O vzniku řádu z neuspořádanosti psal již rakouský fyzik Erwin Schrödinger ve své slavné knize "Co je život?", která inspirovala celou jednu generaci biologů při hledání podstaty genetického kódu.
Kvazikrystaly
Něčím podobným, i když z trochu jiného úhlu, se rozhodli zabývat vědci z Michiganské univerzity, kteří si dali za úkol prozkoumat, jakou roli (a jestli vůbec nějakou) hraje entropie při vzniku uspořádanosti. Jejich výzkum potvrdil, že jednoduché tvary se mohou samovolně seskupovat do složitých komplexních struktur, jakými jsou kvazikrystaly, a to jen díky entropii.
EntropieEntropii lze v běžném životě chápat jako míru neuspořádanosti až chaosu, což je však částečné posunutí jejího fyzikálního významu. Jejím opakem je organizovanost a uspořádanost. Například kámen má nízkou entropii, zatímco nadrcený štěrk vyšší. |
Kvazikrystaly jsou pevné látky, jejichž vnitřní struktura není přísně periodická, ale na větších měřítkách je v ní přesto možné odhalit jistou pravidelnost. Jejich stavební elementy nekopírují jednotvárně jen jeden vzor, ale ani nejsou náhodně rozmístěny. V tom se liší jak od klasických krystalů, tak i od amorfních látek, mezi kterými tvoří jakýsi přechod.
Entropie vytváří řád
Entropie nám říká, kolika způsoby je možné prvky daného systému uspořádat. Ačkoli se o ní, zvláště v populární literatuře, hovoří jako o míře neuspořádanosti, zdá se, že je schopná generovat řád. Aspoň to dokládá studie michiganských vědců, kteří se rozhodli prozkoumat struktury tvořené pravidelnými čtyřstěny (tetraedry), jejichž stěny tvoří rovnostranné trojúhelníky stejné velikosti.
Pravidelný čtyřstěn patří mezi pět tzv. platónských těles, pravidelných konvexních mnohostěnů, pomocí kterých se řecký filozof Platón snažil vysvětlit podstatu světa, resp. čtyř základních živlů: země, vzduchu, ohně a vody.
Tak vysoko ale ambice amerických vědců nešly, ti se "jen" pokusili zjistit, kolik takových čtyřstěnů je možné vměstnat do určité, předem dané oblasti prostoru. Donedávna se soudilo, že čtyřstěny jsou jediná tuhá tělesa, jež lze do vymezené části prostoru napěchovat s menší hustotou než koule (např. krychle vyplní pravoúhlý prostor úplně, tedy na 100 %, zatímco koule pouze 74 %, takže u čtyřstěnů by mělo být toto procento ještě nižší).
Tuto představu ale v roce 2008 vyvrátila matematička Elizabeth Chenová (mimochodem rovněž z Michiganské univerzity). Současná studie její závěry potvrdila, navíc vědci nalezli, jak aspoň doufají, nejhustší možné prostorové uspořádání čtyřstěnů vůbec.
Vynořující se krása
Ale to nebylo vše. Při simulacích na počítači se čtyřstěny spontánně uspořádávaly do kvazikrystalu. Ten po stlačení zabíral nejprve 77 %, po přeuspořádání dokonce až 83 % určeného prostoru.
"Čtyřstěny jsou nejjednodušší pevná tělesa, zatímco kvazikrystaly patří mezi nejsložitější a nejkrásnější struktury v přírodě. Podivuhodné a zcela neočekávané je, že takový stupeň komplexity může vytvářet samotná entropie," tvrdí Sharon Glotzerová, která celý výzkum vedla.
A její kolega Rolf Petschek dodává: "Objev může vést k vývoji množství nejrůznějších materiálů, jejichž vlastnosti jsou dány jejich strukturou. Kvazikrystal bude mít odlišné vlastnosti než krystal či obyčejné pevné těleso."
Jak vzniká komplexita
Experiment michiganských vědců ukázal, že i u pevných anorganických částic může zcela samovolně docházet k samoorganizaci, a to bez přítomnosti přitažlivých sil, jakými jsou například chemické vazby.
"Naše výsledky směřují k podstatě fázových přechodů a k otázkám, jak povstává komplexita v přírodě a v materiálech, které vyrábíme," říká Glotzerová. "Že je entropie schopna vytvářet řád, to jsme věděli, ale nečekali jsme, že by mohla vytvořit tak komplikované uspořádané struktury."
Glotzerová považuje objev svého týmu za nesmírně důležitý. Nejde jen o to, jak do požadovaného prostoru nacpat co nejvíc částic, to vůbec ne. Poprvé se totiž ukázalo, že i neorganické, čistě geometrické elementy se mohou samovolně uspořádávat a vytvářet velmi komplikované struktury.
Co dalšího by mohlo působením entropie vzniknout? Co takhle život? A jsme zase zpátky u Schrödingera. Kvazikrystaly nám připomínají jeho vizionářské spekulace o aperiodickém krystalu jakožto podstatě genetického kódu.
Teorie i praxe
Závěry práce michiganských vědců se jistě brzy promítnou do široké škály oborů – od telekomunikací, přes optiku a pokusů o sestrojení různých plášťů neviditelnosti, až po vývoj a výrobu metamateriálů.
Rovněž nelze opomenout její význam na poli filozofickém, neboť její výsledky by mohly najít odezvu nejen v teoriích samoorganizace, ale možná by se mohly odrazit i v teoriích zabývajících se vznikem a vývojem živých organismů. Příroda je zkrátka mnohem složitější, než si dovedeme představit. Kdyby Schrödinger žil, zcela jistě by nám k tomu měl co říci.
Zdroj:
