Ocena brak

ENTROPIA

Autor /Agrypin Dodano /18.09.2012

(gr. en w coś, trepo - zwracam, zmieniam), miara stopnia nieuporządkowania systemu; występuje w naukach przyr. — jako funkcja określająca stan układu termodynamicznego (w fizyce), jako miara nieokreśloności układu, tym większa, im jego stany są bardziej równoprawdopodobne, a tym mniejsza, im bardziej jeden ze stanów jest statystycznie wyróżniony (w cybernetyce), jako stopień rozproszenia swobodnej energii organizmu (w biologii); w filozofii Boga — postulat o istnieniu Pierwszej Przyczyny na podstawie hipotezy fizyki o śmierci termicznej wszechświata i jego początku w czasie; termin e. wprowadził 1865 R. -* Clausius.

1. W fizyce — e. jest funkcją stanu układu termodynamicznego (np. gazu lub płynu w naczyniu) zależną m.in. od temperatury, objętości, stężenia. Za pomocą e. formułuje się II zasadę termodynamiki (prawo wzrostu e.) — w układzie izolowanym cieplnie od otoczenia (zamkniętym) wszelkie procesy nieodwracalne przebiegają w kierunku wyznaczonym przez wzrastającą e. tego układu; prawo to jest matematycznym wyrazem kierunkowości wszelkich przemian obserwowanych w warunkach makroskopowych — m.in. samorzutnego rozprężania się gazu, ogrzewania ciał o niższej temperaturze przez ciała o wyższej temperaturze, zamiany energii mechanicznej spadającego kamienia na „energię cieplną" ; w warunkach ziemskich nie zaobserwowano nigdy procesu odwrotnego, któremu towarzyszyłoby zmniejszanie się e.

Naturalny bieg zjawisk obserwowanych w warunkach makroskopowych prowadzi do wyrównania się ciśnień, temperatur, zamiany energii mechanicznej, elektrycznej, chemicznej na „energię cieplną", która na skutek przewodzenia, konwekcji czy promieniowania jest przenoszona do tych miejsc w układzie, gdzie temperatura jest najniższa; po odpowiednio długim czasie temperatura układu się wyrówna, a jego e. osiągnie wartość maksymalną; chociaż całkowita energia wewn. (zgodnie z I zasadą termodynamiki) nie ulegnie zmianie, układ nie będzie w stanie wykonać żadnej pracy; wg terminologii W. Thomsona układ termodynamiczny znajdzie się w stanie śmierci cieplnej.

Przenosząc te rozważania na cały wszechświat traktowany jako układ zamknięty, wyciągnął Clausius wniosek, że wszechświat musiał mieć początek w -»• czasie (I).
W fizyce statystycznej e. S wiąże się z tzw. prawdopodobieństwem termodynamicznym W (S = k-lnW, gdzie k-stała Boltz-manna, ln-logarytm naturalny), rozumianym jako liczba mikroskopowych realizacji danego makroskopowego stanu układu. W skali mikroskopowej możliwe są procesy wyznaczane przez malejącą e., w skali makroskopowej zaś prawdopodobieństwo zaistnienia procesu związanego ze zmniejszeniem e. jest znikomo małe w porównaniu do prawdopodobieństwa zajścia procesu, któremu towarzyszy wzrost e.; na zrealizowanie się (dzięki fluktuacjom) stanu, w którym 10" cząstek (liczba cząstek powietrza w 1 cm3 przy normalnych warunkach ciśnienia i temperatury) zgromadzi się w jednej połowie naczynia pozostawiając 2 połowę pustą, należy czekać aż 1024l9s, podczas gdy wiek wszechświata ocenia się na 1017s.

Wg kosmologii przyr. dopuszczalność ekstrapolacji Clausiusa zależy od tego, jakiemu modelowi (kosmologiczne -+ modele) odpowiada nasz wszechświat; w modelach niestatycznych, wypełnionych gazem doskonałym lub promieniowaniem, mogą zachodzić procesy odwracalne ze stałą e., wypełnionych zaś gazem rzeczywistym — procesy nieodwracalne z rosnącą c. ; wśród modeli oscylujących istnieją i takie, których e. powinna wzrastać nie dążąc przy tym do wartości maksymalnej.

