Jak nám zákony zachování energie zároveň kazí i vylepšují život ve vesmíru

Jak nám zákony zachování energie kazí i vylepšují život ve vesmíru – OBSAH

1. Jak je možné, že ten stroj má vyšší účinnost než jiný?
2. Tři principy o vlastnostech tepelných dějů
3. Vrátit se v čase nedokážeme
4. Nuda nám ve vesmíru velmi vyhovuje

Jak je možné, že ten stroj má vyšší účinnost než jiný?

Základním zákonem, kterým se řídí hmota a energie v našem vesmíru, je ten, že nic nevzniká a ani nezaniká. Mezi hmotou a energií vlastně není rozdíl, jak říká slavná Einsteinova rovnice E = m ⸱ c², hmota je vlastně určitý kondenzát energie, jedna její forma. Myšlenka, že energie nevzniká a nezaniká, že se vždy jenom proměňuje, nám může přijít jednoduchá, ale v polovině 19. století to byla naprostá revoluce a tvůrce této myšlenky, Julius Robert Mayer, se setkával s odporem a s nepochopením.

Celý zájem o termodynamiku začal v roce 1821, kdy se mladý francouzský fyzik Nicolas Carnot setkal s parním strojem – a začínal se zajímat o to, proč jsou německé parní stroje účinnější než ty francouzské. V roce 1824 vydal dílo „Úvahy o hybné síle ohně“, kde poprvé popsal to, co známe jako Carnotův cyklus – a stalo se to základem pro efektivní konstrukci parních i spalovacích motorů – ale vlastně všech strojů, které pracují s expanzí a mechanickou energií plynů.

Řada vědců se zabývala termodynamikou – a postupně ji zobecňovali, až ji nakonec německý fyzik Max Planck zobecnil i pro problém vyzařování černého tělesa, čímž se termodynamika dostala až do oblasti kvantové teorie. Bylo to důležité proto, že se najednou ukázalo, že termodynamika není o páře, která pohybuje písty, ale o celkové přeměně energie ve vesmíru, o pravidlech, kterými se řídí – a také o neustálém přechodu od stavu s vysokou využitelnou potenciální energií ke stavům, kde je energie tak rozptýlená a tak chaotická, že ji nelze efektivně využít.

Tři principy o vlastnostech tepelných dějů

Zákony zachování energie jsou tři. Ten první nám říká, že energie nevzniká a ani nezaniká. Ten druhý nám říká, že teplo se samovolně šíří od teplejších těles k chladnějším a ne naopak. Třetí zákon říká, že ať děláme, co děláme, nikdy se nedostaneme na absolutní termodynamickou nulu. Tyhle zákony vypadají divně, ale ve skutečnosti nám říkají něco nesmírně důležitého o vesmíru, ve kterém žijeme.

Začneme třetím termodynamickým zákonem. Už samotná myšlenka, že teplota souvisí s průměrnou rychlostí pohybu částic, vedla Williama Thomsona, známého jako lord Kelvin, k radikálnímu závěru své doby: Musí existovat teplota, při které se částice přestanou úplně pohybovat. Pokud je vesmír uzavřený a je v něm konečné množství energie, můžeme si sice vynakládat stále více energie na to, abychom ochladili nějaké místo na absolutní nulu – protože jsme ale pořád uzavření v rámci jednoho vesmíru a energie stále míří z teplejších míst na to studenější, tak se to místo prostě nakonec ohřeje. Sebevíce expandující vesmír bude sice čím dál tím studenější, ale nikde nedosáhne absolutní nuly.

Druhý zákon je ještě divnější. Proč vlastně teplo míří jen jedním směrem – a ne naopak? Statistická mechanika nám říká, že na mikroúrovni sice může putovat kam chce, ale na čím větší celky se díváme, tím je pravděpodobnější, že v průměru bude energie mířit z místa, kde je jí hodně tam, kde je jí málo. Je to čistě otázka pravděpodobnosti – a ta samá pravděpodobnost nám vysvětluje, proč je pravděpodobnější, že při hození rozbijete sklenici, než že by se sama spontánně složila.

Aby bylo jasné, zákony mikrosvěta nezakazují, že by se složit nemohla. Při velkém počtu částic je ale vysoce nepravděpodobné, že by se tyto události staly současně, takže se nám sklenice v makrosvětě spontánně neskládají. Stejný princip vysvětluje, proč věci míří od uspořádaného k neuspořádanému – a tím fakticky vytvářejí to, čemu se říká šipka času.

