הרצון המתמיד של בני האדם להכיר את היקום שבו הם חיים ולהבין אותו הוליד תיאוריות, הנחות, חוקים ומושגים רבים ומגוונים. במשך השנים הם נאספו והפכו למכלול רב של ידע הנקרא מדע. התרמודינמיקה (חקר התנהגות האנרגיה;תרמו=חום, דינמיקה=תנועה) הוא תחום שבאמצעות פרמטרים כמו לחץ, נפח וטמפרטורה מקשר בין תהליכים המתרחשים בעולם המיקרוסקופי (למשל תנועה של מולקולות ואטומים) לתהליכים מקרוסקופיים שאנו רואים וחווים יום יום, כמו התאדות וקיפאון של מים.

בשנת 1865 הגה לראשונה הפיסיקאי רודולף קלאוזיוס, מאבות התרמודינמיקה, לראשונה את המושג "אנטרופיה" כדי לתאר את שינויי החום (אנרגיה תרמית) המתרחשים במערכות שונות. אולם אף שאנטרופיה היא גודל פיסיקלי שאפשר לחשב ולכמת אותו, לא פשוט ולא טריוויאלי להבין אותה, ולעתים היא מבלבלת אנשים ומובילה לטעויות רבות.

בין השאר נעשה שימוש בחוק גידול האנטרופיה כדי להפריך את תיאוריית האבולוציה. האם יש בסיס לטענה הזו? הישארו איתי.

החוק השני של התרמודינמיקה – חוק גידול האנטרופיה

בתרמודינמיקה יש ארבעה חוקים מרכזיים שמאפשרים לקבוע איך יתרחש תהליך מסוים ובאילו תנאים. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, שנקרא גם "חוק גידול האנטרופיה", האנטרופיה במערכת מבודדת, כלומר בתחום שלא מאפשר מעבר של חום או של חומר בינו לבין הסביבה, לעולם לא תקטן אלא תמיד תשאף לגדול. החוק הזה מאפשר לצפות את הכיוון הספונטני של תהליכים המתרחשים בטבע, כגון האבולוציה או התפתחות היקום.

אנטרופיה מוגדרת לרוב כמדד לאי-סדר במערכת כלשהי. כדי להמחיש זאת אפשר לחשוב על חדר השינה שלנו כמערכת מבודדת, ואז האנטרופיה תוגדר כמדד לסדר או האי-סדר של החדר. ככל שהחדר יהיה מבולגן יותר, כך האנטרופיה (האי-סדר) שלו תגדל – ולהפך. החוק השני של התרמודינמיקה אומר שהחדר תמיד ישאף לאי-סדר ולכן יתבלגן בצורה ספונטנית ובלי השקעת אנרגיה. לעומת זאת, כדי להקטין את האנטרופיה של החדר יש להשקיע אנרגיה, והיא תתבטא בסידור החדר. הדוגמה הזו כמובן איננה מדויקת כלל, אך היא עוזרת להמחיש את משמעות המושג.

הראשון שתיאר את האנטרופיה כאי-סדר היה המדען האוסטרי לודוויג בולצמן במאה ה-19, בהתייחס לאנטרופיה מנקודת מבט סטטיסטית. לפי בולצמן, האנטרופיה של מצב מסוים (חדר מבולגן או מסודר) תוגדר לפי הסיכוי להתרחשותו. ככל שהסיכוי (ההסתברות) להתרחשות מצב מסוים גדל, כך גדלה גם האנטרופיה שלו. בולצמן טען שהסיכוי להתרחשות של מצב מסוים גדל ככל שמידת אי-הסדר שלו גדלה, כלומר בתהליך ספונטני המערכת תגיע בסופו של דבר למצב של אי-סדר מקסימלי.

אולם בתקופתו של בולצמן עדיין לא הכירו ולא הבינו את הקשר בין מולקולות לאנרגיה כמו בימינו, ועל כן התיאור של האנטרופיה התבסס על מה שאפשר לראות בעין. בניסויים שנערכו בגזים שונים, למשל, היה אפשר לראות איך מולקולות הגז מתפשטות באמצעות דחיפה של בוכנה או התנפחות של בלון. בעקבות הניסויים האלה השתמשו בולצמן ורבים אחריו במונח "אי-סדר" לתיאור מושג האנטרופיה. כדי להמחיש זאת נערוך ניסוי מחשבתי קצר כפי שמודגם באיור הבא.

