Was ist der exakte Unterschied zwischen Emergenz und Entropie?

Emergenz musste ich (Physiker) zunächst mal Googlen um zu prüfen, ob meine Vorstellung korrekt ist. Entropie hingegen ist mir ein wohlbekannter Begriff, insofern ist das schon ein Unterschied.

Die Begriffe scheinen mir auch verknüpft, da Entropie zu einer Selbstorganisation von Systemen führen kann, was so wie ich es verstehe als Emergenz verstanden werden könnte. Entropie ist also eine mögliche Ursache für Emergenz aber dahingehend kein Synonym.

Bezüglich Entropie kann ich das auch weiter ausführen. Entropie ist nämlich im wesentlichen ein Maß für Unordnung. Es zeigt sich, dass rein statistisch die Entropie innerhalb eines abgeschlossenen Systems stets ansteigt, was bedeutet, dass Zustände höher Entropie spontan entstehen können obwohl dies rein energetisch ungünstig erscheinen, die spontane Ausbildung von sphärischen Zellen aus Lipiden ist ein typisches Beispiel für eine entropische Selbstorganisation, somit ist Entropie sogar wichtig für die Entstehung von Leben aus toter Materie, was sicherlich eine Art Emergenz darstellt.

Vorbetrachtung

Wenn du diese beiden Begriffe zusammen nennst, gehe ich davon aus, dass du von dissipativen Strukturen redest bzw. von der Selbstorganisation.

Wenn du so willst, stehen die in einem ähnlichen Zusammenhang wie Ursache und Wirkung. Die Produktion von Entropie ist notwenige Voraussetzung dafür, dass Emergenzen entstehen können.

Was innerhalb dissipativer Strukturen dann passiert, dass Entropie produziert wird und dass dies Voraussetzung dafür ist, dass Emergenzen auftreten können, hat Ilya Prigogine in seiner Theorie Dissipativer Strukturen gezeigt, für die er 1977 den Nobelpreis erhielt. Der Kern dieser Theorie beschreibt die Fälle, in denen Energie aus der Umwelt in ein System gepumpt wird. Treten nun in diesem System mindesten 3 Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Systemelementen auf, dann können sich diese gegeneinander aufschaukeln und das ganze System zum Kippen bringen. In diesem Moment findet deterministisches Chaos statt. Das ist der Moment der Selbstorganisation, in dem das System nach dem Kippen mit einer höheren Ordnungsstruktur das Chaos wieder verlässt.

Im Zusammenhang mit dissipativen Strukturen macht die Definition der Entropie über den Ordnungsbegriff keinen Sinn mehr. Hier ist es nur noch sinnvoll, Entropie als ein Maß dafür zu betrachten, inwieweit wertvolle Energie (Exergie) ind wertlose Energie (Anergie) umgewandelt (dissipiert) wurde.

Entropie

Entropie ist einer der abstraktesten Begriffe, die es in der Physik gibt, und daher gar nicht mal so einfach zu erklären. Entropie kann man nicht anfassen, sehen oder direkt messen. Auch viele Physiker, Chemiker und auch Physiklehrer haben mit diesem Begriff größte Schwierigkeiten und können kaum erklären, was Entropie eigentlich sein soll. Selbst bekannte Physiker wie Einstein oder Hawking hatten damit so ihre Probleme und teils sogar bezweifelt, ob es Entropie wirklich gibt oder ob das nicht bloß ein künstlicher menschgemachter Begriff sei. Inzwischen ist aber nachgewiesen, dass Entropie tatsächlich existiert und einen naturgesetzlichen Charakter hat. Insofern darfst du dich nicht ärgern, wenn auch du damit Schwierigkeiten hast, mit dem Begriff „Entropie“ etwas sinnvolles zu verbinden oder sie gar wirklich zu verstehen. Die diversen Zitate aus Lexikas dürften dir da auch kaum weiterhelfen. Daher versuche ich es mal etwas anders, Entropie zu erklären.

Was dir bekannt sein dürfte ist der Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Dieser Energieerhaltungssatz macht aber nur Aussagen über die Energiemenge.

Nun hat man aber im Laufe der Zeit festgestellt, dass Energie nicht nur nach ihrer Menge beurteilt werden kann, sondern dass Energie auch eine Qualität besitzt. Die Qualität der Energie bemisst sich danach, wie leicht man sie in andere Energieformen umwandeln kann. Die höchste Qualität besitzt dabei die Gravitationsenergie. Sie lässt sich mit Abstand am allerleichtesten in eine andere Energieform umwandeln, z.B. in kinetische Energie. Dazu braucht man einen Gegenstand nur loszulassen und er fällt von alleine nach unten, nimmt also Geschwindigkeit auf. Die geringste Qualität hat Wärmeenergie bei Umgebungstemperatur. So besitzt die Luft der Atmosphäre durch ihre Temperatur jede Menge innere Energie, aber mit dieser Energie z.B. eine Maschine zu betreiben oder einen Körper zu beschleunigen, ist praktisch unmöglich. Um die Qualität der Energie zu beschreiben, wurde der Begriff der Entropie eingeführt. Die Qualität der Energie bemisst sich also nach ihrer Umwandelbarkeit oder anders gesagt, nach ihrer Arbeitsfähigkeit. Denn das ist das wesentliche Merkmal von Energie: sie kann Arbeit leisten. Das kann sie aber nur solange, wie ihre Entropie gering ist.

