Intelligent Design

De bewust verkeerde weergave van de betekenis van de tweede hoofdwet door creationisten en andere voorstanders van het zogenaamde intelligent design.
The Flying Spagetti Monster

Je hoeft als wetenschapper maar kort in het gezelschap van christelijke gelovigen te verkeren om te horen te krijgen dat evolutie niet kan omdat dat volgens de tweede hoofdwet onmogelijk is. Wat naast de triomfantelijke toon waarmee dat te berde wordt gebracht -Ja, jullie wetenschappers kunnen wel van alles bedenken maar wij gelovigen doorzien zo waar het ene het andere tegenspreekt- nog het meeste irriteert is dat niemand van diegenen die dit beweren kennelijk de moeite heeft genomen om deze wet te bestuderen.  Nu heerst er natuurlijk in die kringen een groot geloof in autoriteit, en men meent misschien dat hun religieuze leiders die moeite wel hebben genomen. Maar daarvan heb ik eerlijk gezegd nooit enig spoor gezien. Die leiders lijken meer bezig met het verdoezelen van de tegenstrijdigheden in hun eigen heilige teksten, en het verketteren van diegenen die het ware woord verkeerd interpreteren, dan met de studie van de wetten van de natuurkunde die door het denkend deel der mensheid zijn ontdekt. Niet door het bestuderen van duizenden jaren oude overgeleverde teksten, maar door het zorgvuldig en kritisch beschrijven en analyseren van verschijnselen die iedereen vandaag om zich heen kan zien.

Het is zonder twijfel waar dat als evolutie inderdaad tegen de tweede hoofdwet zou ingaan, dat het einde van evolutionair denken in de wetenschap zou betekenen. Ik denk dat alle wetenschappers het sentiment van Eddington onderschrijven, die stelde dat als je een theorie ontwerpt die tegen de tweede hoofdwet ingaat je je maar beter in een donker hoekje kan gaan schamen. Belangrijke ontwikkelingen in de natuurkunde zijn gedaan omdat Planck, Einstein en Hawking niet in dat donkere hoekje van Eddington terecht wilden komen.  Quantum mechanica, het langzamer lopen van klokken in een zwaartekrachtveld en het stralen van zwarte gaten zijn gevolgen van het hardnekkig willen vasthouden aan deze wet. Deze theorien vervingen dan ook oudere waarin aan de wetten van de thermodynamica niet werd voldaan. We mogen dan ook rustig aannemen dat als de theorie van Darwin over het mechanisme van de evolutie strijdig zou zijn met deze wetten dat  in de 150 jaar nadat beide theorien zijn bedacht er inmiddels wel iets beters op de markt zou zijn.

Het is natuurlijk al vaker gezegd, maar evolutie zelf is een vaststaand feit, geen theorie. Over het mechanisme kunnen we ruzie maken en dat gebeurt ook onder biologen, maar dat alle levende wezens verwant aan elkaar zijn, en dat er historische lijnen te trekken zijn die deze verwantschap aangeven, daarover bestaat geen enkele twijfel. Een mechanisme zou kunnen zijn dat een opperwezen  voortdurend, of op gezette tijden, ingrijpt om ervoor te zorgen dat alles bij de kroon der schepping eindigt, maar wetenschappelijk gezien is dat een doodlopende weg. We kunnen dan net zo goed aannemen dat hij of zij het universum een seconde geleden geschapen heeft met al onze gedachten aan het verleden voor het gemak er maar bij. Maar we dwalen af, het ging over de tweede hoofdwet.   

Ik heb het nooit gedaan, maar ik denk dat als je één van voornoemde gelovigen zou vragen te vertellen wat de tweede hoofdwet nu eigenlijk inhoudt, deze iets zou mompelen als, ja, nou, de wanorde moet altijd toenemen, en dat kan niet als er spontaan steeds complexere wezens ontstaan. Fout! Als dat waar zou zijn zou er geen kuikentje in een broedmachine kunnen worden uitgebroed zonder goddelijke interventie. Er zou zelfs geen water uit waterstof en zuurstof kunnen ontstaan, en iedere middelbare scholier weet dat dit wel, en met een bevredigende knal, gebeurt. Tenminste, ik hoop dat ze dat nog weten, met het huidige onderwijs is dat ook nog maar de vraag. Maar het is wel waar. Nu is water nog geen levend wezen, maar het is ontegenzeggelijk complexer dan de eenvoudige gassen waterstof en zuurstof. Bovenstaande formulering van de tweede hoofdwet is dan ook inderdaad onjuist.