תהליך התפשטות ספונטני של מולקולות גז לתוך תא ואקום.

דמיינו מערכת מבודדת שמחולקת לשני תאים באמצעות מחיצה עם מחסום שניתן לפתוח. לתא השמאלי נכניס את מולקולות גז (כדורים כחולים) ואילו בתא השמאלי ניצור ואקום. כל עוד המחסום יהיה סגור, מולקולות הגז יישארו כלואות בתא השמאלי ולמערכת יהיה ערך מסוים של אנטרופיה. כעת נסיר את המחסום. מולקולות הגז ינועו באופן ספונטני לכיוון התא הימני בלי שנשקיע אנרגיה, עד שתהליך ההתפשטות ייעצר לבסוף והמערכת תגיע לשיווי משקל.

לפי החוק השני של התרמודינמיקה, האנטרופיה במצב הזה חייבת להיות גדולה יותר מכפי שהייתה לפני הסרת המחסום. בנוסף, ברור לחלוטין במצב הזה שמולקולות הגז פחות מסודרות מכפי שהיו לפני הסרת המחסום. לכן במקרה הזה אין מנוס מההשוואה בין דרגת האי-סדר לבין מושג האנטרופיה. אך האם ההשוואה נכונה?

השימוש במדד האי-סדר לתיאור איכותי של עלייה או ירידה באנטרופיה יכול להועיל במקרים מסוימים. אולם במקרים אחרים הוא עלול להטעות ולבלבל בבואנו לחזות תהליכים ספונטניים. כשאנו מרסקים קרח ומערבבים אותו בכוס מים בטמפרטורה קבועה, למשל, שבבי הקרח ינועו בתוך הכוס עד שיהפכו לנוזל. במקרה הזה נדמה שהתהליך הספונטני הזה נע דווקא מתערובת עם דרגת אי-סדר גבוהה לנוזל אחיד ומסודר יותר. אז האם התהליך זה סותר את חוק גידול האנטרופיה? מובן שלא.

בדיוק כמו בתקופתו של בולצמן השימוש שאנו עושים במונח "אי-סדר" מתאר את מה שעינינו רואות ולא את מה שקרה ברמה המולקולרית. בפועל, למולקולות המים במצב הצבירה הנוזלי יש יותר תנועה מאשר במצב הצבירה המוצק שבו המולקולות ארוזות וקרובות יותר זו לזו. תנועתיות מולקולות המים במצב הנוזלי רבה ומגוונת, כך שבמצב הצבירה הנוזלי לכל מולקולת מים יכולה להיות אנרגיה מעט שונה, בעוד שבמצב הצבירה המוצק האנרגיה של מולקולות המים אחידה יותר. כך שהתכת הקרח לנוזל דווקא הובילה לפיזור רב יותר של ערכי האנרגיה במערכת.

ומכאן המסקנה החשובה: התיאור המדעי והנכון יותר לאנטרופיה מתייחס למידת פיזור האנרגיה בין המולקולות או האטומים במערכת. כלומר אם בסוף תהליך כלשהו פיזור האנרגיה גדול (מגוון) יותר מאשר בתחילתו, התהליך יתרחש בצורה ספונטנית. החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק טבע בסיסי שאומר שהכוח המניע של תהליכים בטבע אינו עלייה באי-סדר אלא חלוקה ופיזור של האנרגיה.

האם האבולוציה נוגדת את החוק השני של התרמודינמיקה?

ההנחה המוטעית הקובעת שאפשר לתאר את האנטרופיה במונחים של סדר ואי-סדר גרמה לאנשים מסוימים לטעון שהאבולוציה סותרת את החוק השני של התרמודינמיקה. לטענתם, אורגניזמים מפותחים מסודרים יותר מאורגניזמים פרימיטיביים. לכן האבולוציה נוטה דווקא להוריד את אי-הסדר, בניגוד לחוק גידול האנטרופיה. מסיבה זו, טענו, לא ייתכן שתורת האבולוציה נכונה.

