatban, hogyan végződik az univerzum, a civilizációk – köztük a miénk is – sokkal gyorsabban képesek elpusztítani önmagukat, mint ahogy azt az univerzum megtenné. Az univerzum nem siet sehová: rengeteg időt ad a fejlődésünkre, a technológiáinkra – és talán arra is, hogy összekapcsolódjunk velük, és létrehozzunk valamilyen magasabb, fejlettebb életformát, amelynek az univerzum sokkal jobb hely lesz, mint amilyen nekünk, a jelenlegi formánkban.

A termodinamika törvényei nemcsak az univerzum működésének alapvető szabályait mutatják meg, hanem a sorsának mélységét is feltárják. Az, hogy képesek vagyunk megérteni ezeket az elveket, lehetőséget ad arra, hogy aktívan alakítsd a jövődet, technológiákkal lépd át a korlátokat, és fenntarthatóbb létezési módokat hozz létre. Bár maga az univerzum nem véd meg bennünket a pusztulástól, időt és teret ad nekünk arra, hogy civilizációként kibontakoztassuk a bennünk rejlő lehetőségeket, és talán hozzájáruljunk egy tartósabb élet kialakulásához az univerzumban.