Читать книгу Opowieść o początku. Wielka historia wszystkiego - David Enßlen Christian - Страница 15

W pierwszych sekundach i minutach po Wielkim Wybuchu wszechświat znajdował się w stanie termodynamicznego swobodnego opadania. Przez kilka oślepiających chwil było na tyle dużo energii, by tworzyć i kruszyć nowe egzotyczne formy energii i materii. Ale kiedy temperatura spadła, energia i materia zastygły w ograniczonej liczbie prostych struktur. W piecu Wielkiego Wybuchu siły i cząstki ustabilizowały się jak wypalana ceramika. Gwałtowna energia obecna przy Wielkim Wybuchu wraz z kilkoma prostymi regułami działania wspólnie doprowadziły do powstania struktur, takich jak protony i elektrony, które miały się okazać wyjątkowo stabilne, gdyż temperatura konieczna do ich stworzenia miała już tylko z rzadka pojawiać się ponownie w ochładzającym się wszechświecie.

Potem początkowo gwałtowny spadek temperatury uległ spowolnieniu, zupełnie jakby wszechświat sprawił, że termodynamiczna góra zwaliła się na dno doliny. Gradienty temperatury uległy spłaszczeniu, wskaźniki temperatury malały mniej gwałtownie, a tempo zmian uległo spowolnieniu, gdy termodynamiczna ściana klifu obecna we wczesnym stadium istnienia wszechświata ustąpiła miejsca płaskiemu pofałdowanemu kraj­obrazowi, w którym temperatura mogła rosnąć i opadać. Wówczas nowym strukturom trudniej już było zastygnąć na stałe, ponieważ można je było rozbić nawet przy niewielkim wzroście temperatury. Atomy obecne w pierwszych gwiazdach rozpadały się, na przykład wtedy, gdy temperatura wzrosła powyżej około dziesięciu tysięcy stopni Celsjusza.

W tych mniej przewidywalnych warunkach środowiska skomplikowane struktury, gdyby miały przyjąć stabilną formę, wymagałyby dodatkowego wzmocnienia. Ową stabilność zapewniały kontrolowane, nieprzypadkowe przepływy energii. Gwiazdy zachowują swoją spójność dzięki przepływowi energii generowanej w ich rdzeniu. Organizmy żywe, takie jak również ty i ja, nie rozpadają się dzięki subtelnym i precyzyjnie ukierunkowanym przepływom energii zarządzanym przez skomplikowane procesy metaboliczne w naszych komórkach. We wszechświecie powstałym w następstwie Wielkiego Wybuchu obserwuje się stałą pracę na rzecz budowy i utrwalenia nowych złożonych struktur. Dlatego istnieje ścisły związek między formą, złożonością i ukierunkowanymi lub ustrukturyzowanymi przepływami energii.

Ustrukturyzowane przepływy energii to raczej termin intuicyjny, a nie przykład naukowego żargonu. Oto idea, którą próbuje on wyrazić: teoria termodynamiki odróżnia te przepływy energii, które są całkowicie losowe, od tych, które mają kierunek, strukturę i spójność, dzięki czemu mogą działać. Ustrukturyzowane przepływy energii znane są jako energia swobodna, a nieustrukturyzowane przepływy określa się mianem energii cieplnej. Rozróżnienie to nie ma charakteru bezwyjątkowego. Naprawdę mówimy o stopniach koherencji lub przypadkowości. Niemniej jednak rozróżnienie między energią swobodną a energią cieplną stanowi jedną z podstaw naszej opowieści.

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że całkowita ilość energii we wszechświecie nigdy się nie zmienia. Ulega zachowaniu. Wydaje się, że nasz wszechświat wyłonił się jako posiadający ściśle określony potencjał tego, co może się ­zdarzyć. Tak więc pierwsze prawo tak naprawdę mówi o pierwotnym oceanie możliwości. Druga zasada termodynamiki mówi, że to, co wyłania się z oceanu możliwości, może być mniej lub bardziej ustrukturyzowane, jak zmarszczki na powierzchni strumienia. Powinniśmy jednak się spodziewać, że większość z tych rzeczy będzie słabiej ustrukturyzowana, a z czasem stanie się jeszcze mniej uporządkowana. Wszystko dlatego, że większość ewentualnych układów materii i energii ma słabą strukturę lub jej nie ma, a jeśli już przypadkiem napotkamy jakąś strukturę, to spodziewajmy się, że szybko się ona rozpadnie.

Dobrą ilustracją takiej sytuacji jest wodospad. Znajdujemy w nim wiele struktur, ale ostatecznie i one ulegną rozproszeniu. Cząsteczki wody u jego szczytu nie poruszają się losowo tak, jak cząsteczki w słoiku z powietrzem. Poruszają się w tym samym kierunku jak grasujące koty, przyciskając się do siebie jak najbliżej. Dzieje się tak dlatego, że w przeciwieństwie do cząsteczek gazu, które poruszają się samodzielnie, cząsteczki cieczy są utrzymywane razem dzięki siłom elektromagnetycznym. Zatem grawitacja może je popychać w ściśle określonej formacji i w tym samym kierunku — i przypominają wówczas żołnierzy podczas marszu. Gdy woda przelewa się przez krawędź, energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną lub energię ruchu. Jest to też skoordynowany ruch w jednym kierunku. Jest uporządkowany, więc energię, która go napędza, możemy opisać jako energię swobodną. Energia swobodna, w przeciwieństwie do losowej energii cieplnej cząsteczek gazu, może działać, ponieważ ma pewną strukturę i kształt i może popychać obiekty w jednym kierunku, zamiast je popychać w każdy dowolny sposób1. Jeśli zechcesz, możesz skierować przepływ energii swobodnej na turbinę i w ten sposób generować elektryczność. Wolna energia jest tym, co sprawia, że to działa. To niczym szybko poruszający się, trudny do powstrzymania królik Energizera z naszej historii początku.

W przeciwieństwie do energii w ogóle, energia swobodna nie podlega zasadzie zachowania. Jest niestabilna jak rozwijająca się sprężyna. Kiedy działa, traci zarówno swoją strukturę, jak i zdolność do wykonywania większej ilości pracy. Kiedy woda z wodospadu rozbija się o skały u dołu, zamienia się w rozproszoną, niekoherentną energię cieplną. Każda cząsteczka porusza się mniej lub bardziej niezależnie. Energia jako taka wciąż tam jest; wciąż zostaje zachowana (w myśl pierwszej zasady). Ale cząsteczki rozpychają się w tak wielu kierunkach, że ich energia nie jest już w stanie napędzać turbiny. Energia swobodna zamieniła się w energię cieplną. Druga zasada termodynamiki mówi, że na dłuższą metę cała energia swobodna zamieni się w energię cieplną.

Energia cieplna — jak pijany policjant kierujący ruchem — kieruje energię w każdą stronę, wywołując chaos. Energia swobodna — niczym trzeźwy policjant ruchu drogowego — kieruje energię w dół na określone trasy i tworzy porządek. Na nasze szczęście we wczesnym wszechświecie istniała jakaś energia swobodna wynikająca z podstawowych zasad działania naszego wszechświata. Reguły te ukierunkowały energię na konkretne, nieprzypadkowe ścieżki i zapewniły co najmniej minimalny stopień ustrukturyzowania.