Energie als universele valuta

In dit artikel onderzoek ik hoe we tot inzichten kwamen over het ontstaan van onze kosmos, wat de rol van energie is als universele valuta in ons universum en waarom we enkel ouder worden.

Energie als universele valuta

Onze zintuigen zijn een slechte raadgever

We hebben de neiging om de onmiddellijke waarnemingen van onze zintuigen als realiteit te aanvaarden. Het mag duidelijk zijn dat dit ons, in de meeste gevallen, een evolutionair voordeel gaf. Wanneer je opgejaagd wordt door een wild dier is het geen goed idee om jezelf vragen te stellen over de echtheid van onze percepties. Nochtans toont voortschrijdend wetenschappelijk inzicht aan dat de dingen niet altijd zijn zoals we ze waarnemen. Ons huidig begrip van het universum kwam tot stand door een opeenvolging van wetenschappelijke doorbraken, over verschillende generaties. Iedere generatie bouwde verder op de kennis van voorgaande generaties en nieuwe doorbraken leerden ons meer over onze omgeving of toonden aan dat de realiteit vaak niet is wat ze lijkt.

Oorspronkelijk geloofden Aristoteles en de oude Grieken nog dat de sterren en planeten rond onze aardbol draaiden. Het was op dat moment de beste verklaring die we konden geven. Het sloot aan bij onze waarnemingen wanneer we omhoog keken en we hadden geen concrete drijfveer om het verder uit te zoeken. Dit duurde tot in de 16e eeuw. Nieuwe inzichten en observaties brachten Copernicus er toe om te argumenteren dat de cycli van de andere planeten enkel verklaard kunnen worden in een heliocentrisch systeem, met de zon in het midden. Misschien uit schrik voor het dogma van de Kerk publiceerde hij dit idee pas aan het einde van zijn leven. Dit dogma werd pas aan de kant geschoven na observaties van Kepler en Galilei in het begin van de 17e eeuw. De uitvinding van sterrenkijkers leidde tot observaties die we niet langer konden negeren en we pasten ons begrip van de wereld rondom ons aan.

Een volgende doorbraak kwam van Isaac Newton, die inzag dat het fenomeen van een vallende appel verklaard werd door dezelfde krachten die de aarde in een baan rond de zon houden. De wetten van Newton werden mathematisch onderbouwd aan de hand van zijn drie bewegingswetten, geformuleerd in 1687. Het gevolg van Newton zijn theorie was dat dit betekende dat het universum een begin had en ook eindig was. Voor Newton waren tijd en ruimte absoluut. Ze vormden het toneel waarop ons bestaan zich afspeelde. De formules die Newton neerpende vormden het beginpunt van de Klassieke Fysica. Tot op vandaag zijn die formules de basis van ons begrip van de wereld rondom ons en worden zijn universele wetten meegegeven aan volgende generaties.

Het moet gezegd dat niet iedereen akkoord ging met de absolute definitie van tijd en ruimte. Gottfried Wilhelm von Leibniz was wellicht de bekendste criticus. Hij argumenteerde dat tijd en ruimte geen absolute begrippen kunnen zijn. Volgens hem zijn tijd en ruimte slechts concepten in onze geest. Het zijn mentale constructies die ons toelaten objecten en gebeurtenissen te ordenen. Voor Leibniz was het onmogelijk om het bestaan vast te stellen van iets dat we niet kunnen grijpen, voelen of manipuleren. Maar de theorieën van Newton verklaarden en voorspelden de wereld om ons heen gewoon te goed om ze te weerleggen en de kritiek van Leibniz bleef voorlopig een semantisch detail. [1]

In 1900 heerste optimisme onder wetenschappers. Er waren volgens Lord Kelvin slechts 2 problemen meer die moesten opgelost worden. Deze hadden enerzijds te maken met de eigenschappen van lichtsnelheid en anderzijds met radiatie van objecten die warmte afgeven. Dit bleken uiteindelijk geen kleine problemen en om beide op te lossen moesten de bestaande natuurwetten volledig herschreven worden. Om een oplossing te bieden aan het tweede probleem hadden we kwantumtheorie nodig. Om het eerste probleem op te lossen moesten de klassieke, absolute concepten van tijd en ruimte vervangen worden door de relativiteitstheorie van Einstein. [2]

