Tại sao định luật entropy là định luật đáng sợ nhất trong vũ trụ?

Vạn vật trong vũ trụ đều có điểm bắt đầu và điểm kết thúc, dù lớn như vũ trụ hay nhỏ bé như con người chúng ta thì cuối cùng cũng sẽ có điểm kết thúc và đó là cái chết.

Tại sao mọi thứ cuối cùng lại dẫn đến cái chết và sự hủy diệt? Một số người có thể trả lời rằng đây là quy luật của vũ trụ, vũ trụ không cho phép sự sống vĩnh cửu, cả con người và thiên thể sẽ phải đối mặt với sự kết thúc sau khi đạt đến một giới hạn nhất định.

Vậy điều gì đứng sau điều khiển sự sống chết của vạn vật? Sau khi nghiên cứu, các nhà khoa học cuối cùng đã phát hiện ra danh tính thực sự của "kẻ thao túng" - đó là entropy.

Nhà vật lý vĩ đại người Ireland gốc Áo Erwin Schrödinger từng nói "sự sống tồn tại dựa trên entropy âm", và nhà vật lý Sir Arthur Stanley Eddington cũng cho rằng nguyên lý tối cao nhất của tự nhiên là quy luật tăng entropy, nó giải thích đầy đủ bản chất của toàn bộ vũ trụ.

Entropy là gì?

Entropy là đại lượng vật lý mô tả mức độ mất trật tự của một hệ thống, nó phản ánh tính đồng nhất của sự phân bố năng lượng trong hệ thống. Entropy của hệ càng lớn thì mức độ mất trật tự (sự rối loạn) của hệ càng cao, sự phân bố năng lượng càng đồng đều. Ngược lại, entropy của hệ càng nhỏ thì mức độ trật tự của hệ càng cao, sự phân bố năng lượng càng không đồng đều và hệ thống càng có nhiều năng lượng hữu ích. 

Ví dụ, một cốc nước đá chứa các phân tử nước ở hai trạng thái: đá viên và nước. Các phân tử nước trong đá có cấu trúc chặt chẽ, trật tự và có nhiệt độ thấp; các phân tử nước trong nước có cấu trúc lỏng lẻo, mất trật tự và có nhiệt độ cao. Lúc này, entropy của hệ nước đá tương đối nhỏ do sự phân bổ năng lượng không đồng đều. Nhưng thời gian trôi qua, các khối băng sẽ dần tan chảy và các phân tử nước sẽ từ từ trộn lẫn, cuối cùng đạt đến trạng thái cân bằng nơi tất cả các phân tử nước trở thành chất lỏng và có cùng nhiệt độ. Lúc này, entropy của hệ nước đá trở nên lớn hơn do sự phân bố năng lượng đồng đều hơn.

Định luật entropy là gì?

Định luật entropy là định luật thứ hai của nhiệt động lực học do nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius đề xuất vào năm 1850. Nó cho chúng ta biết rằng trong một hệ cô lập, bất kỳ quá trình tự phát nào cũng sẽ làm cho entropy tổng thể của hệ tăng lên hoặc không đổi, nhưng không thể làm cho entropy tổng thể của hệ giảm đi. 

Nói cách khác, bất kỳ dạng năng lượng nào trong tự nhiên đều có thể dễ dàng chuyển hóa thành nhiệt, nhưng nhiệt không thể chuyển hóa hoàn toàn thành dạng năng lượng khác mà không gây ra những tác động.

Ví dụ, động cơ ô tô chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ trong xăng thành năng lượng cơ học để ô tô chuyển động. Tuy nhiên, trong quá trình này, không phải toàn bộ năng lượng hóa học đều được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng cơ học, một phần năng lượng hóa học được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, âm thanh và thất thoát ra môi trường xung quanh. 

Năng lượng bị mất này làm tăng entropy tổng thể của toàn bộ hệ thống. Và nếu bạn muốn thu thập lại năng lượng đã mất này và chuyển hóa nó thành năng lượng hóa học hoặc năng lượng cơ học một lần nữa, bạn cần phải trả nhiều năng lượng và vật chất hơn, điều này không hiệu quả về mặt chi phí và không thể đạt được. Vì vậy, hoạt động của động cơ ô tô là một quá trình không thuận nghịch, tuân theo định luật entropy.

