Ordine dal caos: come la nascita della vita e delle stelle rispettano l'Entropia dell'Universo

Se nell’universo l’entropia tende ad aumentare, perché sono emerse strutture ordinate come quelle che hanno dato origine alle stelle e alla vita?

L'aumento di entropia è una misura del disordine del sistema: uno stato con poco disordine è quello nel quale i costituenti sono stati ordinati, uno stato ad alto disordine è quello in cui il sistema è disposto a caso. Tale valore nel complesso è positivo, aumenta sempre e tende ad un valore massimo. Ma in alcuni casi l'entropia può diminuire localmente, come nel caso della nascita della vita sulla Terra o della formazione delle stelle.

IN BREVE: La nascita delle stelle, come la crescita dei viventi (piante comprese), avviene mediante accumulo continuamente maggiore d'Energia e questa costruzione, pur facendo diminuire di poco l'entropia-locale, fa aumentare molto di più l'entropia-universale.

PERCHÉ LA FORMAZIONE DELLE STELLE NON VÌOLA L'ENTROPIA DELL'UNIVERSO

L'apparente contraddizione tra la formazione delle stelle e il secondo principio della termodinamica (che afferma che l'entropia di un sistema chiuso tende ad aumentare) può essere risolta considerando alcuni aspetti fondamentali della fisica e della termodinamica:

1. Entropia locale vs. entropia totale

La formazione di una stella rappresenta un aumento di ordine locale (cioè in una regione specifica dello spazio) dovuto alla gravità, ma non implica una diminuzione dell'entropia totale del sistema. Questo perché durante il collasso gravitazionale, mentre il gas interstellare si addensa formando la stella, una grande quantità di energia viene irradiata sotto forma di fotoni (calore e luce) nello spazio circostante.

L'energia irradiata aumenta l'entropia dell'universo circostante molto più di quanto l'entropia diminuisca nella regione locale in cui si forma la stella. Quindi, l'entropia totale dell'universo continua a crescere.

2. Il ruolo della gravità

La gravità agisce come un meccanismo naturale per creare strutture ordinate, come stelle e galassie. Questo comportamento è una peculiarità della gravità:

Quando una nube di gas interstellare collassa sotto la propria gravità, l'energia potenziale gravitazionale viene convertita in energia cinetica e successivamente in calore.
Questa energia termica viene dispersa nello spazio attraverso l'emissione di radiazioni, aumentando l'entropia del sistema circostante.

La gravità, quindi, non viola il secondo principio della termodinamica, ma ne segue le regole in modo che l'entropia complessiva aumenti.

3. Processi dissipativi

Durante il collasso gravitazionale, i gas si riscaldano e raggiungono temperature altissime. Questa energia termica viene irradiata verso l'esterno, in modo disordinato. È proprio questa irradiazione che assicura l'aumento dell'entropia su scala globale:

L'energia si distribuisce in uno spazio sempre più ampio e in modo più caotico.
Anche se la nube gassosa diventa più ordinata formando una stella, il processo di dissipazione dell'energia comporta un aumento netto dell'entropia.

4. Bilancio complessivo

Il secondo principio della termodinamica non vieta la creazione di strutture ordinate; vieta solo che l'entropia totale di un sistema isolato diminuisca. Nel caso della formazione delle stelle:

L'entropia locale diminuisce (nella regione della stella),
Ma l'entropia globale aumenta (grazie alla radiazione e alla dispersione dell'energia nello spazio).

Questa dinamica è coerente con il comportamento previsto dal secondo principio della termodinamica.

In sintesi, la formazione di una stella è un fenomeno che dimostra come la gravità possa localmente diminuire l'entropia, purché questa diminuzione sia compensata da un aumento molto maggiore dell'entropia globale dovuto alla dispersione dell'energia.

