ENTROPIA: LA VERA DEA DELL’UNIVERSO!!

Oggi torniamo a parlare un po’ di Scienza anzi, parliamo della “regina delle Scienze”, come veniva definita nell’’800  la Termodinamica! E lo facciamo dissertando, sempre da neofiti del settore, su di un argomento che ha incantato ed entusiasmato molti fisici del XIX secolo: l’ENTROPIA! E che continua a stupirci!

Ho già avuto modo di citare questa grandezza fisica  nel mio precedente articolo scritto ad aprile, http://www.alziamolosguardo.it/cosa-è-il-tempo-?/, legandola alla cosiddetta “freccia del tempo”; ma ora vogliamo analizzarla meglio, perché essa racchiude alcuni dei più affascinanti misteri del mondo in cui viviamo!

Essa è la vera Dea dell’Universo, perché ne regola l’evoluzione e il destino!

Personalmente non mi vergogno a dire che io ho scoperto questa grandezza solo all’università; prima non ricordo nessun professore che me ne abbia parlato; il che mi sembra quasi impossibile e mi fa venire il dubbio che sia uno scherzo della mia mente! Per gli studenti di oggi è sicuramente diverso e sicuramente ricevono almeno dei cenni già alle superiori. Fra l’altro non è infrequente  l’utilizzo che di essa si fa per esprimere concetti negativi tipo “ qui si produce solo entropia” per rappresentare un ambiente di lavoro in cui non si fa niente se non perdere tempo; oppure dire che una certa persona “crea solo entropia”, anche qui per dire che non fa niente di utile.

Ma al di là di questi modi di dire entrati ormai nel nostro lessico, il concetto di entropia è profondo e  di non facile e immediata comprensione! Ma da dove nasce questo termine che deriva dal greco come tantissime altre grandezze fisiche? Colui che coniò questo nome fu il grande Rudolf Clausius nel 1864 parlando di trasformazioni termodinamiche  e la indicò con la lettera S.  

Clausius, riprendendo un scritto di Sadi Carnot, enunciò anche una legge che diverrà celebre: “il calore NON PUO’ passare spontaneamente da un corpo freddo ad uno caldo” ed associò questa legge a quello che diverrà poi il 2° Principio della Termodinamica “ in un sistema isolato la variazione di entropia associata ad una trasformazione termodinamica è sempre maggiore o uguale a zero”.

In altre parole  l’entropia, a livello globale, non può mai diminuire.  

Matematicamente,  legò questa variazione di entropia al rapporto fra la variazione di calore che passa da un corpo all’altro e la temperatura assoluta a cui ciò avviene.  

Ma colui che ha esplorato più nel profondo il concetto di entropia è stato un altro grande fisico-chimico: Ludwig Boltzmann; nel ricercare la vera essenza dell’entropia egli non si è fermato al mondo macroscopico, quello che noi vediamo e sperimentiamo ogni giorno; si è addentrato nel mondo microscopico, quello delle molecole e degli atomi, che costituiscono il nostro mondo macroscopico ma che noi non vediamo o percepiamo; e ne è rimasto sconvolto! Torneremo su questo aspetto successivamente.

Vediamo adesso alcuni  aspetti con cui si caratterizza normalmente il concetto di entropia; il più noto è quello legato al disordine. Si dice che maggiore è l’entropia maggiore è il disordine delle cose; è vero, anche se  questa definizione è forse un po’ approssimata. I fenomeni naturali tendono spontaneamente al disordine, tendono cioè a passare da uno stato ordinato ad uno disordinato. Due gas diversi racchiusi in due recipienti, se questi due recipienti vengono messi a contatto, tendono inesorabilmente e spontaneamente a mescolarsi e mentre questo fenomeno è naturale, non si è mai osservato il processo inverso, ovvero che spontaneamente due gas mescolati tendono a tornare ognuno nel proprio recipiente; per separarli di nuovo bisogna spendere energia perché da soli non lo fanno; e mescolandosi tendono ad uno stato più disordinato di quello di partenza e quindi la loro entropia è aumentata!

Una goccia di inchiostro versata in un recipiente di acqua tende spontaneamente a spandersi e a mescolarsi con l’acqua; anche qui, non si è mai osservato il processo inverso ovvero che l’inchiostro sparso nell’acqua tenda spontaneamente a tornare una sola goccia. E’ evidente che il mescolamento è una forma più disordinata dei due liquidi separati; anche qui maggior disordine corrisponde a maggiore entropia.

