Energiast ja arengust

Süsteemide areng ja keerustumine on universaalne protsess, mis haarab nii füüsikalist, bioloogilist kui ka sotsiaalset maailma.

KURMO KONSA

Inimene näeb ümbritsevas maailmas mitmesuguse keerukusega objekte ja nähtusi. See tundub ilmne, kuigi keerukuse enda määratlemine polegi teab mis lihtne ülesanne. Kuidas teha kindlaks, kas bakter on keerukam kui inimene? Lihtne vastus on muidugi järgmine: inimene on keerukam, kuna ta uurib baktereid, ja mitte vastupidi.

See, et osa inimest ümbritsevatest süsteemidest on keerukamad kui teised, on väga triviaalne tõdemus. Valdav käsitlus maailmast ongi evolutsionistlik, mis tähendab seda, et tunnistatakse maailma muutumist, arengut. Siinkohal mõistetakse evolutsiooni hästi laialt, mitte ainult bioloogiliste olendite arenguna. Ennemini on tegu üldise arenguprotsessiga, millega kaasneb süsteemide keerustumine ja komplekssuse kasv. Igaüks, kes on koolis käinud, oskab koostada mingi sellise arengurea: elementaarosakesed, aatomid, molekulid, aine, tähed, planeedid, elu, inimene, mõistus, keel, teadus ja tehnika. Seda rida võib muuta järjest üksikasjalikumaks. Kuidas selline kasvav keerukus on tekkinud? Mis on selleks jõuks, mis paneb maailma just sedaviisi arenema? Täpseid vastuseid nendele küsimustele on raske leida, vaatamata sellele et teooriatest ja ideedest puudu ei tule.

Keerukas keerukus

Kuidas seda keerukust või komplekssust kirjeldada, ei ole samuti üheselt selge. Tihti öeldakse, et süsteem on keerukam, kui tervik on suurem kui selle osade summa. Seda väljendit kasutasid juba 1890. aastatel Christian von Ehrenfels ja Max Wertheimer, kaks sakslast, kes panid aluse gestaltpsühholoogiale. Tänapäeval on olemas isegi eriline teadusharu keerukusteooria (complexity theory), mis tegeleb nende teemadega. Keerukusteoorias mõistetakse keerukust ennekõike esilekerkivate ehk emergentsete tunnuste kaudu – teatud keerukusetasemele on iseloomulikud esilekerkivad tunnused, mida ei saa tuletada madalama taseme kaudu. Ehk siis on olemas keerukusetasemed, mida ei saa taandada madalamatele tasemetele. Nii näiteks koosneb elusorganism molekulidest, ioonidest ja aatomitest, kuid ei ole kuidagi nendele taandatav. Organismi toimimist ei ole võimalik täielikult tuletada ainult selle koostisosade struktuurist ja käitumisest. Tegemist on arusaadavalt süsteemide kvalitatiivse kirjeldamisega.

Keerukuse määratlemisest veelgi keerukam on selle mõõtmine. Milliseid arvulisi näitajaid võiks kasutada keerukuse iseloomustamiseks ja võrdlemiseks? Kvalitatiivseid hinnanguid on kerge anda, kuid raske on neid kvantitatiivselt tõestada. Loomulikult on püütud keerukust ka numbritega väljendada, aga see ei ole sugugi nii lihtne. Keerukuse iseloomustamiseks on kasutatud süsteemi moodustavate osade hulka ja nendevahelisi seoseid, süsteemi infosisaldust, arvutuslikku keerukust jm.

Süsteemide keerukuse iseloomustamiseks kasutava suurus peaks olema võimalikult lihtne ja ühtlasi ka fundamentaalne, seostades sel viisil eri süsteemid ja muutes need kõik ühtsetel alustel võrreldavaks. Mis on selliseks ühiseks aluseks kõige erinevamatele süsteemidele alates tähtedest ja lõpetades inimese ning arvutusmasinatega? Vaatamata kõikvõimalikele süsteemidevahelistele erisustele, mis loomulikult muudavadki need süsteemid eriliseks ja tähelepanuväärseks, on neil kõigil siiski ka midagi ühist. Selle ühisosa väljatoomiseks tuleb kasutusele võtta termodünaamika mõisted. Lühidalt kokkuvõetuna võiks see kõlada nii: keerukad süsteemid ei saa tekkida ega püsida ilma (vaba)energiata. Mis see energia on, ei olegi nii kerge öelda. Aristotelese poolt kasutusele võetud mõiste määratleti teaduslikus käsitluses alles XIX sajandi alguses. See oli industriaalajastu algus, mida tähistas aurumasinate kasutuselevõtt ning masinate ja nende tehtava tööga seostus ka energia. Füüsikalises mõttes on energia suurus, mis iseloomustab mingi objekti võimet teha tööd. Energia võib esineda mitmesugusel kujul – kineetiline, potentsiaalne, soojuslik, elektriline jne. Energia on tekkinud koos universumiga ja tõenäoliselt ka kaob koos sellega. Energia jäävuse seadus väidabki, et energia ei teki ega kao, vaid muutub ühest vormist teiseks.

Energiavood, mis tekivad paisuvas universumis, on aluseks korrastatud struktuuride tekkele. Nende energiavoogude optimeerimine võibki olla arengu mehhanismiks, mõjutades nii füüsikalisi, bioloogilisi kui ka kultuurilisi süsteeme. Energia olulisus keerukate süsteemide tekkes ja funktsioneerimises on hästi ilmne bioloogiliste organismide korral – vajavad ju kõik elusorganismid mingil kujul energiat. Tegelikult on energia ülioluline ka füüsikaliste süsteemide korral. Energiat saab kasutada ühiskondlike süsteemide iseloomustamiseks, olgu selleks siis lihtne toiduhankimine või tänapäevased tööstusühiskonnad.

Keerukuse teke eeldab ainet läbiva energiavoo olemasolu. Elu teke ja areng Maal on võimalik tänu päikeseenergia pidevale voole. Päikese enda olemasolu on samuti võimalik vaid seetõttu, et temas toimuvad energiat tekitavad termotuumareaktsioonid. Materiaalseid süsteeme läbides toimub energiaga muutus – kõrgema kvaliteediga energia muutub vähemkvaliteetseks. Energia kvaliteeti iseloomustab selline füüsikaline suurus nagu entroopia. Kõrgema kvaliteediga energia entroopia on väiksem ja madalama kvaliteediga energia entroopia on jällegi suurem. Nii et süsteeme läbiva energia kvaliteet väheneb ehk siis selle entroopia kasvab. Keerukuse kasvuga kaasneb vaba energia vähenemine ja selle kvaliteedi vähenemine ehk entroopia kasv.

Seega võiks energia vähemalt põhimõtteliselt sobida iseloomustamaks keerukust. Erinevalt keerukusest endast oskame energiat vähemalt mõõta. Energia kõrval on süsteemide keerukuse kirjeldamiseks pakutud ka muid füüsikalisi näitajaid, ennekõike entroopiat (täpsemalt entroopia tekitamist mingi süsteemi poolt) ja informatsiooni, kuid nende teiste näitajate korral on keerukam leida üheselt tõlgendatavaid ja omavahel võrreldavaid arvulisi suurusi.

Energiavoo tihedus

Siinkohal kerkib küsimus: kuidas muuta eri süsteemide energiasisaldus võrreldavaks? Lihtsast energia hulgast ei piisa – Päike sisaldab ju võrratult rohkem energiat kui inimene. Kas siis saab öelda, et Päike on keerukam, kuna sisaldab enam energiat? Ilmselt siiski mitte. Järelikult tuleb arvestada mitte energia absoluutset hulka, vaid suhtelist energiahulka, mis sõltuks ka objekti suurusest, koostis­osadest ja energia muundamise efektiivsusest. Sellise näitajana pakub Eric J. Chaisson välja energiavoo tiheduse (energy rate density), mille all ta mõistab süsteemi läbivat energiakogust, võetuna massi- ja ajaühiku kohta.¹ Tegemist ei ole küll millegi väga originaalsega, kuid see võimaldab tõepoolest muuta võrreldavaks kõikvõimalikud süsteemid alates tähtedest ja lõpetades linnadega.

Galaktikate ja tähtede energiavoo tihedus jääb vahemikku 10^-3–10² erg/s/g, mis on üks madalamaid suurusi organiseeritud struktuuride kohta.² Taimede ja loomade energiatihedused on vahemikus 10³–10⁵ erg/s/g. Elusolendite korral torkab silma ka selge seos arenguga – evolutsiooni käigus suureneb energiavoo tihedus. Kaladel ja kahepaiksetel on see ligikaudu 10^3,5 ja lindudel ning imetajatel 10⁵ erg/s/g. Nagu näha, sobib suhteline energiakogus hästi süsteemide keerukuse iseloomustamiseks, on ju tähe, näiteks kas või Päikese kiiratav absoluutne energiakogus väga suur (Päike kiirgab ühes sekundis 4 × 10³³ ergi), kuid samas on ka tema mass lausa üüratult suur (2 × 10³³ g). Nii ongi taimelehte läbiva energiavoo tihedus vähemalt kümme korda suurem võrreldes Päikesega. Inimese keskmine energiavoo tihedus on 2 × 104 erg/s/g, igati kohane suurusjärk keskmisele imetajale. Inimese bioloogiliseks eripäraks on kindlasti tema suur ja keerukas aju, mis koostoimes keskkonna ja sotsiaalsete süsteemidega teebki võimalikuks inimühiskonnad ja -kultuuri. Inimaju energiavoo tihedus on 1,5 × 105 erg/s/g, ületades sellega kõikide teiste imetajate energiavoo tihedused. Tõepoolest moodustab ju aju inimese massist ligikaudu 2% ning samas kulutab 2–25% energiast.

