Zoran Pazameta

Znalosť základných prírodných zákonov je esenciálna pre každé skeptické podujatie. Tu sa predkladá ich stručný rozbor tak, že sa im dá rozumieť- a vysvetliť ich iným – bez predbežných špeciálnych vedomostí.

Každý, kto študoval fyziku (vedu o prírodných zákonoch) vie, aká skľučujúca je úloha naučiť sa filozofický a matematický naturalizmus potrebný na pochopenie, vyjadrenie a používanie prírodných zákonov. Situácia sa komplikuje tým, že niektoré z týchto zákonov sú stále „vo vývoji” – vo vedeckej komunite sa o nich diskutuje. Okrem toho existujú dnes dva základné prístupy k štúdiu prírodného sveta (kvantová teória a Einsteinova fyzika), postavené na úplne odlišných základných predpokladoch (Sachs 1988). Našťastie v makroskopickom („reálnom”) svete, ktorý je predmetom tohto článku, nám fyzika odhalila rozhodné pravidlá, podľa ktorých sa všetko v prírode deje – pravidlá na určenie, čo je fyzicky možné a na vylúčenie toho, čo je nemožné. Týmto zákonom dôverujeme, pretože pri všetkých pozorovaniach a experimentoch, ktoré sa dosiaľ urobili (a ďalej robia), sa nikdy nezistila výnimka; to značí, že predstavujú najlepšie vysvetlenie prírodného sveta, aké dnes máme k dispozícii. Na tomto mieste sa môže niekto spýtať: Prečo existujú tieto zákony a prečo sú také dôležité? Odpoveď na túto otázku leží mimo dosahu vedy; vieme len to, že prírodné zákony vieme identifikovať, vieme pozorovať ich účinky a vieme ich použiť na vysvetlenie a predpovedanie prírodných javov. To je to, čo mal na mysli Einstein pri svojom chýrnom konštatovaní:

„Najnepochopiteľnejšia vec o vesmíre je pre mňa to, že sa dá pochopiť.”

Dá sa povedať, že najzákladnejší z týchto zákonov sformuloval sám Einstein; nie je to zákon o správaní sa prírody, ale skôr o prírodných zákonoch ako takých.

Princíp univerzálnosti

Princíp univerzálnosti hovorí, že prírodné zákony musia platiť rovnakým spôsobom všade. To značí, že sú objektívne; nezáleží na tom, kto robí pokus, alebo kde ho robí, za rovnakých podmienok musia vyjsť rovnaké výsledky. To značí, že naše znalosti, povedzme, biológie, chémie a prírodných síl v našej časti vesmíru nám umožňujú odhadnúť možnosti a hranice života a cestovania v iných oblastiach vesmíru. Keďže rýchlosť svetla (c v rovnici E = mc2) je hranica rýchlosti pre pohyb a šírenie signálov tu, u nás, je (extenzívne potvrdenou) hranicou aj všade inde; nezáleží na tom, aká vyspelá vesmírna technológia môže existovať na iných svetoch, ich obyvatelia budú stále odsúdení cestovať cez ďalekosiahle rozlohy medzihviezdnych priestorov tisíce až milióny rokov, vždy pri rýchlosti menšej ako c, ako my. A čo sa týka „červíkových chodieb”, týchto hypotetických skratiek cez vesmír, to sú číre teoretické abstrakcie zaťažené konceptuálnymi nejasnosťami – vrátane porušenia viacerých zákonov, o ktorých bude reč, ako aj neprekonateľných praktických ťažkostí.

Princíp kauzálnosti

Kauzálnosť (príčinnosť) stanoví, že každý účinok musí mať príčinu, a táto existuje predtým, ako vyvolá účinok. Rodičia sa musia narodiť pred ich deťmi; nemôžu sa narodiť po nich. V Einsteinovej fyzike platí príčinnosť vo všetkých oblastiach prírodného sveta, ale kvantová teória pripúšťa porušenie mikrokauzálnosti na (mikroskopickej) úrovní kvánt. V našom makroskopickom svete platí kauzalita absolútne. To je dôležitá príčina, prečo je cestovanie v čase nemožné; ísť dozadu v čase totiž znamená prevrátiť naspäť každý prípad príčiny a účinku, a to v celom vesmíre, a medzi vtedy a teraz. Okrem samozrejmých praktických ťažkostí by to znamenalo porušenie iných základných prírodných zákonov – napr. zákona záchovy (pozri ďalej) – keby sa nemalo vrátiť späť aj cestovateľovo narodenie (alebo iná špecifická udalosť). Je pravda, že riešenie niektorých rovníc pre cestovanie pri rýchlostiach vyšších ako c dovoľuje prevrátiť späť smerovanie času, ale fyzikálne to nemá zmysel, pretože častice, ktoré by mohli existovať v takom svete – volajú sa tachyóny – nie sú reálne; majú len imaginárnu hmotu!

