Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zcela běžně pozorujeme jeden z důsledků druhého zákona termodynamiky, a to, že teplo proudí z teplejších těles do studenějších. Led taje. Voda na plotně se vaří. Teplo přestává proudit, když je teplota dvou těles stejná – dosáhla stavu vzájemné rovnováhy.
Obvykle platí, že když z tělesa odebereme energii, jeho teplota klesne, a když do něj energii vložíme, jeho teplota stoupne. Takže když teplo proudí z teplejšího tělesa do chladnějšího, první z nich se ochlazuje a druhé ohřívá. To pokračuje, dokud nemají stejnou teplotu. Proto má vzduch v pokoji všude stejnou teplotu. Pokud by to tak zrovna nebylo, bude energie proudit z jedné strany pokoje na druhou, dokud nebudou mít jednotnou teplotu.
Následkem takového chování je systém v rovnováze odolný vůči následkům malých fluktuací. Předpokládejme, že následkem malé fluktuace bude jedna polovina pokoje teplejší než ta druhá. Energie by proudila z teplé strany na studenější stranu, čímž by se teplá ochlazovala a studená ohřívala, dokud by teplota zase nebyla rovnoměrná. Tímto intuitivním způsobem funguje většina systémů. Ale
ne všechny.
Představte si plyn, který funguje přesně naopak – ohřívá se, když odeberete energii, a ochlazuje, když energii přidáte. To by se mohlo zdát nepřirozené, ale takové plyny opravdu existují. Jsou ale nutně nestabilní. Předpokládejme, že máte tohoto plynu plný pokoj. Malá fluktuace přesune trochu energie zleva doprava. Pak se levá strana ohřeje, zatímco pravá se ochladí. To ale způsobí ještě silnější tok
energie z levé horké strany na studenou pravou. V tom procesu se ale levá strana neochlazuje, naopak je stále teplejší. A čím víc energie proudí do chladné pravé části, tím se stává ještě chladnější. Rychle nastane nezvladatelná nestabilita a obě strany pokoje jsou nuceny rozdíl v teplotách neustále zvyšovat.
Pojďme se teď podívat na podobný scénář, tentokrát na horké straně pokoje. Řekněme, že se v ní objeví další fluktuace, která střed horké části trochu ochladí. Projeví se stejný mechanismus, zapůsobí jako kladná zpětná vazba a prostředek se zase víc a víc ochlazuje, zatímco kraje se ohřívají. Časem se z prvotní fluktuace opět stává makroskopická skutečnost. To se může dít zas a znovu.
V pokoji vám proto brzo vzniká komplexní prostorová struktura teplých a studených oblastí.
Systém, který takto funguje, přirozeně spěje ke zformování složitých prostorových vzorců. Je těžké předpovědět, jak skončí, protože existuje velké množství nesourodých strukturovaných konfigurací, do kterých by se mohl vyvinout. Takovýmto systémům říkáme antitermodynamické systémy. Druhý zákon v nich
stále působí, ale protože vložení energie do nějaké oblasti způsobí její ochlazení, je stav, v němž je plyn rozložen rovnoměrně, velmi nestabilní.
Systémy udržované gravitací se přesně tímto šíleným způsobem chovají. Hvězdy, sluneční soustavy, galaxie a černé díry, to vše je antitermodynamické. Ochlazují se, když do nich vkládáte energii. To znamená, že všechny tyto systémy jsou nestabilní. Nestabilita je oddaluje od rovnoměrnosti a podněcuje tvorbu pravidelných struktur v prostoru i čase.
Zmíněné vlastnosti mají hodně do činění s tím, proč vesmír není 13,7 miliard od svého počátku v rovnováze. Že je vesmírný vývoj provázen nárůstem strukturovanosti a složitosti, lze z velké části vysvětlit tím, že jsou jeho systémy od hvězd až po nadkupy galaxií vázány gravitačně, a mají tudíž antitermodynamické vlastnosti.
Je jednoduché porozumět, proč jsou takové systémy antitermodynamické. Gravitaci od dalších sil rozlišují dvě základní charakteristiky: gravitační síla je (1) dalekodosahová a (2) všeobecně přitažlivá. Představte si planetu obíhající kolem hvězdy. Pokud do ní vložíte energii, přesune se na oběžnou dráhu, která je od hvězdy dále, kde se bude pohybovat pomaleji. Takže vložení energie sníží
rychlost planety, což sníží teplotu systému, protože teplota není nic jiného než průměrná rychlost věcí v systému. Pokud naopak sluneční soustavě energii odejmete, musí planeta odpovědět sestupem blíž ke hvězdě, kde se ovšem pohybuje rychleji. Odebrání energie tedy systém ohřeje.
Toto můžeme porovnat s chováním atomu, který pohromadě drží elektrostatická síla mezi náboji. Stejně jako gravitace působí elektrostatická síla na velké vzdálenosti, ale liší se tím, že je přitažlivá jen mezi dvěma opačnými náboji. Kladně nabitý proton bude přitahovat záporně nabitý elektron, ale jakmile se elektron na proton naváže, nemá výsledný atom žádný celkový náboj. Síly se navzájem vyruší (občas tomu v chemii říkáme, že se nasytí vazba) a atom už pak nepřitahuje žádné další částice. Sluneční soustava ale funguje úplně jinak, protože když k sobě nějaká hvězda přitáhne planety, je výsledný systém pro ostatní tělesa ještě přitažlivější než předtím. Máme tu další typ nestability – gravitačně vázaný systém k sobě přitahuje další tělesa.
Projevem antitermodynamického chování je třeba rozpad hvězdokup. Pokud by se hvězdokupa chovala termodynamicky, dosáhla by rovnováhy – v tomto případě stavu, kde mají všechny hvězdy zhruba stejnou rychlost a zůstanou nakupené navždy. Místo toho se ale hvězdokupa pomalu rozplývá. K tomu dochází zajímavým způsobem. Jednou za čas se nějaká hvězda přiblíží k dvojhvězdě – to jest ke dvěma hvězdám, které okolo sebe obíhají. Toto přiblížení může vést k tomu, že složky dvojhvězdy začnou obíhat blíže k sobě. Smrštění dráhy uvolní energii, kterou převezme vnější hvězda. Ta má nyní dostatek energie, aby mohla kupu opustit a vydat se ven na cestu do kosmu. Po dlouhé době z hvězdokupy nezbude nic jiného než pár těsně obíhajících dvojhvězd a mrak hvězd rychle se rozlétajících do všech stran.
To neodporuje druhému zákonu termodynamiky, pouze jeho naivní interpretaci.
Tento text je úryvkem z knihy
Lee Smolin: Znovuzrozený čas
Argo a Dokořán 2015
O knize na stránkách vydavatele
