La vita è caotica: impariamo l’entropia

Paul M. Sutter è un astrofisico presso l’Ohio State University, ospite di Ask a Spaceman and Space Radio e autore di “Your Place in the Universe” (2018). Sutter ha contribuito a questo articolo Space.com le voci degli esperti: Op-Ed& Insights.

Ci sono alcune certezze universali. Morte. Imposta. La seconda legge della termodinamica. Sono sicuro che troverete un sacco di articoli on-line e fuori circa le prime due cose su quella lista, ma questo è circa il terzo. Questa legge, identificata per la prima volta da Sadi Carnot nel 1824 nelle sue riflessioni su come funzionassero effettivamente le utili ma misteriose macchine a vapore, si erge alta e orgogliosa oggi, elevata in un fatto immutabile dell’esistenza. Non importa quanto duramente ci provi, semplicemente non puoi sfuggire alla presa di ferro della sua fredda e implacabile conclusione: nei sistemi isolati, l’entropia non può diminuire.

Uh, OK. Che cos’è l’entropia? Perché cambia?

Conta le molecole

Se ti dessi una scatola d’aria e ti chiedessi di misurarne le proprietà, il tuo primo istinto sarebbe quello di estrarre un righello e un termometro, registrando importanti numeri dal suono scientifico come volume, temperatura o pressione. C’è una buona ragione per cui è il tuo primo istinto. Sai che qualcosa come “aria” è davvero una raccolta di molecole microscopiche ronzanti e brontolanti. Si potrebbe immaginare-brevemente-che si potrebbe registrare tutte le posizioni e le velocità di ogni singola molecola, ma si sarebbe rapidamente abbandonare tali nozioni come eccessivamente ingombrante e anche sciocco.

Dopo tutto, numeri come la temperatura, la pressione e il volume ti danno tutte le informazioni che ti interessano. Questi fatti ti diranno tutto ciò che devi sapere su come si comporterà la scatola d’aria se l’hai aperta, spremuta o fatta saltare in aria. Non importa come tutte quelle minuscole particelle si organizzino-sono affari loro, non tuoi.

E questo è esattamente il punto. Ci sono tanti modi diversi di organizzare le molecole d’aria nella tua scatola che portano alla stessa pressione, temperatura e volume. Scambia una particella con un’altra-lo noteresti? Girare un paio di loro intorno — hai anche prenderlo? La pressione, la temperatura e il volume potrebbero rimanere invariati.

Ed ecco dove entra in gioco l’entropia. Il concetto di entropia cattura il numero di modi diversi in cui puoi riorganizzare le cose che non puoi vedere (le minuscole particelle d’aria) per ottenere ancora le stesse esatte misure che puoi vedere (come la pressione).

Cambiare i tempi

È bello, ma perché quel numero non dovrebbe mai diminuire? Per esplorare, puliamo la tua stanza.

Immagina finalmente di riunirti, di cancellare il tuo programma del fine settimana, di svegliarti presto, di afferrare quella tazza di joe e di fare la cosa che hai rimandato dalle vacanze: pulire la tua stanza. Da cima a fondo, da parete a parete. Pulito e organizzato. Un posto per tutto e tutto al suo posto. Perfezione.

Quanto tempo pensi che durerà l’ideale platonico di una stanza? Non molto tempo, ti rendi conto, come la natura sisifo dei vostri sforzi — e forse tutta la vostra esistenza-scatta a fuoco acuto.

Ma perché la tua camera non dovrebbe rimanere pulita e ordinata per gli anni a venire? Perché se solo una cosa — una sola cosa — cambia, non è più pulita. Un calzino sporco sul letto? Disordinato. Una federa arruffata? Disordinato. Una scatola di snack cracker sul comodino? Non giudicherò, ma anche disordinato.

In questo esempio, ci sono solo accordi selezionati che portano alla misurazione di “pulito”, ma ci sono milioni e milioni di possibili accordi che portano alla misurazione di “disordinato.”Se un tornado dovesse colpire la tua stanza appena pulita, quali sono le probabilità che rimanga nello stato pulito? Non è zero: il tornado, per puro caso casuale, potrebbe raccogliere ogni singola cosa nella tua stanza e restituirla al suo posto originale. Ma che una piccola possibilità nel biglietto finale Powerball-e diciamocelo, non si sta andando ad essere il vincitore. Sei molto, molto più probabilità di trovare una stanza disordinata dopo lo sciopero tornado, semplicemente perché ci sono tanti altri modi per una stanza di essere disordinato.

L’entropia è una dura padrona

Allo stesso modo, non c’è assolutamente nulla che impedisca alle molecole d’aria nella tua stanza di decidere collettivamente di dirigersi nella stessa direzione e affollarsi nell’angolo, lasciandoti asfissiare nel vuoto. Scherzi a parte, nessuna legge di particelle o interazioni molecolari impedisce che. Ma il movimento delle molecole d’aria è governato da innumerevoli collisioni casuali e movimenti — un tornado molecolare senza fine di attività. Questi innumerevoli movimenti essenzialmente lasceranno sempre l’aria in uno stato disorganizzato e disordinato: distribuito uniformemente in tutta la stanza. E tutto perché ci sono così, così molti più modi per l’aria di essere sparsi che stipati in un angolo.

In definitiva, i sistemi non passano mai dal disordine all’ordine (a meno che non ci sia un modo per aggiungere energia a loro, ma questa è una storia per un altro articolo) a causa delle statistiche schiaccianti che lo impediscono. La probabilità di uno stato disordinato rispetto a uno stato ordinato non è qualcosa come 10 a 1 o 3.720 a1, è più come trilioni su trilioni su trilioni (e gettare qualche altro trilione lì solo per buona misura) a 1.

Come nel caso della nostra stanza una volta ordinata, ci sono pochissimi modi per creare una stanza pulita e un numero enorme di modi per crearne uno disordinato. E diverse disposizioni di “disordinato” (come un calzino sporco lasciato sul letto contro sul comò) porterà alla stessa misurazione della temperatura o della pressione. Entropia cattura il numero di modi diversi in cui è possibile riorganizzare la stanza disordinata per ottenere gli stessi valori. E i sistemi, lasciati ai propri dispositivi caotici, cercheranno sempre una maggiore entropia, semplicemente perché ci sono molti più modi per fare un pasticcio che fare un pulito: la seconda legge della termodinamica.

Per saperne di più ascoltando l’episodio ‘Mi arrendo, che cosa è il tempo? sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Michael M., @matt_jakubowski, jmautobot, David M., Adam H., Pete E., Adityadhar, Mihail E., @ emilio_mira e Rowan H. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando # AskASpaceman o seguendo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su Twitter @ Spacedotcom e su Facebook. Articolo originale su Space.com.

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