Termodynamiikan toinen pääsääntö ei ole evoluution este

1. Mitä termodynamiikka on

Esimerkki lämpövoimaopin toisen pääsäännön käytännön ilmenemistavoista on, että luontoon jätetty auto ruostuu käyttökelvottomaksi. Eikä vesiputouksen vesi voi virrata ylöspäin. Entropia tarkoittaa sitä, että käyttökelpoisen energian määrä pienenee väistämättä kunnes maailmankaikkeuden mittapuussa lopputulos on lämpökuolema. On kuitenkin nähtävä elintärkeä ero eristetyn systeemin sekä suljetun ja avoimen systeemin välillä, tai muuten temodynamiikan toinen pääsääntö käsitetään väärin. Entropian käsite palautuu historiallisesti kaasujen niin sanottuun kinesteettiseen teoriaan 1800-luvulle, yrityksiin ymmärtää lämpöä. Bolzmann käsitti, että lämpöoppi ei ole muuta kuin atomien liikkeiden heijastumaa ja atomien satunnaista törmäilyä (tämä on reduktionistinen - kaikki ilmiöt voidaan palauttaa luonnon perusosasten välillä oleviin vuorovaikutuksiin -  näkemys, mikä on ollut voittoisa fysiikassa muutenkin, kuten radioaktiivisuuden selittämisessä)

On kansanomainen väärinkäsitys ajatella, että termodynamiikan toinen pääsääntö merkitsee yksinkertaisesti vain "epäjärjestyksen lisääntymistä" (= entropia) maailmankaikkeudessa. Termodynamiikan toinen pääsääntö ei suinkaan vaadi sitä, että entropian pitäisi lisääntyä avoimessa järjestelmässä, jos järjestelmän ulkopuolella entropia kasvaa vastaavasti kun järjestelmässä entropia pienenee. Täysin kestämätön on samoin väittämä, että elämän synty olisi koko maailmankaikkeuden entropian pienenemistä.

Alkuräjähdyksen aikaan kaikki aine oli pakkautunut siististi yhteen äärimmäisen tiheään ja kuumaan pisteeseen (alkusingulariteetti), kun taas tällä hetkellä aine on hajallaan ympäri avaruutta, erikokoisissa tähdissä, planeetoissa, kaasusumuissa yms. Arjen esimerkki tästä olisi vaikka jos kaikki vaatteesi ovat yhdessä kasassa vaatekaapissa, ovat ne suuremmassa järjestyksessä kuin jos ne olisivat sikin sokin lattioilla.

2. Maapallo termodynamiikan toisen pääsäännön kannalta

Myös useimmat ei-elolliset järjestelmät ovat sellaisia. Epäjärjestyksen dissipoimiseen itseorganisoitumisen kautta ei tarvita älyäkään välttämättä. Hyvin monenlaisilla ei-elollisilla järjestelmillä on tämä ominaisuus: galaksien, tähtien ja planeettojen synty, lumikiteet, tuulen muovaamat hiekkamuodostelmat, vesipyörteet ja mineraalien kiteytyminen. Näin ollen termodynamiikan toinen pääsääntö ei ole todiste evoluutiota vastaan, vaan evoluutio on sopusoinnussa tämän fysiikan lain kanssa.

Itseorganisoituvia järjestelmiä on lukemattoman monia. Kaikki biologiset järjestelmät jatkuvasti dissipoivat itsestään epäjärjestystä ulos. Tämä pätee paitsi evoluutioon, myös jokaisen biologisen monisoluisen organismin yksilönkehitykseen ja elämään, joka alkaa yhdestä alkiosolusta.

On lisäksi syytä muistaa sekin seikka, että puhuttaessa biologisten systeemien entropiasta ei sillä entropialla ole edes mitään tekemistä lämpövoimaopin ja sen toisen pääsäännön tarkoittaman entropian kanssa. Samoin informaatio-opissa on oma entropia-käsitteensä, joka on sisällöltään lähellä termodynamiikan entropia-käsitettä. Kreationistit ovat lahjakkaasti laatineet omiin tarkoituksiinsa sopiva olkiukkoja entropiasta ja sotkeneet käsitteet toisiinsa ja tuoneet lämpövoimaopin sinne, minne se ei edes kuulu (eli biologiset systeemit).

