Unordnung wird physikalisch mit Entropie bezeichnet. Es ist ein Trend in der Natur, dass die Entropie in einem System immer größer wird. Das erleben wir auch daheim: alle Dinge in unserem Zimmer werden sich gleichmäßig unordentlich verteilen. Ein zweiter Trend der Natur ist ihr Wunsch nach geringster Energie: die Unordnung wird am Fußboden entstehen.

Ein einfacher Vergleich: Ich haben ein Zimmer, wo es viel Plätze gibt, um Sachen abzulegen. Da ich nun jeden Tag ein Paar Socken anhabe und diese abends in meinem Zimmer ablege, sammelt sich bald ein Haufen von Socken an. Ein Paar Socken liegt vor meinem Bett(das sind die, die ich als Letze ablegte), dann zwei noch als Paar wahrnehmbare, aber schon weiter entfernt von einander links unterm Bett( das sind die von vor 2 Tagen), und dann noch viele einzelne ganz hinten unterm Bett, einer unterm Schreibtischsessel, einer unter dem großen bequemen Klappsesel, zwei gleich beim Türeingang, ein anderer wieder hinter Schreibtisch usw. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass mit der Zeit die Unordnung anwächst und die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass die Sockenimmer mehr an verschiedeneren Plätzen) meines Zimmers auftauchen. Das heiß die Wahrscheinlichkeit, dass sozusagen alle Socken an einen bestimmten Platz, also z. B. vor meiner Zimmertür liegen ist so Unwahrscheinlich, dass folgendes eher auftritt.

Entropie könnte man auch mit Informationsverlust beschreiben, er soll maximal werden. Wenn sich die Medikamente im Medikamentenkasten befinden, ist meine Information, wo genau ein bestimmtes Fläschchen zu finden ist, groß. Ich kann es schnell per Telefon durchsagen.

Wenn alle Medikamente aber quer durch die Wohnung verstreut werden – und das ist der Trend der Natur – dann muss ich über Telefon schon viele Anweisungen geben: schau da nach, oder dort, oder vielleicht dort… Der Informationsverslust ist groß geworden.

Entropie und Unordnung

In einem geordneten System hat jedes Teil seinen Platz, zum Beispiel in einem Kristall. Es gibt in einem Kristall weniger Möglichkeiten als in einem ungeordneten System, beispielsweise Flüssigkeit, die Atome zu verteilen. Im Kristall können sie zum Beispiel um ihren Platz schwingen, aber eben nicht beliebig den Platz wechseln. Daher sollte beim Übergang vom geordneten Zustand (Kristall) zum ungeordneten Zustand (Flüssigkeit), die Entropie wachsen. Beim Schmelzen steigt die Entropie, die Entropiezufuhr erfolgt durch Wärmezufuhr.

Entropie bedeutet aber nicht immer auch höhere Unordnung. Die Tatsache, dass unterhalb des Gefrierpunktes ungeordnetes Wasser zu stärker geordnetem Eis kristallisiert, zeigt, dass dieser Vorgang insgesamt zu einer Entropieerhöhung führt. Diese kommt dadurch zustande, dass die beim Kristallisieren abgegebene Schmelzwärme die Entropie stärker erhöht, als sie durch die Kristallisation des Wassers erniedrigt wird.

Das heißt die Entropie eines System bzw. eines Körpers steigt mit seiner Temperatur. Genauso sieht es mit den Aggregatzuständen(also, ob etwas fest, flüssig oder gasförmig ist) eines Systems/Körper aus.

Reversibel oder Irreversibel?

Der Wunsch der Natur, die Entropie wachsen zu lassen, und die Energie zu minimieren, wirkt sich auf die möglichen Abläufe von Prozessen aus.

Die Blätter eines Baumes etwa fallen zu Boden. Dieser Prozess ist irreversibel.

Eine Kugel rollt über den Tisch. Dieser Prozess ist reversibel.

Wie kann man unterscheiden, ob ein Prozess reversibel oder irreversibel ist? Man filmt ihn und lässt den Film verkehrt herum ablaufen. Wenn einem das komisch vorkommt (Blätter fallen auf den Baum hinauf), dann ist der Prozess irreversibel. Wenn einen das normal vorkommt (Kugel rollt), dann ist der Prozess reversibel.

Genau:

Irreversiblen* Prozesse, sind Prozesse, bei welchen ein System nicht von alleine, also nicht ohne Arbeitsaufwand, in ihren Ursprungszustand zurückkehren. (=freiwillig nicht umkehrbare Prozesse).

Diese sind zeitsymetrisch. D. h. wenn man den Prozess rückwärts abspielen wollte, verhielte er sich nicht wie zuvor(er kann nicht mehr den Anfangszustand erreichen).

Reversible** Prozesse, sind demnach Prozesse, die ganz von alleine in ihren Ursprungszustand zurückkehren können (irgendwann einmal).

Diese sind zeitasymetrisch. D.h. wenn man den Prozess rückwärts ablaufen ließe, verhielte er sich genauso.

Die Frage ist nun, wie im Universum so etwas Ordentliches wie Leben entstehen konnte. So etwas hoch Organisiertes! Das gibt es, dafür ist es in einem anderen Teil des Universums noch unordentlicher.

Obwohl also die Entropie immer mehr wird, haben das Leben und wir Menschen genügend Platz in unserer Welt. Die ganze Zeit, da es im Universum Leben gab und gibt musste Energie aufgewendet werden, um der Entropie des gesamten Universums entgegen zu wirken. D. h. durch das, dass in einem kleinen Ort, der Erde, im Universum durch Energieaufwand(=durch die Sonne)die Entropie erniedrigt wurde, damit wir leben können, wurde damit auch die Entropie im gewaltigen haarsträubenden Rest des Universums erhöht. Denn in einem Sonnensystem ist die Entropie relativ zur Entropie des Universums klein. Sonnensysteme sind sozusagen Inseln vergleichsweise extrem niedriger Entropie im Universum. Absteigend mit der Entropie gilt: Ein Stern im Universum in einer Galaxis hat demnach weniger Entropie als eine Galaxis; ein Stern mit Planeten und dazu noch Leben, also auch Lebewesen wie wir, noch weniger, daher können wir Menschen leben. Die Sonne liefert die nötige Energie um die Entropie auf der Erde niedrig zu machen, sodass Leben entstehen und komplexer werden konnte.

Die Entropie des ganzen Universums wurde zugunsten des Lebens erhöht! Denn jedes Lebewesen scheidet mehr Entropie aus als es einnimmt.

Aber wie entweicht die Entropie, die sich auf der Erde aufhäufen müsste, da Lebewesen ständig höhere Entropie abführen als sie aufnehmen? Wider mit Hilfe der Sonne, sie strahlt Energie zu uns, die gemeinsam mit der angehäuften Entropie wieder abgestrahlt wird. Aufgrund des Temperaturgefälles zwischen heißer Sonne und kaltem Weltall fließt nämlich ständig Sonnenenergie von Warm nach Kalt. Dass ist auch ein Grund, dass Evolution stattfinden kann.

Die Erde erhält also von außen Energie und gibt diese wieder an den Kosmos ab. Genauso wie es bei uns Lebewesen stattfindet, wir nehmen Energie auf und geben wieder Energie ab, wie wir es auch mit der Entropie tun. Daraus folgt, durch Energie aufwand können bestimmte Bereiche( hier die Erde in unserem Sonnensystem) in einem offenen System( hier das Universum, denn die Erde unterliegt dem Einfluss anderer im Universum) entropiearm sein(=  veranschaulichungsweise Inseln geringer Entropie In einem Meer hoher Entropie

D. h. es entstand also ein System mit ganz wenig armer Entropie (als das Leben samt uns Menschen auf der Erde) auf Kosten ganz riesiger Entropie im Universum. Hauptragender war wieder einmal die Sonne. Sie und kosmisch gesehen das ganze Universum betrieb diesen Energieaufwand für uns.

Urknall?

Der Urknall war ein Zustand, der sehr heiß, sehr dicht und sehr klein war. Wie konnte da der Anfang auseinander brechen?

Da die Entropie eine extensive Größe, d.h. sie hängt mit der Größe bzw. dem Ausmaß des Systems zusammen, expandier das Universum seither. Es wird immer größer und die Entropie wächst, jetzt ist sie gewaltig und wird noch größer mit der Zeit.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich alle Teilchen im Universum  in einembestimmten Ort versammeln ist nahezu null, ist also praktisch null, da dies im ganzen beobachteten Universum noch nie vorgekommen sein sollte. D. h. die Wahrscheinlichkeit den Urzustand des Universums, den Urknall, jemals wieder anzutreffen ist so unwahrscheinlich, dass man davon ausgehen kann, dass das Universum in einem irreversiblen Prozess) nur noch unordentlicher, besser gesagt maximaler verteilt wird, als es eh schon ist. Solch ein Wiederkehreinwand, dass sich ein System in periodisch(=im wiederkehrenden Muster) verhalte, scheitert demnach daran, dass die dafür benötigte Zeit, der des Universums zigmal übersteigt.

Hitzetod?

Da wir wissen, dass die Entropie eines System bzw. eines Körpers stets mit deren Temperatur steigt, was geschieht dann bei extrem hohen Temperaturen? Hier muss die Entropie doch maximal sein und die Molekular-Bewegung ja so arg, dass Alles nur noch gasförmig vorhanden ist. Das ist doch der maximale Wahnsinn, dann könnte ja kein Leben wie wir es kennen oder überhaupt der Kosmos, wie er ist, noch bestehen! Das wäre dann ein kosmischer Hitzetod, nichts ist mehr, so wie es ist!

Leben

Warum Leben eigentlich etwas extrem Komplexes ist, und wozu Lebensformen Energie brauchen, erklärt der Biochemiker Gottfried Schatz in diesem kurzen Interviewausschnitt.