ایده کلیدی: قانون دوم ترمودینامیک فقط اجازه نمی‌دهد آنتروپی کل در یک سامانه منزوی کم شود، و زمین منزوی نیست: نور خورشید وارد میشود، گرما خارج میشود و همین جریان هزینه هر دانه برف، هر نهال و هر کودک در حال رشد را می‌پردازد.
چرا مردم این پرسش را می‌پرسند
یکی از استدلال‌ها علیه فرگشت انگار مستقیم از فیزیک آمده است. این‌طور میگوید: قانون دوم ترمودینامیک میگوید چیزها در طول زمان همیشه بی‌نظم‌تر می‌شوند. فرگشت میگوید جانداران در طول زمان پیچیدهتر و سازمان‌یافته‌تر شدند. پس فرگشت باید قانونی از فیزیک را نقض کند.
این استدلال ارزش جدی گرفتن دارد، چون قانون دوم یکی از مطمئن‌ترین قاعده‌ها در همه علم است. اما استدلال قانون را غلط نقل میکند. وقتی قانون را همان‌طور که فیزیکدان‌ها واقعاً به کار می‌برند بیان کنیم، مشکل ناپدید میشود.
قانون دوم واقعاً چه میگوید
واژه «آنتروپی» را فیزیکدان آلمانی Rudolf Clausius در سال 1865 ساخت. او در همان اثر ایده را در یک جمله مشهور خلاصه کرد: آنتروپی جهان به سوی بیشینه میل میکند.
آنتروپی را اغلب «بی‌نظمی» توصیف می‌کنند. این میان‌بُر مفیدی است، اما تصویر دقیق‌تر این است: آنتروپی میسنجد انرژی تا چه اندازه پخش شده است، یا بخشهای یک سامانه به چند شکل متفاوت میتوانند چیده شوند. انرژی بهطور طبیعی پخش میشود. یک فنجان چای داغ سرد میشود. یک قطره جوهر در لیوان آب پخش میشود. هرگز نمی‌بینید عکسش خودبه‌خود رخ بدهد.
نکته کلیدی این است که قانون کجا صدق میکند. فیزیکدان‌ها سامانه‌ها را به سه نوع تقسیم می‌کنند:
| نوع سامانه | چه چیزی میتواند از مرزش بگذرد | نمونه |
|---|---|---|
| منزوی | هیچ چیز: نه انرژی، نه ماده | جعبه‌ای کاملاً دربسته و عایق (آرمانی که فقط میشود به آن نزدیک شد) |
| بسته | انرژی، اما نه ماده | شیشه دربسته آب که زیر آفتاب گرم میشود |
| باز | هم انرژی و هم ماده | گیاه، جانور، شهر، سطح یک سیاره |
قانون دوم میگوید آنتروپی کل یک سامانه منزوی هرگز کم نمی‌شود. نمی‌گوید آنتروپی هرگز در هیچ جا نمیتواند کم شود. در یک سامانه باز یا بسته، آنتروپی میتواند در یک جا کم شود، به شرط آن‌که جای دیگر به مقدار بیشتری بالا برود.
هر روز این را می‌بینید. یخچال درونش را سردتر و منظم‌تر میکند. قانون دوم را نقض نمی‌کند، چون به برق دیوار وصل است و گرمای بیشتری را از پشتش به آشپزخانه شما بیرون می‌پمپد. برقش را بکشید، درونش آهسته گرم میشود.
زمین یک جعبه دربسته نیست
حالا پرسش مهم را بپرسید. آیا زمین سامانه‌ای منزوی است؟
نه. زمین هر ثانیه در نور خورشید غرق است. به گفته ناسا، انرژی‌ای که زمین از خورشید میگیرد با مقدار برابری از انرژی که به شکل گرمای فروسرخ به فضا تابیده میشود موازنه دارد. انرژی وارد، انرژی خارج.
اما انرژی‌ای که خارج میشود از نوع انرژی‌ای که می‌رسد نیست. نور خورشید از سطح خورشید می‌آید که ناسا دمایش را حدود 5,500 درجه سانتی‌گراد می‌داند. گرمایی که زمین به فضا می‌فرستد با دمایی بسیار پایین‌تر خارج میشود. به گفته ناسا، اگر از فضا دیده شود، دمای مؤثر زمین حدود منفی 20 درجه سانتی‌گراد است.