3. Gravitaation syvällinen vaikutus termodynamiikkaan

Maailmankaikkeudessa on gravitaatiolla hyvin syvällinen vaikutus, sillä gravitaatio vaikuttaa termodynamiikkaan. Esimerkiksi Auringon lämpövirta, josta Maa saa osansa aikaansaa vapaan energian eli negatiivisen entropian, joka ylläpitää elämää Maassa yhteyttämisen avulla. Gravitaatio vaikuttaa pelisääntöihin merkittävästi, sillä tasaisessakin kaasupilvessä on vapaata energiaa, jota se luovuttaa gravitaatioprosesseissa. Myös tasaisessa lämpötilassa kaasu on alhaisen entropian tilassa. Kosmologiassa gravitaatio on suorastaan kaikkea hallitseva prosessi, jonka vaikutukset termodynamiikkaan täytyy ehdottomasti ottaa huomioon. Kun gravitaatio vaikuttaa termodynaamisessa tasapainossa alkaa tasaisessa lämpötilassa ja entropian maksimissa oleva kaasu muuttua synnyttäen lämpövirtoja ja kasvattaen entropiaa entistä enemmän.  Maailmankaikkeudessa on informaatiota (kuten vaikka lämpötila) sillä maailmankaikkeus ei ole termodynaamisesti tasapainossa ja gravitaatioprosessien seuraus oli entropia-aukon syntyminen maailmankaikkeuteen, joka on todellisen entropian mahdollisen entropian maksimin erotus. Näin ollen gravitaation aiheuttama epävakaus on informaation lähde (Paul Davies, Viides ihme s. 52-53).

Informaation alkuperä palautuu siis alkuräjähdyksen jälkeiseen maailmankaikkeuden tasaiseen tilaan ja gravitaatioon. Informaatio ei syntynyt ilmaiseksi maailmankaikkeudessa, kuten aine syntyi ilmaiseksi kun positiivinen energia muuttui aineeksi ja saman verran negatiivista energiaa päätyi gravitaatiokenttään.

Aine syntyi maailmankaikkeuden alussa melko pian luonnollisten fysikaalisten prosessien tuloksena, jolloin ei ole mitään tarvetta olettaa yliluonnollisesti tapahtunutta materian syöttämistä. Gravitaatio siis on järjestyksen lähde ja maailmankaikkeuden kokonaisenergian määrä on nolla, sillä gravitaatiokentällä on negatiivinen energia.

4. Onko termodynamiikka ongelma tai jopa este evoluutiolle ja järjestyksen syntymiselle, kuten kreationistit väittävät?

Sewell ei siis mittaa informaatiota mitenkään, vaan puhuu löyhästi vain informaation käsittelemisestä. Jo (kemian nobelpalkinto dissipatiivisista systeemeistä vuonna 1977) Ilya Prigoginen tutkimuksista alkaen on tiedetty, että kaukana tasapainotilasta olevissa systeemeissä (mistä energiaa leviää ympäristöön) muodostuu välttämättä järjestäytyneitä osasysteemeitä. Kyse on siis nimenomaan järjestäytymisestä, järjestyksestä eikä vain siitä, miten paljon on vapaata energiaa. Prigoginen tuloksien mukaan termodynamiikka ei ole mikään este elämän syntymiselle ja elämän evoluutiolle, vaan päinvastoin termodynamiikan toinen pääsääntö on eräs keskeinen myötävaikuttava tekijä monimutkaisten rakenteiden spontaanille syntymiselle elämää edeltävässä (prebioottisessa) evoluutiossa.

Mitään ongelmaa ei ole evoluution, biologisten organismien luonnollisen muodostumisen ja termodynamiikan toisen pääsäännön välillä. Tasapainotilan termodynamiikkaa ei edellytetä, vaan Prigoginen kehittämää teoriaa epätasapainoisten systeemien termodynamiikasta (a theory of non-equilibrium thermodynamics).

