Entropie

Hoofdpunten: entropie, globale uitleg, uitbreiding entropie naar meerdere disciplines, strijd entropie/leven, opwaartse en neerwaartse bewegingen

Entropie is een integraal onderdeel van de tweede wet van de thermodynamica. Deze tweede wet is opgesteld in 1854 door Rudolf Clausius. De belangrijkste stellingen in deze wet zijn als volgt: “In a system, a process that occurs will tend to increase the total

entropy of the universe” en “Heat generally cannot flow spontaneously from a material at lower temperature to a material at higher temperature.”⁸⁹ De wet betreft het verval in de natuur. Warmte kan volgens deze wet onmogelijk tot een volledig cyclisch proces worden gemaakt, (dat wil zeggen, het proces kan niet 100% van de gebruikte energie ‘recyclen’) waardoor uiteindelijk altijd een kleine hoeveelheid energie verloren gaat.⁹⁰ Neem bijvoorbeeld de verbrandingsmotor in een auto. Bij het draaien van de motor gaat altijd een klein beetje energie verloren, voornamelijk bij de startprocedure. Het bovenstaande is de primaire betekenis van het woord entropie. Er zijn echter nog een aantal andere gebieden en disciplines waarin het woord gebruikt wordt. Bij het verwerken van een hoeveelheid informatie in een boodschap wordt entropie gebruikt als de te meten factor (dit is de zogenaamde Shannon-entropie (naar Claude Shannon, de bedenker van deze theorie)).⁹¹Maar beide definities van entropie verwijzen naar orde en chaos in het te bestuderen systeem. In de eerste definitie de orde en chaos van warmteprocessen

In 1875 werd ook een begin gemaakt om de theorie van entropie toe te passen op het leven op aarde. De natuurkundige Ludwig Boltzmann stelde op basis van de tweede wet van de thermodynamica, die toen alleen nog betrekking had op anorganische zaken, dat: “The general struggle for existence of living beings is not a struggle for raw

materials – these, for organisms, are air, water and soil, all abundantly available – nor for energy which exists in plenty in any body in the form of heat, but a struggle for (negative) entropy, which becomes available through the transition of energy from the

89

L. Boltzmann, The Second Law of Thermodynamics (New York 1974) 11-12. 90

A. Ben-Naim, Entropy Demystified (Singapore 2008) 15-17.

sun to the earth.”⁹² Het komt er dus op neer dat de strijd van het leven niet gaat om levensmiddelen en energie, deze zijn beide in voldoende mate aanwezig op aarde. Het draait om de strijd tegen de entropie (het verkrijgen van negatieve entropie, oftewel het vergaren van entropie uitstellen). De kern van het idee berust dus op het uitstellen van entropie als beslissende factor voor het voortbestaan van levende wezens.

Tegen het begin van de 20e eeuw werd de term entropie, in organische context, steeds meer gebruikt. Ook Bergson formuleerde zijn gedachten over het onderwerp.⁹³ Tegenwoordig is entropie een geaccepteerd begrip in de wereld van de evolutie en de bestudering van het leven. We komen daar later op terug. Tevens wordt entropie gebruikt in het berekenen van onder meer de levenscyclus van bedrijven.⁹⁴

Inmiddels wordt er een verwarrende hoeveelheid betekenissen aan het woord entropie toegekend. Al in 1948 werd hier rekening mee gehouden getuige het volgende voorbeeld: Claude Shannon, de man die 'informatie-entropie' heeft bedacht, werd door een vooraanstaande wiskundige aangeraden om de term entropie te gebruiken bij het het bespreken van deze soort entropie. Het idee hierachter was als volgt: “No one knows what

entropy really is, so in a debate you will always have the advantage.”⁹⁵ Alleen al de woordkeus in de oorspronkelijke formulering draagt bij aan de verwarring. In het oud-Grieks betekent het woord entropia 'kering' of 'een draai maken naar (a turning towards)'. Het draait in de oorspronkelijk Griekse betekenis om een 1:1 verandering en is er dus geen sprake van een proces waarbij een gedeelte van de energie verloren gaat. Bij een transformatie gaat het niet om verlies van energie of warmte. Hedendaagse entropie impliceert dit juist wel.⁹⁶

Om verwarring te voorkomen wordt in dit essay de definitie van entropie zoals in de tweede wet van de thermodynamica aangehouden, met de daarbij komende implicaties voor het leven op aarde. Dus: Toegespitst op het leven moeten we dus een aantal extra factoren in de gaten houden. Entropie is in dit geval de verantwoordelijke factor in het verouderen van alle organische materie op aarde. Een mens die ouder wordt en langzaam aftakelt, bereikt uiteindelijk de maximaal bevatbare hoeveelheid entropie in zijn lichaam,

92L. Boltzmann, The Second Law of Thermodynamics (New York 1974) 34-35. 93Zie bijvoorbeeld het idee van durée zoals beschreven in de begrippenlijst. 94

D. Hershey, Entropy Theory of Aging Systems (Londen 2010) 134-135. 95

A. Ben-Naim, Entropy Demystified (Singapore 2008) 206. 96Ibidem, 206-207.

waarna hij komt te overlijden. Ook het proces van verouderen is een entropisch proces: naarmate een mens opgroeit, vermindert de orde in zijn lichaam en neigt het meer naar chaos. In zijn jonge jaren is de mens sterk en kan hij deze kracht aanwenden voor verschillende doeleinden. Hij kan zijn kracht dus doelgericht inzetten voor meer dan zichzelf in standhouden. Naarmate de mens in leeftijd vordert, moet hij een steeds groter deel van zijn kracht aanspreken om slechts zijn eigen lichaam gaande te houden. Hij is nu dus genoodzaakt zijn kracht doelgericht aan te wenden naar het in leven blijven. Het bereiken van andere doelen moet worden vertraagd of beëindigd. Naarmate de mens in leeftijd vordert kan hij nog steeds dezelfde volledige hoeveelheid kracht aanspreken; steeds meer kracht moet echter worden ingezet om het leven te verlengen. De totale hoeveelheid kracht in het lichaam blijft evenwel op een gelijk niveau. De aanwending van deze energie verandert echter. Om een voorbeeld te noemen: een houthakker zal in zijn jonge jaren met eenvoud een bijl kunnen hanteren en zijn bovenarmen ten volste benutten voor dit doel. Naarmate deze man ouder wordt, zal de kracht die hem tot houthakken in staat stelde aangewend worden om het aftakelende lichaam gaande te houden. Als dit proces vordert, zal de houthakker dus niet meer in staat zijn bomen om te hakken, maar gaat alle energie op aan het in leven blijven. De kracht die de man geconcentreerd tot uiting kan brengen, in dit geval in houthakken, zal diffuser worden totdat de entropie teveel toeneemt. Uiteindelijk zal deze toename van entropie een zwaartepunt bereiken waarop het lichaam niet meer kan blijven doorgaan. De houthakker zal komen te overlijden. De maximale entropie van het lichaam is in dat geval bereikt.⁹⁷

Ten slotte een opmerking over het onderscheid dat wordt gemaakt tussen gesloten en zelf-organiserende systemen. “Closed systems do not organize, they

self-destruct.” Daartegenover staat dat: “Self-organizing systems evolve through spontaneous increases in organizational control and complexity.”⁹⁸ Gesloten systemen zijn in het

geval van een samenleving, bijvoorbeeld infrastructuur. Infrastructuur mist de eigenschappen om zichzelf te onderhouden; dit moet door mensen worden gedaan. Open systemen of zelf-organiserende systemen zijn bijvoorbeeld landen en mensen.⁹⁹ Dat betekent niet dat deze open systemen oneindig kunnen blijven functioneren. Integendeel,

97

H. Bergson, Creative Evolution (New York 1998) 243. 98

D. Hershey, Entropy Theory of Aging Systems (Londen 2010) 80. 99H. Bergson, Creative Evolution (New York 1998) 250.

een open systeem is eenvoudig om te zetten in een gesloten systeem. De grenzen van een land kunnen gesloten worden, het gebrek aan internationale handel kan dan snel leiden tot een interne ondergang. Wat betreft de mens hoeft men maar te denken aan het stopzetten van de zuurstoftoevoer of het niet tot zich nemen van voldoende voedingsstoffen.¹⁰⁰

Op grond van het voorgaande is de definitie van entropie die ik aanhoud, de volgende: Entropie is de beweging die totale chaos in het universum als eindpunt heeft. Deze beweging symboliseert destructie en chaos.¹⁰¹ Dit is ook toepasbaar op het leven. Het verouderen van een levend wezen staat gelijk aan het groter worden van de chaos in het lichaam van het betreffende wezen. Als de entropie zijn eindpunt heeft bereikt is er sprake van een maximale hoeveelheid entropie. Het élan vital streeft er naar de hoeveelheid entropie minimaal te houden. We kunnen hierbij denken aan een groeiende boom. Terwijl deze boom leeft en groeit houdt dit entropie op een minimum; er is immers sprake van creatie.¹⁰²Bovendien kunnen andere levende wezens profiteren van de boom, vogels kunnen er een nest bouwen, et cetera. Zodra de levensduur van de boom eindigt is dit echter voorbij. Maar, zelfs al is deze boom slachtoffer geworden van de entropie dan kunnen andere levende wezens hier toch weer gebruiken van maken om entropie te minimaliseren: De gevelde boom kan nog steeds als toevluchtsoord dienen voor landdieren of als brandhout voor de mens. Het leven van de boom stopt, het leven in zijn geheel haalt uit de maximale entropie weer middelen om deze te verminderen. Hoe dit in detail werkt volgt in de rest van het hoofdstuk.

