sabato 17 dicembre 2016

L'origine profonda di ogni cosa, è negli scambi e nelle trasformazioni di energia. Entropia, freccia del tempo e secondo principio della termodinamica

In risposta ad un dialogo su alcuni aspetti legati a temi di natura scientifica, avvenuto altrove:

L'ORIGINE PROFONDA DI OGNI COSA, È NEGLI SCAMBI E NELLE TRASFORMAZIONI DI ENERGIA. 
ENTROPIA, FRECCIA DEL TEMPO E SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA.

Più o meno le cose stanno così. Più che consumando materia, trasformandola, liberando l'energia che contiene, la "colla" nucleare che la tiene insieme (è grazie ad Einstein e alla sua nota formula, che abbiamo compreso questo aspetto profondo della natura). 
L'intero universo probabilmente è nato da una fluttuazione quantica del vuoto, un improvviso innesco di energia fuoriuscita dal nulla, che ha dato vita, attraverso il Big Bang, a tutto ciò che conosciamo. La materia prende forma grazie alla melassa cosmica che pervade l'universo, il campo di Higgs, che fornisce massa alle particelle elementari che interagiscono col campo. L'aggregazione di queste particelle elementari dotate di massa e carica elettrica (oppure neutre), forma gli atomi e le molecole che creano le strutture piccole e grandi che popolano l'enorme spazio in espansione dell'universo. L'evoluzione ed il destino ultimo di questa immensa e complessa struttura che è l'universo, sembrano legati alla termodinamica, in particolare al suo secondo principio, da cui scaturiscono una grandezza fisica nota come Entropia, e il concetto di "freccia del tempo". In sostanza l'energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma (primo principio della termodinamica). Però nel corso di ciascuna di queste trasformazioni (energia meccanica, energia cinetica, energia elettrica, ecc.) una frazione dell'energia totale si "degrada", e si disperde nell'universo sottoforma di energia termica, che non potrà più essere utilizzata per compiere lavoro. Questa frazione di energia termica, che scaturisce e si disperde nel corso di ciascuna trasformazione di energia, va ad aumentare il valore dell'Entropia, cioè di quella grandezza che misura il grado di disordine di un sistema. Questo valore può soltanto crescere e mai diminuire, motivo per cui il destino dell'universo è segnato: tra miliardi e miliardi di anni, quando tutta l'energia si sarà trasformata e dispersa sottoforma di energia termica, non ci sarà più alcun modo di compiere un lavoro, ed il valore dell'Entropia (cioè il grado di disordine dell'universo) sarà massimo. In quel momento, quando anche l'ultima stella si sarà spenta e l'ultimo buco nero sarà evaporato, nell'universo resterà soltanto una debole radiazione, fotoni liberi privi di massa, e si sarà raggiunto l'equilibrio termodinamico. 
Come dicevo poco fa, alla grandezza dell'Entropia è legato il concetto di freccia del tempo. In sostanza se noi nasciamo, invecchiamo e muoiamo, è perché il tempo scorre in un'unica direzione, sempre in avanti. E non è possibile invertire la direzione di scorrimento del tempo, perché per farlo dovremmo violare il secondo principio della termodinamica, ossia diminuire il valore dell'Entropia, ma non è possibile. Questo valore come abbiamo visto cresce sempre. Anche quando a livello "locale" la natura opera per diminuire il valore dell'Entropia (questo avviene ad esempio quando nascono e si formano strutture complesse, come organismi viventi o anche strutture ordinate inanimate, quali le stelle o le aggregazioni di stelle, le galassie), il valore complessivo di questa grandezza cresce sempre nell'universo, perché una frazione dell'energia impiegata per creare queste strutture complesse si degrada e si disperde sempre sottoforma di calore, e il disordine complessivo dell'universo aumenta. Faccio un esempio: se apro una scatola al cui interno sono contenuti oggetti in modo disordinato, ed inizio ad ordinarli e sistemarli, diminuisco il valore dell'Entropia del sistema scatola, ma aumento il valore complessivo dell'Entropia del sistema universo, in quanto una parte dell'energia impiegata per compiere il lavoro necessario per ordinare gli oggetti nella scatola, verrà dispersa sottoforma di calore e non sarà più utilizzabile per compiere un lavoro. La stessa complessità di un organismo vivente, altro non è che una lotta continua compiuta dall'organismo per sottrarsi al proprio destino segnato di soccombere sotto i colpi del disordine. L'organismo finché è vivo conserva la propria struttura ordinata ma lo fa impiegando energia, che nel nostro caso è l'energia metabolica che trasforma il cibo che ingeriamo per consentire alla propria struttura di restare ordinata (viva). Ma nel fare tutto questo, una frazione di questa energia verrà sempre dispersa sottoforma di calore, e il valore complessivo dell'Entropia dell'universo aumenterà anche in questo caso, sebbene tutto il processo abbia consentito al sistema organismo di restare "ordinato", abbassando il valore della propria Entropia interna. Per invertire il corso del tempo dovremmo violare il secondo principio della termodinamica, dovremmo cioè intervenire sul processo naturale dell'universo che fa sì che il valore dell'Entropia cresca sempre spontaneamente, anziché diminuire. Ma è impossibile. Faccio un altro esempio: se prendo un bicchiere in mano e lo lancio sul pavimento lo mando in frantumi. Una struttura ordinata quale era il bicchiere prima di rompersi è diventata una struttura disordinata non appena impattando al suolo si sono rotti i legami che tenevano insieme i frammenti che si sono prodotti. Il valore dell'Entropia del sistema bicchiere è aumentata, e il processo non è reversibile. Ossia se lancio di nuovo sul pavimento i frammenti raccolti non otterrò di nuovo il bicchiere. La freccia del tempo scorre in un'unica direzione (sempre avanti) ed è strettamente legata alla grandezza dell'Entropia e al secondo principio della termodinamica che ne regola l'evoluzione. 
Concludendo, quando dico che l'essenza profonda di ogni cosa è legata agli scambi di energia, sto dicendo che finché nell'universo avrò energia disponibile ad essere trasformata, avrò un sistema vivo e in continua evoluzione. Quando l'equilibrio termodinamico fermerà ogni trasferimento e scambio di energia, ogni cosa nell'universo si fermerà, e a livello microscopico soltanto fotoni (la particella mediatrice della forza elettromagnetica) privi di massa continueranno a circolare in un universo immenso e vuoto. 
Cosa c'entra tutto questo con la natura? Apparentemente poco. Ma la fisica ai tempi di Newton si chiamava filosofia naturale. E la conoscenza e lo studio dei meccanismi che regolano i processi naturali, non può che aiutare a comprendere meglio quale meraviglioso equilibrio e quali meravigliose dinamiche consentono a tutto questo complesso sistema di funzionare. E più si comprende quanta complessa bellezza c'è dietro il funzionamento delle cose, più aumenta la voglia di impegnarsi affinché non venga irreversibilmente alterato quell'equilibrio che consente a tanta armonica bellezza di comporre il quadro complessivo all'interno del quale le nostre vite percorrono la loro parabola esistenziale.