WZAJEMNE PRZYCIĄGANIE

Obserwujemy wzajemne przyciąganie się okruchów materii, nazywamy je grawitacją opisujemy to, co się dzieje, w kategoriach ładunku grawitacyjnego, przestrzeni i czasu. Obserwujemy zjawiska elektryczne i magne­tyczne i opisujemy to, co się dzieje, w katego­riach ładunku bezwładnościowego, ładunku elektrycznego, stałej dielektrycznej i oczywiś­cie przestrzeni i czasu. Uświadamiamy sobie, że przestrzeń i czas są nierozerwalnie związane z procesami pomiaru odległości i czasu i wy­bieramy czasoprzestrzenne ramy wyznaczone przez zjawiska elektromagnetyczne za pośred­nictwem prędkości światła. Odkrywamy słabe oddziaływanie — siłę, która powoduje rozpad neutronów, i silne oddziaływanie — siłę, która wiąże protony i neutrony w jądro atomowe. Co dziwniejsze, stwierdzamy, że cząstki ele­mentarne zachowują się tak, jak gdyby miały ograniczoną swobodę lekceważenia klasycznych praw przyczyny i skutku, i opisujemy takie ich zachowanie się w kategariach fal prawdo­podobieństwa i kwantu działania.

TAJEMNICA

Spójrzmy na przykład na okruch skały, na początku książki potraktowany przez nas jako pocisk. Jest to jeden z niezliczonych otaczają­cych nas okruchów materii. Wiemy, że jest zbudowany z pewnych cząsteczek, stanowiących drobną część niezliczonych rodzajów cząsteczek istniejących w przyrodzie. Wiemy, że cząstecz­ka jest zbudowana z atomów i że jest tylko około stu rodzajów atomów. Wiemy, że atom jest zbudowany z elektronów, protonów i neu­tronów, i sądzimy, że te cząstki z kolei mogą być zbudowane z rzeczywiście elementarnych cząstek zwanych kwarkami lub partonami (lub jak-kto-sobie-życzy). Za każdym wzniesieniem ukazywało się kolejne wyższe wzniesienie. Spa­cer po górach-atomach doprowadził do potęż­nego wzniesienia — kwarku. Czy to już jest wierzchołek? Czy też przed nami wznosi się jeszcze cała góra?

PRZEZWYCIĘŻENIE BARIERY

Możliwość, iż dwie cząstki lub więcej połączą się i wykopią sobie studnię energetyczną, two­rząc w ten sposób mały uporządkowany układ. Jednakże aby tego dokonać, powinny one prze­zwyciężyć barierę energetyczną. Jeśli miotanie się jest słabe, tzn. temperatura jest niska, nie­wiele cząstek zdoła wspiąć się na barierę. Gdy temperatura wzrośnie, wzrośnie ich miotanie się i przy sposobności stopień ich nieuporząd­kowania. Będzie się tworzyło więcej małych uporządkowanych układów! Jak na ironię, po­wszechny brak porządku wytwarza tu i tam miejscowy porządek! Oczywiście, jeśli tempe­ratura dalej będzie się podwyższać, w końcu małe uporządkowane układy zostaną rozbite na kawałki. Niemniej istnieje taki zakres nieupo­rządkowania, który nie tylko zezwala, lecz w rzeczy samej popiera tworzenie się miejsco­wego uporządkowania. Temu paradoksowi musi zawdzięczać swe pochodzenie samo życie.

ZGODNIE Z PRAWDZIWĄ NATURĄ

Co wię­cej, układy uporządkowane — zgodnie ze swo­ją prawdziwą naturą — kopią studnie energe­tyczne, aby w nich umieścić swe różne składniki i ochronić ich wewnętrzną organizację przed uniwersalnymi procesami niwelującymi różnice w uporządkowaniu. Im głębsza jest studnia, tym trwalszy układ. Każdy uporząd­kowany układ ma studnię energetyczną, a nie­które jeszcze dodatkowo mają ochronną barierę. Aby zniszczyć taki układ, trzeba nie tylko wyciągnąć go ze studni, lecz przeciągnąć ponad barierą. Studnie energetyczne i bariery bronią przed nieporządkiem. I bardzo często mogą one wykorzystać nie­porządek do stworzenia miejscowego porządku. Przypuśćmy na przykład, że mamy układ nie­uporządkowany, powiedzmy — gromadę mio­tających się cząstek.

PALIWA KOPALNE

Nieporządek może w końcu zwyciężyć, lecz tylne straże niektórych uporządkowanych ukła­dów mogą.stawiać zagorzały opór. Rozporzą­dzają bowiem fortyfikacjami.Jedną z takich fortyfikacji, które uporządko­wane układy wykorzystują do ochrony przed nieporządkiem, jest bariera energetyczna. Pali­wa kopalne nie zapalą się, póki ich się nie roz­grzeje. Trzeba dostarczyć pewnej ilości energii, aby Zapoczątkować wytwarzającą ciepło che­miczną reakcję spalania. Środki wybuchowe wymagają detonatora; znów trzeba przezwy­ciężyć niechęć do reagowania, dostarczając energii. Jądra wodoru nie połączą się, póki nie dostarczy się dostatecznej ilości energii, aby przezwyciężyć elektrostatyczne odpychanie mię­dzy protonami. Wysiłki przezwyciężenia w kon­trolowany sposób tej protonowej bariery po­żarły sporych rozmiarów kromkę z bochna do­chodu narodowego wielu państw świata. (Do­brze, że ta szczególna bariera jest tak potężna; gdyby nie była, strzała wystrzelona przez przy­padek nadleciałaby o wiele szybciej.)

UPORZĄDKOWANY WSZECHŚWIAT

W rzeczywistości wszechświat jest obszarem wysoce uporządkowanym, nawet teraz, po 1010 latach „biegu z górki”. Materia w skali kos­micznej jest w bardzo wysokim stopniu sku­piona w galaktykach, daleka jest więc od rów­nomiernego rozproszenia. Ogromne ilości uży­tecznej energii tkwią w jądrach wodoru, któ­rych wielkie wirujące chmury tworzą gwiazdy. Przyjrzyjmy się zjawiskom zachodzącym bliżej nas: wiązanie się jąder atomów w Słońcu jest źródłem strumienia uporządkowanej energii, która ogrzewa Ziemię. W ten sposób Słońce zaopatruje w paliwo ogromną atmosferyczno- oceaniczną kształtującą pogodę machinę cieplną, która urządza sobie magazyn energe­tyczny pod postacią ropy, gazu, węgla i in­nych paliw kopalnych i umożliwia istnienie wysoce nieprawdopodobnym ze względu na stopień uporządkowania organizmom żywym.

ENTROPIA

Entropia może maleć miejsco­wo, na przykład w chłodziarce, lecą w układzie poszerzonym, na przykład złożonym z chło­dziarki i pokoju, w którym działa, całkowita entropia zawsze dąży do wzrostu. Możemy sto­sować różne urządzenia tylko dlatego, że w układach istnieje pewien stopień uporządko­wania, który można wykorzystać w użytecz­nym celu. Na szczęście świat jest bardzo daleki od stanu równowagi termodynamicznej i dużo jeszcze upłynie czasu, zanim stopień nieupo­rządkowania zbliży się gdziekolwiek do grani­cy ostatecznej. Ponieważ jest nieprawdopodob­ne, aby sytuacja bliska największemu nieupo- rządkowaniu w jakimkolwiek przypadku po­zwoliła na istnienie wysoko zorganizowanych form życia, takich jak my, rozważanie sposo­bów zasilania naszych urządzeń w warunkach bardzo małego uporządkowania układów ma charakter czysto akademicki.

DOSKONAŁE UPORZĄDKOWANIE

Doskonałe uporządkowa­nie odpowiada temperaturze zera absolutnego. Ponieważ stopień uporządkowania jest ściśle ; związany z liczbą cząstek i ruchów drgających, nie zaskakuje nas zbytnio, że definicja oparła na średniej energii jest bliska prawdy. Niemniej zależność między temperaturą i energią potrzebną do wytworzenia nieuporządkowania jest zależnością fundamentalną.Jeśli pomnożymy stopień nieuporządkowania przez stałą Boltzmanna, otrzymamy wielkość fizyczną mianowaną w dżulach na stopień. Ta wielkość jest znana jako entropia. Temperatu­ra więc jest energią niezbędną do wywołania wzrostu entropii o jeden. Wiele to nam mówi o  tym, co głosi termodynamika. W dziedzinie tej stwierdzono konieczność wprowadzenia pojęcia entropii dużo wcześniej, nim wprowadza- -i no szczegółowe modele statystyczne. W czasie , zachodzenia dowolnego procesu termodynami­cznego entropia jest taką wielkością, która nigdy nie maleje. Jest to treść drugiego prawa termodynamiki. Związanie entropii z pojęciem stopnia nieuporządkowania jest triumfem fizyki statystycznej i umożliwia pełne zrozumienie  treści tego prawa.

DOSTARCZENIE MIERZALNEJ ILOŚCI ENERGII

Dostar­czenie mierzalnej ilości energii spowodowało mierzalny wzrost nieuporządkowania. Dlatego też istnieje energia właściwa, która jest równa ilości energii potrzebnej do wywołania wzrostu nieuporządkowania o jeden. Tę energię właści­wą utożsamiamy z kT. Na szczęście ta definicja temperatury odpo­wiada zarówno kwantowemu, jak i klasyczne­mu reżymowi. Wiążąc temperaturę ze stopniem nieuporządkowania, oddzielamy jej definicję od szczegółowych statystycznych właściwości roz­maitych składników układu. Temperatura staje się miarą trudności zwiększenia stopnia jego nieuporządkowania. W niskich temperaturach ten sam przyrost energii powoduje większy wzrost nieuporządkowania niż w temperatu­rach wyższych. Odwrotnie, odebranie tej samej ilości energii układowi w niskich temperatu­rach powoduje większy wzrost jego uporząd­kowania niż wówczas, gdy zachodzi to w wy­sokich temperaturach.

DEFINIOWANIE TEMPERATURY

Temperatury więc nie daje się definiować w kategoriach średniej energii kinetycznej i energii ruchu drgającego. Potrzeba w tym celu czegoś bardziej ogólnego. Próbowaliśmy wykorzystać liczbę cząstek i ruchów drgają­cych, lecz próba ta zawiodła. Cóż więc jeszcze takiego mamy w naszym modelu statystycz­nym, co mogłoby nam zamiast tego posłużyć? Stopień nieuporządkowania. Wyobraźmy sobie następujące doświadczenie. Gaz wypełnia walec ograniczony na jednym końcu sztywną mocną ścianą, na drugim — ru­chomym tłokiem. Niech mała ilość dostarczone­go ciepła spowoduje, że gaz się rozszerzy i odepchnie trochę tłok. Przypuśćmy, że cała dostarczona energia poszła na poruszenie tłoka. Nie nastąpił więc wzrost temperatury gazu. Ponieważ gaz zajmuje teraz większą przestrzeń, istnieje więcej możliwych kombinacji osiągnię­cia przez niego najbardziej prawdopodobnego stanu. Innymi słowy, wzrósł o określoną wiel­kość stopień jego nieuporządkowania.