Tại sao định luật entropy là định luật đáng sợ nhất trong vũ trụ?

Định luật entropy là định luật đáng sợ nhất trong vũ trụ vì nó tiết lộ số phận cuối cùng của vũ trụ. Theo định luật entropy, chúng ta biết rằng mọi quá trình tự phát trong vũ trụ sẽ dẫn đến sự tăng entropy tổng thể của vũ trụ, nhưng không thể dẫn đến sự giảm entropy tổng thể của vũ trụ. 

Điều này có nghĩa là theo thời gian, mọi cấu trúc có trật tự trong vũ trụ (như các ngôi sao, hành tinh, sự sống, v.v.) sẽ dần trở nên mất trật tự và mọi năng lượng sẽ dần trở thành bức xạ nhiệt phân bố đều. Bằng cách này, vũ trụ sẽ đạt đến trạng thái cân bằng, đó là trạng thái chết nhiệt, ở trạng thái này, không có gì thú vị xảy ra trong vũ trụ, không tồn tại năng lượng và vật chất hữu ích, không tồn tại sự sống hay trí tuệ. 

Đây là ngày tận thế của vũ trụ được dự đoán bởi định luật entropy tăng dần. Tất nhiên, kết thúc này sẽ không đến sớm. Theo ước tính khoa học hiện nay, sẽ phải mất ít nhất 10^100 năm nữa mới đến thởi điểm xảy ra cái chết nhiệt. Trong thời gian dài này, vũ trụ cũng sẽ trải qua nhiều giai đoạn và biến đổi như những ngôi sao sẽ chết, lỗ đen bốc hơi, phân rã proton, v.v. Nhưng dù thế nào đi nữa, kết quả cuối cùng vẫn như nhau: định luật entropy sẽ chi phối mọi thứ.

Chúng ta có thể thoát khỏi quy luật entropy tăng dần không?

Câu trả lời là: chúng ta chỉ có thể tạm thời thoát khỏi định luật này mà thôi. Sở dĩ chúng ta có thể tạm thời thoát khỏi định luật tăng entropy là vì định luật tăng entropy chỉ áp dụng cho các hệ cô lập, còn hệ chúng ta đang ở thì không cô lập. 

Trái Đất là một hệ thống mở, có thể tiếp nhận một lượng lớn năng lượng chất lượng cao từ Mặt Trời và sử dụng năng lượng này để duy trì sự tồn tại và phát triển của sự sống và nền văn minh trên Trái Đất. Thông qua đầu vào của năng lượng Mặt Trời, hệ thống Trái Đất có thể đạt được mức giảm entropy cục bộ, nghĩa là giảm mức độ rối loạn trong phạm vi nhất định và tăng năng lượng hữu ích. 

Ví dụ, thực vật có thể chuyển đổi nước và carbon dioxide thành chất hữu cơ và oxy thông qua quá trình quang hợp; con người có thể biến đổi tài nguyên thiên nhiên thành các sản phẩm và dịch vụ khác nhau thông qua đổi mới công nghệ; sự sống có thể tạo ra nhiều sự đa dạng và phức tạp thông qua quá trình tiến hóa. Đây đều là những ví dụ về sự thoát tạm thời khỏi quy luật entropy tăng dần.

Tuy nhiên, lý do khiến chúng ta không thể vĩnh viễn thoát khỏi định luật tăng entropy là vì ngay cả khi hệ mà chúng ta đang ở không bị cô lập thì ở quy mô lớn hơn, toàn bộ vũ trụ vẫn là một hệ cô lập. 

Điều đó có nghĩa là, trong toàn bộ vũ trụ, không có năng lượng và vật chất đầu vào hay đầu ra từ bên ngoài. Điều này có nghĩa là cho dù chúng ta sử dụng và quản lý năng lượng trong các hệ thống cục bộ như thế nào thì cuối cùng chúng ta cũng không thể thay đổi xu hướng tăng entropy tổng thể của vũ trụ. 

Nói cách khác, chúng ta chỉ có thể trì hoãn chứ không thể ngăn chặn cái chết nhiệt của vũ trụ.