Dôležité je pamätať si, že vzťah medzi príčinou a účinkom musí byť oprávneným dôsledkom prírodného zákona. Pseudoveda často zneužíva bezvýznamnosti (ako napr. jednoduchú náhodnú zhodu) na vyvodenie súvislosti a potom zavedie do hry nepreveriteľné (a preto vedecky jalové) nadprirodzené agens, ktorým naivne spojí príčinu a účinok.

Treba tiež pripomenúť, že systém, ktorý je príliš komplikovaný, než aby sa dal modelovať na vzťah príčiny a účinku (napr. priestor plný molekúl vzduchu), sa obyčajne študuje za použitia štatistiky a pravdepodobnosti. Tento prístup dostal názov „matematická teória nevedomosti” (Kline 1964), pretože ho používame tam, kde nemôžeme sledovať (teda nepoznáme) fyzikálne správanie sa každej častice tohto systému. Štatistické spracovanie obíde podrobnosti toho, ako pôsobia prírodné zákony na každú jednotlivú časticu, a dá nám informáciu o stave celého systému; je to teda skôr opis ako vysvetlenie. Skúmame také aj systémy, pretože správanie sa každého ich komponentu je stále riadené tými istými prírodnými zákonmi ako celý ostatok univerza.

Zákon extrému

Zákon extrému stanoví, že každý prírodný proces pôsobí smerom extremizácie (maximalizácie alebo minimalizácie) fyzikálneho množstva. V matematike je extrémom maximum alebo minimum nejakej funkcie. Osobitne dôležitý prípad (vo vzťahu k zákonu o entropii, pozri ďalej) je zásada, že všetky systémy samy od seba smerujú do stavu minimálnej energie. To vysvetľuje veľa javov v prírode vrátane odumierania všetkých organizmov aj hviezd, že voda tečie sama od seba dolu brehom ale nie hore brehom, že teplota horúcich predmetov klesá na teplotu ich okolia, ako aj všetky možné chemické reakcie – od zhlukovania atómov do molekúl a molekúl do hmoty, po spaľovanie pohonných hmôt, hrdzavenie kovov a metabolizmus živých bytostí. To je príčina, prečo mŕtvy spontánne neoživne a prečo nikto nezostrojí stroj, ktorý by používal vodu (ktorá je „popol” po spálení molekúl vodíka a kyslíka) miesto benzínu. Ďalší príklad poskytuje Einsteinova teória všeobecnej relativity, podľa ktorej všetky telesá, na ktoré pôsobí príťažlivosť, sa pohybujú na dráhach maximálnej alebo minimálnej dĺžky, zvaných geodeziky. A celá geometrická optika (štúdium svetla prechádzajúceho cez makroskopické médiá) sa zakladá na Fermatovom princípe: svetlo sleduje dráhu, pre ktorú potrebuje minimálny čas.

Konzervácia (zachovanie) hmoty a energie

Vo všeobecnosti platí, že v izolovanom systéme sa dané fyzikálne množstvo v priebehu času nemení. Ak sa uplatňuje interferencia zvonku, dá sa vkľúčiť do prípadu rozšírením definície sledovaného „systému” a konzervácia bude platiť. Veľmi významný a užitočný zákon konzervácie hovorí, že hmota ani energia sa nedá v priebehu času ani vytvoriť ani zničiť; menia sa ich formy, ale ich celkový súhrn ostáva ten istý. Napríklad chemická energia určitého množstva benzínu sa zmení na to isté množstvo kinetickej energie v pohybujúcom sa aute. Brzdenie na križovatke mení kinetickú energiu na to isté množstvo tepelnej energie v brzdách a toto zvyšuje teplotu okolitého vzduchu, opäť o to isté množstvo. Samozrejme môžete pridať externé účinky ako odpor vzduchu, trenie pneumatík na asfalte atď. Celkový súčet bude stále rovnaký a bude to počiatočná energia benzínu A celková masa vzduchu a benzínu, spotrebovaného motorom auta, sa bude rovnať mase exhalátov (výfukových plynov). Pozrime sa teraz na mylnú vieru, že elektrické autá idú na „čistú” energiu. Kinetická energia takého vozidla prichádza z elektrickej energie, ktorá bola vyrobená inde, a to najmä premenou chemickej energie fosílnych pohonných hmôt alebo termálnej energie z jadrového reaktora. To všetko produkuje odpad, takže ani autá (a iné stroje) poháňané elektrickou energiou nepracujú naozaj „bez znečisťovania” prostredia!