Einstein had ingezien dat de wetten van Newton slechts benaderingen waren die niet langer standhielden bij lichtsnelheden. Om dit te generaliseren moest hij de belangrijkste assumptie van Newton betwisten. Volgens Einstein is tijd en ruimte niet onafhankelijk en absoluut maar relatief. Zijn relativiteitstheorie bracht tijd en ruimte samen met zwaartekracht. Zoals een gespannen laken afbuigt wanneer er een massa op geplaatst wordt, buigt ook tijd en ruimte in onze kosmos. De afstand tussen A en B in een rechte lijn buigt af rond die massa, waardoor tijd vertraagt. De theorie van Einstein werd bewezen tijdens een zonsverduistering, wanneer licht waargenomen wordt van een ster die in principe op een lijn moest liggen met de aarde, maan en zon. De omstandigheden op onze aardbol zorgen ervoor dat we hier niet echt hoeven over na te denken, maar het illustreert dat onze perceptie vaak geen realiteit is. De hersenspinsels van von Leibniz, die eerst afgeschilderd werden als onzinnig, bleken correct in de Ruimtetijd van Einstein.

warping-spacetime-ligo
Figuur 1: Schematische voorstelling van Ruimtetijd. (Bron)

Waarom we enkel ouder worden

De modellen van Einstein en Newton verklaren de wereld rond ons zeer goed en worden nog altijd aanvaard als geldende theorieën. Maar er is een belangrijk element in ons leven dat niet verklaard wordt door de theorie. Zowel de Klassieke Fysica van Newton als de Relativiteitstheorie van Einstein stellen namelijk dat tijd symmetrisch is. Dat strookt absoluut niet met ons begrip van tijd dat een duidelijke asymmetrie kent. Deze asymmetrie betekent dat tijd een duidelijke oriëntatie kent, tijd heeft een bepaalde richting, een pijl. Mensen worden enkel ouder, ijsblokken op kamertemperatuur smelten en wanneer je een ei laat vallen breekt het. De omgekeerde gevallen komen in ons leven nooit voor. Het klinkt misschien vreemd maar dit fenomeen wordt niet verklaard door de natuurwetten die we reeds bespraken. Deze wetten maken helemaal geen onderscheid tussen de richting van tijd. Hoe komt het dan dat we nooit een gebroken ei terug heel zien worden, dat we nooit ijsblokken zien ontstaan in een glas vloeibaar water en dat mensen er nooit jonger op worden? Om dit te verklaren moeten we een nieuw concept introduceren: entropie.

Ludwig Boltzmann is de man die aan de basis lag van dit inzicht. Hij formuleerde het concept van entropie aan de hand van de volgende formule (die eveneens op zijn graf staat):

S = k log(W)

De tweede wet van Newton trachtte het gedrag van vallende appels en planeten te modelleren. Dit concept heeft een statistische applicatie op moleculair niveau en dat is in essentie wat entropie is. Wanneer je een gesloten systeem van moleculen hebt, is ook de tweede wet van Newton hierop van toepassing. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de hoeveelheid energie in een gesloten systeem constant is (behoud van energie). Je kan energie niet uit het niets creëren of doen verdwijnen. Op die manier kan je ons universum sinds de oerknal zien als een gesloten systeem waarin de hoeveelheid materie en energie constant blijft. De tweede wet van de thermodynamica zegt dat, in een gesloten systeem, de hoeveelheid entropie enkel kan vergroten.