I fenomeni naturali, se lasciati evolvere spontaneamente, tendono a disporsi nello stato più disordinato possibile, aumentando con ciò l’entropia dell’universo. Qualcuno potrebbe dire: ma vi sono anche dei casi in cui l’entropia diminuisce: per esempio se mettiamo dell’acqua in frigorifero essa si trasforma in ghiaccio che essendo una struttura a livello atomico più ordinata ha minore entropia dell’acqua che lo ha generato.

Vero; ma per trasformare l’acqua in ghiaccio il frigorifero ha dovuto creare freddo al suo interno e lo ha fatto facendo girare un compressore alimentato da energia elettrica; facendo un bilancio energetico si vede che l’aumento di entropia causata dal funzionamento del compressore è notevolmente superiore alla diminuzione causata dalla trasformazione dell’acqua in ghiaccio e quindi l’entropia globale del sistema acqua-compressore è decisamente aumentata, così come vuole la seconda legge della termodinamica!

L’entropia caratterizza anche la “qualità” di una sorgente di energia; più è bassa l’entropia più è pregiata l’energia. Una sorgente di calore a 1000°C ha una entropia molto minore di una sorgente a 50°C perché con quella a 1000 °C possiamo compiere lavoro meccanico, cioè possiamo usarla per tanti scopi, far muovere un treno, sollevare dei pesi, comprimere dei corpi; con quella a 50°C non riusciamo a farci niente se non utilizzarla per un bagno! Ecco quindi che l’entropia della sorgente di calore a 50 °C è molto più alta dell’altra e più è alta l’entropia più è difficile trasformare quella sorgente di energia in lavoro; il processo contrario invece è sempre possibile: tutto il lavoro può essere sempre trasformato in calore; ovviamente con aumento di entropia!  

Nel campo dell’energia quindi l’entropia è un indice del degrado energetico. Alcune  delle follie, sotto l’aspetto entropico, del nostro mondo, sono gli scaldabagni elettrici o a gas, piuttosto che le lavatrici o le lavastoviglie o i phon; qui si usa infatti una fonte energetica estremamente pregiata e versatile e quindi a bassissima entropia quale è l’energia elettrica o quella del gas, per scaldare dell’acqua o dell’aria a 50°C, dalla quale non puoi estrarre alcun tipo di lavoro!

 Aumentando con ciò grandemente l’entropia globale del nostro mondo e in totale disprezzo della “salute” del nostro pianeta. Acqua o aria calda che potremmo avere facilmente, previo una politica sapiente e lungimirante, come semplici sottoprodotti delle centrali elettriche o da pannelli solari o da altre tecnologie ormai collaudate.

I nostri giovani che tanto si agitano e si scalmanano per preservare il nostro pianeta, non rinunciano però al bagno caldo o al lavaggio automatico dei piatti premendo un semplice interruttore; ma forse lo fanno in buona fede perché non hanno nessun concetto “entropico”. D’altra parte i vari emuli di Greta Thunberg o “gretini”,  non sono certo noti per la loro preparazione scientifica!

Nelle comunicazioni, l’entropia è associata alla perdita di informazioni, nell’informatica alla capacità di formattazione etc.

Quindi l’entropia caratterizza tutti i processi della nostra vita, biologici, industriali, di divertimento, di intelletto, di comunicazione etc. Tutti questi processi tendono, spontaneamente a trasformarsi in qualcosa di più disordinato e quindi ad aumentare la loro entropia. Ma questo aumento di entropia è senza limite? Fino a che livello arriverà? Un limite c’è e prima o poi sarà raggiunto; il limite è la cosiddetta “morte termica” ovvero quando nell’universo la temperatura sarà uguale in ogni punto. Vorrà dire per esempio che non vi saranno più stelle e quindi non vi saranno più sorgenti di energia a bassa entropia: a quel tempo l’universo sarà permeato da energia degradata a temperatura costante e tutto sarà morto perché se cessa il fluire del calore da un corpo più caldo ad uno più freddo cessa la vita: l’entropia avrà raggiunto il suo valore massimo! E il secondo principio della termodinamica avrà vinto la sua battaglia!

Ma vorrei tornare ora a Boltzmann ed alle scoperte “sconcertanti” e affascinanti che fece, ovvero il collegamento fra entropia e il fluire del tempo, passato e futuro!

