zaterdag 30 april 2011

Een regel met alleen maar uitzonderingen

Het allerkleinste dat we (voor zover ik weet) met hedendaagse technologie kunnen zien zijn quarks. "Zien" is relatief. Voor zover ik weet (vanaf nu houd ik op met deze kwalificatie die in feite in elke zin zou moeten staan) betekent het "allerlei effecten die er moeten zijn indien er quarks zijn blijken er ook werkelijk te zijn". Voor wat ik wil zeggen is de onnauwkeurigheid waarin ik me moet uitdrukken goed genoeg.

Laten we een simpele beschrijving van de "entropiewet" invoeren. Beschouw een grote verzameling van gewichtloze kleine balletjes in een verhoudingsgewijs zeer grote ruimte: dan is de kans overweldigend groot dat ze zich kriskras verspreid door die ruimte zullen bevinden. En mocht dat om één of andere reden niet zo zijn (dat kan), dan maakt alleen al die overweldigend grote kans dat ze zich met de tijd alsnog doorheen die ruimte zullen verspreiden. Varianten op deze wet lijken onze realiteit zeer goed te beschrijven, zoals "we zijn allemaal sterfelijk" of "gebroken eieren kan je niet repareren" en vele andere.

Dus indien quarks gewichtloze kleine balletjes waren èn indien ze onderhevig waren aan de entropiewet, dan zouden ze als een gas doorheen de beschikbare ruimte moeten verspreiden, en er zou ongeveer even weinig gebeuren als in een lege kamer gevuld met lucht. Maar dat is niet wat we werkelijk op deze kleinst waarneembare schaal zien. Corrigeer me als ik het mis heb maar het lijkt er op dat het ons nog nooit gelukt is quarks individueel te zien. De enige vorm waarin we ze zien is in ondeelbare combinatie met andere quarks die samen protonen of neutronen en consoorten vormen. Kortom, niet alleen lijken ze "tegen de entropiewet in" structuur te kunnen vormen, maar lijken ze zelfs nog veel meer "tegen de entropiewet in" structuur te moeten vormen.

En waarom ook niet - niet voor niets heb ik een beetje hoger gekozen voor "een simpele beschrijving van de entropiewet", zodat er veel dingen kunnen gebeuren die alleen maar lijken tegen de entropiewet in te gaan.

Indien de "protonen"; de structuren die de quarks vormen kleine gewichtloze balletjes waren èn indien ze onderhevig waren aan de entropiewet, dan zouden de protonen zich als een inert gas doorheen de beschikbare ruimte verspreiden (etc). En dat is dan ook precies wat we zien gebeuren! Het overgrote volume van ons waarneembaar universum bestaat ruwweg uit enorme stukken lege ruimte, gevuld door een zeer, zeer minieme dichtheid aan protonen. Maar er bestaan uitzonderingen. Waarneming leert dat er temidden van dat zeer ijle kosmisch gas veel regio's van vermeerderde dichtheid bestaan, en dat de waaier aan mogelijke dichtheden enorm kan oplopen, van quasi vacuum tot zwart gat.

Kortom, de protonen die zich grotendeels aan de entropiewet lijken te houden kunnen net als de quarks structuren vormen. In termen van "van klein naar groot" (maar niet in termen van chronologie) bestaat de volgende schaal waarop we structuur aantreffen uit atoomkernen. Dat wil zeggen, de protonen kunnen zich groeperen, vaak in combinatie met neutronen tot verschillende soorten atomen, waarbij het aantal protonen dat zich in de kern bevindt bepaalt wat voor soort atoom het is. Bijvoorbeeld, een kern met één proton is een waterstofatoom, en een kern met twee protonen is een heliumatoom, enzovoort. Voeg protonen toe en je krijgt steeds zwaardere atomen, zoals stikstof, zuurstof, koolstof, enzovoort. In een simpele beschrijving van de entropiewet lijkt dat vreemd, maar we weten al dat... Enzovoort.

