Przyroda dąży do entropii. Równocześnie pełna jest regularnych wzorów i prawidłowości. Jak to możliwe?
Jeden z moich ulubionych bohaterów literackich, umiarkowanie heroiczny mag Rincewind z powieści Terry’ego Pratchetta, bardzo się kiedyś przestraszył na wieść, że w pewnej okolicy znajduje się dużo eratycznych głazów. Nie da się ukryć, że ten żart lepiej brzmi w języku angielskim, gdzie słowo erratic niesie za sobą całe dobrodziejstwo skojarzeń z zachowaniami nieodpowiedzialnymi, nieprzewidywalnymi czy wręcz kapryśnymi, podczas gdy po polsku „głaz eratyczny” to po prostu głaz narzutowy przyniesiony skądś przez lodowiec i pozostawiony w mało spodziewanym miejscu. W sumie gdyby sobie wyobrazić głazy, które nam się ostentacyjnie narzucają, przestrach czarodzieja też dałby się zrozumieć.
Obawy Rincewinda ilustrują jednak, jak to często bywa u Pratchetta, głębsze zagadnienie. Generalnie czujemy się bezpieczniej w uporządkowanym, przewidywalnym świecie. Próbując zrozumieć wszechświat, tak bardzo pragniemy znaleźć w nim jakieś uniwersalne wzorce i prawidła, że często dajemy się zwieść na manowce. Do tego jeśli rzeczywiście udaje nam się jakieś wzorce i podobieństwa znaleźć, usilnie staramy się nadać im głębszy sens, podczas gdy wokół nas naprawdę bardzo dużo zjawisk jest dziełem przypadku albo wygląda tak, a nie inaczej, bo nie bardzo ma wyjście. Żyłki na dłoni, na liściu i bieg rzek mają ilustrować naszą głęboką więź z przyrodą. Ta więź oczywiście istnieje, ale jak niby inaczej miałyby one płynąć? Jeżeli wiele drobnych strużek łączy się w większą, właśnie tak to wygląda, nie ma wyjścia, a jedynym, co ilustruje, jest sposób zachowania cieczy w naczyniach.
zdjęcie: Victor Grabarczyk/Unsplash
Dobrym przykładem są spotykane na całym świecie starożytne piramidy. One, rzecz jasna, zostały przez kogoś zbudowane. Jednak patrząc na uderzająco do siebie podobne konstrukcje znajdowane w Meksyku, Egipcie czy Indonezji, niektórzy dochodzą do wniosku, że niechybnie stali za tym jacyś kosmici. Tymczasem wystarczy zastanowić się, w jaki inny sposób można by ułożyć na sobie dużo prostopadłościanów, tak aby się wszystko nie zawaliło. Piramida jest po prostu najefektywniejszą metodą. W końcu jakoś nie mamy problemu z tym, że piramidy produktów na sklepowych wystawach nie wymagają pozaziemskiej interwencji.
Czasem jednak kamienie potrafią się poukładać w równe wzorki bez udziału porządkującej je istoty. Wystarczy, że znajdują się na moich ulubionych mroźnych końcach świata. To tam występują tzw. grunty strukturalne, charakteryzujące się widocznymi na powierzchni sieciami z regularnych okręgów, wielokątów bądź pasów z kamieni lub piasku. Znam w Arktyce kilka miejsc, gdzie wygląda to naprawdę imponująco. Gdziekolwiek spojrzeć, tundra składa się z wielokątnych, bardzo regularnych poduch – fragmentów gleby ściśle przylegających do siebie jak komórki w plastrze miodu. Tyle że każda z tych poduch ma dobrze ponad metr średnicy. Między nimi są proste rowki wypełnione żwirem. Kiedy widzi się coś takiego po raz pierwszy, trudno oprzeć się skojarzeniu z równo wyznaczonymi rabatkami i klombami. Tylko kto miałby zasuwać w tym celu ze szpadlem i taśmą mierniczą po odludnych arktycznych równinach?