Mnohí ľudia tvrdia, že duchovia z času na čas opustia svoju nefyzikálnu ríšu a objavia sa medzi nami. Ak môžu pôsobiť na náš materiálny svet (stať sa viditeľnými pre ľudské oko alebo fotografický prístroj, vyvolať pohyby predmetov atď.), musia byť aspoň čiastočne aj sami zložení z hmoty – keďže je pozorovateľný fakt, že len hmota produkuje žiarenie, gravitáciu a mechanické sily, ktoré pôsobia na inú hmotu. Preto stratiť sa z vlastnej oblasti a objaviť sa v našej znamená porušiť zákon o konzervácii hmoty (a energie) v obidvoch svetoch! V našom sa to jednoducho nemôže udiať.

Zákon entropie

Predstava o entropii je stále predmetom aktívnej diskusie medzi filozofmi vedy a je dosť ťažké vysvetliť ju, takže čo nasleduje, je moja osobná pracovná definícia. Považujem za užitočné definovať vzrast alebo pokles entropie ako stratu alebo zisk jednej, dvoch alebo všetkých troch týchto vlastností nejakého systému: poriadok, informácia a prístupná energia. Zákon o entropii potom stanoví, že v každej situácii skutočného sveta sa entropia izolovaného systému ireverzibilne zvyšuje.

Vezmime do úvahy jednoduchý list papiera na fotokopírovanie. Má určité pevné vlastnosti (geometrický tvar, rovnakú hrúbku, atď.). Má v sebe určitú informáciu, lebo všetky jeho častice sú v ňom presne umiestnené. Má aj určitú energiu k dispozícii, pretože ho môžeme zapáliť a vyprodukuje sa svetlo a teplo. Predpokladajme, že ho zapálime a necháme zhorieť. Poriadok sa stratil, lebo materiál už nemá tú peknú štvoruholníkovú formu, a častice sa rozpadli. Stratila sa informácia, lebo už nevieme, kde je ktorá častica; veľká väčšina sa rozpadla na dym a popol. Stratila sa aj energia, lebo teplo a svetlo sa rozptýlili do prostredia a zhorené ostatky majú oveľa menej energie, ako mal papier. Celkový výsledok je, že vzrástla entropia.

Môžeme „nakombinovať” oheň, dym a popol tak, že zvrátime každý mikroskopický pochod, ktorý sa udial pri spaľovaní a tak znovu vytvoríme papier? Teoreticky áno – ale len pomocou externej práce; jedným z dôsledkov zákona entropie je, že papier (podobne ako každý iný izolovaný systém) sa neregeneruje spontánne. Prakticky by to bola neuskutočniteľná úloha, a tak ostáva zhorenie papiera ireverzibilný proces. To isté platí, napríklad, pre smrť každého živého organizmu.

Každé živé stvorenie berie do seba zo svojho prostredia energiu, aby vyvážilo prirodzenú tendenciu smerom k zvyšovaniu entropie (a k jej konečným dôsledkom, smrti a totálnemu rozkladu). Kým to stačí pre individuálny rast čo do veľkosti a komplexnosti (zvyšujúci sa poriadok, viac informácií a prítomnej energie, čo je lokálne znižovanie entropie), entropia prostredia ako celku sa medzitým ireverzibilné zvyšuje. Tým, že Slnko vysiela do vesmíru energiu, jeho entropia sa ireverzibilne zvyšuje. Rastlina využíva nepatrné množstvo tejto energie a chemikálie zo svojho okolia, aby sa jej entropia počas rastu znížila. Dajme tú rastlinu do vzduchotesnej nádoby bez prístupu svetla a tento izolovaný systém veľmi rýchlo podľahne zákonu entropie: rastlina zahynie a rozpadne sa, ako sa bude blížiť maximum jej entropického stavu.