אך הטענה הזו מתבססת על כמה הנחות שגויות:

היא מניחה שאנטרופיה היא מדד לאי-סדר, היא מתייחסת רק לאנטרופיה של האורגניזם ולא לאנטרופיית הסביבה (כל מה שאינו האורגניזם), ומניחה שהאבולוציה נוטה תמיד ליצור אורגניזמים מורכבים ומסודרים יותר.

הסיבה לכך שהטענה הראשונה שגויה הוסברה בתחילת הכתבה. הטענה השנייה שגויה מכיוון שתמיד מתרחש חילוף אנרגיה ביננו לבין הסביבה, למשל בצורה של חום, כלומר אורגניזם איננו מערכת סגורה ולכן החוק השני של התרמודינמיקה אינו רלוונטי עבורו. הטענה השלישית איננה נכונה מיסודה, מכיוון שהאבולוציה פועלת לייצר אורגניזמים שיהיו מותאמים יותר לסביבה ולאו דווקא יותר מסודרים. למעשה, אפשר להראות באמצעות חישובים פשוטים יחסית שגם אם יש ירידה באנטרופיה כתוצאה מהתפתחות אורגניזמים, זרם האנרגיה (חום) שמגיע לכדור הארץ מהשמש תורם לעליית האנטרופיה שלו (למאמר המלא).

כדור הארץ נשטף באופן רציף בזרם של אנרגיה המגיעה מהשמש בצורה של קרינה אלקטרומגנטית, שתורמת לחימומו ולעליית האנטרופיה שלו. במקביל הוא מתקרר ומוריד את האנטרופיה שלו באמצעות פליטת קרינה אלקטרומגנטית (בעיקר בתחום התת-אדום) לחלל. אפשר להראות באמצעות חישובים שכתוצאה מהתהליכים האלו בלבד אנטרופיית כדור הארץ עולה בכל שנייה בכ-420*1012 ג'אול לקלווין (ג'אול הוא יחידת אנרגיה, קלווין הוא יחידת טמפרטורה, ג'אול לקלווין: יחידת אנטרופיה). כלומר בכל שנייה מתווספת כמות אדירה של אנטרופיה זמינה שמאפשרת את התרחשותם של תהליכים אחרים שמורידים את האנטרופיה בכדור הארץ.

שטף של קרינה אלקטרומגנטית מן השמש לכדור-הארץ וממנו לחלל. כתוצאה מתהליך זה אנטרופיית השמש יורדת, אנטרופית החלל עולה ואנטרופית כדור-הארץ נשארת בקירוב קבועה.   

גם אם נקבל את ההנחה שתהליך האבולוציה מוריד את אנטרופיית כדור-הארץ, אפשר להראות שגם אם בכל מאה שנים, מאז תחילת קיומו של כדור הארץ, כל האורגניזמים בו הפכו "מסודרים" פי אלף מקודמיהם, הירידה באנטרופיה לכל שנייה תהיה לכל היותר -302 ג'אול לקלווין. זו כמות קטנה פי מיליארד ביחס לאנטרופיה הזמינה בכדור הארץ. כלומר בסך הכל אנטרופיית כדור הארץ עולה, ולכן החוק השני של התרמודינמיקה לא סותר את קיומו של תהליך האבולוציה.    

כמו כן, לא ניתן להתייחס לגוף האדם כמערכת מבודדת של מושפעת או משפיעה על הסביבה. בכל עת, מתרחשים בגופנו תהליכים כימיים רבים שגורמים לשבירה ויצירה של קשרים כימיים חדשים המשנים את אנטרופיית הגוף והסביבה. בנוסף, לאחר המוות פירוק הגוף לאטומים ומולקולות תורם לעלייה באנטרופיה של הסביבה.  

הדוגמה הזו ממחישה איך השימוש שנעשה באי-סדר כמטפורה לאנטרופיה עלול לבלבל, להטעות ולהוביל למסקנות שאינן נכונות.

למעוניינים בקריאה נוספת ובהרחבה בנושא האנטרופיה כאי סדר, מצורפים קישורים לשני מאמרים [12].

רן טבעוני
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.