V časoch parnej revolúcie známi fyzici ako Sadi Carnot skúmali, či je možné energiu z paliva získať dokonale. Ak je v nejakom množstve uhlia zakonzervovaný jeden megajoule energie, dokážeme všetku túto energiu premeniť na užitočnú prácu – napríklad na poháňanie lokomotívy?
Odpoveď, ktorú dokázal práve Carnot, je, že nie, vždy sa nám aspoň časť energie zmení na teplo, ani jeden energetický cyklus nie je stopercentný. Je to frustrujúce – akoby nám zo systému vytekala energia, pričom je fyzikálne nemožné tomu zabrániť.
Toto je, čo sa týka vysvetľovania, trochu nevďačné miesto. To, že sa teplota nenávratne rozplýva do okolia, je totiž niečo, čo všetci poznáme a vieme. Na prvý pohľad nás to teda neprekvapí. Na druhý pohľad to však problém je, takéto deje by predsa v prírode nemali existovať! Tento problém sa rozplynie až na tretí pohľad. Treba tak spraviť dva kroky, aby sme sa vo výsledku aj tak ani nepohli z miesta. Vysvetlíme si, prečo by problém mohol existovať, no aj prečo vlastne neexistuje. Má to isté filozofické čaro, na pôvodné miesto sa totiž vrátime múdrejší. Tak poďme na to!
Vo svete okolo nás je milión vecí, ktoré je ľahké urobiť, ale takmer nemožné odrobiť. Respektíve, spraviť ich je veľmi ľahké, aby sme ich odrobili, potrebujeme mikroskopickú pinzetu a more trpezlivosti, ako v príklade s odháraním dreva. Zoberiete čiernu a bielu farbu, pomiešate a dostanete sivú. S ňou však môžete robiť takmer všetko, čo len chcete, pôvodné dve farby z nej nedostanete. Je sto spôsobov, ako rozbiť vajíčko, ale nepoznám ani jeden, ktorý by ho rovnako jednoducho vrátil nepoškodené do škrupiny. Polienko zhorí v kozube bez problémov. Nikdy sa však nestane, že by sa teplo z celej izby skoncentrovalo v kozube a za prítomnosti potrebných molekúl spontánne vytvorilo polienko, ktoré z popola povstane ako – trochu menej impozantný – fénix. Toto všetko dobre vieme. No prečo to tak je? Prečo existujú nevratné deje?
Predstavte si jednoduchý fyzikálny proces. Napríklad, hodíte loptičku do steny a ona sa odrazí. Natočte si takýto jednoduchý proces na mobil a spravte drobný žartík, video pustite niekomu odzadu. Loptička letí, akurát z opačnej strany, a odrazí sa tiež naopak. Obeť vášho žartu si nemá šancu všimnúť, že je s niečím problém – lopta sa predsa môže odrážať dopredu aj dozadu, zľava doprava aj sprava doľava, je to rovnako reálna možnosť. Alebo iný príklad, vidíte video, kde letí vzduchom list. Letí doprava, alebo vám niekto pustil video odzadu a v skutočnosti letel list doľava? Vidíte video stúpajúcej lopty, práve ju niekto vykopol, alebo je to vlastne video dopadajúcej lopty pustené odzadu? Na tieto otázky neexistuje jednoznačná odpoveď, obe možnosti sú rovnako prípustné.
Fyzikálne deje sú – aspoň na mikroskopickej úrovni – vratné. Vyzerajú rovnako, aj keď ich pustíte na videu odzadu. Na pohľad vám neprezradia, ktorým smerom plynie čas. Ak sledujete jeden konkrétny atóm, každý jeden jeho pohyb, jeho odraz, jeho interakcia by úplne rovnako mohla prebiehať aj naopak. Prečo teda, keď vidíte video, na ktorom sa rozbilo vajíčko, tak hneď viete, že video nebolo pustené odzadu? Prečo je také ľahké vmiešať mlieko do kávy a v podstate nemožné ho z nej vymiešať? Platia v tomto prípade iné fyzikálne zákony? Prečo zrazu na smere plynutia času záleží?
Pootvorili sme dvere do miestnosti, kde by sme sa ľahko mohli pozabudnúť na dlhé hodiny. Ťažko je však odolať pokušeniu nahliadnuť aspoň na chvíľu. Čo spôsobuje, že makroskopický svet okolo nás má jasný smer vývoja, aj keď fyzikálne zákony, ktoré ho riadia, sú časovo symetrické? V hrubých črtách je táto nevratnosť vecou pravdepodobnosti a štatistiky. Predstavte si, že si dokonale upracete izbu. Stôl je utretý, perá sú v peračníku, knihy v knižnici, páska a pravítko sú uložené v šuplíku. Dokonalý poriadok. Keby sa dve veci vymenili, hneď by to bolo vidno – peračník v knižnici a kniha v peračníku. V dokonalom poriadku má každá vec svoje miesto.
A teraz si predstavte, pre niektorých to bude možno ľahšie, dokonalý neporiadok. Ponožka visí z lustra, perá vysypané na podlahe, knihy sa váľajú po posteli, vreckovky na stole. Ak vymeníte ponožku na lustri za vreckovku, dostanete zdanlivo rovnaký neporiadok. Ak hodíte knihy z postele na zem, tiež dostanete rovnaký neporiadok. Ak sa budú perá váľať v knižnici a knihy skončia na lustri, ponožky budú na stole a vreckovky na zemi, zasa to bude rovnako veľký neporiadok.
Aké je z toho ponaučenie? Neusporiadaných stavov je oveľa viac ako tých usporiadaných a veľmi sa na seba podobajú. Dôvod je jednoduchý. Neusporiadané stavy majú totiž vlastnosť, že aj keď jednotlivé časti systému poprehadzujeme, dostaneme síce iný, no rovnako veľký neporiadok. Fyzik by povedal, že rôzne mikroskopické stavy, teda rôzne rozloženie objektov, zodpovedajú identickému makroskopickému stavu, teda rovnako veľkému neporiadku v izbe. Je veľa možností, ako mať rozhádzanú izbu. Oveľa viac, než ako ju mať upratanú.
Kniha vychádza v roku 2021 vo vydavateľstve Slovart.
Súťažná otázka
Ak nám do 31. decembra 2021 pošlete správnu odpoveď na otázku:
Aká je vaša obľúbená otázka začínajúca sa slovom Prečo?
zaradíme vás do žrebovania o knihu S. Kováčika: Obyčajné zázraky. Svet očami Vedátora z vydavateľstva Slovart.
Svoje odpovede posielajte na adresu redakcie: odpovednik@quark.sk alebo Quark, Staré grunty 52, 842 44 Bratislava 4.
