Nei post precedenti ho tentato a più riprese di sottolineare la relazione fra la Seconda Legge della Termodinamica e il progresso inesorabile dei fenomeni naturali verso una condizione irreversibile di massimo disordine. L'esempio principale di tale condizione è l'equilibrio termico: la situazione nella quale tutti i corpi presenti in un sistema si trovano alla stessa temperatura e nessuno scambio energetico può più avvenire fra di essi. L'espressione "morte termica" descrive bene il carattere un po' lugubre di questa configurazione finale, alla quale la Seconda Legge condanna ogni sistema isolato.
La mia insistenza nasce dalla consapevolezza che noi umani - come individui e come specie - siamo molto bravi a dimenticare il prezzo che qualcuno deve pur pagare per l'uso che facciamo delle risorse che troviamo intorno a noi. Sotto molti aspetti, il tipo di progresso tecnologico degli ultimi secoli rappresenta un colossale debito contratto dall'umanità con il pianeta Terra, un debito che cade sulle spalle delle prossime generazioni. Non possiamo fare finta di non saperlo. Ogni trasformazione energetica da noi messa in atto per la nostra utilità o il nostro benessere immediati comporta un debito di entropia che può soltanto aumentare. È un dovere di tutti ricordarlo.
Ma ormai siamo a Natale, o per restare in tema siamo nei giorni della Conferenza delle Nazioni Unite sul cambiamento climatico a Copenhagen. Non si possono cambiare le cose (o smettere di cambiarle, che è ancora più difficile) senza un po' di ottimismo che ciò sia possibile. Riflettere sugli aspetti minacciosi della Seconda Legge può risultare deprimente. Voglio perciò dedicare il mio ultimo post sull'argomento agli aspetti creativi della Legge, che sono anche quelli sui quali la ricerca è più attiva proprio in tempi recenti.
Entropia e vita
Voglio partire da un problema che è al centro di un grande libro scientifico e filosofico insieme, Il caso e la necessità, che Jacques Monod, premio Nobel per la medicina nel 1965, pubblicò nel 1970. In questo libro bello e importante, Monod affronta fra gli altri problemi quello della compatibilità fra i processi vitali e la Seconda Legge. Le strutture viventi sono strutture estremamente ordinate e precarie: come mai il processo di aumento dell'entropia non le degrada rapidamente a una zuppa informe di molecole semplici? La vita viola la Seconda Legge? Monod mostra che non è affatto così.
Se teniamo conto del solo organismo vivente, la sua formazione e la sua crescita comportano effettivamente una diminuzione di entropia. Ma un organismo non può in alcun modo essere trattato come un sistema isolato: tagliato fuori dagli scambi di energia e materia con l'ambiente circostante, morirebbe immediatamente. Ora, la Seconda Legge prescrive che l'entropia debba aumentare nei sistemi isolati. Se vogliamo calcolare il corretto bilancio di entropia dei processi vitali, bisogna mettere nel conto quello che accade nell'ambiente. E, come Monod chiarisce con forza, la somma della variazione di entropia dell'organismo e dell'ambiente è positiva. Ad ogni ciclo di respirazione, ad ogni processo di sintesi proteica o di duplicazione cellulare, l'entropia dell'organismo diminuisce ma quella totale aumenta. La Seconda Legge vale per i processi vitali come per tutti i fenomeni naturali. La Legge non proibisce la vita.
A qualcuno può sembrare un po' poco. D'accordo, la vita è compatibile con la legge dell'aumento di entropia. Resta però in una sorta di condizione assai precaria, quasi un clandestino in mezzo a processi che vanno tutti nella direzione opposta. Dal punto di vista della termodinamica classica la vita non è un fenomeno impossibile, ma certamente è molto improbabile. È questa la conclusione teorica che dobbiamo accettare? La vita è un fenomeno accidentale, verificatosi per puro caso in un angolo sperduto di una galassia qualsiasi, in un universo per il resto sterile? Monod pensa che sia proprio così, e che una visione scientifica e matura del mondo debba prendere atto della casualità e della improbabilità della vita sul piano cosmico.
Le strutture dissipative
Si può comprendere come mai ad alcuni ricercatori queste conclusioni appaiano insoddisfacenti. La vita è uno dei fenomeni più importanti nel mondo che ci circonda. La Terra non sarebbe lo stesso pianeta - perfino in termini di composizione chimica dell'atmosfera - se la vita non fosse mai comparsa. L'idea che le leggi della fisica permettano l'esistenza degli organismi viventi, ma non la prevedano neppure come possibilità, è frustrante. Se fosse così, la fisica non potrebbe affermare di descrivere il mondo come ci appare, con tutta la sua ricchezza, ma soltanto la sua impalcatura, una sorta di scheletro vuoto.
Nel 1979 un altro scienziato, Ilya Prigogine, premio Nobel per la chimica nel 1977, pubblicò con Isabelle Stengers un altro libro importante, La nuova alleanza. In questo libro i due scienziati rivolgono una sorta di risposta ideale a Monod. Il punto di partenza delle loro argomentazioni è il fenomeno delle strutture dissipative.
Una struttura dissipativa è un sistema fisico aperto, che scambia con il resto del mondo energia e materia, e che per questo motivo rimane molto lontano dall'equilibrio termodinamico. La cosa notevole è che in questi sistemi si stabiliscono spontaneamente delle configurazioni ordinate nel tempo o nello spazio. Quando le grandezze che descrivono il sistema, e che ne quantificano la distanza dall'equilibrio, raggiungono alcuni valori critici, nel sistema si creano strutture ordinate molto peculiari. Si può trattare ad esempio, delle celle esagonali di convezione che appaiono sulla superficie di uno strato sottile di liquido quando la differenza di temperatura fra le sue facce viene mantenuta al di sopra di un certo livello. (Un'immagine delle celle di Bénard è in uno dei primi post di questa serie, Dall'acqua tiepida agli astronauti.) O si può trattare di una reazione chimica oscillante, nella quale la proporzione di reagenti e prodotti oscilla nel tempo in maniera regolare, talvolta con cambiamenti drammatici di colore. L'esempio meglio noto è la reazione di Belousov–Zhabotinsky, raffigurata nell'immagine di apertura. Ecco un bel video che mostra la reazione in corso.
Le strutture dissipative non sono soltanto dei fenomeni pittoreschi. Il loro studio teorico, al quale Prigogine ha dato un grande contributo, mostra che in determinate condizioni è la stessa tendenza universale all'aumento di entropia che porta all'insorgere di queste strutture. Ricordiamoci che la Seconda Legge prevede che l'entropia totale dell'Universo aumenti sempre. Una struttura dissipativa è un fenomeno che, attraverso la creazione locale di ordine, permette all'entropia totale di aumentare più rapidamente. In questo caso, insomma, la Seconda Legge non si limita a permettere la creazione di ordine, ma esige che essa avvenga.
La vita e la sua evoluzione sono strutture dissipative? Ci sono indizi che questa ipotesi sia valida, e che possa farci progredire nella comprensione dei fenomeni naturali. Se è così, la vita non sarebbe più un fenomeno occasionale e improbabile, ma una proprietà dell'Universo, destinata a realizzarsi ogni volta che ce ne siano le condizioni. È un pensiero incoraggiante. La Seconda Legge si rivela capace di produrre ordine e non soltanto di distruggerlo. E noi, gli esseri umani, ci dimostreremo in grado di fare lo stesso?
Per approfondire: