Wszystkie zjawiska w przyrodzie przebiegają w jednym kierunku - nazywanym termodynamiczną strzałką czasu, dlatego uważamy je za nieodwracalne. Wynika to z drugiej zasady termodynamiki, określającej kierunek zmian termodynamicznych w przyrodzie - entropia (miara nieuporządkowania układu fizycznego i rozproszenia energii) w odizolowanym układzie ciągle wzrasta. Jest to jednak prawo statystyczne, a tak naprawdę nawet teoretycznie entropia może zmaleć, choć byłby to kuriozalny zbieg okoliczności. Energia Wszechświata jest talią kart podlegającą ciągłemu termodynamicznemu tasowaniu, ale w nieskończonym czasie - zgodnie z rachunkiem prawdopodobieństwa - prędzej czy później zostanie przypadkowo uporządkowana. Pytanie tylko czy czas jest nieskończony...
Jeśli entropia ciągle rośnie w momencie Wielkiego Wybuchu jej poziom powinien mieć niską czy wręcz zerową wartość. Wielki Wybuch prawdopodobnie nie był jednak początkiem, tylko pierwszym zdarzeniem o którym wiemy. Część fizyków przypuszcza, że "pierwotna" zupa fotonów, kwarków i elektronów, jaka rozlała się po Wielkim Wybuchu, musiała mieć wręcz wysoką entropię w porównaniu do "zorganizowanego" Wszechświata który znamy (w którym jednak entropia ciągle rośnie). Zdaniem innych kosmos był wtedy jednolity, a oddziaływania fizyczne w znanym nam kształcie jeszcze nie istniały. Swoją drogą to i tak zaskakujące, że z ciągle chaotyzującej się rzeczywistości wyłoniły się atomy, obiekty kosmiczne, a wreszcie biologiczne życie...
Zasadnicza różnica pomiędzy żywymi organizmami a martwymi skupiskami atomów polega na tym, że te pierwsze dużo lepiej radzą sobie z przetwarzaniem energii. Materia żywa wymyka się dążeniu do termodynamicznego przeznaczenia. W zasadzie życie wydaje się sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki. Oczywiście organizm nie jest układem fizycznym odizolowanym od środowiska - wymienia z nim przecież materię i energię. Entropia w układach żywych rośnie jednak wolniej niż można by się tego spodziewać. Aby utrzymać swój uporządkowany stan żywe organizmy potrzebują nie tylko bezustannego transferu energii, ale też informacji. Nie tylko odtwarzają zakodowany w DNA (i poza nim) scenariusz oraz reagują na środowisko, ale też w swych procesach życiowych posiłkują się paliwem... informacyjnym.
O urządzeniach które mogą przekształcać informację w pracę spekulował już dziewiętnastowieczny szkocki fizyk i matematyk James Clerk Maxwell (ten od równań Maxwella czyli podstawowych praw elektrodynamiki klasycznej). Póki co tak zwany "demon Maxwella" był jednak tylko eksperymentem myślowym demaskującym paradoks drugiej zasady termodynamiki. W naczyniu pełnym powietrza cząstki poruszają się z różnymi prędkościami, ale średnia prędkość dużej losowej ich liczby pozostaje taka sama gdyż są przemieszane. Gdyby jednak podzielić naczynie na dwie komory przegrodą wyposażoną w zamykany i otwierany otwór, można by (przy "demonicznej" zdolności widzenia pojedyńczych cząstek) przepuszczać tylko wolniejsze cząstki do komory A i tylko szybsze do komory B. Tym sposobem bez wydatkowania pracy można doprowadzić do różnicy temperatur między komorami, co z kolei służyć by mogło do uruchomienia silnika mechanicznego.
Takie przekształcenie niekontrolowanego ruchu cząstek w kontrolowany ruch mechaniczny stanowiłoby swego rodzaju perpetuum mobile, więc teoretycy szybko zaczęli szukać jakiejś furtki umożliwiającej wyjaśnienie konceptu. "Demon Maxwella" zaprzeczałby wszak nie tylko drugiej, lecz także pierwszej zasadzie termodynamiki, mówiącej o równoważności ciepła i pracy oraz stałości energii izolowanego układu termodynamicznego. W latach dwudziestych dwudziestego wieku do sprawy powrócił węgierski Żyd mieszkający w Berlinie Leo Szilard. Według Szilarda nie było tu sprzeczności, gdyż "demon" musiałby wydatkować energię na dokonywanie pomiarów i obserwacji, a będąc częścią układu zwiększałby jego entropię równoważąc skutki segregowania molekuł. Szilard rozwinął jednak pomysł Maxwella projektując (na potrzeby teoretyczne) tak zwany silnik Szilarda, również wykorzystujący informację jako osobliwe paliwo.
Całkiem niedawno fizykom w końcu udało się stworzyć urządzenie które możemy nazwać silnikiem informacyjnym. Zespół naukowców pod kierownictwem Hyuka Kyu Paka z Instytutu Nauk Podstawowych w Ulsan w Korei Południowej zweryfikował doświadczalnie drugą zasadę termodynamiki uwzględniając przetwarzanie informacji w formie "demonów". Koreańscy uczeni skonstruowali nanosilnik w ktorym konwersja informacji na energię wynosi około 98,5% - tylko niewielka część zostaje utracona. To wspaniałe osiągnięcie, ale tak się dziwnie składa, że wzajemne oddziaływanie informacji i energii jest wykorzystywane przez organizmy żywe od miliardów lat. Żywe komórki wyposażone są w cały arsenał "silników informacyjnych" - wydajnych i perfekcyjnych nanomaszyn zbudowanych głównie z białek, których celem jest zarządzanie informacjami w najbardziej efektywny sposób. Gdyby nie ten system "silników życia", entropia ugotowałaby nas we własnym sosie. Być może czyni to kwestię siły witalnej ożywiającej materię nieco mniej ezoteryczną, ale w napędzanym informacją biologicznym świecie nawet bakteria musi być genialnym matematykiem, co wydaje się równie konsternujące.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz