Lite tankar om skapelse, förstörelse och entropi från en fysiker-wannabe
När det här skrivs är det allahelgonahelg, vilket återigen har väckt en massa tankar och minnen hos mig. Minnen av människor som inte finns hos oss längre, och tankar om varför minnena blir svagare för varje år. För så är det, sakta men säkert bleknar bilderna bort och det enda som kan ändra på det är de fysiska minnen som finns kvar, som bilder och filmer. En av de mest irriterande sakerna här i livet är att jag har så svårt att glömma det man inte vill minnas, medan det jag vill hålla kvar vid glöms bort alldeles för snabbt.
Från fysikens synvinkel är det inte så konstigt att man glömmer. Man har en av de (enligt vår nuvarande fysiska världsbild i alla fall) grundläggande lagarna emot sig! Termodynamikens andra lag brukar den kallas, och den innebär att entropin ökar i slutna system. Det där låter kanske inte så upplysande om man inte läst en del fysik, så jag ska försöka mig på en liten förklaring. Den enklaste förklaringen brukar vara att entropi betyder oordning på ett ungefär. Oordningen är dels "rumslig", som i ett ostädat rum (ett städat rum har lägre entropi än ett ostädat) men för att försvåra lite måste man även hålla reda på "energimässig" oordning. Värmeenergi har hög entropi medan till exempel rörelseenergi och lägesenergi (eller mer allmänt potentiell energi) har låg entropi.
Minnen är lagrad information, det vill säga något i högsta grad ordnat. Att ordna något till information kräver fysisk energi (som till exempel att skriva en bok), men att förstöra information kräver ingen energi (exempelvis ett bibliotek som brinner ner).
Hur kommer det sig då vi kan skapa minnen, att informationen kan växa? Det är möjligt genom att energin blir mer oordnad. Termodynamikens andra lag säger att entropin ska öka i ett slutet system och det gör den eftersom energin allt eftersom omvandlas till värmeenergi. Det är det slutliga priset vi betalar den ökade "rumsliga" ordningen. För det är inte bara genom våra medvetna beslut som den rumsliga ordningen ökar, det har den gjort alltsedan Big Bang. Det första rumsliga som fanns var en massa elementarpartiklar, som som så småningom skapade atomer och så vidare ända till en så komplicerad varelse som människan skapades. Tänk bara på all information som finns lagrad i våra gener, det är sannerligen inte någon oordning där inte!
Jag tror att det kan vara dags för ännu en utvikning. Vi har nämligen kommit i närheten av den fantastiska och osannolika historia som kallas astronomi. I och med Big Bang skapades ett universum med otroligt låg entropi. När universum var ungt fanns det lite materia och mycket strålning, men allt eftersom universum utvidgade sig och svalnade av övergick mer och mer av strålningen till materia. Först till elementarpartiklar, som slog sig samman till protoner och liknande, som bildade atomer. Dock fanns det i början bara väte och heliumatomer, eftersom det krävs mycket energi för att bilda tyngre atomer.
Nu består ju jorden, och vi själva, till största delen av tyngre atomer än så. Var har de kommit ifrån, hur har de bildats? Svaret är att de har bildats inuti sjärnor, den höga temperaturen och trycket i stjärnorna har skapat alla tyngre atomer. När sedan stjärnan har exploderat, som en supernova, har de spridits ut och sedan samlats ihop av gravitationen. Både vi och allt vi har omkring oss är stjärnstoft, vilket är en svindlande tanke.
Det finns fler fantastiska detaljer när det gäller vår utveckling, jag tänkte ta upp ett par stycken. När solen var ung lyste den svagare än den gör nu. På den tiden bestod jordens atmosfär till största delen av koldioxid, som ju är en växthusgas. Tack vare den här växthuseffekten kunde temperaturen på jorden hållas på en lämplig nivå för att livet skulle kunna utveckla sig. Såvitt vi vet gynnas liv av att temperaturen liggar ungefär där den är på jorden. När solen sedan började lysa starkare fanns det en risk att temperaturen skulle bli för hög, men detta hindrades genom att värmen gjorde att regnandet ökade, och regnet band upp koldioxid och minskade därmed växthuseffekten. Temperaturen fortsattte att vara gynnsam.
