אנטרופיה ומשמעות החיים

מנועי הקיטור שהומצאו במאה ה18 היו הגורם העיקרי למהפכה התעשייתית הראשונה. עד לעת ההיא בני האדם התבססו בעיקר על הכח של השרירים שלהם, של בהמות, של הרוח או של מים זורמים. המנועים החדשים איפשרו לבני האדם להתחיל לרתום למטרותיהם כמויות אדירות של אנרגיה, ששינתה לחלוטין את כדור הארץ ואת החיים שלנו. אך לא הרבה יודעים שהמחקר שהתפתח סביב נצילות המנועים טמן בתוכו זרע של מהפכה גדולה אף יותר. מהפכה תפיסתית ששינתה את את הידוע לנו על זמן, אינפורמציה, גלקסיות, חורים שחורים, אבולוציה ועוד. המפתח להבנת המהפכה הזאת הוא מושג מיסתורי הנקרא אנטרופיה.

מה זה אנטרופיה?

לפני כשלוש שנים פרופסור מאוניברסיטת בן גוריון, עמד בפניי הסטודנטים שלו להנדסה והודה בפה מלא: "אף אחד באוניברסיטה לא יודע באמת מה היא אנטרופיה." מה גרם לפרופסור לומר זאת על מושג כה בסיסי? והאם נוכל להתגבר על החמקמקות של הנושא ונצליח לתאר אותו בפשטות ובבהירות? בואו לפחות ננסה.

ההסבר האינטואיטיבי הנפוץ ביותר טוען שאנטרופיה היא מדד לאי סדר. למרות שזהו לא הסבר מדעי מדויק הוא עוזר לנו להתחיל להבין על מה אנחנו מדברים. אז מה זה בכלל סדר? אם אכנס לבית שלי ואסתובב בו עם מגפיים מלאות בבוץ אחרי כמה דקות אני ארגיש שהבית כבר לא נקי ומסודר. אך אם אסתובב בין העצים עם אותם המגפיים אך אחד לא יאשים אותי בלכלוך היער. למה אדמה, שבחוץ אינה נחשבת לליכלוך מלכלכת את הבית? משום שאנו, בני האדם, הגדרנו שאנו יוצרים בתוך הבית שלנו סביבה בה אין אדמה (חוץ מעציצים). ולשם כך היה עלינו ליצור הפרש בין הבית שלנו לשאר היבשת אשר מלאה באדמה. זה דרש השקעת אנרגיה בעת הבנייה, ואנו משלמים על ההפרש הזה בצורך בלתי פוסק לשמר אותו על ידי טיטוא הבית מחול.

המסקנה היא שסדר מתאר הפרש, הפרדה. ובדרך כלל כשמדברים על אנטרופיה ההפרש הזה מתבטא באנרגיה. הקפה המהביל שהכנתי כעת יהיה פושר בעוד כעשרים דקות. למה? כי ה"סדר" האנרגטי הזה בו יש קפה חם ליד חדר הרבה פחות חם נוטה להתבלגן. וזה לא רק הקפה. אם תביטו סביב תגלו שככה הטבע פועל.

השאיפה הכי חזקה בטבע, או בשמה הרשמי – החוק השני של התרמודינמיקה.

כחלק מהמחקר החדש שהחל להתפתח במאה ה18 על נצילות מנועים והתנהגות החום, גילו המדענים שכל תהליך שמתרחש ביקום מגדיל את האנטרופיה או משאיר אותה כפי שהיא. הם קראו לתופעה הזאת החוק השני של התרמודינמיקה. החוק הזה מתאר את השאיפה הבסיסית ביותר של הטבע – לצמצם הפרשים באנרגיות. זה קורה בגלל שאותו מדד לאי -סדר הנקרא אנטרופיה יכול רק לגדול, ולכן היקום הולך ו"מתלבגן", שזאת הדרך העממית להגיד שיש בו פחות הפרשים. עצרו רגע ותבחנו את ההתרחשויות המעניינות מסביבכם. אם תחקרו אותן מספיק לעומק אתם תגלו שהן כרוכות בצמצום הפרשי אנרגיה. צליל הרכב שאתם שומעים כרגע נוסע, הרוח המלטפת את העורף שלכם, החשמל בתוך הנייד או הלפטופ שלכם. בכל אחד מהתהליכים האלו מתרחשת השוואה של הפרשי אנרגיות. מה שמוביל אותנו לשאלה הבאה.