Nonequilibrium open systems -kappale käsittelee evoluutiota Prigoginen tutkimusta käsittelevässä artikkelissa:

"What is the thermodynamic meaning of prebiological evolution? Darwin's principle of "survival of the fittest" through natural selection can only apply once pre biological evolution has led to the formation of some primitive living beings. A new evolutionary principle, proposed recently by Manfred Eigen, would replace Darwin's idea in the context of prebiotic evolution. It amounts to optimizing a quantity measuring the faithfulness, or quality, of the macromolecules in reproducing themselves via template action. We here propose an alternative description of prebiological evolution. The main idea is the possibility that a prebiological system may evolve through a whole succession of transitions leading to a hierarchy of more and more complex and organized states. Such transitions can only arise in nonlinear systems that are maintained far from equilibrium; that is, beyond a certain critical threshold the steady-state regime becomes unstable and the system evolves to a new configuration. As a result, if the system is to be able to evolve through successive instabilities, a mechanism must be developed whereby each new transition favors further evolution by increasing the nonlinearity and the distance from equilibrium. One obvious mechanism is that each transition enables the system to increase the entropy production."
Artikkeli. Lisätietoa myös New Insights into Thermodynamics

Näin ollen evoluutiossa ei rikota termodynamiikan toista pääsääntöä, joka ei ole este elämän kehittymiselle (luonnollisten prosessien avulla).

Älykäs suunnittelu-liikkeen kreationistien väitteet siitä, että "evoluutio rikkoo termodynamiikan lakeja" pitää pystyä perustelemaan laskelmilla. Solujen tai kokonaisten eliöiden termodynamiikkaa ei edes voi laskea.

"This is highly significant. You see, the thermodynamics argument is one of the very worst creationists have ever used. The argument is wrong, of course. But more than that it is wrong in a way that betrays an extreme simple-mindedness about science in general and physics in particular. Consequently, among scientists the thermodynamics argument has become a symbol for the sort of mind-numbing ignorance that is the stock-in-trade of creationists.

It was precisely this level of silliness that ID proponents were keen to avoid. They, after all, were supposed to be serious scientists, not Bible thumping extremists. Now we have William Dembski, who provides most of the tiny amount of intellectual oomph the ID folks can claim, supporting this ridiculous argument. In so doing he has completely sacrificed any pretensions to seriousness ID might once have entertained.

The reason Sewell will not carry out this calculation is that he cannot. No one can. Entropy calculations are always carried out in the context of a reversible process, and no one has the faintest idea how to describe a reversible process for assembling an organism from its component substances. That is why serious scientists do not try to apply the second law to biological processes in the simple-minded ways ID folks prefer.

Lähde: Does Evolution Have a Thermodynamics Problem? By Jason Rosenhouse (lihavoinnit minulta).

Samoin toisen ID-liikkeeseen kuuluvan tutkijan, Macintoshin, väitteet termodynamiikan "evoluution vastaisuudesta" eivät kestä kriittistä tarkastelua. Ensinnäkin siksi, että eliöt eivät ole suljettuja systeemeitä (ne saavat energiaa ulkoa). Toiseksi koska eliöiden geneettinen informaatio ei edes ole termodynaaminen systeemi ollenkaan, joten MacIntoshin ja muiden ID-liikkeen kannattajien väitteet menevät ohi maalin. Kolmanneksi sanan epäjärjestys (disorder) merkityksellä ei ole mitään merkitystä eliöiden rakenteiden tai elintoimintojen kannalta. Macintosh ei ota tätäkään tosiasiaa huomioon. Nämä kaikki ja jo yksikin näistä kolmesta huomautuksesta riittää kumoamaan Macintoshin argumentin.

"However it is obvious that this argument is wrong for at least three reasons. Firstly, living things are not isolated systems. Individual organisms are not isolated because they feed off sunlight or each other. Secondly, their genetic information, which is what we are interested in, is not a thermodynamic system at all. Thirdly, the meaning of the word "disorder" in 2LT is very precisely defined in terms of microstates. It has nothing to do with structure or function in living things. Any of these alone is sufficient to refute the Argument from 2LT.