Ook in situaties die dramatisch uitpakken voor een groep wezens kan sprake zijn van toenemende chaos. Neem bijvoorbeeld het zout worden van een zoetwaterpoel waarin algen leven: Het selectiviteitsregime begunstigt nu algen die ook in zout water kunnen overleven. De zoetwateralgen sterven uit, de zoutwateralgen worden de nieuwe dominante groep. Hier is sprake van entropie, het leidt immers tot een situatie van grotere entropie als deze algenpopulatie grotendeels uitsterft. Het laatste punt wat betreft de entropie is dat stilstand in principe achteruitgang is. Denk hierbij ook aan aangeleerd gedrag wat niet meer toepasbaar is door veranderende omstandigheden. Jablonka en Lamb beschrijven in Evolution in four dimensions het voorbeeld van vogels op Mauritius.

100

D. Hershey, Entropy Theory of Aging Systems (Londen 2010) 81. 101

De bijbehorende tegenbeweging is van het leven en symboliseert creatie en orde. 102Denk aan de takken en bladeren die groeien, bijvoorbeeld.

De eieren werden gestolen door nieuw geïntroduceerde apen en de vogels kwamen dichtbij uitsterven omdat zij vasthielden aan het gebruik om eieren op die bepaalde plek te leggen. Totdat de aanpassing kwam en de vogels hun eieren op andere plekken legden: “Inertia in behavioral systems can lead to extinction”.¹⁰³ Of neem de situatie in Frankrijk van kort voor de Franse Revolutie: de samenleving was volledig scheefgegroeid en dit leidde tot wantoestanden oftewel chaos. Vergelijk de scheefgroei met een verstoring van de natuurlijke balans in een geïsoleerd gebied. Een mooi voorbeeld hierbij is wellicht de konijnenplaag die sinds de 19^eeeuw in Australië woedt. Voor de introductie van konijnen was er een gebalanceerd ecosysteem. Het konijn is hierin rondom 1850 geïntroduceerd en is aanvankelijk in dit systeem geaccepteerd; haar invloed op het ecosysteem was verwaarloosbaar. Zestig jaar later was er echter sprake van deze situatie: “In a classic

example of unintended consequences, within ten years of their introduction in 1859, rabbits had become so prevalent that two million could be shot or trapped annually without having any noticeable effect on the population. It was the fastest spread ever recorded of any mammal anywhere in the world. Today rabbits are entrenched in the southern and central areas of the country, with scattered populations in the northern deserts.”¹⁰⁴

De entropische wil om af te breken gaat dus regelrecht in tegen de opwaartse stuwkracht van de evolutie. Er is dus sprake van één beweging die onverdeeld voorwaarts, en één die achterwaarts gaat. Deze observatie is volgens Bergson toepasbaar op de entropie en het leven¹⁰⁵.

In de hierboven beschreven gevallen is eenzelfde tegenbeweging te bespeuren. De orde, de evolutie en de revolutie zijn allemaal benamingen voor het élan dat de entropie bestrijdt. Entropie wil het universum tot chaos terugbrengen. Het élan wil juist orde scheppen. Wordt de zoetwaterpoel zout? De algenpopulatie sterft grotendeels uit en er ontstaat een nieuw selectiviteitsregime. De soort evolueert en voorts vindt er een wederopbouw plaats; Maximale entropie, dat wil zeggen, het complete gebrek aan orde wordt weer uitgesteld. De samenleving is dysfunctioneel? Er vindt een revolutie plaats

103E. Jablonka, M. Lamb, Evolution in Four Dimensions: genetic, epigenetic, behavioral and symbolic

variation in the history of life (Cambridge, Massachusetts, 2005) 181-182.

104

R. Appleton, The Australian Encyclopaedia 8 (Sydney 1983) 188-189. 105

G. Deleuze, ‘Lecture Course on Chapter Three of Bergson's Creative Evolution’, Substance 36 (2007) 87.

die de samenleving weer min of meer gelijkschakelt of een nieuwe groep laat profiteren van een ander selectiviteitsregime. Meer mensen maken een kans om een beter leven voor zichzelf te beginnen. Er vinden nieuwe wetenschappelijke doorbraken plaats. Maximale entropie wordt tijdelijk weer uitgesteld. Over dit proces volgt later meer.