این تفاوت مهم است. همان مقدار انرژی وقتی به شکل گرمای کم‌دما خارج میشود آنتروپی بسیار بیشتری با خود می‌برد تا وقتی به شکل نور پردمای خورشید می‌رسد. پس هر روز زمین انرژی را به شکلی متمرکز و مفید میگیرد و به شکلی پخش‌شده و کم‌فایده دور می‌ریزد. در این میان، زمین مقدار عظیمی آنتروپی به فضا می‌فرستد.
این جریان پایدار مثل برقی است که یخچال را می‌گرداند. برای انباشته‌شدن نظم در بعضی جاهای زمین جای فراوان می‌گذارد، در حالی که آنتروپی کل خورشید، زمین و فضا همچنان بالا میرود.
نمونه‌های روزمره از افزایش نظم
اگر نظم موضعی هرگز نمی‌توانست افزایش یابد، بسیاری از چیزهای معمولی ناممکن بود. این سه نمونه‌اند.
دانه‌های برف
در سال 1611، ستاره‌شناس Johannes Kepler مقاله کوتاهی به نام The Six-Cornered Snowflake نوشت. او می‌خواست بداند چرا بلورهای برف همیشه شش‌ضلعی‌اند. در ژانویه 1885، کشاورزی جوان به نام Wilson Bentley از Jericho در Vermont نخستین کسی شد که یک بلور برف را عکس گرفت. در طول عمرش هزاران بلور را عکس گرفت.
دانه برف زیبا و منظم است. مولکول‌های آب که زمانی به‌صورت بخار آزادانه در هوا می‌چرخیدند، در یک الگوی مرتب شش‌ضلعی قفل می‌شوند. آیا این قانون دوم را نقض میکند؟ نه. وقتی آب یخ می‌زند، گرما را به هوای اطراف آزاد میکند. آن گرما آنتروپی هوا را بیشتر از آنچه بلور آنتروپی خودش را کم میکند بالا می‌برد. مجموع همچنان بالا میرود. هیچ‌کس هر دانه برف را طراحی نمی‌کند. فیزیک معمولی، با خروج گرما، الگو را می‌سازد.
یک نوزاد در حال رشد
هر آدمی با یک سلول تخم بارورشده آغاز شد. حدود نه ماه بعد، آن سلول به نوزادی از تریلیونها سلول تبدیل شده است که در قلبی تپنده، شش‌های کارا و مغز چیده شده‌اند.
این افزایش عظیم نظم موضعی است. سالی میلیون‌ها بار رخ میدهد و هیچ‌کس فکر نمی‌کند فیزیک را نقض میکند. دلیلش ساده است. نوزاد در حال رشد یک سامانه باز است. از راه غذا، از طریق مادرش، انرژی و مواد ساختمانی میگیرد و گرما و پسماند بیرون میدهد. نظم درون بدن با افزایش بزرگتر آنتروپی بیرون از آن پرداخت میشود.
اگر قانون دوم واقعاً یعنی «نظم هرگز نمیتواند افزایش یابد»، رشد هر کودکی ناممکن می‌شد. استدلالی که بیش از حد ثابت کند هیچ چیز را ثابت نمی‌کند.
دانه‌ای که درخت میشود
گیاه دی‌اکسید کربن را از هوا و آب را از خاک میگیرد. با نور خورشید، آن مولکول‌های ساده را به قند، چوب، برگ و دانه تبدیل میکند. این فرایند فتوسنتز نام دارد. مواد اولیه پراکنده را به ساختارهایی بسیار سازمانیافته تبدیل میکند و مستقیم با انرژی خورشید پیش میرود. تقریباً هر زنجیره غذایی روی زمین از همین‌جا شروع میشود.
پس فرگشت کجای این ماجراست؟
فرگشت برای جانداران رخ میدهد و جانداران سامانه‌های بازند. گیاهان نور خورشید را می‌گیرند. جانوران گیاهان را می‌خورند، یا جانورانی را که گیاه خورده‌اند. هر جاندار در حین زندگی گرما بیرون میدهد.