Indien de lichtere of zwaardere atomen kleine balletjes waren èn indien ze onderhevig waren aan de entropiewet, dan zouden ze als eerder inerte gasvormige nevels of ook wel rotsige klonten min of meer verspreid doorheen de ruimte rondzwerven. En zo is het ook! Met enorme hoeveelheden zwerven gas- of rotsplaneten door de ruimte, alsook stukken kleiner materiaal, allemaal samen beschouwd misschien niet eens zo verschillend van een gas. Maar er zijn uitzonderingen. Op sommige plaatsen zijn er structuren ontstaan die zo complex zijn, en zichzelf doorheen zodanig lange perioden in stand kunnen houden dat we ze "leven" zijn gaan noemen. Kortom, de verschillende atomen die zich grotendeels aan de entropiewet lijken te houden kunnen heel andere structuren vormen. In een simpele beschrijving van de entropiewet: maar je weet het al.

Op een nog grotere schaal kunnen de atomen sterren vormen. Dat zou je overeenkomstig een simpele beschrijving van de entropiewet niet verwacht hebben, maar op de schaal van de sterren is dat precies wat er voortdurend gebeurt. Als die sterren zich op hun beurt zouden gedragen als "kleine balletjes" zou je verwachten ze nogal willekeurig doorheen de ruimte aan te treffen. En hoewel dat in ruime mate ook zo is merken we op dat ze in feite gegroepeerd zijn in Melkwegstelsels. Die melkwegstelsels zijn op hun beurt, op de schaal van ons universum zelf maar "kleine bolletjes" in de ruimte. Dus je zou verwachten dat ze zich nogal willekeurig verspreid in de ruimte zouden bevinden, nietwaar? Maar je bent waarschijnlijk al niet meer verbaasd te vernemen dat de Melkwegen in werkelijkheid structuren vormen, namelijk clusters, waarvan je op hun beurt had verwacht (steeds volgens die simpele beschrijving van de entropiewet) dat ze nogal willekeurig doorheen het heelal zouden verspreid zijn, terwijl ze in werkelijkheid gegroepeerd zijn in superclusters?

Het is met de entropiewet zoals met de evolutietheorie: het is niet iets waarin je moet geloven omdat het iets is dat je kan weten. Je kan het beredeneren, en je kan het gewoon zien. Tegelijk ligt het feit voor dat we op alle schalen van het universum die we kunnen waarnemen telkens weer iets heel anders vaststellen dan we op het eerste zicht verwacht hadden. Gelukkig vinden we telkens weer een goede reden. Ja, protonen hadden zich egaal doorheen de ruimte moeten verspreiden, maar er is nu eenmaal ook nog zwaartekracht, en die maakt dat ze eerst klonteren, en dan pas zal alles uitdoven. En ja, de planeten hadden dode gasbollen en rotswerelden moeten zijn, maar er schijnt nu eenmaal gedurende miljarden jaren de straling van een ster op, en van die energiestroom kan structuurvorming gebruik maken. Maar eenmaal de ster op is zal heel de hoop afsterven. De entropiewet is een regel die niemand in vraag stelt. Ikzelf ook niet, hoor - maar toch verbaas ik me af en toe over deze regel die blijkbaar alleen maar uitzonderingen kent.

1 opmerking:

Axxyaan zei

Ik zou er wel op willen wijzen dat de structuren die ontstaan maar al te vaak met zich meebrengen dat de entropie versneld toeneemt.

Nemen we als voorbeeld drie watendichte kisten met een metalen bodem en bovenkant, op elkaar gestapeld. In de onderste zit kokend water, de de middelste gewoon water, in de bovenste een blok ijs. Wat gaat er nu gebeuren? In de middelste kist zal een convectiestroom ontstaan, die de warmte van het kokend water uit de onderste kist opneemt en aan de bovenste kist afgeeft. Maar daardoor zal er sneller een thermisch evenwicht ontstaan tussen die drie kisten dan in het geval we verhinderen dat die convectiestroom onstaat. En een thermisch evenwicht in nu juist waar we het maximum aan entropie hebben.