Warum vergessen Chaos verursacht und Energie kostet - Naturwissenschaftliche Grundlagen I: Was ist Entropie?

Es gibt Gedankenexperimente aus der Physik, die Einzug in die Popkultur erhalten haben. Beispielsweise kennt jeder von uns Schrödinger Katze.

Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger.  Erwin Schrödinger ist ein wirklich krasser Typ gewesen und ist sozusagen der Begründer der modernen Quantenmechanik. Total abgefahrene Scheiße, die kein Mensch so richtig richtig versteht.
Obwohl das Gedankenexperiment ziemlich abgefahren ist, möchte ich es hier nur kurz anreißen. Wenn wir eine Katze in eine Box sperren, die eine Ampulle mit einer giftigen Substanz enthält, können wir nicht sagen, ob die Katze tot oder lebendig ist, bevor wir die Box wieder öffnen.
Das bedeutet wir müssen annehmen, dass die Katze gleichzeitig tot und lebendig ist. Ähnlich ist das bei gewissen quantenphsysikalischen Phänomen. Das mag seltsam klingen. Ich meine, wie soll eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein?
In der Physik funktioniert sowas aber in der Regel ganz gut.
Licht beispielsweise ist gleichzeitig Welle und Teilchen. Physikalisch verhalten sich Welle und Teilchen komplett verschieden. Licht verhält sich in manchen Experimenten aber wie ein Teilchen und in anderen wie eine Welle. Man pickt sich in seinen Experimenten dann die Interpretation heraus, die passt und sagt Licht ist sowohl Welle als auch Teilchen. So wie die Katze, die sowohl tot als auch lebendig ist. Genaugenommen ist das nicht das, was der gute Erwin zeigen wollte. Das Prinzip ist aber dasselbe.

Ein anderes, vielleicht noch nicht ganz bekanntes Gedankenexperiment ist der Maxwellsche Dämon. Der Maxwellsche Dämon ist ein fazinierendes Gedankenexperiment, das vergessen mit der Erzeugung von Chaos in Verbindung bringt. Aber wie ist Chaos eigentlich naturwissenschaftlich definiert?

Entropie

Entropie ist eine physikalische Einheit, die angibt wie groß die Unordnung in einem System ist. Je größer die Unordnung, desto größer die Entropie.
Die Zunahme der Entropie, also Unordnung, ist das fundamentalste Prinzip unserer Welt. Das ganze Universum strebt einem Zustand von völligem Chaos entgegen. Aber warum ist das so?
Naja, schauen wir uns mal ein Kartenspiel an. Wenn wir ein Kartenspiel mit 32 Karten mischen, könnte es passieren, dass danach ein perfekt sortiertes Kartenspiel entsteht. Es gibt aber auch Fakultät 32 andere Anordnungen. Die Wahrscheinlichkeit für eine perfekte sortierte Anordnung ist also
1 / 2,6 x 10³⁵

Oder anders:  0,000000000000000000000000000000000000384 %.

Und so ist das im ganzen Universum. Es gibt immer mehr Möglichkeiten der Unordnung als Möglichkeiten der Ordnung. Das bedeutet die Wahrscheinlichkeit für eine Unordnung ist immer viel größer als  die Wahrscheinlichkeit für einen einzigen Zustand der Ordnung.

Angenommen ich habe ein Gefäß mit Wasser. Eine Hälfte ist mit heißen Molekülen besetzt und die andere mit kalten Molekülen. Die Moleküle bewegen sich nun hin und her und die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich selbstständig sortieren bzw. sortiert bleiben ist nun mal noch viel viel kleiner als in unserem Kartenspiel. Ein Liter Wasser enthält nämlich nicht nur 32 Moleküle sondern 3,3 x 10²⁵
(33000000000000000000000000) Moleküle.
Daher wird immer mittelwarmes Wasser entstehen und niemals zwei Bereiche mit heißem und kaltem Wasser. Und auch andersherum, werden wir niemals beobachten, dass sich Wasser mit einer mittleren Temperatur in zwei geordnete Bereiche mit kaltem und heißem Wasser sortiert.

Dieses Phänomen wird im zweiten Satz der Thermodynamik festgehalten. Entropie, also Unordnung kann zwar entstehen z.B. wenn sich in unserem Gefäß der heiße und der kalte Bereich vermischen, aber niemals zerstört werden, was einer spontanen Sortierung in heiß und kalt entsprechen würde.

Aber warum genau finde ich Entropie jetzt so faszinierend?

Entropie ist sozusagen ein naturwissenschaftliches Yin und Yang. Jedes mal, wenn irgendwo Ordnung entsteht, muss dafür an einer anderen Stelle Unordnung entstehen, da Entropie ja nicht zerstört werden darf.
 Jedes Mal wenn ich meine WG aufräume, gebe ich Wärme ins Universum ab, die dort die Unordnung vergrößert.
Unser ganzer Körper ist ein unglaublich komplexes System, das nur funktioniert, weil Ordnung darin herrscht. Wir benötigen DNA, ein unglaublich geordnetes Molekül mit einer genau definierten Struktur, wir brauchen Enzyme, die aus Atomen und Molekülen bestehen, die so angeordnet sind, dass sie andere Moleküle passgenau schneiden können.
Diese Ordnung, also ich kann nur existieren, weil ich durch Nahrungsaufnahme große geordnete Zuckermoleküle in viel kleinere CO₂-Moleküle spalte, die anschließend eine größere Unordnung besitzen. Leben bedeutet Ordnung und Ordnung kann nur entstehen, wenn woanders dafür Unordnung entsteht.


 Abgesehen von der Erkenntnis, dass unser Universum einem Zustand von völliger Unordnung und Chaos entgegensteuert, ist Entropie eng verwandet mit der Zeit.
Entropie und Zeit sind die einzigen Größen in unserem Universum, die eine klar definierte Richtung haben. Die Zeitachse unseres Universum verläuft parallel zur erzeugten Entropie in unserem Universum.
Ich möchte sogar soweit gehen und sagen, dass eine linear fortschreitende Zeit wie wir sie kennen nur dadurch erlebt wird, dass Prozesse durch die Erzeugung von Entropie unumkehrbar werden.
Wären alle Prozesse umkehrbar gäbe es deutlich weniger Probleme beim bewegen der Zeit in umgekehrter Richtung, da wir keine Entropie zerstören müssten und Prozesse sowieso diese Richtung ablaufen könnten.

Im Zweiten Teil geht es dann endlich um den maxwellschen Dämon. Der maxwellsche Dämon liefert euch eine Erklärung, warum es so anstregend ist eureren Ex-Partner zu vergessen und er/sie Schuld daran ist, dass das Universum im Chaos versinkt.