در نسل‌های بسیار، انتخاب طبیعی تنوع‌های موروثی‌ای را نگه می‌دارد که به جانداران در زنده‌ماندن و زاد و ولد کمک می‌کنند. تنوع تازه از جهش می‌آید. هیچ‌کدام از این دو فرایند لازم ندارند آنتروپی در کل کم شود. فقط لازم دارند جانداران به استفاده از انرژی ادامه دهند، که همیشه می‌دهند.
در سال 2008، فیزیکدان Daniel Styer از Oberlin College در American Journal of Physics محاسبه‌ای تقریبی انجام داد. او برآورد کرد آنتروپی جانداران برای توضیح فرگشت باید چه‌قدر کم شود، و آن را با آنتروپی‌ای که زمین به‌خاطر نور خورشید به فضا می‌فرستد مقایسه کرد. کاهش آنتروپی لازم برای فرگشت در مقایسه ناچیز از آب درآمد. نتیجه‌گیری او این بود که میان فرگشت و قانون دوم هیچ تعارضی نیست.
«اما انرژی خام چیزها را خراب میکند»
خواننده‌ای دقیق ممکن است اعتراض کند. نور خورشید رنگ را رنگ‌پریده میکند و لاستیک ماشین را ترک می‌اندازد. انرژی بهتنهایی چیزی نمی‌سازد. آیا این مشکل را برنمی‌گرداند؟
این نکته‌ای منصفانه است و نیمه‌درست. انرژی بهتنهایی کافی نیست. به راهی برای گرفتن و به کار بردنش هم نیاز دارید. آتش انرژی آزاد میکند اما چیزی نمی‌سازد. گیاه، با ماشین فتوسنتزش، از همان نور خورشید برای رشد استفاده میکند.
برای همین فرگشت فقط «انرژی به‌علاوه زمان» نیست. انرژی به‌علاوه یک فرایند است: جاندارانی که زاد و ولد می‌کنند، فرزندانی که با هم فرق دارند، و محیطی که غربال میکند کدام واریانت‌ها گسترش یابند. این‌ها همان عناصری‌اند که در فرگشت چیست شرح داده شده‌اند. منبع انرژی فرایند را از نظر فیزیکی ممکن میکند. تولیدمثل، تنوع و انتخاب کار ساختن را انجام می‌دهند.
پس قانون دوم مانع نیست. پرسش‌های علمی واقعی درباره سازوکارند، و آن‌ها را زیست‌شناسی پاسخ میدهد، نه یک بدخوانی از فیزیک.
پیدایش زندگی چه؟
گاهی استدلال ترمودینامیک به جای فرگشت به نخستین سلول زنده نشانه میرود. این پرسشی جداست. همان فیزیک صدق میکند، چون زمین نخستین هم نور خورشید، گرمای آتشفشانی و انرژی شیمیایی داشت. اما این‌که نخستین سامانه خودتکثیرشونده چگونه پدید آمد هنوز پرسشی پژوهشی و باز است، که در صفحه خودش پوشش داده شده است: آیا فرگشت پیدایش زندگی را توضیح میدهد؟
بهترین پاسخ یک‌جمله‌ای
اگر پاسخ کوتاه و دقیقی می‌خواهید، این را به کار ببرید:
«قانون دوم میگوید آنتروپی کل در یک سامانه منزوی نمیتواند کم شود، اما زمین پیوسته نور خورشید میگیرد و گرما بیرون میدهد، پس جانداران میتوانند نظم بسازند در حالی که آنتروپی کل همچنان بالا میرود.»
این جمله با شیوه‌ای که فیزیکدان‌ها واقعاً قانون را بیان می‌کنند جور است.
گام بعد
برای دیدن این‌که نظم در جمعیت‌ها چگونه انباشته میشود، انتخاب طبیعی را بخوانید. برای عناصر پایه فرگشت، فرگشت چیست را بخوانید. برای ایرادهای بیشتری از این دست، به برداشت‌های نادرست رایج برگردید.