Jetzt kommt noch eine Schwierigkeit beim Verständnis dazu, weil man sozusagen falschrum denken muss. Umso höher die Entropie, umso höher ist nicht die Qualität der Energie, sondern es ist genau umgekehrt. Je mieser die Qualität, umso höher ist die Entropie. Insofern kann man sich Entropie eher als ein Maß für „Energieabfall“ vorstellen, weil man mit Abfall nichts mehr anfangen kann.

Will das mal an einem Beispiel verdeutlichen. Wenn du irgendwo ein Kilo Äpfel kaufst, reicht nicht nur die Kenntnis der Menge, also 1 kg, denn musst du entsprechend der Qualität dieser Äpfel unterschiedliche Preise bezahlen.

Die teuersten Äpfel haben Handelsklasse A. Sie besitzen noch keine Entropie. Die sind makellos und die kann man unbeschränkt in andere Apfelprodukte umwandeln, sei es ein Apfel zum essen, in Apfelkuchen, Apfelsaft oder was immer du willst.

Äpfel der Handelsklasse B haben schon kleine Qualitätsmängel. Die bietet man nicht mehr unbedingt auf einer Obstschale zum Essen an, aber Apfelkuchen oder Apfelsaft kann man noch gut daraus machen.

Billig sind sogenannte Saftäpfel. Die kommen gar nicht mehr in den Handel, sondern werden nur noch zu Apfelsaft gemacht.

Die schlechteste Qualität haben völlig verfaulte Äpfel, denn aus denen kann man gar nichts mehr machen. Diese verfaulten Äpfel haben damit die maximale Entropie, sie bestehen nur noch aus Abfall.

Nun sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik aus, dass in einem geschlossenen System die Entropie immer nur zunehmen, aber niemals abnehmen kann. Dieser Grundsatz gilt im gesamten Universum sowohl für die Energie als auch für die Äpfel.

Wenn du eine Kiste mit Äpfeln der Handelsklasse A hast, musst du nichts tun, damit die Entropie zunimmt. Die Äpfel faulen im Laufe der Zeit ganz von alleine. Es ist aber noch niemals beobachtet worden, dass aus einer Kiste mit fauligen Äpfeln im Laufe der Zeit von alleine Äpfel der Handelsklasse A wurden.

Energie verfault nicht, da spricht man von Entwertung oder Dissipation. Alle Energie strebt danach, entwertet zu werten und das geht auch von alleine. Alle Energie strebt dazu, sich letztlich in Wärme umzuwandeln. Bei allen praktischen Prozessen, bei denen Energie umgewandelt wird, entsteht meistens durch Reibung auch Abwärme, mit der man nichts mehr anfangen kann. In dieser Abwärme steckt die entstandenen Entropie. Diese Abwärme verringert immer auch den Anteil der Energie, der umwandelbar bzw. arbeitsfähig bleibt.

Um die Entropie in einem geschlossenen System zu verringern, also die Qualität anzuheben, muss immer Energie zugeführt werden, von alleine passiert das niemals. Hättest du also eine Kiste mit Äpfeln der mittleren Entropie, sprich die sind nur halbe verfault, könntest du Energie aufwenden, indem du überall das faulige wegschneidest und wegwirfst und aus dem Rest könntest du immerhin noch Saft machen. Genauso wäre das auch mit Energie. Um die Entropie in einem geschlossenen System zu verringern, musst du von außen hochwertige Energie zuführen. Der Energieabfall, also die Entropie, würde dann in der Umwelt landen und deren Entropie entsprechend erhöhen.

Emergenz

Schon Aristoteles stellte den Inhalt von Emergenz treffend dar: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Einzelteile“.

Von Emergenzen spricht man immer dann, wenn in einem System plötzlich Eigenschaften auftreten, die sich alleine aus den Einzelteilen des Systems nicht herleiten lassen. Sie sind daher irreduzibel. Irreduzibel sagt nichts anders, als das die Ordnungsstruktur, die in einem System, das sehr viel Entropie produziert, nicht auf die Einzelteile des Systems und deren Eigenschaften reduzieren lässt. Aus der Analyse der Einzelteile kann auch nicht vorhergesagt werden, welche Eigenschaften am Ende herauskommen, sofern sie durch Energiezufuhr eine neue Ordnungsstruktur annehmen.

Beispiel: Kölner Dom

Der Kölner Dom besteht aus tausenden von Steinen. Die Summe dieser Steine wäre einfach rund 160.000 Tonnen Steine.

Dadurch, dass diese Steine aber in einer ganz bestimmten Weise angeordnet sind, hat das System Kölner Dom ganz neue Eigenschaften gewonnen, die die Steine als Einzelteile noch nicht hatten, wie z.B. Schönheit oder spirituelle Ausstrahlung.

Diese Eigenschaften konnten die Steine als Ordnungssystem nur dadurch erhalten, dass jede Menge Energie in Form von Arbeit in das System eingebracht wurde. Bei dieser Arbeit wurde jede Menge Entropie in Form von Abwärme produziert. Die Arbeiter dürften gehörig ins Schwitzen gekommen sein.