Iným dôsledkom zákona o entropii je, že každý pochod v skutočnom svete, biologickom alebo inom, musí produkovať odpad vo forme uvoľnenej energie (a často aj hmoty). Tento odpad môže byť veľmi malý, ale nikdy nie je nulový – to znamená, že nijaký prírodný alebo človekom vyvolaný proces nemôže prebiehať so stopercentnou účinnosťou. Ľudský metabolizmus je, napríklad, účinný len na 50 percent; polovina energie, ktorú získavame z prijatej potravy a vdýchaného kyslíka, sa mení na odpadové teplo. Je samozrejmé, že zákon o entropii vylučuje možnosť existencie praktického stroja s večným pohybom, ktorého účinnosť by bola podľa definície 100 percent, ani nehovoriac o tých zázračných strojoch s „voľnou energiou”, ktoré vyprodukujú viac energie, ako skonzumujú (to by bola viac ako 100 % účinnosť).

Na záver poznamenávam, že zákon o entropii sa dá vysloviť aj výrazmi zákona o extrémoch: Všetky prírodné procesy pôsobia tak, že maximalizujú entropiu systému. Ako sme videli, každý taký systém sa môže určitý čas udržovať pomocou energie, ktorú uvoľňuje nejaký iný systém na ceste k svojej maximálnej entropii, ale nakoniec musí entropia celého prostredia ireverzibilne vzrastať. Toto poskytuje ďalší argument proti cestovaniu v čase (ako aj, napríklad, proti zmŕtvychvstaniu), keďže každý z tých myriád procesov, ktoré sa udiali medzi dvomi dátumami (ako začiatok a koniec odumierania), je prakticky ireverzibilný. Niektorí filozofi tu uvádzajú do hry aj šípku času. Nakoniec sa dá uzatvárať, že starodávny grécky mysliteľ Herakleitos z Efezu mal pravdu:

Nedá sa dvakrát vstúpiť do tej istej rieky.

Prameň: Zoran Pazameta , The Laws of Nature – A Skeptics Guide, Skeptical Inquirer, 24/5, s.50-52, sept./okt., 2000.

* * *

Poznámka prof. F.L. Lamberta:

„Poriadok” a „informačnú entropiu” neslobodno zamieňať s klasickou termodynamickou, resp. štatistickou entropiou, ktorá jediná sa smie písať bez úvodzoviek. Entropia je indikátor energetických zmien v systéme hmoty a energie (alebo len energie), ako ju určuje druhý termodynamický zákon. Informačná „entropia” (Shanonova všeobecná matematická funkcia používaná v komunikačnej teórii) nemá vzťah k energii a preto sa nemá dávať do súvislosti s termodynamickou entropiou v populárnej diskusii. – Ďalej si neslobodno pojem entropie mýliť s dobre pomiešanými kartami či neporiadkom na stole alebo v spálni. Neporiadne usporiadanie makroobjektov nie je indikáciou zvýšenej termodynamickej entropie v nich oproti počiatočnému „väčšiemu poriadku”. Entropické zmeny sa musia udiať v samotnom agens alebo zdroji energie, ktorá ním hýbe.
Skeptical Inquirer, 25/1, s. 66, január 2001.

* * *

Poznámka A.D. Haldermana

Nie je asi celkom pravda, že „nijaký prírodný alebo človekom vyvolaný proces nemôže prebiehať so stopercentnou účinnosťo”, ako píše Zoran Pazameta. Ak ide o produkciu tepla, je možná 100 %-ná účinnosť ?
Vo svojej knihe The Fabric of Reality (Továreň skutočnosti) píše David Deutsch: „Táto vlastnosť je vo vzťahu k druhému termodynamickému zákonu, ktorý hovorí, že usporiadaná energia, napr. chemická alebo gravitačná, môže byť úplne konvertovaná na neusporiadanú energiu, t.j. teplo, ale nikdy nie naopak” (s.286).
Skeptical Inquirer, 25/1, s. 67, január 2001.

Preložil Rastislav Škoda