Cominciamo con il dire che le  leggi generali della fisica non distinguono il passato dal futuro: le leggi di Newton, di Einstein o di Maxwell funzionano e danno gli stessi risultati sia che il tempo proceda in un senso che nell’altro; sono simmetriche rispetto alla variabile tempo. Il film di una pallina che rotola secondo le leggi di Newton, può essere visto in un senso o a ritroso senza che il fenomeno cambi e senza che noi si capisca se il film gira nel senso corretto o meno; la legge che regola il rotolamento della pallina non cambia al cambiare della direzione del tempo.

Nelle leggi fisiche la “freccia” ovvero la direzione del tempo compare SOLO quando di mezzo c’è il “calore”; ogni volta che si manifesta del calore c’è un  passato e un futuro!

La stessa pallina di cui sopra, nella realtà tende a fermarsi causa l’attrito con la superfice su cui scorre e questo genera calore; ecco allora che in questo caso si riesce a distinguere se il film è girato nel verso giusto o a ritroso perché in questo secondo caso vedremmo la pallina ferma partire da sola il che è non è fisicamente possibile; il calore sviluppato con l’attrito ci consente quindi di distinguere il passato dal futuro, cosa prima impossibile!

Il fluire del tempo quindi è legato al “calore”; ma quando c’è passaggio di calore vale inevitabilmente la legge di Clausius ed ecco quindi che l’entropia è strettamente connessa al fluire del tempo ovvero al passato e al futuro dove il passato ha entropia minore del futuro e il tempo segue inesorabilmente l’aumento di entropia ovvero dal passato al futuro e non viceversa.

Ma se questo è vero a livello macroscopico e risponde perfettamente a quello che noi percepiamo, è vero anche a livello microscopico, a livello molecolare o atomico, a livello cioè di quel mondo che costituisce il nostro mondo macroscopico ma che noi non riusciamo a vedere e percepire? E’ qui che Boltzmann affondò il coltello, andando ad esplorare quel particolare mondo!

E in quel mondo le cose cambiano: lì è tutto un movimento, lì è tutto un agitarsi, un mescolarsi! Il movimento delle particelle è continuo, così come il loro rimescolamento e più il corpo è caldo più frenetico è questo movimento: le particelle si urtano continuamente, quelle più veloci cedono energia a quelle più lente, rimbalzano, collidono di nuovo. Le particelle fredde si scaldano urtate da quelle più calde, aumentando la loro agitazione: ecco perché il calore può fluire solo  dal corpo più caldo a quello più freddo: nello scontro fra una particella veloce (più calda) ed una lenta (più fredda) è quella veloce che cede energia a quella più lenta e non viceversa!

E il mescolamento aumenta il disordine! E quindi l’entropia! E quindi torniamo al punto di prima: il passato e il futuro è nel disordine naturale delle cose! Ma Boltzmann andò più avanti e si chiese perché nel passato (bassa entropia)  le cose erano più ordinate che nel futuro dove tende inesorabilmente la freccia del tempo? Perché i fenomeni che osserviamo intorno a noi ci sembrano iniziare sempre  da uno stato di bassa entropia per evolversi spontaneamente in stati di entropia più elevata?

Perché noi ci fermiamo al quadro generale, abbiamo una visione “appannata” del nostro mondo, non osserviamo o non riusciamo ad osservare tutti i dettagli si rispose Boltzmann!

Cosa voleva dire? Voleva dire che andando nel microscopico vi sono tantissime configurazioni di stato diverse che corrispondono allo stato macroscopico che noi osserviamo e che crediamo unico; se abbiamo 10 palline metà di colore rosso e metà di colore nero, se  mettiamo in fila prima le rosse e poi le nere, siamo portati a dire che abbiamo fatto una configurazione “particolare”, una configurazione “ordinata”, prima le rosse e poi le nere e quindi una configurazione di bassa entropia; se le rimescoliamo quest’ordine si perde e si dice che l’entropia è aumentata.

Ma questa configurazione è particolare solo perché guardiamo il colore; se guardiamo le dimensioni potremmo fare un’altra configurazione “particolare” e ordinata e quindi sempre a bassa entropia: in ordine decrescente di grandezza per esempio, o un’altra ancora in ordine crescente, o un’altra ancora in funzione del materiale con cui sono costruite, un’altra in funzione della loro durezza e così via. In effetti tutte le configurazioni sono “particolari” se le guardiamo in tutti i dettagli, anche quelle che giudichiamo “disordinate”, perché ognuna di esse ha qualcosa che la caratterizza.