Entropie is een maatstaf voor wanorde of chaos. We kunnen het als volgt illustreren: wanneer je 1000 geordende pagina’s in de lucht gooit en weer samenraapt zijn er ontzettend veel mogelijkheden waarin de pagina’s ongeordend zijn. Als je dit genoeg herhaalt kan het perfect gebeuren dat je opnieuw een geordend boek samenraapt. Het is alleen niet heel waarschijnlijk. Net zoals je zeer lang naar een glas water kan kijken en geen ijsblok zal zien vormen bij kamertemperatuur terwijl dit statistisch gezien wel mogelijk is. Dit wordt namelijk niet belet door de geldende Natuurwetten. Volgens de formules van Newton en Einstein moet entropie vergroten richting zowel het verleden als richting de toekomst. [3]

Entropie definieert de hoeveelheid wanorde in een gesloten systeem en in onze kosmos geldt dat zo’n gesloten systeem de neiging heeft om te evolueren naar meer wanorde, meer entropie of minder bruikbare energie in de toekomst (de tijdspijl). Een systeem met een groot aantal atomen zal neigen naar een staat met meer entropie en meer wanorde. Entropie is een verwarrend begrip, maar intuïtief begrijpen we het. Wanneer je een ijsblok in een glas warm water stopt, dan geeft het water zijn warmte af aan de ijsblok. De moleculen van de ijsblok zijn meer geordend dan die in het water en het proces evolueert naar een nieuw thermisch evenwicht met meer entropie, meer chaos, meer wanorde en minder bruikbare energie. Dit geeft ons intuïtief een gevoel voor causaliteit in onze wereld. Wanneer je twee filmpjes afspeelt van de ijsblok in het water, waarvan een vooruit en een achteruit, weten we allemaal welke versie voldoet aan ‘de pijl van de tijd’.

Je kan deze tijdspijl wel gewoon aanvaarden omdat we dit zo ervaren maar we hebben nog altijd niet uitgelegd waarom dit in onze kosmos nu eigenlijk zo is. De geldende Natuurwetten voorspellen namelijk, zoals gesteld, een symmetrie, waarbij entropie verhoogt zowel in de richting van het verleden als in de richting van de toekomst. De enige manier om hier een antwoord op te vinden is door terug te keren naar de specifieke situatie bij het begin van onze kosmos. De theorie van de Oerknal stelt dat onze kosmos helemaal in het begin zich in een zeer geordende staat bevond. Het universum voor de Oerknal en voor de ruimte in het heelal begon uit te zetten, werd gekenmerkt door een extreem lage entropie. Alles wat we vandaag kennen, begon vanuit een punt, kleiner dan een zandkorrel, met een gigantische hoeveelheid energie en lage entropie (goed geordend). We kunnen vervolgens stellen dat door de wet van behoud van energie en de tweede wet van thermodynamica onze kosmos te zien valt als een gesloten systeem dat een alsmaar grotere entropie vertoont. Dit proces zal zich verder zetten tot alle nuttige energie opgebruikt is en er alleen wanorde, chaos en leegte zal overblijven (geen paniek, dit duurt wel nog even). Terwijl de Natuurwetten van Newton en Einstein ons universum verklaren kan alleen de Oerknal en haar geordende beginstaat ons begrip van assymetrische tijd verklaren.

cosmicmicrowavebackground
Figuur 2: Kosmische achtergrondsstraling - Temperatuur van de kosmos ongeveer 400,000 jaar na de Oerknal (bron: NASA)

Aan zwaartekracht valt niet te ontstappen

Onze kosmos bestaat dus uit een gegeven hoeveelheid energie en heeft de neiging om te evolueren richting meer wanorde. Dit is ingegeven door de unieke beginsituatie van onze kosmos die aan de basis lag van alles dat we kennen, zo’n kleine 14 miljard jaar geleden. Energie is de enige universele valuta in onze kosmos: om iets gedaan te krijgen moet je altijd een bepaalde vorm van energie omzetten. Alle materie die we kennen is energie in rust en energie manifesteert zich in vele verschillende vormen. De verschillende vormen van energie zijn allemaal gelinkt door specifieke conversies.

energyconversion
Figuur 3: Omzettingen van energie.[4]