2. W cybernetyce — e. jest miarą nieokreśloności stopnia nieuporządkowania sytuacji, elementów lub stanów, które znajdują się w określonym zbiorze przeliczalnym, traktowanych przy określaniu ich możliwej wartości jako zmienne losowe.

Wg J. Kaniewskiego e. zmiennej losowej jest:

° funkcją ciągłą względem swych charakterystyk prawdopodobnościowych, rozumianych jako zmienne;

° tym większa przy ustalonym zakresie zmienności, im bardziej rozkład prawdopodobieństwa zmiennej losowej jest zbliżony do rozkładu równomiernego;

° dla zbioru niezależnych zmiennych losowych — sumą e. jego podzbiorów;

° równa zeru dla zmiennej losowej, której zbiór wartości równy jest jedności.

3. W biologii — e. jest stopniem rozproszenia swobodnej energii organizmu, a jej stosowanie do wyjaśnienia układów żywych pozostaje dyskusyjne; jako zasada fiz. odnosi się bowiem do układów zamkniętych, odznaczających się minimalną wolną energią, a maksymalną e.; natomiast układy biotyczne są otwarte (lub półotwarte) w relacji do środowiska.

Brak danych empirycznych o weryfikalności zasady e. w tych układach powoduje podział stanowisk co do jej użyteczności; jedni wyłączają zasadę e. z biologii, inni na jej podstawie próbują scharakteryzować zjawiska rozwoju, starzenia się, ewolucji układu ożywionego oraz śmierci — zależne od przyjmowanej koncepcji życia; zwolennicy mechanicyzmu (-»• redukcjonizmu) uważają, że organizm jako układ fiz. podlega wszystkim prawom fizykochemicznym, z prawem e. włącznie (np. F. Górski); natomiast zwolennicy autonomii świata ożywionego względem nieożywionego, wykluczający możliwość wyjaśniania układu tylko prawami fizykochemicznymi (pozabiol.), nie przyjmują zasady e., ponieważ brak dostatecznych podstaw na jej stosowanie (K. Trinczer, N. Joanem, T. Ścibor-Rylska).

Możliwość stosowania e. do układów biol. przyjął już L. -+ Boltzmann, wskazując na powiązanie e. z prawdopodobieństwem stanu; za użytecznością e. opowiedział się E. Schrödinger, który wyjaśniając istnienie biol. nieporządku zasadą e. stwierdził, że cechą organizmu jest walka z e. (nieporządkiem), i wprowadził pojęcie e. ujemnej jako miary uporządkowania; S. Ayerbach zasadę działania organizmu przeciwstawiającą się e. upatrywał w ekotropii.

W wyniku analizy procesu przemiany materii w organizmie dowiedziono, że jest on układem o wysokim stopniu uporządkowania, a od e. uwalnia się przez pobieranie ujemnej e. z otoczenia ; zaczęto więc obok procesów nieodwracalnych (związanych ze wzrostem e.) przyjmować istnienie procesów kompensujących, które utrzymują niski stopień e. ; L. Brillouin, opierając się na teoriach -*• informacji, wykazał istnienie w organizmie negentropii (miara porządku połączona z informacją), będącej przeciwstawieniem e.

Na systemie informacji oparto zasadę ekonomiczności w dysponowaniu zasobami energetycznymi (sprawność energetyczna) organizmu, twierdząc, że jest ona wprost proporcjonalna do stopnia jego uporządkowania. Zgodnie z tym odbywa się przekształcanie pobieranej przez organizm z otoczenia masy, energii oraz informacji.

Wzrost zasobu informacji jest równoznaczny z podwyższeniem stopnia organizacji i zmniejszeniem e. organizmu; różnicowanie się (wskutek mutacji) systemów informacyjnych oraz konkurencja między nimi doprowadziły w drodze -*• ewolucji do powstania form coraz wyżej zorganizowanych. Rozwój i rozprzestrzenienie życia na Ziemi wpłynęły na podporządkowanie biosferze (czyli coraz doskonalsze zorganizowanie) znacznych zasobów energetycznych planety (zwł. energii słonecznej) i stopniowe hamowanie wzrostu jej e. ; wg niektórych biologów (np. Ścibor-Rylska) prowadzi to do przewagi procesów negentropijnych nad entropijnymi Ziemi i może zapobiec jej śmierci cieplnej.

4. W filozofii Boga — stwierdzenie Clausiusa stało się przedmiotem refleksji o ingerencji Pierwszej Przyczyny w powstaniu wszechświata; refleksja ta jest ograniczona racjami fizyki, kosmologii i filozofii.

Dowód na istnienie Boga z prawa wzrostu e. (->• dowody na istnienie Boga III) opiera się na rozumowaniu, którego naczelną przesłanką empiryczną jest twierdzenie o śmierci cieplnej wszechświata (traktowanego jako układ zamknięty) ; stąd wnioskuje się, że zachodzące w nim procesy oraz będąca ich podłożem materia miały początek w czasie i zostały przez zewn. moc stworzone ( -*• stworzenie) ; niektórzy badacze (np. K. Wais i J.H. Jeans) przyjmują stworzenie całości świata, inni zaś (m.in. A.S. Eddington, P. Lecomte du Noüy, J. Seiler i J. Hellin) — tylko jego organizacji (porządku), stanowiącej jeden z etapów ewolucji kosmosu (na in. etapach obowiązywały odmienne prawa); filoz. i światopoglądowa interpretacja tych stwierdzeń prowadzi do przekonania o istnieniu -> Boga (IV B) jako stwórcy wszechświata.

Empiryczną przesłankę dowodu z prawa wzrostu e. podważa się m.in. z uwagi na obecny stan wiedzy, który nie pozwala orzec, czy wszechświat jest skończony, tj. czy obejmuje skończoną ilość energii zdolnej do przemiany na energię mechaniczną, oraz czy jest układem izolowanym, do którego jedynie stosuje się II zasadę termodynamiki.

Natomiast z punktu widzenia fizyki statystycznej możliwe jest (choć malo prawdopodobne) samorzutne wyjście wszechświata (po odpowiednio długim czasie, rzędu setek milionów lat), ze stanu śmierci cieplnej (H. Poincaré); w nieskończenie długim okresie e. we wszechświecie równie często rośnie, jak i maleje (M. Smoluchowski), a cały wszechświat nieustannie wpada w stan śmierci cieplnej i samorzutnie zeń wychodzi; interpretacją tego wniosku jest teoria „wiecznego powrotu" Z. Zawirskiego. Koncepcja cyklicznego rozwoju świata od stanu najbardziej nie uporządkowanego do najbardziej uporządkowanego i odwrotnie znana była już w staroż. Grecji (-»• Heraklit, -*• Empedokles).

Przedstawione zastrzeżenia wskazują, że II zasada termodynamiki nie jest bezwzględnie obowiązującym prawem, lecz tylko wyraża pewne statystyczne prawidłowości, nie można więc przy współcz. stanie rozwoju wiedzy przyr. twierdzić w sposób kategoryczny o czasowym początku istnienia świata (K. Kłósak), a w konsekwencji — o stworzeniu go przez Boga.

Dowód na istnienie Boga z prawa wzrostu e. odrzucają także przedstawiciele filozofii klasycznej i teologii (w Polsce m.in. W. Granat, S. Kamiński, M. Krąpiec i Z. Zdybicka), wskazując na odrębność i wzajemną niezależność metod i celów filozofii oraz nauk przyr.; uważają oni, że istnienia Boga dowodzi się nie tyle opierając się na hipotezach przyrodoznawstwa (których ekstrapolację stanowi dowód z e.), posługującego się zazwyczaj różnymi odmianami -> indukcji w celu opisania zachodzących w świecie zjawisk i odkrycia rządzących nimi prawidłowości, lecz jedynie niezawodnymi metodami rozumowania obowiązującymi w filozofii, dociekającego ostatecznych przyczyn istniejącej rzeczywistości.

Wnioski z badań nauk przyr. nie są w stanie wyjaśnić, że świat miał początek w czasie i został stworzony przez Boga; interpretacji takiej jednak nie wykluczają, a biorąc pod uwagę fakt istotnego uwarunkowania współcz. obrazu świata przez naukę, mogą służyć jako nauk. podstawa do postawienia i rozpatrzenia tego problemu w aspekcie filoz. i światopoglądowym.

