S_DetNaturvidenskabeligeFakultet_1850-2000

Lektor sin

for de næste 150 år, indflydelse på vores Brahes fik det for over 400 år siden. S toffet - m aterien - er blevet m ere og mere organiseret siden Universets fødsel. I de cirka 15 m illiarder år, der er forløbet siden Det Store Brag (The Big Bang), har Universet udvidet sig, hvoraf følger at det til stadighed afkøles. Alle de strukturer vi ser om kring os - galakser, stjerner, planeter, roser, m ennesker og universiteter - er i sidste ende et resultat af denne afkølingsproces. M edens galak­ ser, stjerner og nu også planeter synes at forekomm e overalt, er de forbløffende strukturer, vi kalder liv, kun konstateret her på Jorden. Er livet på Jorden opstået som et resultat a f usædvanlige historiske tilfældigheder, eller o pstår livet m ed tvin­ gende nødvendighed, når de rette betin­ gelser er til stede? Lever vi m on i et selv- organiserende Univers? Planeten M ars vil spille en væsentlig rolle i studiet a f sådanne problem er.

a f atom erne der udgør stem ­

gien i prin­ cippet om dannes til nyttigt arbejde, m en det sam lede resultat a f den sp o n ­

S to ffe ts evolution Efter et tidsforløb, der m åles i m inutter efter Det Store Brag, var de afgørende dele a f stoffet dannet. R umm et var overalt fyldt m ed en blanding a f elektroner, pro- toner og neutroner; og disse partikler be­ vægede sig i et bad a f elektrom agnetisk stråling. Men: Ved »Det Store Brag« skabtes et Univers i stadig udvidelse og denne udvidelse forårsagede - og forår- sager den dag i dag - at Universet til sta­ dighed afkøles. Som en følge a f den faldende tem pera­ tur begyndte de kosm iske gasser via tyngdekraften at kondensere; disse kon­ densater blev kim ene til de første galak­ ser, som således i det væsentlige bestod a f de to sim pleste grundstoffer brint og helium . I galakserne opstod de første stjerner, og i disse naturens store ovne blev de tungere g rundstoffer dannet. G ennem store stjerneeksplosioner spredtes de nydannede grundstoffer ud i rumm et, og nye generationer a f stjerner fulgte. Stoffet udviklede sig således fra brint og helium , via kulstof, ilt,svovl, jern og så videre til molekyler, støv og plane­ ter. Figuren viser i skem atisk form den for­ bavsende kendsgerning, at stoffet i Uni­ verset - siden Det Store Brag - er blevet N aturen afspejler dam pm askinen i es­ sentielle aspekter. Energien strøm m er fra høje m od lavere tem peraturer. Tem­ poræ re strukturer, som for eksem pel læseren, kan da opstå lokalt. Vi er børn a f kaos, m en væk er formål; alt, hvad der er tilbage, er retning. plet i dam pm askinen. I alle tre tilfælde er der tale om tem poræ re struk­ turer. Alle strukturerne er m idlertidige og om dannes til inkohæ rente strukturer, når de ikke længere drives a f en varme- strøm .

