Het vreemde is namelijk dat er geen enkele natuurwet is die verbiedt dat die korrels door de wind opnieuw in precies dezelfde vorm bij elkaar komen als het oorspronkelijke kasteel. Maar iedereen weet dat het niet gebeurt. Je kunt natuurlijk met enige inspanning het kasteel nog eens opnieuw bouwen, maar vanzelf zal dat nooit gebeuren, terwijl het volgens de natuurwetten wel mogelijk is. Waarom zien we dat dan nooit gebeuren?
Entropie
De reden hiervoor beschrijft de natuurkunde met het begrip entropie. Als je een keer weet wat entropie is, zie je het overal. Bijvoorbeeld als je een druppel melk in koffie laat vallen. Je weet dat die druppel zich zal verspreiden, ook zonder te roeren. Maar de melkmoleculen zullen zich nooit spontaan weer verzamelen in een druppel.
Entropie geeft de mate van wanorde – je kunt ook zeggen desorganisatie – van een systeem aan. De zandkorrels kunnen op veel manieren geordend worden in een zandkasteel, maar er zijn talloos meer manieren waarop het zand wanordelijk over het hele strand verspreid kan zijn. De kans dat het zand spontaan in precies die ene zeldzame configuratie bij elkaar komt, is verwaarloosbaar klein. En uit hoe meer onderdelen het systeem bestaat – hier zijn die onderdelen de zandkorrels – hoe kleiner die kans is. We zien nooit dat het zandkasteel in zijn oorspronkelijke vorm terugkomt omdat de kans daarop zo ongelooflijk klein is.
Met het begrip entropie kun je veel begrijpen van de wereld om ons heen. Waarom het snoer van je oortjes (als je nog geen draadloze hebt) altijd in de knoop raakt. Waarom een gasfles leegloopt maar nooit vanzelf volloopt. Waarom een keurig opgeruimd huis altijd weer rommelig wordt. In al die gevallen is er een onwaarschijnlijke, geordende toestand – een met lage entropie – en een veel waarschijnlijkere, ongeordende toestand: een met hoge entropie.
De richting van de tijd
Het voorbeeld van de koffiemelk raakt aan nog een ander fundamenteel principe: de richting van de tijd. Als je twee foto’s ziet van de koffie, een met een melkdruppel erin en een ander waar de melk egaal verspreid is, weet je direct welke eerder genomen is.
Het is vanzelfsprekend dat er een verschil is tussen toekomst en verleden. Maar vanuit wetenschappelijk standpunt hebben de wetten van Newton dat veranderd. Die wetten beschrijven de beweging van massa’s en daarbij kun je de tijd vooruit en achteruit laten lopen zonder dat de verschijnselen veranderen. De baan van plateneten rond de zon blijft gelijk als je terugkijkt in de tijd. Precies hetzelfde geldt voor alle andere natuurwetten: ze zijn “symmetrisch in de tijd”. Waarom kiest de natuur dan toch een bepaalde richting voor de tijd, van “verleden” naar “toekomst” en niet andersom? Een verklaring lijkt te liggen in het begrip entropie, al zijn nog lang niet alle wetenschappers het erover eens dat het probleem daarmee helemáál opgelost is. In elk geval veranderen systemen altijd van geordend naar minder geordend; van lage naar hoge entropie. Dat noemen we het voortgaan van de tijd.
Quantum Universe
Dit zijn een paar korte beschrijvingen van nogal diepzinnige onderwerpen uit de natuurkunde die met entropie te maken hebben. Maar hiermee weet je waarschijnlijk nog niet precies wat entropie is. Het is een merkwaardig begrip en er is ontzettend veel over te vertellen. Het voortgaan van de tijd, bijvoorbeeld, is zelfs geformuleerd als een heuse natuurwet - de enige natuurwet die dus niet tijdsymmetrisch is: de tweede hoofdwet van de thermodynamica.
Wil je er meer over weten, dan kun je een mooie verzameling artikelen over entropie vinden op de site van Quantum Universe. Een fijne website over natuurkunde die ook zeer de moeite waard is om eens te bezoeken.