Jak łatwo zgadnąć, nikt nie zasuwa. Te regularne kształty nazywamy poligonami, a ozdobione nimi tereny to grunty poligonalne. Powstają one po tysiącach lat powtarzania rocznych cykli zamarzania i rozmarzania wierzchniej warstwy wiecznej zmarzliny. Gdy temperatura spada poniżej zera, zamarzająca gleba trochę puchnie, bo pojawia się w niej tzw. lód włóknisty, czyli igiełki lodu wśród osadów. W ten sposób dochodzi do zjawiska pęcznienia mrozowego. Z takiej wybrzuszonej poduchy większe kamyki ześlizgują się chętniej i częściej niż mniejsze. Po wielu latach zachodzi więc separacja, a między poduchami tworzą się proste granice pełne żwiru. Kiedy poduch jest dużo, przybierają kształt coraz bardziej równomiernych wielokątów, bo z każdym sąsiadem mają prostą linię demarkacyjną – niczym dwie bańki w kąpieli z pianą.
Notabene grząski grunt geomorfologicznej nomenklatury to prawdziwy skarbiec, iskrzący się językowymi klejnotami. Gdyby na przykład taka napęczniała poducha znajdowała się na stoku i była zbudowana z darni, nazywałaby się tufur. Większe poduchy zwane są zaś pagórami mrozowymi, a ich różne rodzaje to torfowiska aapa, palsa oraz pingo. Palsa z kolei to inaczej bugier mrozowy albo bugor. Zamykając tę dygresję dla scrabblistów, warto jeszcze wspomnieć, że procesy powodujące mechaniczne deformacje skorupy ziemskiej to diastrofizm, a powolne pełzanie wierzchniej warstwy gruntu – modelujące stoki w warunkach peryglacjalnych, czyli w okolicach lodowców – to inaczej soliflukcja.
zdjęcie: Adrien Converse/Unsplash
Dzieło gigantów
Na brzegach mórz w obu polarnych rejonach Ziemi można też spotkać inne wzorki – na znacznie szerszą skalę. W największą niezamieszkaną (przez ludzi) wyspę świata, czyli Devon (albo – w inuktitut, czyli języku Inuitów – Tatiurutit) w kanadyjskiej Arktyce, głęboko wcina się zatoka Radstock. Przylega do niej rozległa równina, naznaczona półkolistymi, równoległymi liniami. Jest ich ponad 20, każda ma około kilometra długości, a położone są w jednakowych, kilkunastometrowych odstępach. Wygląda to trochę tak, jakby ląd przez chwilę zachowywał się niczym woda, do której ktoś wrzucił potężny głaz, po czym natychmiast opamiętał się i stężał, utrwalając regularne półokręgi rozchodzących się fal. Najwyżej położona linia znajduje się jakieś 700 m od brzegu, a kawałek nad nią widnieją pozostałości domów przedstawicieli kultury Thule, czyli przodków współczesnych Inuitów, którzy żyli w tym miejscu niecałe tysiąc lat temu. Jednak regularne linie na równinie nie są ich dziełem. Domy – zbudowane z kamieni, kości wielorybów i skór – stały kiedyś nad samym morzem, żeby łowcy łatwo i szybko mogli reagować na pojawienie się morskich ssaków. Ale ląd, uwolniony spod ciężaru wcześniej pokrywającego lodowca, powoli się wznosi – jak wyjątkowo opieszały kawałek drewna, który próbowaliśmy palcem wepchnąć pod wodę. Takie pionowe ruchy fragmentów skorupy ziemskiej, spowodowane przez zmiany jej obciążenia, określamy jako ruchy izostatyczne. Przybrzeżna równina jest coraz wyżej, z morza wyłania się coraz więcej lądu (dzięki czemu wszędzie można tu znaleźć skamieniałe pozostałości mieszkańców dna morskiego sprzed milionów lat), linia brzegowa zaś coraz bardziej oddala się od pozostałości ludzkich schronień. Równoległe, półkoliste linie wyznaczają tzw. wzniesione plaże, czyli kolejne położenia dawnej granicy między morzem a ziemią.
Linie w Radstock Bay są najbardziej spektakularnym ze znanych mi przykładów tego zjawiska. Jednak wzniesione plaże widać też w Antarktyce, choćby przed samą stacją Arctowskiego. Ich zaskakująca regularność wywołuje różne reakcje. Wiele lat temu, odwiedzając stację, pewna turystka nie mogła wyjść z podziwu nad naszą plażą pełną równo ułożonych okrąglaków. Jako oddelegowany do oprowadzania po okolicy stałem akurat obok niej, gdy zebrała się na odwagę i zadała jedno z najbardziej pamiętnych dla mnie pytań. Bardzo chciała wiedzieć, skąd wzięły się te wszystkie kamienie i kto je tak ułożył, bo „kiedy urządzałam swój ogródek w Teksasie, sprowadzenie takich kamieni wymagało dużej ciężarówki i było bardzo drogie”. No cóż, nie jestem z tego dumny, ale wtedy jeszcze nie pracowałem jako przewodnik turystyczny, więc bez wielkiego namysłu odpowiedziałem, że Polska Akademia Nauk jest niewiarygodnie bogatą instytucją i siedem statków przywiozło te kamienie z naszego kraju, kiedy budowano stację. Była pod wrażeniem. Cóż, teraz pewnie już bym jej takiego kitu nie wcisnął.
