Rudolf Clausius, teplo, entropie a vesmír

Narodil se 2. ledna 1822 do početné rodiny v Koszalinu, který tehdy nebyl polským, nýbrž pruským městem. Po studiu matematiky, fyziky a možná trochu překvapivě i historie začal učit na univerzitách v Curychu, Würzburgu a Bonnu, a to až do své smrti v roce 1888. Do dějin vědy se zapsal svým zkoumáním podstaty tepelných jevů a zavedením jedné z nejvýznamnějších fyzikálních veličin, entropie.
Rudolf Clausius navázal na práce svých předchůdců Nicolase Carnota a Jamese P. Jouleho, čehož výsledkem bylo na počátku 50. let 19. století přispění k formulaci prvního termodynamického zákona. Jedná se o vyjádření principu zachování energie – ta nemůže v uzavřeném systému vznikat ani zanikat, pouze v něm může změnit svou podobu při konání práce nebo výměně tepla.
Ve stejném období Clausius přichází se zcela zásadním počinem na poli fyziky: jeho článek O hybné síle tepla se stal předpokladem pro druhý termodynamický zákon. Podle něj výše zmíněná transformace energie podléhá ještě dalším omezením, např. teplo může předat jedině teplejší těleso chladnějšímu, nikdy ne naopak. Tohle zdánlivě banální tvrzení má obrovský význam pro celou fyziku – je totiž jedním z nejsilnějších argumentů pro nevratnost, tedy jednosměrnost času. Ten byl přitom do Clausiových publikací považován na základě newtonovské mechaniky za veličinu, která může teoreticky plynout nejen do budoucnosti, nýbrž i do minulosti.

V rámci druhého termodynamického zákona pak Clausius v šedesátých letech zavedl pojem entropie. Pomocí ní statisticky vyložil právě nezvratnost některých přírodních dějů. Entropie v řečtině znamená „plynutí směrem k nějakému stavu“, tedy přeskupení energie. Každý uzavřený systém má tendenci dostat se do rovnovážného stavu, který je statisticky nejpravděpodobnější. V případě jeho dosažení pak už ale systém bez dodávek energie z vnějšku není schopen konat práci. Podle Clausia je tedy základní skutečností našeho světa, že entropie v každém takovém systému během času nutně stoupá, zatímco energie postupně degeneruje. To je důvod, proč se někdy entropie vysvětluje jako míra neuspořádanosti.
Pokud tento předpoklad spolu s Clausiem aplikujeme na samotný vesmír, musíme dojít k jednoznačnému závěru, že vesmír coby maximální možný uzavřený systém také jednou přemění všechnu svou energii a tím se veškerý pohyb, a tedy i vývoj, jednou provždy zastaví. Tuto poslední fázi nazval Clausius tepelnou smrtí vesmíru.
Jak se s takovým závěrem vyrovnat, však už neřekl – to zůstává otázkou pro filosofii. Sama termodynamika odpověď nemá.

Vzdálený vesmír. Co s ním jednou udělá entropie?|foto: NASA

Vysíláno v Planetáriu č. 04/2012, 21. – 27. ledna.

Čtěte také:
Max Planck – vědec, který podnítil vznik kvantové fyziky
Straka, fyzika a internet

Rubrika Historie vědy se od roku 2012 vysílá každé čtvrté Planetárium v měsíci.