Lekce 1. Energie

Co je to vesmír?

Asi každý z nás se ve škole učil, že vesmír vznikl velkým třeskem. Zkoušeli jste si to někdy představit? Množství energie nahromaděné v jednom bodě najednou explodovalo do všech směrů a vytvořilo časoprostor, ve kterém se odehrávají naše životy a říkáme mu vesmír.

Velký třesk se odehrál asi před 14 miliardami let. To je opravdu dost dávno. Vyjádřeno číslicí: před 14 000 000 000 let. A celou tu dobu se energie nezastavila, neustále se šíří z původního místa velkého třesku dál a dál, takže vesmír se neustále zvětšuje.

Takže zjednodušeně řečeno…

vesmír = energie šířící se z jednoho bodu

Energie může mít různé formy. Určitě vás některé hned napadnou: elektrická energie, tepelná, světelná, nebo třeba jaderná energie. Forem energie je ale více, například energie chemických vazeb, o které si budeme povídat v další lekci kurzu, nebo energie potenciální, která je klíčová pro buněčné dýchání a existují i další.

Kdybychom se snažili představit vesmír jen jako tyhle energie, pravděpodobně bychom skončili s představou jakýchsi neurčitých barevných blesků a čar na černočerném pozadí (v prázdnotě?). Co v té představě chybí? Planety, hvězdy, černé díry. Když se rozhlédnete kolem sebe, tak vlastně také lidé, domy, auta. Prostě hmota. Pokud je vesmír jen spousta energie, kde se v něm vzala hmota?

hmota = forma energie

Hmota je také formou energie, nahromaděná na velmi malém prostoru. Tento vztah hmoty a energie vyjadřuje asi nejznámější fyzikální vzorec na světě formulovaný asi nejznámějším fyzikem na světě – Albertem Einsteinem:

E = m.c²

E … energie (J)
m … hmotnost (kg)
c … rychlost světla ve vakuu (km/s)

Protože rychlost světla ve vakuu je vždy stejná, konkrétně 300 000 km/s, po dosazení hmotnosti do vzorečku můžeme snadno s kalkulačkou dopočítat, kolik energie můžeme teoreticky uvolnit z libovolného předmětu.

Nahromaděním hmoty vznikly nejprve subatomární částice – protony a neutrony, jejich spojováním a jadernými reakcemi následně celé atomy různých prvků. A atomy tvoří všechnu hmotu ve vesmíru.

Takže už víme, co je hmota. Jak to ale souvisí s biologií? Biologie je věda o životě. Co je tedy život v kontextu vesmíru, v kontextu energie? Život je založen na hmotné formě energie, ale je i něčím jiným než hmotou? Proč je některá hmota živá, třeba naše tělo, a jiná hmota neživá – třeba voda, kameny, hvězdy a planety? A proč je vlastně života ve vesmíru tak málo? Pokud víme, ještě se nepodařilo zachytit život jinde ve vesmíru, než na Zemi.

Zákony všeho aneb proč je život zázrak

Vznik života je obrovsky nepravděpodobný. Ještě míň, než že vyhrajete Sportku nebo že do vás uhodí blesk. Život je totiž na první pohled v rozporu s jedním z naprosto základních zákonů vesmíru.

Fyzici v průběhu staletí postupně formulovali několik základních principů, které platí pro celý vesmír, nazvali je zákony termodynamiky a nás budou zajímat první dva.

1. Zákon zachování energie (a hmoty)

Energie je od počátku velkého třesku ve vesmíru stále stejně, nemůže vznikat ani zanikat, pouze se přeměňovat na jiné formy.

První „vesmírný zákon“ vlastně vyjadřuje jev, který známe z běžného života. Energie ani hmota nikam samy od sebe nemizí, např. když se chceme zbavit odpadků, nemůžeme je jen tak nechat zmizet, musíme je např. spálit. Hoření je vlastně přeměna energie chemické vazby mezi atomy hmoty na energii světelnou a tepelnou. Samotné atomy (hmota) ale nikam nemizí, jen se pospojují v jiné útvary a vzniknou nové sloučeniny, pevnou hmotu odpadu měníme na trochu pevného popelu a hodně plynu – oxidu uhličitého a vodní páry.

Stejně tak nemůžeme hmotu (ani jinou formu energie) jen tak vyčarovat z ničeho. Abychom měli doma teplo, musíme na něj něco přeměnit, buď topíme kamny (měníme chemickou energii molekul dřeva na teplo), nebo elektřinou (tu zase musíme vyrobit – třeba solárními panely přeměnou ze sluneční světelné energie). A kde se bere energie ze slunce? Přeměnou jaderné energie na světelnou. Takhle bychom mohli pokračovat dál a dál. Když vědci nenašli ve vesmíru žádný prvotní zdroj, který by energii generoval jen tak z ničeho, dospěli k závěru, že všechna energie prostě musela být ve vesmíru už na jeho počátku.

2. Zákon zvyšování neuspořádanosti (= entropie)

Energie se od počátku velkého třesku vesmírem šíří a rozptyluje, spontánně probíhají jen jevy, které vedou ke zvyšování neuspořádanosti systému.

Kostka ledu se rozpouští ve vodě. Zapálená sirka hoří. Lidské tělo stárne a umírá. Sklenice se rozbije na střepy. Parfém vyčichne, káva vychladne. Všechny tyto děje, které známe z každodenního života, jsou nevratné. Probíhají jen jedním směrem a nikdy nazpět. To víme se stejnou jistotou, jako že čas plyne kupředu a nikdy naopak.

entropie = míra neuspořádanosti systému (např. vesmíru)

Aby probíhaly opačným směrem, například abychom si ohřáli studenou kávu, musíme jí dodat energii (a tu musíme zase někde vzít). K tomu, aby káva vychladla, jsme jí ale žádnou energii dodávat nemuseli, to se stalo samo od sebe a stalo by se to i kdekoliv jinde ve vesmíru, naopak – z kávy se tepelná energie uvolnila.

Energie (včetně hmoty) se samovolně vždy pouze šíří a rozptyluje po časoprostoru, který má k dispozici, nikdy naopak. Říkáme tedy, že vesmír s tím, jak se rozpíná, zároveň i zvyšuje svou neuspořádanost, chaos. Když chtěli vědci tuto neuspořádanost měřit, museli z ní udělat měřitelnou veličinu a dát jí jednotku a tak vznikl pojem entropie.

difuze = entropie hmoty

I hmota sama o sobě podléhá entropii. Difuze vede k rovnoměrnému rozmístění částic v celém dostupném prostoru. Např. když vypustíte v rohu místnosti do vzduchu jedovatý plyn, částice se rozeběhnou po pokoji a brzy zamoří celou místnost. Difuze způsobí, že množství plynu bude časem v celém pokoji rovnoměrné a v rohu budete mít stejnou pravděpodobnost, že se otrávíte, jako uprostřed místnosti. Když otevřete okno, plyn se samovolně difuzí šíří oknem ven (tedy difuzí se rozprostře rovnoměrně po celém novém dostupném prostoru) a vyvětrá se. Dokud je koncentrace v blízkém okolí vysoká, mohou se otrávit kolemjdoucí nebo sousedé. Se svým šířením ale postupně ztrácí jed na koncentraci, takže pokud se do druhého dne rozprostře rovnoměrně po celé atmosféře planety Země, jeho koncentrace bude zanedbatelná a otravy už se bát nemusíte.

Entropie vesmíru neustále roste. Skleničky se rozbíjejí, těla umírají, hvězdy vyhasínají a planety se rozpadají. A tak směřuje všechen život, planeta Země, sluneční soustava a nakonec i vesmír ke svému zániku.

Když se nad tím ale zamyslíme, zažíváme v našich každodenních životech i něco přesně opačného. Co třeba naše tělo? To je přece neustále teplé, drží si stabilní teplotu 37°C. Může se zahřívat i víc, třeba při horečce. Kde bere energii, aby se zahřálo? Pokud entropie způsobuje rozpad a smrt, jak to, že žijeme průměrně slušných 75 – 82 let? Naše tělo musí mít způsob, jak energii brát ze svého okolí, tedy ji koncentrovat na jedno místo, a následně ji využít k přežití – tzn. překonávání samovolných vesmírných pochodů.

Definice života

A to je princip života. Koncentrace energie z okolí. Tedy přesný opak druhého zákona vesmíru – je to snižování entropie! Naše tělo dokáže měnit energii z potravy (kterou získává ze svého okolí) na zahřívání a spoustu dalších tělesných pochodů.

Život je souboj s entropií. Naše tělo si tuhle schopnost nevyvinulo samo. Zdědilo ji zakódovanou v genetické informaci od našich rodičů, ti od svých předků, a tak bychom mohli pokračovat dále a dále až k prvním lidem, k primátům, k prvním savcům, k rybám, a dál až bychom došli k prvnímu živému organismu na Zemi. Už první živý organismus musel mít tuto schopnost – jinak by prostě nemohl žít.