Kuidas on aga lugu sotsiaalsete ja tehniliste süsteemidega? Kuidas võiks sobida energiavoo tihedus nende iseloomustamiseks. Tihti viidatakse sellele, et koos inimkultuuri tekkega lõppes bioloogiline evolutsioon ja algas kultuuriline, mis siis väidetavalt allub mingitele muudele seaduspäradele. Energiavoogudele tuginev lähenemine võimaldab eirata kõiki neid olulisi ja tegelikult väga tähtsaid süsteemidevahelisi erinevusi ning muuta need võrreldavaks. Sellisest vaatenurgast aga ei ole mingit vahet füüsikaliste, bioloogiliste ja kultuuriliste süsteemide vahel. See, et inimühiskondade arengu käigus on suurenenud igaühe kohta kasutatav energiakogus, ei ole teaduses mingiks uudiseks. Antropoloog Leslie White analüüsis energia ja inimkultuuri seoseid juba oma 1949. aastal ilmunud käsitluses „Energia ja kultuuri evolutsioon“.³ Vaadeldes ühiskondade energiavoogude tihedusi, näeme, et need on tõepoolest pidevalt kasvanud: korilusühiskonnad – 4 × 10⁴, põllupidajad ~10⁵_, tööstusühiskonna algus ~3 × 10⁵, tänapäevane industriaalühiskond ~2 × 10⁶. Peale toidu kulus mingi osa energiast juba korilusühiskondades loomade ja taimede kasvatamiseks, see energiakogus suurenes koos põllu­pidamise ja karjakasvatamise levikuga. Varastes tööstusühiskondades kulus energiat seadmete käitamiseks ja tänapäeval vajab kõik meie ümber pidevat energia juurdevoolu, inimese otseselt vajalik toidukogus moodustab sellest vaid väikese osa.

Tehnoloogilised süsteemid järgivad sama üldist seaduspära – keerukamate ja komplekssemate seadmete energiavoo tihedus on suurem. Toome siinkohal mõned näited: aurumasinad ~10⁴ erg/s/g , esimene sisepõlemismootor 2,2 × 10⁵ erg/s/g, tänapäevased lennukid 2,7 × 10⁷ erg/s/g. Arvutite energiavoo tihedus on samas suurusjärgus inimese aju omaga – 2,8 ×10⁵ erg/s/g. See ei tähenda, et arvuti oleks sama tark kui inimene, vaid et need on tõepoolest vägagi keerukad süsteemid, sarnanedes energeetilises tähenduses inimajuga. Äkki on inimaju keerukust siiski ka veidi üle hinnatud? Energiavoo tihedus näitab seadmete üldist keerukust, lennuk on tõepoolest keerukam kui arvuti, kuna tänapäevased lennukid sisaldavad arvuteid ja lisaks suudavad veel lennata. Sotsiaalsete ja kultuuriliste süsteemide esirinnas on kindlasti linnad. Linnad tarbivad suurtes kogustes energiat, pakkudes selle arvelt elanikele suurt teenustehulka – elukohti, transporditeenuseid, kommunikatsiooni, meelelahutust ja meditsiiniteenuseid, kui nimetada vaid mõningaid olulisemaid.

Eespool öeldu põhjal saab teha järelduse, et süsteemide areng ja keerustumine on universaalne protsess, mis haarab nii füüsikalist, bioloogilist kui ka sotsiaalset maailma. Süsteemide areng on lahutamatult seotud sellise füüsikalise suurusega nagu energia. Vähemalt osaliselt võibki energia olla arengu ja keerustumise põhjustajaks. Arengut saab iseloomustada küllaltki lihtsalt energiatiheduste kaudu ning see ei sõltu uuritavast süsteemist. Sellisel viisil on võimalik võrrelda sisuliselt võrreldamatuid süsteeme. Siit võib teha ka spekulatiivseid järeldusi. Kui tahame areneda, siis tuleb suurendada energiavoo tihedust. Selleks on kolm võimalust: suurendada süsteemi läbivat energiahulka, muuta süsteem väiksemaks või muuta süsteem kiiremaks. Tänapäevane tehnoloogia rakendab kõiki neid võimalusi, mõelgem kas või arvutite peale.

