Entropie

entropie – (z řec. entrope, to z en = v, uvnitř, trope = pohyb) – tento pojem původně vznikl ve fenomenologické termodynamice při studiu energetických přeměn v uzavřených soustavách, u nichž se neuvažuje vliv okolí. Přestože obecně platí zákon zachování a přeměny energie, nelze nikdy využít celý objem dané energie k užitečné mechanické práci. Při všech energetických přeměnách vždy vzniká teplo a část z něho se spotřebuje na vyrovnání tepelných rozdílů v dané soustavě, čímž je pro další užitečnou práci definitivně ztracena. Německý fyzik R. Clausius zkoumal tuto tendenci tepla k vyrovnávání teplotních diferencí, to, že přechází vždy jen z teplejších těles na chladnější a bez zásahu zvenčí nikdy samočinně nepřejde opačným směrem. Jako míru této stále rostoucí disipované části celkové energie v uzavřeném termodynamickém systému, kterou v něm nelze přeměnit v užitečnou práci, zavedl veličinu s názvem e. S ní vstupuje do fyziky myšlenka směru času: přír. procesy nejsou časově reverzibilní, jak předpokládala newtonská dynamika, nýbrž nevratně směřují k rovnovážnému stavu s max. e. Původní termodynamická interpretace růstu e. jako absolutně, bez výjimek platného zákona vedla až k představě tepelné smrti vesmíru – stavu, kdy se všechny teploty v celém vesmíru vyrovnají, energie ztratí schopnost konat práci a nastane věčný klid. To vše by platilo přirozeně za předpokladu, že je vesmír uzavřený systém.

Koncem 19. st., kdy byla termodynamika aplikována na nové oblasti reality (např. na elektrické a magnetické jevy, na elastické procesy a chemické reakce), se zdálo být neuspokojivé, aby její centrální pojem jako e. byl založen jen na makroskopické inženýrské zkušenosti se stroji a jejich energetickou výkonností. Vznikla statist. interpretace e., odvozená z mikroskopické kinetické teorie tepla. Největší zásluhu na tomto výkladu e. mají L. Boltzmann a J. C. Maxwell. Podle kinetické teorie tepla je pohybová energie nepravidelně rozdělena na jednotlivé molekuly systému a sama od sebe přechází od méně pravděpodobného rozdělení jejich termodynamického stavu k pravděpodobnějšímu. Celkově pak směřuje k rovnováze jako nejpravděpodobnějšímu stavu. E. tak vyjadřuje tuto všeobecnou tendenci přírody k rovnováze jako poklesu uspořádanosti mikrosystémů. Na rozdíl od dřívějších představ má u Boltzmanna zákon růstu entropie statist. charakter a jako takový připouští i výjimky. Je proto teor. slučitelný i s existencí nanejvýš nepravděpodobných ostrůvků dění, v nichž by mohl být průběh procesů opačný, než je pokles jejich uspořádanosti, jak je tomu např. u procesů života. Boltzmann se celý život snažil o mechanistickou interpretaci e.. Usiloval nejen o statist. popis rovnovážného stavu jako třeba Maxwell, ale pokoušel se i o mechanistické vysvětlení evoluce k němu. Jak ukázal Poincaré, Boltzmannovi se nepodařilo vyvodit zákon růstu e. z newtonské dynamiky. Musel by totiž rozřešit problém, jak mohou reverzibilní dynamické zákony pohybu částic zrodit ireverzibilní evoluci, což je bez dodatečných apriorních předpokladů sotva možné. Statist. výklad růstu e. tedy z dynamiky sice neplyne, ale přesto jí neodporuje: vratné i nevratné procesy mohou koexistovat v jednom a tomtéž vesmíru, protože termodynamická nevratnost nemusí být nutně jeho univerzálně platnou vlastností na všech úrovních vesmírného dění.

Problém růstu e. byl nově zpracován v souvislosti se vznikem kybernetiky a teorie informace, kdy věda začala exaktně zkoumat informační výměnu mezi systémy a překročila tak fyzikální energetický rámec úvah o e.. Byla zde vysvětlena jako opačná veličina k informaci: její růst měří ztrátu informace, tedy úbytek uspořádanosti systému, kdežto informace je naopak mírou pro její růst. V kybernetických disciplínách je informace pojata jako negativní entropie čili negentropie. Myšlenkově velmi podnětným přínosem pro vznik nové, tzv. nerovnovážné termodynamiky byly práce I. Prigogina a jeho bruselské školy a práce na teorii sebeorganizace systémů. Ukazuje se v nich, že tendence přír. procesů k termodynamické rovnováze, vázaná na problematickou existenci uzavřených soustav, není zdaleka tak univerzální, jak se domnívala klasická fyzikální věda. Nerovnovážné procesy nemusí vést vždy jen k návratu k původnímu rovnovážnému stavu, ale mohou naopak v určitých podmínkách dát vznik zcela nové rovnováze s vyšší úrovní uspořádanosti, než byla původní. Z chaosu může vzniknout nový, jiný než původní pořádek. V tomto případě ovšem časová šipka přír. dějů nemíří k „tepelné smrti vesmíru“, ale sleduje opačný směr růstu jeho uspořádanosti. Často bývá kladena otázka, jaký směr času platí pro „vesmír jako celek“. Jsou procesy růstu informační komplexity – negentropie jen lokálním ostrůvkem v celkovém trendu vesmíru k dezorganizaci s maximální entropií, anebo je tomu právě naopak? Od vzniku nestacionárních modelů vesmíru, které soudobá věda rozvíjí v návaznosti na obecnou teorii relativity, kvantovou mechaniku, teorii velkého třesku a černých děr (např. v pracích S. Hawkinga) zůstává odpověď na podobné otázky v podstatě otevřená.

entropy entropie Entropie entropia

Literatura: Glansdorf, P. – Prigogine, I.: Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations. Brussels; Wiener, N.: (1954) Kybernetika a společnost. Praha 1963.

Miloslav Král