האם החיים סותרים את החוק השני של התרמודינמיקה?

אם הטבע שואף לצמצמם הפרשי אנרגיות, כיצד יצורים חיים מצליחים לתחזק את הגוף שלהם שדורש יצירת הפרש מהסביבה, סדר מופתי ותנאים קבועים ויציבים? עשרות שנים ביולוגים ישבו והתחבטו בשאלה הזאת, שאפשר לנסח גם כך – האם החיים סותרים את החוק השני של התרמודינמיקה? היום אנו יודעים בוודאות שהתשובה היא לא. ושמטבוליזם הוא המפתח לסוגיה הזאת. יצורים חיים אוכלים משהו, למשל במבה, מפרקים קשרים כימיים עתירי אנרגיה, מייצרים חום ועל-ידי כך מגדילים את אי-הסדר בסקאלות גדולות. לכן בסקאלה המקומית שלהם הם מצליחים ליצור הפרשי אנרגיה. יש עוד מערכות בטבע שפועלות בצורה דומה. כגון מערבלים, הרי געש, ברקים וטורדנו.

או כפי שתיאר זאת יורם שורק בטור המעולה שלו: 'למה אנחנו אוכלים: "החיים הם טורנדו עם זיכרון – מערכת מסודרת ויציבה אשר זורם דרכה שטף של אנרגיה ושל חומר באופן המעלה את האנטרופיה הכללית בצורה יעילה." אם החיים הם מערכת שמטרתה להגדיל את האנטרופיה כנראה שיש קשר בין אנטרופיה לאבולוציה.

אבולוציה ואנטרופיה.

המחקר המתקדם ביותר בנושא הזה מתבצע על ידי פרופסור מMIT בשם ג'רמי אינגלנד שמספר כתבי עת כבר הכתירו אותו כדארווין הבא. אינגלנד לקח את המשוואות של החוק השני , הרחיב אותן והצליח לקשר ביניהן לבין קצב הגדילה חיידק. משמעות הדבר הוא שיש לנו קישור ברור בין מאפיינים אבולוציונים חשובים לאנטרופיה ולחוק השני. זוהי מהפכה כה גדולה בתחום האבולוציה עד כי אפשר לומר בביטחון כי המדענים שיחקרו אבולוציה בעתיד יעסקו בעיקר באנטרופיה ובחוק השני של התרמודינמיקה. ושאנו נאלץ בעשורים הקרובים להתאים את האבולוציה הדארווינסטית למהפכה של אינגלנד. זה לא עוצר פה, כי ההבנה החדשה של החוק השני תשנה גם את תפיסת הזמן שלנו. אחת מהמסקנות המעניינות ביותר במחקר של אינגלנד היא שאנו נאלצים כל הזמן לשלם בחום על מנת "לקנות" זמן.

אנטרופיה וזמן

אם האנטרופיה של היקום הולכת וגדלה יש לכך משמעות ענקית לגבי זמן. מדוע? כי יש מדד הזה מעניק לנו ציר חד כיווני. אנו יודעים שיש כיום יותר אנטרופיה ביקום מאשר הייתה בימי נפוליאון. משמע שיש מדד פיזיקלי שאפשר לשייך לעבר ההווה עתיד. לכן אנטרופיה היא הכלי העיקר בו משתמשים פיזיקאים החוקרים זמן. אם נתבונן על התהליכים מסביבנו נוכל להבין שכיווניות ברורה של זמן קשורה להיווצרות חום. דמיינו לרגע סרטון של ילד המתנדנד על נדנדה. האם אתם יודעים לקבוע בוודאות האם זהו הילוך רגיל או אחורי? זוהי משימה מאתגרת כי מדובר בתהליך שלא נוצר בו הרבה חום ואין בו שינוי ניכר באנטרופיה, משום כך כיווניות הזמן בו לא חזקה. (באופן אירוני גם הסיבוב של כדור הארץ סביב השמש, הדרך הקלאסית בה אנו מודדים את הזמן. הוא תהליך סימטרי שלא יוצר כיווניות זמן חזקה). בואו ניקח תהליך אחר שיצר הרבה חום. לדוגמא עץ שנשרף לגחלים או ספל שנפל מהשולחן בסלון לריצפה והתנפץ לרסיסים. קל יהיה לכם להבדיל בין הילוך אחורי להילוך הרגיל של תיעוד של מקרה כזה. משום שמעולם לא ראיתם גחל הופך לעץ, או רסיסי קרמיקה המתגבשים לצורת ספל שמחליט לנתר לעבר השולחן.

אנטרופיה ואינפורמציה

הכינוי העממי שדבק באנטרופיה – מדד לאי סדר, הוא כנראה מדויק פחות מהכינוי בה פיזיקאים נוהגים לכנות אותה – אינפורמציה חבויה. מה הקשר בין אינפורמציה לאנטרופיה? בסוף שנות הארבעים כתב המתמטיקאי קלוד שאנון מאמר שייסד את מדע האינפורמציה. במאמר המפורסם הזה הוא הצליח לתאר במשוואה אחת את האפשרויות הטמונות במסר לפי מידת המורכבות שלו. מה שמעניין הוא שהמשוואה שנוצרה זהה למשוואה שמתארת את האנטרופיה במכניקה הסטטיסטית. מה שמוביל לשאלה האם אינפורמציה זהה לאנטרופיה. זוהי שאלה פתוחה וקשה שלא נכנס אליה כרגע, אך נסכם אותה בכך שגם אם אין זהות, יש קשור עמוק ושורשי בין שני המושגים. שהכלל המנחה אותנו הוא שככל שהאנטרופיה גבוהה יותר, כמות האינפורמציה שיש לנו על המערכת קטנה. בחוויה האישית שלכם כנראה חוויתם את ההרגשה שכשהחדר שלכם מבולגן קשה לכם לאתר חפצים, מה שיכול לתת לכם תחושת בטן מדוע אי סדר גבוה מוריד את כמות האינפורמציה שיש לנו על המערכת.

ההבדל בין ידיעה של מתבונן חיצוני לבין ידיעה כחלק קוהרנטי מהמערכת

הפרקטיקה המדעית בנויה על חקירת אובייקטים כמשקיף חיצוני. יש לשיטה הזאת יתרונות רבים אך גם תיקרת זכוכית שהולכת ונעשית ברורה ככל שהמדע מתפתח. כאשר אנו, כמתבונן חיצוני מנתחים התנהגות של דבר מה מסביבנו, למשל סנאי, אנו רוצים ללקט על האובייקט כמה שיותר מידע. הבעיות מתחילות כאשר ליקוט המידע מגיע לרזולוציות הולכות וקטנות. מכניקת הקוונטים מבהירה לנו כי על מנת לאתר אלקטרון עלינו להפעיל כמות גדול של אנרגיה (לדוגמא על ידי קרני רנטגן). הבעיה היא שהאנרגיה הזאת משפיעה על המערכת אותה אנו חוקרים, ואם ברצוננו לדעת את כל האינפורמציה האפשרית על המערכת שנקראת סנאי, עלינו לטגן אותו בקרינה כה חזקה שתביא להשמדה שלו. וכאן נחשפת המגבלה של כמות האינפורמציה המגיעה מיחסי אובייקט סובייקט שהתודעה המפצלת שלנו רגילה בה. משמעות הדבר היא שעל מנת להגיע לרמת הידיעה הגבוהה ביותר עלינו להפוך ליהיות חלק קוהרנטי מהמערכת, משום שבמצב זה מעבר האינפורמציה אינו כרוך בהשקעת אנרגיה. המסקנה היא שהפרקטיקה המדעית יכולה להביא אותנו עד לגבול מסוים של הכרה, ואם ברצוננו להמשיך משם עלינו לפנות לעולמות הפילוסופיה והמיסטיקה. כשהחוויה המיסטית בייסודה היא השגת הידיעה המושגת מחוסר נפרדות למערכת. עד למצב בו אין יותר אינפורמציה חבויה והאנטרופיה שווה לאפס.

מקורות

The Rainbow and the Worm: The Physics of Organisms by  Mae-Wan Ho

Complexity and the Arrow of Time Edited by Charles H. Lineweaver, Australian National University, Canberra, Paul C. W. Davies, Arizona State University, Michael Ruse, Florida State University

פנס בחשיכה – אנטרופיה, שזירה קוונטית וידע נסתר

The Feynman Lectures on Physics Textbook by Matthew Sands, Richard Feynman, and Robert B. Leighton

A Mathematical Theory of Communication by Claude Shannon

Statistical physics of self-replication Jeremy L. England