Geologiczne regularności mogą być gigantyczne. Niedaleko miasta Wadan w Mauretanii znajduje się niezwykła struktura nazywana Okiem Sahary. Jej regularność najpełniej można docenić na zdjęciach satelitarnych, bo ten zestaw koncentrycznych, różnokolorowych kręgów ma około 50 km średnicy. To tu poszukiwacze sensacji dopatrują się pozostałości po zaginionej Atlantydzie. Nieco bardziej przyziemni badacze początkowo uważali to miejsce za krater po potężnym meteorycie, później za ślad po niedoszłym wulkanie, a teraz skłaniają się ku koncepcji, że jest to zerodowany szczyt okrągłej kopuły ziemskiego płaszcza. Czyli najpierw z jakichś powodów pojawiła się na powierzchni gigantyczna, wielowarstwowa bańka, a później – w wyniku erozji – została ona zrównana z powierzchnią otaczających ją terenów, jakby ktoś obciął czubek tej bańki nożem.
Kalb ar-Riszat (Oko Sahary), Mauretania, zdjęcie: Axelspace Corporation/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
Blisko drugiego końca skali wielkości znajdują się kolumny bazaltowe czy też – bardziej ogólnie – tzw. ciosy słupowe. To słupy o przekroju dosyć regularnych wielokątów powstające w wyniku kontrakcji stygnących skał wulkanicznych. Stopniowo ochładzająca się lawa kurczy się i pęka, tworząc równoległe, przylegające do siebie kamienne belki o średnicy kilkudziesięciu centymetrów. Równoramienne przekroje powstają na skutek działania przeciwstawnych sił. Gdyby taki słup stygł samotnie, byłby okrągły, bo wtedy każdy punkt jego stygnącej równomiernie i kurczącej się krawędzi znajdowałby się w tej samej odległości od gorącego środka. Jednak w sąsiednich słupach dzieje się to samo, a okręgi nie mogą do siebie ściśle przylegać, więc na stykach tworzą się proste granice, przekrój kolumny zaś przybiera kształt foremnego wielokąta. Im wolniejszy proces stygnięcia, tym większa regularność wzoru. Najbardziej znane słupy powstają z bazaltu – zwykle dość jednolitego i drobnoziarnistego. Słynna irlandzka Grobla Olbrzyma to właśnie szczyty takich kolumn. Ich foremność na tyle zadziwiła antycznych miejscowych, że stworzyli szereg legend, by to wyjaśnić. W Irlandii nigdy nie byłem, ale bazaltowe kolumny występują na całym świecie, również w moich ulubionych stronach.
W arktycznym archipelagu Ziemia Franciszka Józefa znajduje się spektakularna skała Rubini stanowiąca niewielką wyspę o wysokich, pionowych ścianach zbudowanych właśnie z takich słupów, tworzących poziome półki i rozchodzących się atrakcyjnymi wachlarzami, na których miejsca do gniazdowania odnalazło kilka tysięcy par nurzyków, nurników i mew trójpalczastych. Choć skała Rubini jest wymieniana w niemal każdym szanującym się podręczniku geologii, mój ulubiony przykład to maleńka wysepka o roboczej nazwie „Ołówkowa Skała” znajdująca się w pobliżu jednego z terenowych refugiów należących do polskiej stacji badawczej Arctowskiego. Podejrzewam, że łącznie widziało ją dotychczas mniej niż 50 osób, ale jestem pewien, że gdyby znajdowała się w bardziej dostępnej okolicy, jej powyginane, a jednocześnie niezwykle regularne wzory byłyby światową atrakcją.
