Chimica in Books #5: L'Ultima Domanda

L’Ultima Domanda è un racconto breve di Isaac Asimov. La fondamentale ultima domanda del titolo è quella che nello scorrere delle ere viene posta più volte dall'umanità a un avanzatissimo elaboratore elettronico, il quale però ogni volta afferma di non disporre di sufficienti dati per potervi rispondere; pertanto gli viene dato il compito di continuare a cercarne la risposta. La domanda è la seguente: "È possibile invertire la direzione dell’entropia?"

Il Secondo Principio della Termodinamica stabilisce l’esistenza di una grandezza fisica chiamata entropia, che quantifica il disordine di un sistema. All'apparenza potrebbe sembrare una cosa strana mettersi a calcolare il disordine, eppure questo ha un’importanza fondamentale. Per cominciare, l’entropia permette di distinguere i vari stati di aggregazione della materia: solidi, liquidi e gas sono situazioni via via sempre meno ordinate, quindi a entropia crescente. 

L'entropia è legata al volume, la temperatura, il numero di enti e la complessità: al loro aumentare, l'entropia cresce. L'aumento dell'entropia corrisponde a una dissipazione di energia, in quanto aumentare il disordine è un modo per abbassare l'energia di un sistema, e renderlo così più stabile; perciò in condizioni di reversibilità questo rappresenta la direzione spontanea, in quanto i sistemi cercano sempre di ottenere una maggiore stabilità. Invece per mettere ordine, bisogna fornire energia per compiere lavoro termodinamico, ovvero si tratta di qualcosa di non-spontaneo.

In effetti l’entropia misura la reversibilità di un processo. L’espansione di un gas o lo scambio di calore tra due corpi sono esempi di processi spontanei, ma irreversibili. Un gas che fuoriesce da un contenitore non vi farà mai ritorno spontaneamente; il calore si muove dal corpo a più alta temperatura a quello a più bassa, mai il contrario. Perciò in un sistema termodinamico isolato (cioè che non scambia né materia né energia con l’esterno) come è l’universo, l’entropia può solo aumentare, in quanto rappresenta la direzione spontanea.

 

A partire dal Big Bang, che segna l'inizio del Tempo, in cui l’entropia era pari a zero (massimo ordine), con l’espansione dell’universo il disordine continua a incrementare. Attraverso questa grandezza è allora possibile stabilire una "freccia del tempo", che indica la direzione e il trascorrere del Tempo in base all’aumentare dell’entropia. Un giorno lontano l’entropia raggiungerà un valore infinito (massimo disordine): quando ciò avverrà, in ogni punto dell’universo si avrà la stessa temperatura, per cui non sarà più possibile effettuare alcun lavoro termodinamico, dato che sono necessarie due sorgenti a diversa temperatura. L’universo avrà raggiunto l’equilibrio e sarà giunto alla sua morte termica. Allo stesso modo anche il Tempo avrà avuto fine. 

Ecco allora l’importanza della domanda del titolo: è possibile invertire il secondo principio della termodinamica per evitare che l’universo un giorno finisca? Dopo miliardi e miliardi di anni, durante i quali l’elaboratore si è evoluto sempre di più, fino a essere divenuto un'entità sovradimensionale, esso trova finalmente la risposta: ma ormai non c’è più nessuno a cui farla sapere, perché nel frattempo l’universo è finito, e l’umanità con esso. Allora l’elaboratore decide di usare la risposta che ha trovato e di invertire la direzione dell’entropia, con le parole: «Sia fatta luce!» E luce fu...

Meno nota è invece la sintropia, che più che una grandezza fisica è un concetto: si tratta del contrario dell'entropia. Laddove l'entropia spinge verso un maggiore disordine, così da dissipare energia per ottenere maggiore stabilità e raggiungere l'equilibrio, la sintropia utilizza invece energia per mantenere il disequilibrio e mettere ordine. Produrre dei biopolimeri, come le proteine di cui siamo costituiti o il DNA che ci caratterizza, è il risultato dell'azione di forze sintropiche: si passa da tante molecole piccole (maggiore disordine) a poche molecole grosse (minore disordine), quindi un processo contrario a quello previsto nell'evoluzione dei sistemi. Ma il Secondo Principio non viene violato: utilizzando energia, ci si pone in condizioni di disequilibrio, pertanto si può portare ordine, così che i sistemi evolvano verso una maggiore complessità e organizzazione. 

L'entropia è una forza distruttrice che mira ad aumentare il disordine per raggiungere l'equilibrio (nirvana), mentre la sintropia è una forza creatrice che utilizza energia per allontanarsi dall'equilibrio e portare ordine (dharma). L'entropia è quindi una pulsione di morte (thanatos) e la sintropia è una pulsione di vita (eros). Il loro confrontarsi è ciò che stabilisce la direzione e l'andare delle cose.