אנטרופיה

האנטרופיה משתנה לפי השינויים החלים במערכת; כאשר השינוי אינו נובע מהתערבות חיצונית, הוא יהיה תמיד בכיוון של גידול. כלומר: כל מערכת מבודדת רבת מרכיבים, יהיו אופייה ומרכיביה אשר יהיו, מתפתחת בכיוון של גידול ברמת האי-סדר שלה. אחד מחוקי הטבע הבסיסיים - החוק השני של התרמודינמיקה, הנותן לאנטרופיה מעמד מיוחד בין הגדלים הפיסיקליים - קובע כי במערכת מבודדת (שאין בה התערבות של גורם חיצוני), האנטרופיה לעולם לא תרד. רוב הגדלים הפיסיקליים יכולים לגדול או לקטון, וכמה גדלים (כגון האנרגיה והתנע) נשארים קבועים במערכת מבודדת. האנטרופיה היא הגודל היחיד שיש לו כיוון אחד של שינוי, ומשמעות השינוי - גידול תמידי באי-סדר.

הפיסיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס הוא שטבע את המונח "אנטרופיה"; במחקריו בתרמודינמיקה מצא כי יש גודל פיסיקלי שלעולם אינו יכול לקטון, וניסח את החוק השני של התרמודינמיקה. הפיסיקאי האוסטרי לודוויג בולצמן תיאר תיאור סטטיסטי את תופעת הגידול, וביסס את הקשר שבין אנטרופיה ואי-סדר.

התהליכים שבהם גדלה האנטרופיה אינם הפיכים. לדוגמה: ערבוב שני גזים מתרחש ספונטנית, אך תהליך ההפרדה ביניהם לא יתרחש בלא התערבות חיצונית, אם הוא אפשרי בכלל. אם נעקוב אחרי התפתחותה של מערכת מעטת מרכיבים (למשל: שני חלקיקים) ונתעד אותה בסרט צילום, נוכל להקרין את הסרט בכיוון הפוך (מהסוף להתחלה) ולקבל תהליך הפוך, שייתכן כמותו במציאות. לעומת זאת, כאשר המערכת רבת חלקיקים, אין התהליך ההפוך אפשרי - לא בשל אופי הכוחות בין החלקיקים השונים, אלא בשל מספרם הרב. מכאן שהסיבה לגידול באי-סדר היא סטטיסטית, ומעידה על מעבר הזמן. במערכת מעטת חלקיקים, כיוון "חץ הזמן" מן העבר לעתיד אינו עדיף על הכיוון ההפוך, אך במערכת רבת חלקיקים, כיוון "חץ הזמן" ברור וחד-משמעי.

יש לציין כי חוק גידול האנטרופיה תקף רק בנוגע למערכות מבודדות. בהתערבות חיצונית אפשר להקטין את האנטרופיה במערכת כלשהי ולעשותה מסודרת יותר מכפי שהיתה קודם. אבל הקטנה זו מתבטאת בעליית האנטרופיה במערכת אחרת, ולכן המאזן הכולל מראה על גידול. לדוגמה: הקפאת מים בתא ההקפאה של מקרר מגדילה את הסדר (מפחיתה את האנטרופיה) במערך המולקולות שלהם, אבל הקירור כרוך בהפקת חום במקום אחר (מדחס המקרר), שמגדילה את האנטרופיה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי כמות האנטרופיה שנוספה עקב פעולת המדחס תהיה תמיד גדולה מהירידה באנטרופיה עקב קפיאת המים. לפיכך, האנטרופיה במערכת המקרר השלמה (הכוללת גם את תא ההקפאה וגם את המדחס) עלתה.

לכאורה יש רק מערכת מבודדת אחת, והיא היקום כולו; כיוון שזוהי מערכת שהכול נמצא בה, התערבות חיצונית אינה אפשרית, ומכאן אפשר להסיק כי היקום כולו מתקדם לקראת מצב של אי-סדר מרבי. הקוסמולוגיה מכנה זאת "מות החום של היקום".