Gwiazdki, fale i fraktale
Z samoporządkującą się przyrodą nieożywioną stykamy się na każdym kroku. Miałki piasek na dnie przybrzeżnej, niezarośniętej strefy jeziora sam układa się w regularne, miniaturowe wydmy. Niesione przez wodę ziarenka zatrzymują się na innych ziarenkach, tworząc maleńkie, podłużne wzniesienia. Jednak ich wielkość jest ograniczona – przy pewnej wysokości ziarenka nie mogą już się utrzymać na jednym piaskowym wałku i staczają się, tworząc powoli następny. Duże wydmy powstają w ten sam sposób, tylko ziarna piasku nie są niesione przez wodę, lecz przez wiatr.
zdjęcie: Paulius Dragunas//Unsplash
Do najatrakcyjniejszych przejawów przypadkowego porządku należą niewątpliwie procesy powstawania kryształów i fraktale występujące zarówno w przyrodzie ożywionej (z dużą wyrozumiałością można by tak nazwać brokuły czy kalafiory), jak i nieożywionej – choćby przy powstawaniu śniegowych gwiazdek lub lodowych malowideł na szybach. Swoją drogą, fraktale to kolejne źródło językowych inspiracji. Określa się je jako samopodobne obiekty o nietrywialnej strukturze w każdej skali. Mówiąc po ludzku, fraktal to struktura składająca się z fragmentów wyglądających identycznie jak on sam. Czyli wzorek, który widzimy gołym okiem, zobaczymy też pod lupą, gdy spojrzymy na jego mniejszy kawałek. A potem pod mikroskopem, patrząc na jeszcze mniejszy. W przypadku kryształków lodu tworzących śnieżynkę ta prawidłowość dociera aż do poziomu molekularnego. Zamarzające cząsteczki wody, składające się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, łączą się w ten sposób, że każda przyczepia się do czterech innych, a między nimi powstają regularne, sześciokątne powierzchnie powielane następnie w strukturach coraz wyższego rzędu. To dlatego śnieżynki są sześciokątne.
Tę fascynującą strukturę płatków śniegu pierwszy udokumentował Wilson Bentley, farmer z amerykańskiego stanu Vermont, kiedy w roku 1885 przyczepił mikroskop do aparatu fotograficznego. To on ostatecznie udowodnił, że śnieżynki faktycznie różnią się od siebie, ale każda z nich ma bardzo regularną, sześcioboczną symetrię. Dlaczego nie są identyczne? Bo każdy płatek, formując się w powietrzu, ma inną mikrohistorię niż jego sąsiedzi. Niby spadają obok siebie, ale zawsze wystąpią jakieś różnice co do kąta spadania, nasłonecznienia, wilgotności czy wielkości ziarna pyłu, wokół którego powstają te miniaturowe kryształki lodu. Dlatego zawsze ostatecznie kształtują się one nieco inaczej. Co ciekawe, te początkowe ziarenka pyłu mają tu fundamentalne znaczenie. Wciąż pamiętam moje zdziwienie, gdy 20 lat temu na Antarktydzie próbowałem wytłumaczyć koleżance z Brazylii, co mam na myśli, mówiąc o pięknych śniegowych gwiazdkach. Ona znała śnieg, ale tylko z końca świata, ja zaś miałem za sobą doświadczenia z Polski. Wyszliśmy na zewnątrz, wyciągnąłem przed siebie rękawice i ze zdumieniem stwierdziłem, że spada na nie coś w rodzaju śnieżnego pyłu, bez żadnych foremnych gwiazdek. Po prostu w Antarktyce wciąż powietrze było zbyt czyste na formowanie się tych małych cudów.
zdjęcie: Alexey Kljatov/Flickr (CC BY 2.0)
Niezależnie jednak od spontanicznie pojawiających się w przyrodzie wzorów i prawidłowości dominującą tendencją wszechświata jest dążenie do wzrostu entropii, czyli do coraz większego nieuporządkowania. To bardzo dobrze. Dzięki temu – w duchu pokory i skromności – za każdym razem, gdy przyjdzie nam do głowy, żeby coś uporządkować, możemy sobie usiąść i spokojnie poczekać, aż nam ta myśl przejdzie. Kimże bowiem jesteśmy, by przeciwstawiać się kosmosowi? Dziś jednak jestem w buntowniczym nastroju. Dlatego za chwilę wstanę i umyję naczynia, a może nawet poukładam książki na podłodze w nieco równiejsze stosy. W ten sposób heroicznie przeciwstawię się potędze wszechświata i stanę ramię w ramię ze śnieżynkami. Czego i Wam życzę, byle nie za często.
rysunek z archiwum
Czytaj również:
