Entropia, ekonomia i życie (aktualizacja: 5.08.2015)

Autor: David A. Jones, doktorant fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Southampton w Wielkiej Brytanii.

24 maja 2012 (wersja oryginalna)

„Nie ma bogactwa większego nad życie.” John Ruskin

Czy kiedykolwiek rozważałeś pytanie: czym jest życie? Jeśli zależy nam na nowym systemie gospodarczym, który zachowa i wzmocni życie, a nie systemie obecnym, który częściej zdaje się życie niszczyć i degradować, być może powinniśmy rozważyć czym jest życie i co czyni je możliwym. Przypominam sobie, jak uczyłem się o „tym, co żyje” na lekcjach biologii w szkole średniej, ale definicja „tego, co żyje” zawsze była mglista. Pozwólcie, że przedstawię definicję fizyka, która początkowo może sprawiać wrażenie nieco egzotycznej. Istota żyjąca jest rodzajem maszyny o niskiej entropii: konfiguracją zróżnicowanych części, która z powodzeniem wykonuje skomplikowane, współzależne funkcje przez dłuższy okres czasu.

Skoro użyłem słowa „entropia”, spróbuję wyjaśnić czym jest. Wszystko, co żyje i wszystko, co jest nieożywione (a zatem wszystkie ludzkie gospodarki, bez względu na to, czy ekonomiści uwzględniają ten fakt czy nie!) podporządkowane jest prawom termodynamiki. Druga zasada – w szczególności – wprowadza pojęcie entropii oraz kwestię, iż entropia systemu zamkniętego musi pozostawać stałą lub zwiększać się, nigdy nie może spadać. Entropia jest miarą tego, jak „wyjątkowy” jest określony układ części – im niższa entropia, tym bardziej „wyjątkowy” układ. Życie jest „wyjątkowe”.

Aby zilustrować tę koncepcję „wyjątkowości”, wyobraźmy sobie najpierw zestaw czerwonych i niebieskich cząsteczek gazu, po pięćdziesiąt każdego koloru, odbijających się sobie w pomieszczeniu. Co jest bardziej prawdopodobne: (A) wszystkie 50 czerwonych cząsteczek pozostanie po jednej stronie (połowie) pokoju, a wszystkie 50 niebieskich po drugiej, lub (B) po obu stronach (połowach) obecna będzie mniej więcej jednakowa mieszanka cząsteczek czerwonych i niebieskich? Scenariusz B jest mniej „wyjątkowy” i bardziej prawdopodobny, ale dlaczego? Otóż istnieje wiele sposobów aranżowania cząsteczek, aby uzyskać „mniej więcej jednakową mieszankę” czerwonego i niebieskiego – bardzo wiele par cząsteczek można wymienić pomiędzy połowami i nie zrobiłoby to różnicy. Jednakże jeśli cząsteczka zamienia się z partnerem z drugiej połowy pokoju – w przypadku idealnego podziału na czerwone i niebieskie – wówczas każda połowa zostaje „zanieczyszczona” cząsteczką „niewłaściwego” koloru – taka zamiana czyni różnicę. Dlatego obserwujemy wyrównaną mieszankę każdego koloru, ponieważ istnieje zdecydowanie więcej sposobów jej zaobserwowania.

Teraz mogę wyrazić pojęcie entropii precyzyjnie – entropia takiego zbioru cząsteczek to liczba, która jest wysoka, gdy istnieje wiele sposobów na zamianę par cząsteczek i otrzymanie tego samego stanu ogólnego, bądź niska, kiedy istnieje niewiele sposobów na ich zamianę i uzyskanie tego samego stanu ogólnego. W sposób konkretny entropię S określa prawo entropii Boltzmanna:

S = k log W

Tutaj k = 1,38 x 23/10 dżuli / kelwinów (stała Boltzmanna), W jest liczbą sposobów zamiany składników stanu (chociażby czerwonych i niebieskich cząsteczek) bez ogólnego wpływu na stan, a log W oznacza „naturalny logarytm W – potęga, do której musisz podnieść liczbę Eulera (e = 2,718), aby uzyskać W (na przykład jeśli W jest równa e, wówczas log W jest równy 1, gdyż e do potęgi 1 daje nam e).

To niepozorne równanie Boltzmanna wyjaśnia ogromną liczbę zjawisk. Na przykład, dlaczego rzeczy gorące stają się chłodniejsze, a rzeczy zimne cieplejsze? Łatwe – zaaranżujmy zetknięcie rzeczy gorącej z zimną, a otrzymamy raz jeszcze sytuację z czerwonymi i niebieskimi cząsteczkami – istnieje o wiele więcej sposobów na wymieszanie gorących i zimnych cząsteczek, niż na utrzymanie części gorącej i zimnej w separacji. Zatem temperatura wyrównuje się.

Inny przykład: dlaczego piłki odbijają się się coraz niżej i niżej, a nigdy nie zaczynają odbijać się wyżej? Proste – po zakończeniu spadania cząsteczki piłki przeciętnie poruszają się bardziej niż podłogowe. Podczas każdego odbicia istnieje więcej sposobów na losową dystrybucję tego ruchu między piłką i podłogą, niż na utrzymanie wszystkich szybszych cząsteczek w piłce i wszystkich wolniejszych cząsteczek w podłodze. Zachodzi więc dystrybucja, a piłka ostatecznie przestaje się odbijać. Przypadek przeciwny – piłka spontanicznie odbijająca się coraz wyżej – nigdy w praktyce się nie zdarza, ponieważ jest mało prawdopodobny. Dlatego jesteś w stanie stwierdzić, że film odtwarzany jest od tyłu. Przykłady te demonstrują drugie prawo termodynamiki: całkowita entropia zawsze wzrasta i nigdy nie maleje z uwagi na to, że jej zmniejszenie jest niezwykle nieprawdopodobne.

A co z życiem i entropią? Żywa istota ma bardzo niską entropię w porównaniu z otoczeniem, ponieważ istnieje niewiele sposobów na zamianę części składowych i pozostawienie jej w niezmienionym stanie. Na przykład wymiana cząsteczek między Twoim sercem i mózgiem nie pozostawiłaby Cię w „nienaruszonym stanie” – byłaby śmiertelna! Rzeczywiście, uzyskanie równowagi termodynamicznej z otoczeniem jest również znane jako bycie martwym!

Następne pytanie: w jaki sposób życie zdolne jest utrzymać stan niskiej entropii wyraźnie wbrew drugiemu prawu? Cóż, życie jest częścią systemu Ziemia-Słońce. Możemy traktować go jako „system zamknięty” w bardzo dobrym przybliżeniu – od innych systemów oddziela go przepastny ocean przestrzeni. Ale sama Ziemia (plus Księżyc, rzecz jasna!) nie jest „zamkniętym systemem”. Słońce – reaktor syntezy jądrowej – zapewnia Ziemi stałą dostawę „zorganizowanej” energii niskiej entropii w postaci fotonów o wysokiej intensywności (cząsteczki światła). Rośliny wykorzystują tę energię, aby produkować żywność, którą konsumują zwierzęta (z ludźmi włącznie), i tym samym napędzają machinę życia o niskiej entropii.

Z wyjątkiem kilku oceanicznych ekosystemów kominów hydrotermalnych to właśnie słoneczny wkład niskiej entropii sprawia, że możliwe są wszelkie przejawy ziemskiego życia – i wszystkie ludzkie gospodarki (powtórzę, bez względu na to, czy ekonomiści uwzględniają ten fakt czy nie!). Kiedy my ludzie spalamy zapasy ropy naftowej i węgla odkładane przez tysiąclecia w geologicznym mgnieniu oka, uwalniamy energię niskiej entropii przechwyconą z prastarego, słonecznego światła zakopanego głęboko pod ziemią.

Druga zasada termodynamiki ma arcyważne konsekwencje dla naszych systemów gospodarczych. Stały strumień pochodzącej ze Słońca energii o niskiej entropii jest absolutnie niezbędny, aby utrzymać zorganizowany stan życia. Bez tego „gradientu entropii” maszyneria życia gasnąc wkrótce podążyłaby śladem odbijającej się piłki lub wymieszanych cząsteczek. Ażeby przedłużyć życie na Ziemi, powinniśmy starać się wykorzystywać ten absolutnie kluczowy wkład niskiej entropii tak efektywnie, jak to tylko możliwe, aby krążył nieustannie przez wszystkie sektory gospodarki. Z pewnością nie powinniśmy jej marnować zakładając, że będziemy mogli stale, wiecznie zwiększyć jej użycie.

Niestety, zdaje się, że większość ekonomistów głównego nurtu nie słyszało o drugim prawie termodynamiki. Być może nie jest to tak naprawdę ich wina, ponieważ nie zostało ono ujęte w ich podręcznikach. Ale powinno w nich być. Zarządza całym życiem i wszystkimi systemami Ziemi, z gospodarką włącznie. W miarę jak nasi biznesowi i rządowi liderzy spieszą z implementacją błędnych modeli ekonomicznych, które nie są oparte na prawach termodynamiki, i kiedy każdy kolejny naród nie kwestionuje pogoni za niekończącym się gospodarczym wzrostem, rasa ludzka jest coraz bliżej losu, który zwieńczą łzy.

Obawiam się, że te łzy już płyną.