Var kommer syret i luften från? Innan det fanns liv på jorden fanns det inget fritt syre i luften (det fanns dock vattenånga). Syret kom från primitivt liv i haven som levde på fotosyntes eller, ännu tidigare, något som liknar fotosyntes. Restprodukten från fotosyntesen är syre, och det tog sig upp i atmosfären. Där bildade syret ozonlagret som gjorde liv ovanför havet möjligt, tidigare hade strålningen från solen omöjliggjort allt liv ovanför havsytan. På det här sättet skaffade livet själv sig möjligheten att utvecklas på land.
Vi ska även vara glada att vi har den andel syre som vi har i atmosfären. Det finns beräkningar som tyder på att om atmosfären haft några procentenheter mer syre än den ahr idag så hade skogsbränder varit omöjliga att stoppa. Förbränningen på jorden hade varit för effektiv.
Det finns alltså mycket att tacka för att möjligheten till liv på jorden finns. Att universum skapades i ett osannoligt ordnat tillstånd. Ett supernovor framställde byggmaterial. Att växthuseffekten höll jorden lagom varm, och att blågröna alger försåg atmosfären med lagom mycket syre.
Det är en fantastisk resa som gjorts. Från strålningsenergi till elementarpartiklar till atomer, via stjärnor till större atomer som kan bilda de kolbaserade molekyler som är grunden för det liv vi känner till. En av mina gamla föreläsare beskriv processen som ett självbyggande lego. En vanlig missuppfattning kring termodymaikens andra lag är att den säger att "allting sprider sig". Så är det ibland, teet sprider sig i vattnet, värmen sprider sig och sakerna sprider sig i ett rum, men i det stora perspektivet så samlar sig materien till i mer och mer ordnade former. Energin blir mer och mer oordnad, men elementarpartiklarna bygger som legobitar ihop sig till mer och mer avancerade byggen. Synd att vi inte lever länge nog för att få se det slutliga bygget!
En liten litteraturförteckning: Fakta till det mesta ovan är antingen från Peter Nilsons bok Stjärnvägar eller en text av Lars Alfred Engström som heter Om termodynamik och statistisk fysik från ett häfte som heter Sommarläsning 1999.
Från fysikens synvinkel är det inte så konstigt att man glömmer. Man har en av de (enligt vår nuvarande fysiska världsbild i alla fall) grundläggande lagarna emot sig! Termodynamikens andra lag brukar den kallas, och den innebär att entropin ökar i slutna system. Det där låter kanske inte så upplysande om man inte läst en del fysik, så jag ska försöka mig på en liten förklaring. Den enklaste förklaringen brukar vara att entropi betyder oordning på ett ungefär. Oordningen är dels "rumslig", som i ett ostädat rum (ett städat rum har lägre entropi än ett ostädat) men för att försvåra lite måste man även hålla reda på "energimässig" oordning. Värmeenergi har hög entropi medan till exempel rörelseenergi och lägesenergi (eller mer allmänt potentiell energi) har låg entropi.
Minnen är lagrad information, det vill säga något i högsta grad ordnat. Att ordna något till information kräver fysisk energi (som till exempel att skriva en bok), men att förstöra information kräver ingen energi (exempelvis ett bibliotek som brinner ner).
Hur kommer det sig då vi kan skapa minnen, att informationen kan växa? Det är möjligt genom att energin blir mer oordnad. Termodynamikens andra lag säger att entropin ska öka i ett slutet system och det gör den eftersom energin allt eftersom omvandlas till värmeenergi. Det är det slutliga priset vi betalar den ökade "rumsliga" ordningen. För det är inte bara genom våra medvetna beslut som den rumsliga ordningen ökar, det har den gjort alltsedan Big Bang. Det första rumsliga som fanns var en massa elementarpartiklar, som som så småningom skapade atomer och så vidare ända till en så komplicerad varelse som människan skapades. Tänk bara på all information som finns lagrad i våra gener, det är sannerligen inte någon oordning där inte!