De rotaties van planeten en melkwegstelsels gehoorzamen aan universele gravitatiewetten die gelden voor iedere vorm van massa of energie in het universum. Nucleaire conversies in sterren voorzien planeten van licht en warmte en zijn de bron voor het complexere leven dat we kennen. Onze aardbol, aangetrokken tot de zon (en andere planeten) door zwaartekracht, zweeft rond de zon aan een snelheid van 30 km/s, op een afstand van ongeveer 150 miljoen kilometer. Onze planeet zou moeilijk leefbaar geweest zijn, moest onze aardbol slechts 1% verder van de zon verwijderd zijn.[5] Deze specifieke afstand bepaalde 2 miljard jaar geleden een bepaalde hoeveelheid CO2 op onze planeet die het mogelijk maakte dat primitieve levensvormen zich ontwikkelden. Ook de grootte van onze aardbol was precies goed, waardoor onze atmosfeer, bestaande uit gas, net genoeg op zijn plaats gehouden werd door de zwaartekracht van de aarde. [4:1]

Onze zon wordt dus aangedreven door een gigantische nucleaire reactor. Het product van deze thermonucleaire reactie bereikt de Aarde in de vorm van elektromagnetische energie (zonlicht en straling). Van al deze energie, die ons gratis ter beschikking wordt gesteld, wordt minder dan 0,05% omgezet in nieuwe vormen van energie via fotosynthese.[6] Planten vormen vervolgens de basis van alle andere hogere levensvormen, die telkens meer complexiteit vertonen, meer entropie, meer wanorde. Dierlijk metabolisme zet plantaardige voedingsstoffen om in weefsel, lichaamsfuncties en een constante temperatuur (voor sommige levensvormen). De meeste dieren geraakten nooit verder dan hun eigen fysieke limiet, bepaald door hun lichaam en metabolisme, maar gelukkig zijn wij vrij goed in het oplossen van problemen. Deze unieke eigenschap van onze soort zorgt er voor dat we onze lichamelijke limiet kunnen overstijgen. Door efficiënter gebruik te maken van onze spieren en door energie aan te wenden die is opgewekt buiten ons lichaam maken we onze mogelijkheden quasi eindeloos. We begonnen met primitieve houten en stenen werktuigen, maar ruim 2,5 miljoen jaar later gebruiken we olie, kernreactoren, windmolens en fotovoltaïsche panelen. We kunnen dit als volgt samenvatten:

“zowel de prehistorische menselijke evolutie als de loop van de geschiedenis kunnen worden gezien als de zoektocht naar het beheersen van grotere voorraden en stromen van meer geconcentreerde en veelzijdiger vormen van energie en deze om te zetten, op meer betaalbare manieren tegen lagere kosten en met hogere efficiëntie, in warmte, licht en beweging.” [4:2]

Conclusie

Onze kosmos bestaat dus uit een bepaalde hoeveelheid energie. We hebben ondertussen een vrij goed zicht op de geschiedenis van ons bestaan. In dit deel hebben we aangetoond dat onze percepties vaak geen goede raadgever zijn om de wereld rond ons te begrijpen. Nieuwe observaties dwingen wetenschappelijke consensus en mainstream dogma tot inkeer. We hebben het concept en belang van entropie verduidelijkt en bespraken de historie van onze planeet waarin omzettingen van energie de hoofdrol spelen. In het volgende artikel bekijken we hoe onze soort zich heeft ontwikkeld van boom slingerende primaten tot de soort die we vandaag nog altijd zijn en wat de rol van energie daarin is. Wat dit allemaal met Bitcoin te maken heeft, hoop ik in de toekomst te verduidelijken.


  1. Greene, B. (2014), The Fabric of Space and Time, Ch. 1 ↩︎

  2. Greene, B. (2014), The Fabric of Space and Time, Ch. 1 ↩︎

  3. Greene, B. (2014), The Fabric of Space and Time, Ch. 6 ↩︎

  4. Smil, V. (2017), Energy and Civilization: A History, Ch. 1 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  5. Kopparapu, R. K., et al. 2014. Habitable zones around main sequence stars: Dependence on planetary mass. ↩︎

  6. Smil, V. (2017), Energy and Civilization: A History, Ch. 1, p. 13 ↩︎