Vrátit se v čase nedokážeme

Čas ve vesmíru měříme tak, že rozeznáváme jednotlivé od sebe oddělené stavy. Protože nás pravděpodobnost velkých setů událostí vede jedním směrem, vnímáme my i tok času jedním směrem, i když, v dimenzích mikrosvěta, nic teoreticky nebrání toku času opačným směrem. Teprve ve velkých celcích se události dějí ve směru pravděpodobnosti, a ne naopak. Abychom se vrátili o jedinou sekundu, museli bychom vrátit stavy všech částic dokonale zpět o onu sekundu – a to je vysoce nepravděpodobné, takže se spíš stane něco jiného – a to nás posune zase o něco vpřed.

Důsledkem takto chápaného času je to, že v daleké budoucnosti, kdy bude entropie vesmíru nejvyšší, částice budou od sebe příliš daleko a nebudou mít žádné interakce, už vlastně nebude možné rozlišit od sebe jednotlivé okamžiky – a šipka času ztratí směr a čas tím pádem přestane efektivně existovat, už to bude pořád jenom stejné.

Říkal jsem, že termodynamika má nezvykle velké množství vědců, co spáchali sebevraždu? Pohled do hlubiny snese málokdo, naštěstí žijeme v době, kdy je vesmír stále plný energie a kdy máme stále docela dost času, možná až desetinásobek času, který uplynul od jeho počátku. Chaos a proměna energie přitom není jenom ničivá, je i tvořivá: Tím, že první hvězdy proměnily vodík na těžké prvky, daly šanci vzniknout chemii, biologii a komplexnímu životu. To, že dnes máme kolem sebe méně obřích hvězd, znamená, že je nižší šance, že exploze supernovy zničí život ve svém okolí.

Nuda nám ve vesmíru velmi vyhovuje

Dnes žijeme v době, kdy je vesmír překvapivě obyvatelnější než na začátku, kdy doslova bouřil energií a ničil vše znova a znova. Nám, biologickým bytostem, vyhovuje spíš nízkoenergetická nuda a poměrně prázdné kosmické okolí, kde se nic hrozného neděje, než byla vysokoenergetická podoba vesmíru v minulosti.

A navíc: Čím menší je hvězda, tím déle hoří, takže je možné, že to velké období života a civilizací, které budou těžit energie pomalu hořících hvězd, teprve přijde. Budoucí civilizace mohou žít pomaleji, ale mnohem déle, budou mít k dispozici mnohem více těžkých prvků – a přitom mohou dosáhnout stavu, kdy začnou kontrolovat fúzi a spalovat zbylý vodík a hélium ve vesmíru mnohem pomaleji a efektivněji, než by to za ně udělaly hvězdy.

Důležité je hlavně to, aby civilizace prošly tím, čemu se říká „velké filtry“ (great filter), tedy aby překonaly jak nebezpečí své vlastní evoluce, tak i to, které si pro sebe vyrábí samy tím, že spolu navzájem válčí, ničí si své vlastní ekosystémy a obecně se chovají tak, jako by moc rozumu nepobraly. I když termodynamika nehýří velkým optimismem stran toho, jak vesmír skončí, mají civilizace, včetně té naší, potenciál zničit sebe sama mnohem rychleji, než by to zvládl vesmír. Vesmír nikam nespěchá, dává nám spoustu času pro vývoj nás samotných, našich technologií – a třeba i na to, abychom se s nimi spojili a vytvořili nějakou vyšší a pokročilejší formu života, pro který bude vesmír mnohem lepším místem k životu, než je pro nás samotné.

Zákony termodynamiky nám nejen ukazují základní pravidla fungování vesmíru, ale také odhalují hloubku jeho osudu. Naše schopnost chápat tyto principy nám poskytuje příležitost aktivně ovlivňovat svou budoucnost, využívat technologie k překonání limitů a vytvářet udržitelnější způsoby existence. I když vesmír sám nás nechrání před zánikem, dává nám čas a prostor, abychom jako civilizace dosáhli svého potenciálu a snad i přispěli k vytvoření trvalejšího života ve vesmíru.

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.