Non c’è una configurazione “più particolare” di un’altra a meno che non la si  guardi con una visione “sfocata” cioè approssimata, limitata solo ad alcune caratteristiche e non alla loro globalità.

Facendo un altro esempio: se noi ci trovassimo seduti su di una poltrona in una stanza chiusa, caratterizzeremmo lo stato in cui si trova la stanza con tre soli parametri: pressione dell’aria attorno a noi, volume della stanza e temperatura media della stanza; questi 3 soli parametri sono sufficienti a definire lo stato termodinamico della stanza che poi è quello che noi “percepiamo”; se per esempio la temperatura aumentasse noi percepiremmo una variazione di confort ed infatti lo stato termodinamico sarebbe variato.

Orbene, all’interno di questa nostra stanza (la nostra “configurazione” o macrostrato), vi sono miliardi di particelle che si muovono continuamente, che collidono fra di loro, con le pareti, con il nostro corpo e che noi né vediamo né percepiamo; se potessimo fare una foto ad un certo istante a queste particelle fisseremmo le stesse in una certa posizione e aventi una certa velocità: questa è la “configurazione” in quell’istante della stanza da noi non percepita e che corrisponde al macrostrato di cui sopra che invece è percepito da noi.

Se dopo un secondo facciamo un’altra istantanea fotograferemmo un’altra “configurazione” o microstrato in cui le varie particelle, dato il loro movimento continuo, si troverebbero in altre posizioni e con altre velocità; ma anche questo microstrato corrisponderebbe sempre allo stesso macrostrato da noi percepito e, che per noi, non è affatto cambiato; nella stanza abbiamo sempre la stessa pressione, volume e temperatura.

E così via possiamo procedere con milioni o miliardi di altre fotografie che rappresenterebbero sempre un diverso microstrato  ma che corrisponderebbe sempre allo stesso macrostrato della stanza.

Ebbene Boltzmann ha mostrato che è questa visione “appannata” che ci fa vedere e percepire solo il macrostrato, che genera quella che noi chiamiamo entropia e quindi il passato e il futuro; essa, l’entropia,  misura appunto quante sono le diverse configurazioni o microstrati corrispondenti al nostro macrostrato,  che noi non percepiamo ma che  sono altrettanto particolari e ordinate di quella che vediamo e percepiamo macroscopicamente. Questa sua formula, che lega il valore dell’entropia di un sistema al numero di configurazioni o microstrati possibili per quel dato sistema, è scolpita sulla sua lapide al cimitero di Vienna e rappresenta il suo epitaffio per i posteri!

E qui si arriva alla conclusione sconcertante fatta da Boltzmann: se noi umani potessimo tenere conto di tutti i dettagli, di tutte le configurazioni, di tutti gli stati microscopici del mondo in cui viviamo, della danza esatta dei miliardi di molecole che ci costituiscono,………………………..

………………IL FUTURO SAREBBE COME IL PASSATO!!

 Se potessimo osservare lo stato microscopico delle cose, la differenza fra passato e futuro scomparirebbe; perché a livello microscopico tutti i singoli microstrati possono essere considerati “particolari e ordinati” e non ce ne è  uno più “disordinato” (quindi a maggiore entropia) di un altro!

La conclusione di Boltzmann ci lascia sconcertati! Perché è contro il nostro comune senso di vivere! Ci dice che quello che noi percepiamo come passato e come futuro deriva solo dal fatto che non siamo in grado di visualizzare tutti i dettagli del mondo in cui viviamo.

E quindi il fluire del tempo in effetti non esiste! Non esiste né passato, né presente, né futuro!

E’ solo una nostra falsa percezione! Esistono solo avvenimenti!

Questa conclusione è già sconcertante per noi che viviamo quasi 150 anni dopo Boltzmann e siamo venuti a contatto, chi più chi meno, con i risultati delle ricerche di Einstein e della meccanica quantistica, risultati che ci hanno fatto vedere il parametro “Tempo” come una entità non più assoluta ed immutabile ma dipendente da altri fattori, dalla gravità, dalla velocità, dall’energia, un parametro che fluttua e che non è mai lo stesso nell’universo.