Sellest printsiibist tulenevad ka meie tsivilisatsiooni peamised tehnoloogiatega seotud probleemid. Arenguks on paratamatult vaja pidevalt üha rohkem kvaliteetset energiat. Selle energia tootmine ja kasutamine tekitab vältimatult keskkonnaprobleeme. Keskkonnaprobleemide kõrvaldamine nõuab omakorda energiat. Veelgi põhimõttelisem on probleem, mis on seotud kasutatud energia kõrvaldamisega Maalt.⁴ Kogu energia, mis Maale saabub, sealhulgas ka see, mida inimene kasutab, degradeerub lõpuks vähekvaliteetseks soojuskiirguseks, mis tuleb planeedilt eemaldada. Vastasel korral tekitab see Maa liigse soojenemise. Tegemist ei ole mitte kasvuhoonegaasidest tingitud soojenemisega, mida on võimalik vastavate gaaside õhkupaiskamise vähendamisega aeglustada, vaid põhimõttelise keskkonna soojenemisega, mis on seotud igasuguse kasutatava energia muundumisega järjest ebakvaliteetsemaks. Esialgu on küll olulisemad energia tootmise ja kasutamise käigus tekkivad saasteained (kasvuhoonegaasid jms), kuid ajapikku muutub tähtsamaks tarbitava energia degradeerumise käigus vabanev soojusreostus.⁵ Soojusreostuse probleemi annaks lahendada päikeseenergia laialdasem kasutamine, on ju kogu Maale saabuv päikeseenergia juba Maa energia­bilanssi n-ö sisse arvestatud. Sõltumata sellest, kas inimene seda kasutab või mitte, soojendab see paratamatult Maad ning selle vahepealne muundamine inimese poolt ei lisa täiendavat soojuskoormust.

Kas universum areneb pidevalt ja kindalt järjest suurema keerukuse poole? Võib ju konstrueerida 14 miljardit aastat kestva loo, mis algab meie universumi tekkega ja lõpeb tänapäevaste inimeste, kultuuri ja tehnikaga. Kas see on tegelikult ka nii? Kas universumis toimib mingi seni tundmatu printsiip, mis tingib järjest keerukamate süsteemide ilmumise ja arengu? Kas on tegemist teleoloogilise printsiibiga, mis viib paratamatult inimmõistuse sulandumisele kogu kosmosega või lihtsa seaduspäraga, mis paratamatult viib mateeria keerukamate struktuuride tekkele, sõltumata inimmõistusest.

Kõik need on küsimused, millele me vastata ei oska. Kasutades süsteemide energiavoogu on tõepoolest võimalik luua arengurida väiksema keerukusega süsteemidest suurema keerukusega süsteemideni. See ei tähenda, et oleksime leidnud mingi üldise seaduse, mille järgi kogu maailm areneb madalamalt tasemelt kõrgemale või et maailma lõpus ootab meid Oomega punkt ehk sulandumine jumalusse.⁶

Kuhu see kõik välja viib, kas keerukus kasvab lõputult või on sellel mingid piirid? Tegelikult ei ole sellele küsimusele võimalik vastata, sest me ei tea, kuidas käitub energia universumi arengu edasistel etappidel. Osa uurijate arvates põhjustab universumi paisumine vaba energia voogu ja seega kestab järjest keerukamate süsteemide teke niikaua, kuni jätkub universumi paisumine. Teiste arvates liigub universum soojusliku tasakaalu poole (nn soojussurma hüpotees) ja seetõttu hakkab mingist hetkest keerukate süsteemide teke vähenema, kuni lakkab sootuks.

1 Eric Chaisson. 2013. Using complexity science to search for unity in the natural sciences. – Complexity and the Arrow of Time. Cambridge University Press, lk 68-79; Eric Chaisson. 2010. Energy Rate Density as a Complexity Metric and Evolutionary Driver. – Complexity, vol 16, 3, 27–40. https://www.cfa.harvard.edu/~ejchaisson/reprints/EnergyRateDensity_I_FINAL_2011.pdf; Eric Chaisson. 2005. Epic of Evolution: seven ages of the cosmos. Columbia University Press.

2 Kui ergide asemel tundub mugavam suurus vatid (W/kg kohta), siis tuleks ergides antud energia lihtsalt jagada 10 000-ga.

3 Leslie White. 1949. Energy and the Evolution of Culture. – The Science of Culture. New York: Grove Press, lk 363–393.

4 Sellest probleemist on kirjutanud juba füüsik Karl Rebane 1980. aastal raamatus „Energia, entroopia, elukeskkond“.

5 Eric J. Chaisson. Practical Applications of Cosmology to Human Society – Natural Science, 2014, 6, 767–796. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2014.610077

6 Prantsuse jesuiidist preestri ja teadlase Pierre Teilhard de Chardini (1881–1955) loodud mõiste tähistamaks universumi keerukuse kasvu lõpp-punkti, kus kogu maailm muutub täiuslikuks. Sellesarnase käsitluse on esitanud ka füüsik Frank Tippler.