Tại sao luật entropy lại là quy tắc kinh hoàng nhất trong vũ trụ?

Luật entropy là quy tắc thứ hai của nhiệt động lực học được nhà khoa học người Đức Rudolf Clausius đưa ra vào năm 1850.

Mọi sự tồn tại trong vũ trụ đều có điểm khởi đầu và điểm kết thúc. Dù rộng lớn như vũ trụ hay nhỏ như chúng ta, tất cả đều sẽ đối mặt với sự kết thúc và chấm dứt ở điểm đó.

Tại sao mọi sự tồn tại đều hướng đến sự hủy diệt và cái chết? Có người cho rằng đây là quy luật tự nhiên của vũ trụ, nơi mà sự sống không thể tồn tại vĩnh viễn. Cả con người và các thiên thể đều phải đối mặt với sự chấm dứt khi đạt đến một giới hạn nhất định.

Vậy nguyên nhân gì đứng sau việc điều khiển sự sống và cái chết của mọi sự tồn tại? Sau quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tìm ra đây chính là entropy.

Nhà vật lý lỗi lạc người Ireland gốc Áo Erwin Schrödinger đã nói rằng 'sự sống tồn tại dựa trên entropy âm'. Còn nhà vật lý Sir Arthur Stanley Eddington cho rằng nguyên tắc cao nhất của tự nhiên chính là quy luật tăng entropy, giải thích bản chất của vũ trụ một cách toàn diện.

Entropy là gì?

Entropy là đại lượng vật lý mô tả mức độ mất trật tự của một hệ thống. Nó thể hiện sự đồng nhất của sự phân bố năng lượng trong hệ thống. Entropy của một hệ càng cao thì mức độ mất trật tự càng lớn, sự phân bố năng lượng càng đồng đều. Ngược lại, khi entropy giảm thì mức độ trật tự của hệ thống tăng, sự phân bố năng lượng không đều hơn và hệ thống có nhiều năng lượng hữu ích hơn.

Ví dụ, một cốc nước đá gồm hai trạng thái: đá và nước. Phân tử nước trong đá có cấu trúc chặt chẽ, trật tự và nhiệt độ thấp; trong khi phân tử nước trong nước có cấu trúc lỏng lẻo, mất trật tự và nhiệt độ cao. Do đó, entropy của hệ nước đá ban đầu thấp do sự phân bổ năng lượng không đều. Tuy nhiên, khi thời gian trôi, khối đá sẽ tan chảy và nước sẽ trộn lẫn, cuối cùng hệ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng với tất cả phân tử nước trở thành chất lỏng và có nhiệt độ như nhau. Ở trạng thái này, entropy của hệ nước đá tăng lên do sự phân bổ năng lượng đồng đều.

Định luật entropy là gì?

Định luật entropy là quy tắc thứ hai của nhiệt động lực học được nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius đưa ra vào năm 1850. Quy luật này cho biết rằng trong một hệ cô lập, bất kỳ quá trình tự nhiên nào cũng sẽ dẫn đến việc entropy tổng thể của hệ tăng hoặc không đổi, nhưng không bao giờ giảm.

Nói một cách khác, mọi dạng năng lượng trong tự nhiên có thể dễ dàng chuyển đổi thành nhiệt, nhưng nhiệt không thể chuyển đổi hoàn toàn trở lại thành các dạng năng lượng khác mà không gây ra các tác động.

Ví dụ, động cơ xe hơi chuyển đổi năng lượng hóa học từ xăng thành năng lượng cơ học để tạo ra chuyển động. Tuy nhiên, không phải toàn bộ năng lượng hóa học được chuyển đổi hoàn toàn thành năng lượng cơ học; một phần được chuyển thành nhiệt, âm thanh và bị thất thoát ra môi trường xung quanh.