 

K. Wais, Kosmologia ogólna, Wwa 1907,1909J; A.S. Eddington, The Nature of the Physical World, C 1928,1932» (Nowe oblicze natury, Wwa 1934); J. Jeans, Astronomy and Cosmogony, C 1928; tenie, The Mysterious Universe, C 1930, 1937" (Nowy świat fizyki, Wwa brw); A.S. Eddington, The Expanding Universe, C 1932,19331, 55-58; R.C. Tolman, Relativity-Thermodynamics and Cosmogony, Ox 1934; A.S. Eddington, New Pathways In Science, C 1935 (Nauka na nowych drogach, Wwa 1937); P. Lecomte du Noüy, L'avenir de l'esprit, P 1941«', 66-68; E. Schrödinger, What Is Life?, C 1944, 19511; I. Prigogine, Etude thermodynamique des phénomènes irréversibles, P 1947 ; I. Różycki, Dogmatyka, Kr 1947, 1 523-525; J. Seiler, Philosophie der unbelebten Natur. Eine Auseinandersetzung mit den Ergebnissen der Naturwissenschaft, Ol 1948; M. Crenna, La nuova dimostrazioni dell' esistenza di Dio, DThP 52(1949) 330-339; tenie. Sulla finitezza dimensiva dell'universo, DThP 53(1950) 374-376; L. Landau, E. Lifszyc, Statistlczeskaja fizika klasslczeskaja i kwantowaja, Mwa 1951 (Fizyka statystyczna, Wwa 1959); J. Maritain, Approches de Dieu, P 1953, 51-52; M. Grison, Problèmes d'origines. L'univers, les vivants, l'homme, P 1954; L. Brillouin, Science and Information Theory, NY 1956,1962' (Nauka a teoría Informacji, Wwa 1969); M. Smoluchowski, Granice stosowalności drugiej zasady termodynamiki, w: Wybór pism filozoficznych, Wwa 1956, 106-155; L. Brillouin, Information Theory and Its Applications to Fundamental Problems In Physics, Nature 183(1959) 501-502; F. Selvaggi, Cosmologia, R 1959, 360--366; W. Granat, Teodycea. Istnienie Boga i jego natura, Pz 1960, Lb 19682, 255-261 ; O.C. Beangregard, Sur l'équivalence entre information et e.. Science 11 (1961) 51-58; K. Gumiński, Termodynamika procesów nieodwracalnych, Wwa 1962; A.I. Bychowskij, Żywyje organizmy i antientropijnyj ejfiekt Informacyl, Woprosy filozofii 19(1965) z. 9, 118-123; K. Popper, Time's Arrow and E., Nature 207(1965) 233-234; F. Górski, 100 lat e.. Wszechświat 5(1966) 109-114; J.H. Linford, An Introduction to Energetics, Lo 1966; I. Prigogine, Aspects de la thermodynamique des systèmes biologiques, w: Biogenèse, P 1967, 55-56; tenże, Structure, Dissipation and Life, w: Theoretical Physics and Biology, Lo 1967, 23-52; H. Woolhouse, Negentropy in Information and the Feeding o Organism, Nature 213(1967) 952; B. Campbell, Biological E. Pump, Nature 215(1968) 1308; F. Górski, E. of Living Matter and Problem of Reductiontsm In Biology, Bulletin de 1'Acadćmie Polonaise des Sciences 16(1968) z. 2, 121--126; J. Wilson, Increasing E. of Biological Systems, Nature 219(1968) 534-535; tenże. E., not Negentropy, Nature 219(1968) 535-536; H. Piersa, Ocena dowodu ze wzrostu e., w; W. Granat, Teodycea. Istnienie Boga i jego natura, Lb 19682, 248-255; P. Glansdorff, I. Prigogine, Thermodynamic Theory of Structure. Stability and Fluctuations, Lo 1971 ; 1. Prigogine, A. Babloyantz, Coherent Structures and Thermodynamic Stability, w: Chemical Evolution and the Origin of Life, A 1971, I 29-36; G. Martyniuk, Próba charakterystyki śmierci organizmu w aspekcie termodynamiki, Lb 1974 (mpsBKUL); T. Ścibor-Rylska, Problemy życia l organizacji. Porządek i organizacja w przyrodzie, Wwa 1974, 150-174; J. Tonnelat, Thermodynamique et biologie I-II, P 1978; S. Dymus, Termodynamika, Wwa 1979, 115-131; K. Kłósak, Próba argumentacji za początkiem czasowym wszechświata w oparciu o drugą zasadę termodynamiki i Ich krytyczna ocena, w: Z zagadnień filozofii przyrodoznawstwa i filozofii przyrody, Wwa 1979, 55-120.

Podobne prace

Do góry