Terve! Fysikaalinen suure entropia on monille tuttu. Yksi varmiten todistetuista fysikaalisista lainalaisuuksista on se, että eristetyn systeemin kokonaisentropia pyrkii aina maksimiin. Tämä on useimmille ihmisille silkka itsestäänselvyys. Tällä lainalaisuudella on merkittävä vaikutus nykyiseen tieteelliseen käsitykseen maailman synnystä. Jos kokonaisentropia kasvaa jatkuvasti, se on joskus ollut minimissään. Tämä viittaa siihen että kaikki materia ja energia on alussa ollut samassa pisteessä (Big bang). Nykyisin materia on hajallaan miljardien valovuosien päässä, joten tämä yhdessä muiden teorioiden kanssa antaa universumille vähimmäisiän miljardeissa vuosissa. Sillä mikään materiahan ei ole voinut kulkea yli valonnopeudella. Mikä on kreationistinen kanta entropiaan? Mitä entropialle tapahtuu ajan kuluessa? Kokonaisentropiahan ei voi kasvaa, koska se aiheuttaisi suuren ristiriidan universumin iän kanssa. Jäljelle jää kaksi vaihtoehtoa. Entropia pysyy joko vakiona tai vähenee. Mutta kaksi jälkimmäistäkin vaihtoehtoa aiheuttavat hirvittävän ristiriidan monen käytännönelämän havainnon kanssa.

Ajatellaanpa, että eristetään lasillinen vettä muusta ympäristöstä niin, ettei se pysty luovuttamaan tai vastaanottamaan energiaa ympäristönsä kanssa. Olkoon vesi huoneenlämpöistä. Laitetaan vesilasiin jäämurskaa. Siis kiinteää vettä jonka lämpötila on pakkasen puolella. Annetaan systeemin olla koskemattomana useita tunteja ja palataan tarkastelemaan systeemiä. Mitä on tapahtunut? JOS entropia pysyy vakiona: -Lasissa oleva jää on edelleen jäätä ja vesi edelleen vettä samassa lämpötilassa. Mitään ei ole tapahtunut. JOS entropia vähenee: -Lasissa oleva vesi on muuttunut entistä lämpimämmäksi ja jää entistä kylmemmäksi. Jäämurskasta on muodostunut yksi kokonainen kiinteä jäänpala. JOS entropia kasvaa eli pyrkii maksimiin kuten fysikaalinen lainalaisuus sanoo: -Lasissa ollut jää on sulanut ja sekoittunut lasissa olleeseen veteen. Sekä alkuperäinen vesi, että jäästä sulanut vesi ovat samassa lämpötilassa ja erottamattomasti sekaisin keskenään. Eli nyt mielenkiinnolla haluasin kuulla kreationistisen näkemyksen entropiaan. Miten entropia muuttuu ajan kuluessa jos kaikki mahdollisuudet aiheuttavat ristiriidan kreationismin tai käytännön elämän kanssa? Ystävällisin terveisin Jarski

Vastaus:

27.10.2012

Terve! Fysikaalinen suure entropia on monille tuttu. Yksi varmiten todistetuista fysikaalisista lainalaisuuksista on se, että eristetyn systeemin kokonaisentropia pyrkii aina maksimiin. Tämä on useimmille ihmisille silkka itsestäänselvyys. Tällä lainalaisuudella on merkittävä vaikutus nykyiseen tieteelliseen käsitykseen maailman synnystä.

Kiitos kysymyksestäsi,

tarkoitatko tällä sitä, pidämmekö entropiaa faktana vai emme? Entropia totta kai kasvaa. Emme kuitenkaan löydä mitään hyvää syytä olettaa, että se on lähtenyt liikkeelle jostakin vanhan maailmankaikkeuden mukaisesta teoreettisesta minimistä.

Lisäksi tulee huomata, että maailmankaikkeus ei suinkaan ole eristetty järjestelmä, vaan Jumala on vaikuttanut siihen ajan ja tilan ulkopuolelta erityisillä luomisteoilla ja ihmeillä, sen ohessa kun hän ylläpitää luonnonlakien mukaista järjestystä.

Jos kokonaisentropia kasvaa jatkuvasti, se on joskus ollut minimissään. Tämä viittaa siihen että kaikki materia ja energia on alussa ollut samassa pisteessä (Big bang).