Những mất mát năng lượng này làm tăng entropy của hệ thống. Nếu bạn muốn khôi phục lại năng lượng đã mất và chuyển đổi nó trở lại thành năng lượng hóa học hoặc năng lượng cơ học, bạn sẽ cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên hơn, điều này không hiệu quả và không thể thực hiện. Vì vậy, hoạt động của động cơ xe hơi là một quá trình không thể đảo ngược, tuân theo quy luật entropy.

Tại sao định luật entropy lại là quy luật kinh hoàng nhất trong vũ trụ?

Định luật entropy là quy luật kinh hoàng nhất trong vũ trụ vì nó tiết lộ tương lai cuối cùng của vũ trụ. Theo định luật entropy, chúng ta biết rằng mọi quá trình tự nhiên trong vũ trụ đều làm tăng entropy tổng thể, nhưng không bao giờ làm giảm nó.

Điều này có nghĩa là theo thời gian, tất cả cấu trúc có trật tự trong vũ trụ (như sao, hành tinh, sự sống, v.v.) sẽ mất đi trật tự và năng lượng sẽ trở thành bức xạ nhiệt phân bố đều. Vì vậy, vũ trụ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng, tức trạng thái chết lạnh, nơi không có gì thú vị, không có năng lượng hay vật chất hữu ích, không có sự sống hay trí tuệ.

Đây là ngày cuối cùng của vũ trụ được tiên đoán bởi định luật entropy tăng lên dần. Tất nhiên, sự kết thúc này sẽ không xảy ra trong tương lai gần. Theo ước tính khoa học, cần ít nhất 10^100 năm nữa mới đến thời điểm định luật entropy gây ra cái chết nhiệt. Trong khoảng thời gian dài này, vũ trụ sẽ trải qua nhiều sự thay đổi như sự tiêu diệt của ngôi sao, lỗ đen bay hơi, phân rã của proton, và nhiều biến đổi khác. Nhưng bất kể điều gì xảy ra, định luật entropy sẽ luôn là nguyên tắc quyết định.

Chúng ta có khả năng thoát khỏi sự tăng dần của entropy không?

Câu trả lời là: chúng ta chỉ có thể tạm thời tránh được định luật entropy. Điều này vì định luật entropy chỉ áp dụng cho các hệ thống đóng cửa, trong khi hệ thống mà chúng ta sống không phải là hệ đóng cửa.

Trái Đất là một hệ thống mở, có thể nhận năng lượng chất lượng cao từ Mặt Trời và sử dụng nó để duy trì sự sống và sự phát triển của sự sống và văn minh trên Trái Đất. Nhờ năng lượng từ Mặt Trời, Trái Đất có thể giảm entropy cục bộ, nghĩa là giảm sự rối loạn và tăng sự hữu ích của năng lượng.

Ví dụ, thực vật có khả năng chuyển đổi nước và carbon dioxide thành chất hữu cơ và oxy thông qua quá trình quang hợp; con người có thể chuyển đổi tài nguyên thiên nhiên thành các sản phẩm và dịch vụ khác nhau thông qua sự tiến bộ công nghệ; sự sống có thể tạo ra sự đa dạng và phức tạp thông qua tiến hóa. Đây đều là những ví dụ về cách chúng ta có thể tạm thời thoát khỏi quy luật entropy.

Tuy nhiên, chúng ta không thể vĩnh viễn tránh khỏi quy luật tăng entropy vì dù chúng ta không ở trong một hệ cô lập, toàn bộ vũ trụ vẫn được xem như một hệ cô lập ở mức độ lớn.

Điều này có nghĩa, trong toàn bộ vũ trụ, không có năng lượng và vật chất nào được cung cấp hoặc tiêu thụ từ bên ngoài. Điều này ngụ ý rằng bất kể chúng ta sử dụng và quản lý năng lượng ở các hệ thống cục bộ ra sao, chúng ta không thể thay đổi hướng tăng entropy chung của vũ trụ.

Nói một cách khác, chúng ta chỉ có khả năng trì hoãn, nhưng không thể ngăn cản sự chết lạnh của vũ trụ.