Ma proviamo ad immaginare cosa potevano significare le conclusioni di Boltzmann nella sua era, permeata totalmente dalla dottrina Newtoniana per la quale il tempo era un parametro assoluto, immutabile, e il cui fluire era costante e non modificabile dalle cose! La teoria di Boltzmann deve essere piombata come un macigno in uno stagno, sovvertendo completamente “verità” scientifiche considerate sacre!

Ed infatti quando rese pubblici  i suoi studi, gran parte del mondo scientifico gli si rivolse contro e fu oggetto di attacchi spietati da parte di alcuni dei più grandi fisici del suo tempo che cercarono di smontare le sue teorie e le sue conclusioni; fra questi vi erano anche Max Planck (che poi diverrà il padre della meccanica quantistica), Ernst Mach e Josef Loschmidt, che però alla fine si dovettero ricredere e riconoscere (non pubblicamente), la grandezza di Boltzmann!

Ludwig Boltzmann porrà fine alla sua vita impiccandosi a 62 anni a Duino, vicino a Trieste, mentre la moglie e la figlia sguazzavano nelle acque dell’Adriatico!

Forse a questa decisione tragica non sono estranei i suoi studi e le conclusioni raggiunte!

5 thoughts on “ENTROPIA: LA VERA DEA DELL’UNIVERSO!!

  1. Ho letto di un fiato tutto l’ articolo e l’ ha trovato molto interessante. Aveva ragione Boltzmann quando disse che a livello microscopico la freccia del tempo può essere bidirezionale, concetto ripreso prepotentemente ed opportunamente sviscerato da Richard Phillips Feynmann (premio Nobel per la fisica nel 1965 grazie ai suoi studi sull’ elettrodinamica quantistica). Oggi però queste considerazioni non ci devono meravigliare più di tanto, in quanto il mondo dell’ infinitamente piccolo segue delle regole al di fuori della comune intuizione dei fenomeni fisici. Sono ancora stupito che Max Planck, considerato il padre della meccanica quantistica, non avesse compreso appieno le sacrosante intuizioni di Boltzmann

  2. Antonio26 Agosto 2019 @ 12:50
    Ho letto di un fiato tutto l’ articolo e l’ ha trovato molto interessante. Aveva ragione Boltzmann quando disse che a livello microscopico la freccia del tempo può essere bidirezionale, concetto ripreso prepotentemente ed opportunamente sviscerato da Richard Phillips Feynmann (premio Nobel per la fisica nel 1965 grazie ai suoi studi sull’ elettrodinamica quantistica). Oggi però queste considerazioni non ci devono meravigliare più di tanto, in quanto il mondo dell’ infinitamente piccolo segue delle regole al di fuori della comune intuizione dei fenomeni fisici. Sono ancora stupito che Max Planck, considerato il padre della meccanica quantistica, non avesse compreso appieno le sacrosante intuizioni di Boltzmann

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    1. SI HAI RAGIONE! PERò QUESTI CONCETTI SONO DIFFICILI DA METABOLIZZARE OGGI, FIGURIAMOCI AI TEMPI DI BOLTZMANN! DA QUALCHE PARTE IN MERITO AL FATTO CHE IL TEMPO OGGETTIVAMENTE NON ESISTE HO LETTO CHE ESISTONO SOLO “AVVENIMENTI”; IL MONDO è UNA SERIE DI AVVENIMENTI TORNANDO UN PO AL CONCETTO DI ARISTOTELE CHE IL TEMPO E’ MOVIMENTO. MA NON STIAMO GIRANDO UN PO’ ATTORNO ALLO STESSO CONCETTO? LA NOSTRA VITA NON SI COMPONE PIU’ DI ORE MA DI AVVENIMENTI! MA NON E’ LA STESSA COSA DETTA CON PAROLE DIVERSE? BOH?!

  3. Consoliamoci con il fatto che la vita quotidiana si svolge lontana sia dagli effetti relativistici che da quelli quantistici, e quindi possiamo continuare tranquillamente a considerare il tempo e lo spazio cosi come il nostro senso comune ed il nostro intuito ci suggeriscono!

  4. Lontano da ogni ricerca scientifica, Heidegger, dopo un lungo cammino di pensiero, arriva alla conclusione che l’Ereignis, l’evento, è il senso del nostro essere.

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