LA COMPARSA DELLA VITA NON VÌOLA L'ENTROPIA DELL'UNIVERSO

La comparsa e l'evoluzione della vita sembrano contraddire il secondo principio della termodinamica, che afferma che l'entropia (il disordine) di un sistema isolato tende ad aumentare nel tempo. Tuttavia, questa apparente contraddizione può essere spiegata considerando i seguenti punti chiave:

1. La Terra non è un sistema isolato

Il secondo principio della termodinamica si applica rigorosamente a sistemi isolati, ossia a sistemi che non scambiano energia o materia con l'esterno. La Terra, invece, è un sistema aperto:

Riceve energia in abbondanza dal Sole sotto forma di radiazione elettromagnetica.
Questo apporto di energia consente la creazione di strutture ordinate e complesse, come le molecole organiche e gli organismi viventi.
La vita sulla Terra può emergere e svilupparsi proprio perché il Sole fornisce una "sorgente" di energia a bassa entropia, mentre la Terra emette radiazione infrarossa (energia ad alta entropia) verso lo spazio.

2. Aumento locale di ordine, aumento globale di entropia

L'evoluzione della vita e la formazione di strutture ordinate rappresentano un aumento locale di ordine (ovvero una diminuzione di entropia), ma questo avviene a spese di un aumento dell'entropia complessiva dell'universo.

Ad esempio, le piante utilizzano la luce solare attraverso la fotosintesi per costruire biomolecole complesse. Questo processo è possibile perché l'energia solare viene utilizzata e successivamente rilasciata nell'ambiente sotto forma di calore.
Questo calore disperso contribuisce ad aumentare l'entropia globale, compensando abbondantemente l'ordine creato localmente.

3. La vita come sistema dissipativo

Gli organismi viventi possono essere descritti come sistemi dissipativi, che mantengono la loro organizzazione interna scaricando energia e materia nell'ambiente in modo disordinato:

Per esempio, gli esseri umani consumano cibo (energia e materia ordinata) e rilasciano calore e rifiuti (energia e materia disordinata).
La capacità della vita di auto-organizzarsi non viola il secondo principio della termodinamica, poiché per mantenere il proprio ordine interno, scarica continuamente entropia nell'ambiente.

4. L'evoluzione come processo termodinamico

L'evoluzione biologica può essere vista come un processo che incrementa complessità e ordine all'interno di un sistema locale, ma che richiede energia per farlo. Questo processo segue rigorosamente le leggi della termodinamica:

Le mutazioni e la selezione naturale portano a strutture biologiche sempre più complesse, sfruttando l'energia disponibile nell'ambiente.
Tuttavia, ogni passo verso una maggiore complessità è accompagnato da una maggiore dissipazione di energia, aumentando l'entropia globale.

5. La direzione dell'entropia e la complessità

Un aumento di complessità, come quello osservato nella vita, non è in contraddizione con l'aumento dell'entropia. Alcuni sistemi lontani dall'equilibrio termodinamico, come la Terra, tendono a formare strutture complesse proprio per massimizzare la dissipazione di energia:

Questo principio è noto come massimizzazione della produzione di entropia: sistemi come gli organismi viventi si sviluppano per sfruttare al massimo le risorse energetiche, aumentando l'entropia totale nel processo.

6. La vita e il Sole: un bilancio energetico

La comparsa della vita sulla Terra è strettamente legata all'energia proveniente dal Sole:

Il Sole emette fotoni ad alta energia (bassa entropia).
La Terra assorbe questa energia e la trasforma in calore (energia a bassa qualità) che viene irradiato verso lo spazio sotto forma di radiazione infrarossa (alta entropia).
Questo squilibrio energetico è ciò che consente l'emergere e il mantenimento della vita.

La comparsa della vita non viola il secondo principio della termodinamica perché l'ordine locale che si sviluppa negli organismi viventi avviene sempre in un contesto di aumento dell'entropia globale. La vita sfrutta l'energia disponibile per auto-organizzarsi, ma nel farlo dissipa energia e aumenta il disordine totale nell'universo.

PER APPROFONDIRE:

Entropia e tempo: c'è relazione?

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