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1. Stato di disordine
dovuto alla progressiva riduzione dell'energia termica disponibile.
Nei fenomeni naturali
intervengono varie forme di energia che nei suoi stati fondamentali può
presentarsi come energia potenziale o come energia cinetica, anche se
altre forme di energia fanno parte dell'esperienza comune: l'energia radiante,
l'energia termica, l'energia chimica, l'energia elettrica...
L'energia può essere trasformata da uno stato all'altro ma non può essere né creata, né distrutta: l'energia totale di un sistema si mantiene costante (Primo principio della termodinamica). Si pensi all'energia nucleare liberata dai processi di fusione atomica che avvengono nel sole che si trasforma in energia radiante, in energia chimica (nei tessuti delle piante), in energia meccanica (nell'animale), in calore... Oppure consideriamo una centrale idroelettrica: l'energia potenziale gravitazionale dell'acqua dell'invaso montano si trasforma, precipitando, in energia cinetica che nell'alternatore si trasforma in energia elettrica e quindi si trasforma in energia radiante nelle lampadine, in energia meccanica nei motori, in energia termica nei forni... In ogni caso l'energia utilizzata eguaglia sempre l'energia potenziale iniziale. Tuttavia a causa degli attriti, parte dell'energia viene dispersa nell'ambiente sotto forma di calore. Nessun sistema può quindi essere considerato isolato, se non l'universo preso nel suo insieme: la sua energia si mantiene sempre costante. Il calore è dunque una forma di energia: l'energia termica. Ma mentre le altre forme di energia hanno la possibilità teorica di trasformarsi totalmente da una forma all'altra, l'energia termica non gode di questa possibilità. Alcune considerazioni riassunte nel secondo principio della termodinamica permettono di stabilire che: 1. non è possibile ottenere lavoro in modo ciclico assorbendo calore da una sola sorgente; 2. Il calore può trasformarsi in lavoro solo passando da un corpo a temperatura più alta (sorgente di calore) ad uno a temperatura più bassa (refrigerante); 3. non tutto il calore che passa dalla sorgente al refrigerante si trasforma in lavoro, ma solo una parte di esso. Più semplicemente ciò significa che, come l'esperienza insegna, nei fenomeni naturali una parte dell'energia si trasforma sempre in calore e se anche fossimo in grado di recuperare tale calore e riconvertirlo in altre forme di energia, soltanto una parte potrebbe essere utilizzata, mentre la rimanente andrebbe dispersa nell'ambiente. Se è vero che l'energia dell'universo, al di là delle trasformazioni, si mantiene costante, è pur vero che si tratta di una conservazione del tutto fittizia, in quanto lentamente ma inesorabilmente tutte le forme di energia si saranno convertite in calore, cioè si saranno degradate. Tutte le parti dell'universo si troveranno alla stessa temperatura, per cui non sarà più possibile ottenere lavoro e non potrà più aver luogo alcuna trasformazione. Questo - si calcola tra circa mille miliardi di anni - sembra essere il destino dell'universo alla luce del secondo principio della termodinamica.
A tali conclusioni è giunto nel
secolo scorso il fisico tedesco Rudolf Clausius che riuscì a definire
in termini matematici questo concetto introducendo una grandezza fisica
denominata “entropia”. In ogni sistema termodinamico qualsiasi
processo naturale che si verifichi al suo interno determina un aumento
nel valore della sua entropia e tale aumento fornisce una misura dell'energia
inutilizzabile che si produce in conseguenza di tale processo.
Se il sistema considerato è l'universo, si arriva alla seguente conclusione: l'energia dell'universo si mantiene costante ma la sua entropia è in continuo aumento con conseguente, inevitabile annichilamento.
Quotidianamente assistiamo
a infiniti esempi della trasformazione dell'ordine in disordine e mai
assistiamo a uno spontaneo processo opposto. Vediamo la luce di una lampada
diffondersi in una stanza, animali ed alberi nascere crescere morire ma
non abbiamo mai visto il suo contrario, né nessuno risorgere, decrescere
ed entrare nel grembo materno.
Sembrerebbe dunque esistere una direzione del tempo univocamente orientata dal tempo passato al tempo che deve venire. Una freccia, la freccia del tempo, sembra attraversare la nostra mente, i fenomeni e la materia che ci sta attorno. Eppure né la meccanica classica, né la relativistica, né la quantistica distinguono tra un passato e un futuro. Il secondo principio della termodinamica riconosce però una freccia del tempo: l'entropia aumenta con l'avanzare del tempo. La termodinamica è la scienza che dà ragione al senso comune, alla percezione? Una nuova disciplina, la meccanica statistica, dà una risposta che consente di superare la contraddizione tra i risultati definiti fenomenologici della termodinamica e i risultati, definiti fondamentali della meccanica. Nulla vieta che tra i miliardi e miliardi di casi in cui si possono venire a disporre i frammenti di un vetro infranto si possa verificare lo stato in cui essi si trovino ricomposti a costituire l'ordine iniziale. Solo che la situazione di ordine è meno probabile del disordine. Tuttavia il problema della freccia del tempo resta tuttora aperto, né è scontata per tutti la tendenza indicata dall'entropia. Qualcuno ritiene che la forza di gravità contrasta un'omogenea distribuzione dell'energia: il flusso di energia delle stelle tiene lontano dall'equilibrio intere regioni dell'universo e tra queste la nostra, che procede in controtendenza, com'è dimostrato da quell'elevato grado di ordine e informazione che ha reso possibile la nascita della vita. Altri vorrebbero elevare al rango di leggi fondamentali i principi della termodinamica e vedere la freccia del tempo e l'entropia iscritte nell'origine stessa dell'universo, alcuni ponendola come fenomeno iniziale e quindi con tendenza decrescente, altri crescente.
L'entropia cui l'universo inteso nel suo insieme - sistema chiuso - andrebbe incontro non esclude la possibilità di sistemi locali aperti che possano aumentare il loro grado di ordine a spese dell'universo, come nel caso della Terra che trasformando il costante flusso di energia solare ha potuto aumentare il suo grado di ordine e di informazione per originare la più sconvolgente contraddizione della termodinamica dell'universo: la nascita della vita. Misura la quantità di informazione trasmessa da una sorgente con un messaggio. Una sorgente (uno scrittore,
un annunciatore...) produce in una determinata circostanza uno qualsiasi
tra i possibili messaggi.
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