Thus the argument is traditionally answered by a one-liner: "living things are not a closed system". End of subject. Nevertheless one cannot help but feel a twinge of sympathy for creationists who see their pet sophistry swept aside on a technicality about heat flow."

http://www.bcseweb.org.uk/index.php/Main/McIntoshsLaw

5. Loppusanat ja johtopäätöksiä: evoluutio ja monimutkaisten rakenteiden synty ei ristiriidassa termodynamiikan kanssa

"We investigate the evolution of genomic complexity in populations of digital organisms and monitor in detail the evolutionary transitions that increase complexity. We show that, because natural selection forces genomes to behave as a natural "Maxwell Demon," within a fixed environment, genomic complexity is forced to increase."
Tutkimuksessa: Christoph Adami, Charles Ofria & Travis C. Collier: "Evolution of biological complexity".

http://www.pnas.org/cgi/content/full/97/9/4463

Tieteellisiin popularisointeihin perustuva itse asiassa epätieteellinen käsitekaksikko "järjestys" ja "epäjärjestys" on suuri syy väärinkäsityksiin termodynamiikka ja evoluutio-kysymyksissä. Täsmällisempi olisi oikeastaan puhua nimen omaan eristetyistä systeemeistä toisen pääsäännön kohteina, sillä suljettu systeemi voi vaihtaa energiaa. Kreationismit ovat rakennelleet epätieteellisen, helposti harhaanjohtavan popularisoinnin takia virheellisiä yleisiä johtopäätöksiä "järjestyksestä" ja "epäjärjestyksestä" maailmassa. Sewellin ja Macintoshin (ja heidän näkemyksiään Suomessa levittävien kreationistimaallikoiden) argumentit eivät ole tuoneet mitään muutosta tilanteeseen: evoluutio ei ole ristiriidassa termodynamiikan kanssa. Kreationistit ovat lisäksi sekoittaneet keskenään erilaiset informaation lajit epätieteellisesti. Asia ei tule sen paremmaksi sillä, että väitteiden takana on matemaatikkoja tms. Tutkijoiden väitteiden tulee kestää kriittinen vertaisarviointi.

Avoin systeemi puolestaan vaihtaa energiaa sekä myös materiaa ympäristönsä kanssa. Jos keskeinen edellytys eli systeemi on eristetty ei toteudu, ei termodynamiikan toista pääsääntöä voida edes käyttää sellaiseen systeemiin. Näin ollen toista pääsääntöä ei itse asiassa voida soveltaa maapalloon ylipäätäänkään, koska maapallo ei ole eristetty systeemi (suljettu systeemi maapallo käytännössä on, sillä materian vaihtamista ei juuri esiinny maapallon ja jonkin toisen taivaankappaleen välillä). Tästä seuraa sekin, että termodynamiikan toinen pääsääntöä ei voida käyttää "aseena" evoluutioteoriaa vastaan. Reaalimaailman kannalta ainoa termodynamiikan mukainen toteamus on vain se, että kokonaisentropia maailmankaikkeudessa kasvaa. Sitä paitsi fysiikka on nykyään ontologiaa, tiedettä, joka tutkii olemassaoloa ja sen luonnetta - fysiikka on astunut metafysiikan avulle, missä ennen vallitsi villit spekulaatiot, joissa oli kyse enemmän uskosta kuin tiedosta. 

Modernit kaaosteoriat ovat ansiokkaasti osoittaneet, miten kaaoksessakin voi syntyä järjestystä. Maailmankaikkeuden kehitys alkuräjähdyksen tilasta nykyisenlaiseen tilaan on todettu lukuisten matemaattisten mallien ja tietokonesimulaatioiden avulla (makroskooppisella tasolla). Mallit perustuvat havaittuihin fysikaalisiin painovoimalakeihin, jotka automaattisesti aiheuttavat kaasumaisen materian romahtamisen tähdiksi ja galakseiksi alkuräjähdyksen jälkeisessä maailmankaikkeudessa.

Kun puhutaan järjestyksestä ja epäjärjestyksestä niin kyse on aineen suuren mittakaavan kuvailusta, minkä tähden ne ovat "efektiivisiä termejä" (Kari Enqvist: Olemisen porteilla, s.83). On huomattava, että järjestys voi lisääntyä vaikka entropia ei muuttuisi miksikään (esim. faasimuutokset = aineen olomuoto muuttuu, esim. nestemäinen vesi jäätyy). Lisäksi järjestystä syntyy paikallisesti ihan itsestään, luonnollisella tavalla. Kaaoksesta muodostuu rakenteita, joita aineen vuorovaikutukset kehittävät, tosin aina väliaikaisesti (mikä silti on ihmisen eliniän kannalta lähes loputtoman pitkä).

Ylös