Jag tror att det kan vara dags för ännu en utvikning. Vi har nämligen kommit i närheten av den fantastiska och osannolika historia som kallas astronomi. I och med Big Bang skapades ett universum med otroligt låg entropi. När universum var ungt fanns det lite materia och mycket strålning, men allt eftersom universum utvidgade sig och svalnade av övergick mer och mer av strålningen till materia. Först till elementarpartiklar, som slog sig samman till protoner och liknande, som bildade atomer. Dock fanns det i början bara väte och heliumatomer, eftersom det krävs mycket energi för att bilda tyngre atomer.
Nu består ju jorden, och vi själva, till största delen av tyngre atomer än så. Var har de kommit ifrån, hur har de bildats? Svaret är att de har bildats inuti sjärnor, den höga temperaturen och trycket i stjärnorna har skapat alla tyngre atomer. När sedan stjärnan har exploderat, som en supernova, har de spridits ut och sedan samlats ihop av gravitationen. Både vi och allt vi har omkring oss är stjärnstoft, vilket är en svindlande tanke.
Det finns fler fantastiska detaljer när det gäller vår utveckling, jag tänkte ta upp ett par stycken. När solen var ung lyste den svagare än den gör nu. På den tiden bestod jordens atmosfär till största delen av koldioxid, som ju är en växthusgas. Tack vare den här växthuseffekten kunde temperaturen på jorden hållas på en lämplig nivå för att livet skulle kunna utveckla sig. Såvitt vi vet gynnas liv av att temperaturen liggar ungefär där den är på jorden. När solen sedan började lysa starkare fanns det en risk att temperaturen skulle bli för hög, men detta hindrades genom att värmen gjorde att regnandet ökade, och regnet band upp koldioxid och minskade därmed växthuseffekten. Temperaturen fortsattte att vara gynnsam.
Var kommer syret i luften från? Innan det fanns liv på jorden fanns det inget fritt syre i luften (det fanns dock vattenånga). Syret kom från primitivt liv i haven som levde på fotosyntes eller, ännu tidigare, något som liknar fotosyntes. Restprodukten från fotosyntesen är syre, och det tog sig upp i atmosfären. Där bildade syret ozonlagret som gjorde liv ovanför havet möjligt, tidigare hade strålningen från solen omöjliggjort allt liv ovanför havsytan. På det här sättet skaffade livet själv sig möjligheten att utvecklas på land.
Vi ska även vara glada att vi har den andel syre som vi har i atmosfären. Det finns beräkningar som tyder på att om atmosfären haft några procentenheter mer syre än den ahr idag så hade skogsbränder varit omöjliga att stoppa. Förbränningen på jorden hade varit för effektiv.
Det finns alltså mycket att tacka för att möjligheten till liv på jorden finns. Att universum skapades i ett osannoligt ordnat tillstånd. Ett supernovor framställde byggmaterial. Att växthuseffekten höll jorden lagom varm, och att blågröna alger försåg atmosfären med lagom mycket syre.
Det är en fantastisk resa som gjorts. Från strålningsenergi till elementarpartiklar till atomer, via stjärnor till större atomer som kan bilda de kolbaserade molekyler som är grunden för det liv vi känner till. En av mina gamla föreläsare beskriv processen som ett självbyggande lego. En vanlig missuppfattning kring termodymaikens andra lag är att den säger att "allting sprider sig". Så är det ibland, teet sprider sig i vattnet, värmen sprider sig och sakerna sprider sig i ett rum, men i det stora perspektivet så samlar sig materien till i mer och mer ordnade former. Energin blir mer och mer oordnad, men elementarpartiklarna bygger som legobitar ihop sig till mer och mer avancerade byggen. Synd att vi inte lever länge nog för att få se det slutliga bygget!
En liten litteraturförteckning: Fakta till det mesta ovan är antingen från Peter Nilsons bok Stjärnvägar eller en text av Lars Alfred Engström som heter Om termodynamik och statistisk fysik från ett häfte som heter Sommarläsning 1999.