Kokonaisentropian kasvu ei kuitenkaan tarkoita, että sen on täytynyt olla jossain historian vaiheessa teoreettisessa minimissään eli singulariteetissa. Kokonaisentropian kasvuhan tarkoittaa vain sitä, että se on ollut jossain vaiheessa historiallisessa minimissään, mikä voi tarkoittaa juuri sitä, millaiseksi Jumala sen loi.

Nykyisin materia on hajallaan miljardien valovuosien päässä, joten tämä yhdessä muiden teorioiden kanssa antaa universumille vähimmäisiän miljardeissa vuosissa. Sillä mikään materiahan ei ole voinut kulkea yli valonnopeudella.

Big Bang -kosmologian mukaan materia ei kulje valoa nopeammin, mutta avaruus kylläkin laajenee. Siksi materian välinen etäisyys kasvaa yli valonnopeudella. Tässä ei ole mitään ongelmaa kreationististen kosmologisten mallien kanssa, joissa suhteellisuusteorian mukaisesti maapallolla kuluu aikaa vähemmän kuin muualla universumissa.¹

Mikä on kreationistinen kanta entropiaan? Mitä entropialle tapahtuu ajan kuluessa? Kokonaisentropiahan ei voi kasvaa, koska se aiheuttaisi suuren ristiriidan universumin iän kanssa. Jäljelle jää kaksi vaihtoehtoa. Entropia pysyy joko vakiona tai vähenee. Mutta kaksi jälkimmäistäkin vaihtoehtoa aiheuttavat hirvittävän ristiriidan monen käytännönelämän havainnon kanssa.

Kokonaisentropia siis kasvaa, eikä tämä aiheuta universumin iän suhteen ongelmia. Mikäli Jumala ei loisi lopulta uusia taivaita ja uutta maata, tai muuten puuttuisi asiaan, nykyisessä maailmassa entropia kasvaisi siihen asti, että lämpötilaeroja tai mitään käytettäviä potentiaalienergiaeroja ei enää olisi. Käytännössä tähdet siis hiipuisivat, planeetat ajautuisivat radoiltaan, gravitaation kvanttiominaisuudet horjuisivat, protonit hajoaisivat ja aineen päivät olisivat luetut. Joitakin fotoneita ajelehtisi siellä täällä.

Eli nyt mielenkiinnolla haluasin kuulla kreationistisen näkemyksen entropiaan. Miten entropia muuttuu ajan kuluessa jos kaikki mahdollisuudet aiheuttavat ristiriidan kreationismin tai käytännön elämän kanssa?

Fyysikkojen yleisesti hyväksymä näkemys entropiasta ei ole mitenkään ongelmallinen kreationismin kanssa, vaan entropia kasvaa ajan myötä aivan normaalisti. Entropia kuitenkin todistaa luomisesta ainakin kolmesta eri näkökulmasta:

1. Entropia ja kalam- kosmologinen argumentti

1. Kaikella, joka alkaa olla olemassa, on syy olemassaololleen.
2. Universumi alkoi olla olemassa.
3. Näin ollen universumilla on syy olemassaololleen.

Universumilla tarkoitetaan tässä kaikkea aineellista aika-avaruutta, joten universumin olemassaolon aiheuttaja ei voi itse olla aineellinen, aikaan ja tilaan sidottu, eikä sillä voi olla alkua. Täytyy siis olla olemassa aineeton, ajan ja tilan ulkopuolella oleva ikuinen ja äärimmäisen voimakas universumin syy.

Ajan ja tilan ulkopuolella olevia mahdollisia asioita ovat abstraktit asiat sekä aineettomat mielet. Jos abstrakteja asioita kuten numeroita on olemassa, ne ovat aineettomia, ajan ja tilan ulkopuolella olevia ja ikuisia. Esimerkiksi numero 7 ei ole alkanut olemaan jollakin ajan hetkellä, eikä se rajoitu johonkin universumin osaan. Numerot eivät kuitenkaan aiheuta mitään, eivätkä ne siksi voi synnyttää universumia. 

Näyttää siis siltä, että tämän ajattoman ja aineettoman maailmankaikkeuden luojan täytyy myös olla persoonallinen. Tällainen syy viittaa erittäin vahvasti Jumalaan.

Päättelyn ensimmäinen ehto on hyvin vakuuttava ja selvä, koska olisi taikuuttakin epäuskottavampaa väittää, että jokin voisi alkaa olemaan täysin riippumatta edeltävistä olosuhteista.

Toista ehtoa onkin pyritty kumoamaan monin eri tavoin. On esimerkiksi väitetty, että universumi laajenee johonkin asti ja sitten supistuu takaisin lähtöpisteeseen, laajenee taas ja supistuu, loputtomiin. Jos universumi laajenee ja supistuu useita kertoja, ei energia kuitenkaan täydellisesti kierräty jokaisella laajenemis- ja supistumiskierroksella, joten entropia vähitellen kierros kierrokselta kasvaa ja näin taaksepäin mentäessä sen on joskus täytynyt olla minimissään.

Jos maailmankaikkeus olisi ikuinen, eikä siis olisi hetkeä jolloin se alkoi olla olemassa, niin sen täytyisi olla jo päätynyt lämpökuolemaansa, tilaan jossa entropia on maksimissaan. Olisi mahdotonta sanoa, ettei entropia olisi vielä ehtinyt kasvaa maksimiinsa, koska entropialla olisi ollut äärettömästi aikaa kasvaa. Jos taas maailmankaikkeudella on alku, voidaan helposti sanoa ettei entropia ole vielä ehtinyt kasvaa maksimiinsa, koska maailmankaikkeus on ollut olemassa vain rajallisen ajan.

On myös esitetty, että universumimme olisi vain pieni osa suurta multiversumia, jossa vain sen sisäisissä universumissa vaikuttaa termodynamiikan toinen pääsääntö, mutta itse multiversumissa ei. Se, ettei multiversumiin vaikuttaisi termodynamiikan toinen pääsääntö on kuitenkin hyvin kyseenalaista. Mikäli termodynamiikan toinen pääsääntö pätee multiversumissa, tarkoittaa se, että silläkin on täytynyt olla alku.

On myös ajateltu, että mustien aukkojen kautta energiaa siirtyisi uusiin universumeihin, mutta nykyisen tutkimuksen mukaan mustien aukkojen energia pysyy universumissamme.²

2. Entropia ja hienosäätö

Huomattavaa on myös, että ”yhä edelleen” entropia on onneksemme lähellä minimiä. Ajan alussa asioiden on täytynyt tosiaan olla erityisen hyvin järjestyksessä. Tämä ongelma vain kasvaa, jos oletettaisiin että alkuräjähdyskosmologia olisi totta.

Yksi suurimmista syistä alkuräjähdyksen hyväksymiseen on ollut kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn tasakoosteisuus. Tasakoosteisuus nimittäin sopii hyvin yhteen alkuräjähdysteorian kanssa. Alkuräjähdysteorian mukaisesti taustasätelyn tuottanut aine oli aluksi termisessä tasapainotilassa. Terminen tasapainotila on kuitenkin maskimaalisen entropian tila, joten alkuräjähdysteorian mukaisesti aine olisi ollut aluksi maksimaalisen entropian tilassa.

Tämä puolestaan olisi järjen vastaista: Jos kaikki alkoi maksimaalisen entropian tilasta, miten entropia on voinut jatkaa kasvuaan tämän jälkeen? Tässä aloitetaan siis huipulta, ja jatketaan ylöspäin. Eräässä mielessä entropia ei kuitenkaan aloittanut huipulta, vaikka aineen jakautumisen näkökulmasta kyseessä olikin hyvin tasakoosteinen tila.

Termodynamiikan toiseen lakiin liittyykin eräs yllätys: yleensä lakia havainnollistetaan esimerkiksi ajattelemalla laatikossa olevaa kaasua. Jos kaasun hiukkaset ovat aluksi jakautuneet epätasaisesti, nämä epätasaisuudet pyrkivät tasaantumaan aineen sekoittuessa. Tässä siis aloitetaan epätasaisesta ja päädytään tasakoosteiseen lopputilaan.

Kuva muuttuu kuitenkin rajusti kun tarkastellaan suuria taivaankappaleita, kuten galakseja, jotka liikkuvat ensisijaisesti painovoiman vaikutuksen alaisina. Jos aloitetaan tasakoosteisesta lähtötilanteesta, massalliset kappaleet alkavat vetää toisiaan puoleensa suuriksi kimpuiksi, tuottaen lopulta mustia aukkoja. Entropian vaikutus on siis päinvastainen kuin kaasun tapauksessa, eli nyt tasakoosteisuus häviää.

Alkuräjähdyksessä täytyisi tapahtua eräänlainen monimutkainen yhdistelmä näistä kahdesta ilmiöstä. Massan jakautumisen näkökulmasta meillä tulisi olla maksimaalisen entropian tila, jolloin kaikki olisi täysin tasakoosteista. Samalla kuitenkin painovoiman näkökulmasta singulariteetin koostumuksen täytyi olla hyvin erityinen, ettei kaikki aine kasautuisi mustiksi aukoiksi.

Sattumalta tämän onnekkuuden todennäköisyys on matemaattisen fyysikon, Roger Penrosen, arvion mukaan 1/10¹⁰¹²³. Nimittäjän luku on niin suuri, että jos yrittäisit kirjoittaa sen auki ilman potenssiin korottamista, sinun täytyisi kirjoittaa enemmän nollia kuin maailmankaikkeudessa on atomeita.^{3, 4}

Tällaiselle täsmälliselle sattumalle terve järki ei anna sijaa. Monesti tähän vastataan kuitenkin sanomalla, ettei tällainen sattuma vaadi selitystä, koska emmehän me olisi olemassa ilman sitä. Näin ei kuitenkaan voida osoittaa ettei selitystä tarvita. Jos olen lentokoneessa kymmenen kilometrin korkeudessa, ja kysyn selitystä sille, miksi ilmanpaine on melkein sama kuin maan pinnalla, tähän ei ole mielekästä vastata: "jos näin ei olisi, olisin jo kuollut".⁵

3. Entropia ja kehitysoppi

Naturalistisen maailmanselityksen mukaan alun perin karusta maapallosta ovat atomit spontaanisti järjestyneet älykkäiksi aivoiksi, tieteellisiä tekstejä täynnä oleviksi kirjastoiksi, lentokoneiksi jne. Kyseessähän on selvästi epäjärjestyksen väheneminen, eli entropian väheneminen. Tämän on kuitenkin väitetty monin perusteluin olevan sopusoinnussa termodynamiikan toisen lain (tai entropian lain) kanssa. Jos otetaan esittämäsi vesilasiesimerkki esimerkiksi, voidaan nämä perustelut esittää myös sen puolesta, ettei entropian väheneminen vesilasissa olisi termodynamiikan toista pääsääntöä vastaan:

Ajatellaanpa, että eristetään lasillinen vettä muusta ympäristöstä niin, ettei se pysty luovuttamaan tai vastaanottamaan energiaa ympäristönsä kanssa. Olkoon vesi huoneenlämpöistä. Laitetaan vesilasiin jäämurskaa. Siis kiinteää vettä jonka lämpötila on pakkasen puolella. Annetaan systeemin olla koskemattomana useita tunteja ja palataan tarkastelemaan systeemiä. Mitä on tapahtunut? JOS entropia pysyy vakiona: -Lasissa oleva jää on edelleen jäätä ja vesi edelleen vettä samassa lämpötilassa. Mitään ei ole tapahtunut. JOS entropia vähenee: -Lasissa oleva vesi on muuttunut entistä lämpimämmäksi ja jää entistä kylmemmäksi. Jäämurskasta on muodostunut yksi kokonainen kiinteä jäänpala. JOS entropia kasvaa eli pyrkii maksimiin kuten fysikaalinen lainalaisuus sanoo: -Lasissa ollut jää on sulanut ja sekoittunut lasissa olleeseen veteen. Sekä alkuperäinen vesi, että jäästä sulanut vesi ovat samassa lämpötilassa ja erottamattomasti sekaisin keskenään.

Yhden selityksen mukaan veden lämpeneminen ja jään kylmeneminen ei olisi ristiriidassa termodynamiikan toisen pääsäännön kanssa, sillä vaikka entropia lasissa vähenee, se vastaavasti muualla lisääntyy moninkertaisesti. Eli tapahtuma olisi tämän mukaan mahdollinen, jos esimerkiksi viereisessä huoneessa kymmenessä vesilasillisessa jäämurska sulaa vedeksi, edellyttäen, että ovi huoneiden välillä on auki. On huomattava, että jos järjestyksen kasvaminen on äärimmäisen epätodennäköistä, kun järjestelmä on eristetty, on se yhä äärimmäisen epätodennäköinen, kun järjestelmä on auki, ellei jokin sisään tuleva tee siitä ei-äärimmäisen epätodennäköiseksi.⁶ Tässä tapauksessa kuitenkaan tällaista tekijää ei ole.

On myös väitetty, että termodynamiikan toinen laki koskee vain lämpöenergiaa, eikä sitä näin ollen voida soveltaa naturalistiseen maailmanselitysmalliin. Lämmön entropia on kuitenkin vain epäjärjestyksen mitta lämmön hajaantuessa. Näin voidaan määritellä X-entropia mittamaan minkä tahansa hajaantuvan komponentin X epäjärjestystä. Termodynamiikan toinen laki on todennäköisyyden laki: kaikki menee todennäköisintä asemaansa kohti.

X-entropiaksi voidaan esimerkiksi ottaa takaperin esitetty video, jossa näkyy tornadon vyöryminen kaupungin läpi.⁷ Videossa näyttää siltä, kuin tornado kasaisi raunioista talot ja autot vähentäen entropiaa. 

Vesilasissa olevien jääpalojen ja veden entropiamuutos on tarkasti mitattavissa, mutta tornadovideossa entropian muutos on hyvin vaikea mitata ja tämän perusteella on väitetty sen soveltamisen termodynamiikan toiseen pääsääntöön olevan epätieteellistä. Vaikka joitakin tapauksia on niin hankala laskea tarkasti, että on vaikea sanoa, mitä termodynamiikan toinen pääsääntö tarkalleen ennustaa, on se joissakin tapauksissa hyvin helppoa, kuten takaperin kulkevassa tornadossa. Jotkin asiat ovat ilmeisiä, vaikka ne olisi vaikea ilmaista laskennallisesti.

Vesilasiesimerkissä veden lämpeneminen ja jäämurskan jäähtyminen, sekä tornadon talojen ja autojen kasaaminen, ovat äärimmäisen epätodennäköisiä tapahtumia, mutta luonnolliset voimat tekevät äärimmäisen epätodennäköisiä asioita koko ajan. Jos esimerkiksi heitetään kolikkoa miljardi kertaa, on tulos aina äärimmäisen epätodennäköinen. Termodynamiikan toinen laki ei estä äärimmäisen epätodennäköisiä asioita, vaan paljain silmin nähtäviä tapahtumia, jotka ovat äärimmäisen epätodennäköisiä mikroskooppisesta näkökulmasta. Jos heitetään miljardi kertaa kolikkoa ja saadaan äärimmäisen epätodennäköinen, yksinkertaisesti kuvattavissa oleva tulos, kuten kaikki klaavoja, on syytä olla hämmästynyt.

Vesilasiesimerkissä, kuten myöskään tornadoesimerkissä, ei ole periaatteessa ristiriitaa termodynamiikan toisen lain kanssa, koska toinen laki koskee vain eristettyjä järjestelmiä ja sillä siisti. On totta, että myöhemmissä ja tarkemmissa toisen lain määritelmissä on se ilmaistu "järjestyksenä" ja "epäjärjestyksenä" alkaen "eristetystä järjestelmästä". Eikä näin kumpikaan esimerkeistä ole ristiriidassa toisen lain määritelmien kanssa.

Jos Newton ei olisi yleistänyt gravitaatiolakiaan "maa vaikuttaa omenoihin" -muodosta pidemmälle, voitaisiinko sanoa, että "maa ei vaikuta appelsiineihin"? Avoimiin järjestelmiin onkin olemassa ilmeinen yleistys: Jos järjestyksen kasvaminen on äärimmäisen epätodennäköistä, kun järjestelmä on eristetty, on se yhä äärimmäisen epätodennäköinen, kun järjestelmä on auki, ellei jokin sisään tuleva tee siitä ei-äärimmäisen epätodennäköiseksi. Tätä on myös yllä havainnollistettu X-entropian avulla.

Vesilasissa olevan veden lämpeneminen ja jään jäähtyminen, sekä tornadon talojen ja autojen kasaaminen, ovat molemmat äärimmäisen epätodennäköisiä, vaikka maahan saapuukin energiaa auringosta.

Jos nyt nähtäisiin takaperin esitetyn videon tornadosta, tai vesilasin entropian lisääntyminen, ei lähdettäisi miettimään joitakin yllä esitettyjä argumentteja selittääksemme, miksi se, mitä nähdään ei teknisesti ottaen ole ristiriidassa termodynamiikan toisen lain kanssa. Saman tien huomattaisiin, että se, mitä nähdään on voimakkaasti ristiriidassa perustavaa laatua olevan luonnonlain kanssa, riippumatta siitä, onko se ristiriidassa joidenkin ihmisten muotoilemien määritelmien kanssa, vai ei.⁸