***

logo-pnasDalsza destrukcja roślinnego życia Ziemi zagrożeniem dla ludzkości [University of Georgia Today, 14.07.2015]

Cywilizacja nie przetrwa kontynuując destrukcję planetarnej podaży roślinnego życia, stwierdziła praca badawcza naukowców z Uniwersytetu Georgii (University of Georgia – UGA) opublikowana w Proceedings of National Academy of Sciences. (1)

„O Ziemi można myśleć jako baterii, która była bardzo wolno ładowana przez miliardy lat,” powiedział główny autor, John Schramski, profesor Koledżu Inżynierii przy UGA. „Energia słoneczna jest magazynowana w roślinach i paliwach kopalnych, lecz tempo jej wyczerpywania przez ludzi znacznie przewyższa tempo jej uzupełniania.”

Ziemia była kiedyś pozbawionym życia jałowym krajobrazem, wyjaśnił badacz, i dopiero po upływie miliardów lat proste organizmy rozwinęły zdolność przekształcania światła słonecznego w energię. Ostatecznie doprowadziło to do eksplozji życia roślinnego i zwierzęcego, która skąpała planetę w bujnych lasach i niezwykle zróżnicowanych ekosystemach.

Zawarte w analizie obliczenia oparte są na podstawowych zasadach termodynamiki, gałęzi fizyki zajmującej się relacją między ciepłem i energią mechaniczną. Energia chemiczna magazynowana jest w roślinach, czyli biomasie, którą wykorzystuje się jako żywność i paliwo. Ale jest ona także niszczona przez cywilizację potrzebującą nowych obszarów, aby kontynuować ekspansję rolnictwa i miast.

Naukowcy szacują, że 2000 lat temu Ziemia zawierała około 1.000 miliardów ton węgla w żywej biomasie. Od tamtej pory ludzie zredukowali tę ilość o blisko połowę. Szacuje się, iż ponad 10% tej biomasy unicestwiliśmy w ostatnim stuleciu.

„Jeśli trend ten nie doczeka się odwrócenia, wyczerpanie baterii biomasy osiągnie poziom, w którym planeta nie będzie już w stanie nas utrzymać,” ostrzegł Schramski.

Nawet jeśli ludzie nie wymrą całkowicie za sprawą spadku biomasy poniżej zrównoważonych progów, nastąpi drastyczne zmniejszenie populacji i zostaniemy zmuszeni powrócić do egzystencji łowców-zbieraczy lub prostych ogrodników, konkluduje badanie. (2)

„Nie jestem zagorzałym ekologiem; moje szkolenie i naukowa działalność zakorzenione są w termodynamice,” powiedział Schramski. „Jej prawa są absolutne i niepodważalne; dysponujemy ograniczoną ilością dostępnej na Ziemi energii biomasy i kiedy ulegnie ona wyczerpaniu, nic jej już nie zastąpi.” […]

Ostatnie paragrafy podsumowania:

„Ziemia znajduje się w stanie poważnej nierównowagi energetycznej ze względu na ludzkie zużycie energii. Ta nierównowaga określa nasz najbardziej ewidentny konflikt z naturą. Rzeczywiście mamy do czynienia z konfliktem w tym sensie, że obecny brak równowagi energetycznej – kryzys bezprecedensowy w historii Ziemi – jest bezpośrednią konsekwencją technologicznej innowacyjności.

Po raz pierwszy w dziejach ludzkość stoi w obliczu globalnego limitu energii chemicznej. Żyjąca biomasa stanowi energetyczny kapitał, który napędza biosferę i utrzymuje człowieczą populację i gospodarkę. Po prostu nie istnieje zapasowy zbiornik biomasy Ziemi. Prawa termodynamiki nie mają litości. Równowaga jest czymś nieprzyjaznym, sterylnym i ostatecznym.”

(1) Praca John R. Schramskiego, Davida K. Gattie i Jamesa H. Browna pt. Ludzka dominacja biosfery: Szybkie rozładowanie akumulatora ziemia-kosmos przepowiada przyszłość ludzkości potwierdza ustalenia analizy Tima Garretta, profesora nauk atmosferycznych z Uniwersytetu Utah, z 2009 roku. 

(2) Proste przeniesienie obliczonej w analizie wartości równowagi ekologicznej Omega z ostatniego punktu danych (1.029 lat w 2000 roku) do chwili obecnej – przy założeniu, że tempo załamania pozostaje mniej więcej na poziomie średniej z ostatnich 2.000 lat – daje wynik w postaci czynnika ograniczającego Omega, który osiąga 1 rok (ostatnia roczna ilość żywnościowej fitomasy całej światowej populacji ludzkiej) na początku sezonu 2030. Zatem dokument ten przewiduje upadek naszego środowiska życia i samej cywilizacji za około 15 lat wyłącznie wskutek industrializacji i przyrostu populacji.”

Tłumaczenie: exignorant

Wpis powiązany tematycznie: „Akumulacja wiedzy. Brak rozumienia.”

Advertisements
Ten wpis został opublikowany w kategorii Kluczowe badania. Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.