Eigenlijk is het heel eenvoudig: warmte stroomt altijd van warm naar koud. Aan het begin van de 19e eeuw dacht de Fransman Sadi Carnot na over stoommachines. Engeland was al een tijdje bezig met de industriële revolutie, en in Frankrijk waren de hoogtepunten van techniek nog steeds waterkracht en het paard. Sadi’s doel was te begrijpen hoe hij stoommachines meer efficient kon maken om daarmee Frankrijk in één klap op de industriële wereldkaart te zetten. Een stoommachine is een manier om een deel van de warmte die van de hete ketel naar de koude omgeving wil stromen om te zetten in iets dat wij nuttige arbeid vinden: het optillen van een stapel stenen bijvoorbeeld, of het tegelijkertijd verplaatsen van een grote hoeveelheid mensen van Amsterdam naar Haarlem. Carnot ontdekte twee dingen. Het eerste was teleurstellend: je kan nooit alle warmte omzetten in nuttige arbeid, voor de gewone stoommachine in het gunstigste geval maar zo’n 20%. Dit heeft overigens niets te maken met verliezen door wrijving en dergelijke, het is gewoon een fundamentele eigenschap van ons universum.  Net zo fundamenteel als de onmogelijkheid energie uit niets te maken, een auto op water te laten rijden of een gelovige van zijn ongelijk te overtuigen. 

De tweede ontdekking van Carnot was zo mogelijk nog belangrijker: je kan getallen toekennen aan de warme ketel en de koude omgeving die daarvan een intrinsieke eigenschap beschrijven. Die getallen, later entropie genoemd, worden groter als de temperatuur omhoog gaat en  kleiner als de temperatuur omlaag gaat, maar de verandering is groter bij lage dan bij hoge temperatuur. Deze ontdekking van Carnot eren we nog ieder jaar als we aan een nieuwe generatie studenten het “Carnot kringproces” proberen uit te leggen. Hij is op niets anders gebaseerd dan de voornoemde waarneming dat warmte altijd van warm naar koud stroomt, en de realisatie dat als je een stoommachine wilt blijven gebruiken de zuiger steeds weer in dezelfde positie terecht moet komen.

Deze ontdekking is zo belangrijk dat ik hem nog maar een keer herhaal. Als er warmte van warm naar koud stroomt wordt het warme deel kouder en het koude deel warmer. Als de delen hetzelfde zijn, bijvoobeeld een liter water van 75 oC en een liter water van 25 oC, gaat de temperatuur van het warme water precies evenveel omlaag als de temperatuur van het koude water omhoog gaat, maar de entropie van het koude water neemt meer toe dan die van het warme water afneemt. De totale entropie is dus toegenomen. Dit, en niets meer dan dit, is de inhoud van de tweede hoofdwet.  Absoluut nergens is in deze wet te vinden dat de entropie van een deel van het universum niet omlaag kan gaan. Zolang de totale entropie maar omhoog gaat is alles toegestaan, van de vorming van water uit waterstof en zuurstof en de groei van een kuikentje, tot het ontstaan van complexe structuren als het menselijk brein.

Hoe zit het dan bijvoorbeeld met dat water? Die bevredigende knal duidt erop dat er binnen korte tijd heel erg veel warmte vrijkomt. Die warmte verhoogt de omgevingsentropie meer dan de entropie van het gasmengsel afneemt als daaruit water ontstaat.  Eenvoudig, nietwaar?  

De oplettende lezer zal hebben opgemerkt dat begrippen als wanorde en complexiteit in voorgaande discussie nog nauwelijks voorkomen.  Dat kwam ook pas veel later. Boltzmann en Gibbs, twee grondleggers van een natuurkundevak dat nu statistische mechanica heet, waren ongeveer een halve eeuw na Carnot in staat een verband te leggen tussen de door hem gevonden entropie en hun eigen ideeën over wanorde. Daarvoor was het nodig te weten waaruit materie bestaat, atomen en moleculen, iets waar Carnot nog geen notie van had.  Het verband lijkt eenvoudig: lagere entropie betekent meer geordend. Een entropiewaarde nul geeft totale orde aan, iets dat trouwens alleen  kan als er ook niets meer beweegt. We zouden zelfs een schatting kunnen maken over hoeveel meer orde een nieuw kuikentje heeft dan de eiwit-dooier combinatie waaruit het spontaan ontstaat als we een ei in een broedmachine leggen, door de  hoeveelheid warmte te meten die vrijkomt gedurende de broedperiode.    

Als ik me goed herinner was er een gebod in de bijbel dat stelde dat je niet mag liegen. Nou hebben christenen vermoedelijk wel een manier gevonden om daarmee om te gaan, anders zou ook het bestaan van de christelijke politicus uitgesloten zijn. Niettemin zou ik bij dezen een verzoek willen doen: lieg niet meer over de tweede hoofdwet. Gezien het feit dat je nu weet hoe het zit,  kan voortaan de opmerking waarmee ik begon niets anders dan een bewuste leugen genoemd worden. En ik kan me niet herinneren dat er staat dat je niet mag liegen tenzij je daarmee kan bewijzen dat god het universum geschapen heeft.  Een bewijs dat overigens alleen diegenen overtuigt die daar toch al in geloven.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *