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. Trong vũ trụ rộng lớn và phức tạp, có những quy luật vật lý khó hiểu, 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.
Để hiểu được điều này, chúng ta cần khám phá sâu hơn về bản chất của entropy và cách nó ảnh hưởng đến số phận của vũ trụ.
Entropy là gì?
Trước khi ta khám phá sự đáng sợ của định luật entropy, hãy hiểu rõ entropy là gì.
Entropy là một khái niệm vật lý mô tả mức độ mất trật tự và sự rối loạn trong một hệ thống. Điều này nghĩa là entropy càng cao, mức độ rối loạn càng lớn và ngược lại, entropy càng thấp, mức độ trật tự càng cao.
Lượng entropy tồn tại trong vũ trụ có xu hướng tăng lên theo thời gian. Ảnh: ZME
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.
Theo định luật entropy, trong một hệ cô lập, entropy tổng thể của hệ này sẽ luôn tăng hoặc không đổi, nhưng không bao giờ giảm. Điều này có nghĩa là mọi quá trình tự phát trong vũ trụ đều dẫn đến sự gia tăng tổng entropy. Entropy tăng dần, và điều này đồng nghĩa với sự thăng hoa của sự rối loạn và mất trật tự. 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.
Định luật entropy và số phận của vũ trụ
Bây giờ, chúng ta hãy đối mặt với câu hỏi chính: tại sao định luật entropy lại là định luật đáng sợ nhất trong vũ trụ?
Định luật entropy là một bản dự báo về tương lai của vũ trụ, và nó không dễ dàng tiếp nhận. Theo định luật này, mọi thứ dường như đang hướng về một kết thúc tối tăm, một sự chết nhiệt đối đen, nơi không còn sự sống, trí tuệ, hay sự thú vị nào cả. Và điều đáng sợ nhất là sự không thể thay đổi của nó.
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.
Dù có bao nhiêu nỗ lực, dù có bao nhiêu cách để tạm thời giảm entropy trong các hệ thống cụ thể như Trái Đất, vũ trụ tự nhiên vẫn dần dần trở nên hỗn độn hơn và tiến vào trạng thái cân bằng nhiệt. Không có cách nào để đảo ngược quá trình này hoàn toàn.
Có cách nào để thoát khỏi định luật entropy?
Câu trả lời là: Có thể tạm thời thoát khỏi quy luật entropy tăng dần, nhưng không thể làm điều này một cách vĩnh viễn. Sự tạm thời thoát khỏi quy luật này xảy ra vì quy luật entropy chỉ áp dụng cho các hệ cô lập, trong khi hệ Trái Đất không thuộc loại này.
Trái Đất hoạt động như một hệ thống mở, có khả năng tiếp nhận một lượng lớn năng lượng chất lượng cao từ Mặt Trời và sử dụng nó để duy trì sự tồn tại và phát triển của sự sống và văn minh. Nhờ năng lượng Mặt Trời, Trái Đất có thể giảm entropy cục bộ, tức là giảm sự rối loạn trong một phạm vi cụ thể và tăng cường 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 cũng có thể biến đổi tài nguyên thiên nhiên thành các sản phẩm và dịch vụ khác nhau bằng cách phát triển công nghệ mới. Sự sống có thể tạo ra sự đa dạng và phức tạp thông qua quá trình tiến hóa. Đây đều là ví dụ về việc tạm thời thoát khỏi quy luật entropy tăng dần.
Tuy nhiên, lý do chúng ta không thể thoát khỏi quy luật entropy tăng dần mãi mãi là vì, ngay cả khi Trái Đất không cô lập, ở quy mô lớn hơn, toàn bộ vũ trụ vẫn được xem như là một hệ cô lập. Nghĩa là, không có năng lượng hoặc vật chất đầu vào hoặc đầu ra từ bên ngoài vũ trụ. Điều này đồng nghĩa rằng bất kể chúng ta cách sử dụng và quản lý năng lượng trong các hệ thống cục bộ như thế nào, cuối cùng chúng ta không thể thay đổi xu hướng tăng entropy tổng thể của vũ trụ.
Nói cách khác, con người chỉ có thể trì hoãn, chứ không thể ngăn chặn cái chết nhiệt của vũ trụ.