tane proces m å være - ifølge 2. hoved­ sæ tning - at entropien i Universet er vok­ set. Anden hovedsæ tning dikterer retnin­ gen a f alle spontane processer og dirige­ rer herm ed Universets udvikling. Man si­ ger at universets energi spredes ud på fle­ re og flere frihedsgrader. I året 1854 drog den tyske fysiker H er­ m ann von H elm holtz en dram atisk k on­ sekvens afvarm eteoriens 2. hovedsæ t­ ning: Universet vil ende i den såkaldte varm edød. Den ubarm hjertige vækst i entropi, som ledsager enhver naturlig proces, kan kun ende - hævdede H elm holtz - med ophør af al interessant aktivitet i Univer­ set, idet hele kosmos glider irreversibelt m od en tilstand af term odynam isk lige­ vægt, hvor alle temperaturforskelle er ud­ viskede. Vi er vidne til det: Solen og stjer­ nerne brænder langsomt deres reserver a fbrændstofop og sender den frigjorte 1 energi ud i rummetsom elektromagne­ tisk stråling. Føreller senerev i brænd­ stoffet sippe op, og stjernerne v i sluk­ kes. Til slutv i temperaturen Mive den samme« « a lt, ogaltlif v il daværeud­ stadet Det var d am e opfattelse a fUniversets fremtid vidaukabaihavdeomkring år 1g©ø. 'Vi skal imidlertid indse, at møder­ ne fysik og astronomi tegner et noget an­ detbilede a fUniversets historie. Men rørstvil vi betragte dampmaski­ nen ud fra et lidt andet synspunkt. Dampmaskinen og. dannelse af kohærente^ strukturer i Universet I dampmaskinen strømmervarmen i en kaotisk strøm fra detvarme til det kolde

reservoir. Ved de processer, der forløber i dam pm askinen om skabes en vis del a f den strømm ende, kaotiske varm eenergi til en kohæ rent struktur, eller - kan m an sige - til en ordnet struktur. Den del a f varm eenergien, der om sæ ttes til stem ­ plets bevægelse optræ der som en ko­ hæ rent bevægelse a f atom erne i stem plet. Orden er d annet ud a f en kaotisk, uord­ net varmebevægelse. Den dannede kohæ rente struktur af­ hæ nger helt a f afkølingen, det vil sige a f energistrøm m en fra det varme til det kol­ de varmereservoir. N år denne energi­ strøm ophører forsvinder kohæ rensen, stem plet »dør«. lorden virker som en varm ekraftm a- skine. Vi tager varm e ffa et varm t reser­ voir (Solen, T = 6000K) og afgiver varme til et koldt reservoir (rumm et, T = 3K). De forbavsende ordnede strukturer, vi kalder livet, er skabt ved denne energi­ strøm ffa Solen via Jorden til rumm et. Strukturerne (biosfæren) er - som ved dampmaskinens strukturer - m idlertidi­ ge. N år Solen bræ nder ud, ophører ener- gisttømmen og strukturerne dør! D et afgørende: U d fra den kaotiske varm estrøm fra Solen via Jorden til rum ­ metkan. der altså - i overensstemm else m ed 2. hovedsæ tning - opbygges ko­ hæ rente strukturer. Fremvæksten a f en plante fra et sæ dekorn, eller for den sags skyld fremvæksten a f et barn fra m ode­ ren, er - set ud fra term odynam ikkens synspunkt-det samm e som dannelsen a f arbejde i en dam pm askine. I de tre si­ tuationer dannes en kohæ rent struktur i en lokal del a f Universet: Ud fra atom er der er i næ rheden a f plantens blade og rodnet, ud fra atom er der er indtaget som føde og, i d et sidste og sim pleste tilfælde,

j

Dampmaskinen og Universets varmedød

,

Et af de mest betydningsfulde bidrag til naturvidenskaben i det 19. århundrede var opstillingen aftermodynamikkens hovedsætninger. Termodynamikkens 2. hovedsætning blev fundet ved en skarpsindig analyse af dampmaskinens virkemåde;men 2. ho­ vedsætning fik en betydning, der rakte langt udover studiet af forskellige typer af varmiekraftntasldner;. Vamteteoriens 2. hovedisætnmg for­ langer, at spontant - det vil sige .afsig selv - vil varmeenergien strømme fra var­ mere til koldere legemer; aldrig (spon­ tant) den anden vej. Desuden: Når etiso­ leret system har'nåettermodynamisk li­ gevægt, og dermed samme konstante temperatur overalt, kan systemet'aldrig af sig selv forlade denne tilstand. N år varmen ffa et legeme med høj tempe­ ratur strømmier til etlegeme med lav temperatur, kan en vis del afvarmeener­

*

14