Az univerzum pontosan meghatározott törvények szerint működik, amelyek mindent irányítanak a bolygók mozgásától a csillagokban áramló energiáig. A termodinamika segít megérteni ezeket a törvényeket, és feltárja, hogyan változtatja az anyag és az energia folyamatosan az alakját. Ebben a cikkben megnézzük azokat az alapelveket, amelyek meghatározzák az anyag és az energia viselkedését, és elgondolkodunk azon, mit mondanak a világegyetem jövőjéről és rólunk.
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.
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.
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.
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.
i
Ezek a cikkek is érdekelhetnek:
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.
