De leer van de thermodynamica is in de 19e eeuw ontstaan uit natuurkundig onderzoek dat werd uitgevoerd om de efficiëntie van de stoommachine te verbeteren. Inmiddels heeft deze wetenschap belangrijke wetten over het Universum ontdekt.
Volgens de thermodynamica beweegt de energie in het Universum op de lange termijn zich van een onmogelijke extreem hete situatie, de Big Bang, naar een toestand van extreme kou en een hoge waarschijnlijkheid, de Big Freeze, waarin alles netjes uniform verdeeld is. Het universum beweegt van extreme chaos naar extreme ordening.
Energie stroomt daarom altijd van hoge (chaos) naar lage temperatuur (orde). Vrijwel alle energie op aarde komt van de zon in de vorm van electro-magnetische straling. Met behulp van deze zonnestraling transformeren planten, algen en bacteriën simpele chemische structuren in complexe biomassa (chemische energie). Bacteriën en schimmels breken deze structuren weer af waardoor de cyclus wordt gesloten.
Biomassa wordt door de rest van de organismen op aarde direct of soms veel later (olie/gas/steenkool) geconsumeerd. Het consumeren van de primaire zonne-energie vindt plaats in voedselketens waarin de organismen ook zelf weer worden geconsumeerd.
Vanuit ons menselijk perspectief interpreteren wij het consumeren van de participanten in een voedselketen als een competitie (“survival of the fittest”) maar we kunnen het ook zien als een uiterst flexibele keten van chemische reacties die worden uitgevoerd in bewegende zichzelf reproducerende chemische fabrieken.
Energie is de mogelijkheid om iets in beweging te krijgen of te houden. De opgeslagen (potentiële) energie in de aarde wordt soms in meerdere stappen omgezet in beweging (kinetische energie). Tijdens deze omzetting gaat er altijd warmte verloren (dissipatie, wrijving, weerstand, erosie).
De energiestroom van de zon wekt door de rotatie van de aarde stroom-systemen (flow-systems) op. Stroom-systemen hebben een boom-structuur als de stroom van een punt naar een oppervlak of een volume gaat. Een voorbeeld zijn het weersysteem en een meanderende rivier-delta. De longen en de bloedvaten in ons lichaam hebben precies dezelfde opbouw omdat hetzelfde proces ook in ons lichaam optreedt.
Volgens de Constructal Theory van Adrian Bejan verbeteren de stroomsystemen zich steeds opnieuw en dat doen ze door gebruik te maken van de permanente slijtage (dissipatie, wrijving, weerstand, erosie) die de stroombeweging veroorzaakt. Uiteindelijk vindt er altijd weer ergens een doorbraak plaats in de meander.
Adrian Bejan heeft de Constructal Theory volledig analytisch afgeleid uit de wetten van de Thermodynamica. Hij beschouwt het principe van de verbeterende stroomsystemen (“construction”) als een Hoofdwet van de Thermodynamica. Volgens hem is ontwerpen niet een intelligente actie maar een volstrekt logisch gevolg van de werking van ons Universum.
De stroom van onmogelijkheid naar uniformiteit, van hoge onwaarschijnlijkheid naar hoge waarschijnlijkheid gaat gepaard met allerlei tussenstadia waarin de bestaande structuren de nieuwe structuren de weg wijzen.
De doorbraken in de meanderende stroompatronen maken beter gebruik van de huidige mogelijkheden maar de oude paden behouden lange tijd hun functie. Hierdoor is een stroomsysteem niet afhankelijk van één pad en is daardoor ook bestand tegen calamiteiten (bijv. een sterk verhoogde regenval in het stroomgebied van de rivier).
Het systeem waar de stroomsystemen onderdeel van uitmaken bestaat uit Machines (Constructal Engines) en Barrières (Brakes).
De machines en de barrieres zorgen ervoor dat de aarde niet te warm of te koud wordt.
De machines zoeken de weg van de minste weerstand, optimaliseren de stroom, bouwen structuren op, slopen de barrieres, produceren kinetische energie en minimaliseren de slijtage. De machines slechten het pad naar de Big Freeze waarin alles gelijk zal zijn en alles stil zal staan.
De barrières bevatten potentiële energie, leveren de weerstand om de minste weerstand te vinden, slopen de machines, optimaliseren daardoor de dissipatie en produceren een maximale hoeveelheid straling met een hogere golflengte als de binnenkomende zonnestraling die de aarde weer verlaat.
Produceren (Machines) en Consumeren (Vernietigen, Slijten) houden het wankele evenwicht van Moeder Aarde in stand.
De evolutie van ecologieën, steden, organismen (wet van Kleiber), talen (wet van Zipf), organen (de longen, bloedvaten), sporten en technologieclusters voldoen aan de Constructal Theory.
In 2002 hebben Holling en Gunderson het boek Panarchy: Understanding Transformations in Human and Natural Systems gepubliceerd.
Panarchy bevat een integrale visie op de evolutie en de adaptieve cyclus van de constructal engines die men ecosystemen noemt.
Panarchy is ontstaan door het combineren van ogenschijnlijk conflicterende theorieën. Die theorieën leken conflicterend omdat ze betrekking hadden op de verschillende fasen (Zie Plaatje Phase Space hieronder) van de adaptieve cyclus die een ecologie doorloopt.
De combinatie van de vier mogelijke fasenruimten levert een op-en neergaande cyclus op waarin op een zeker moment een sprong (bifurcatie) wordt gemaakt naar een compleet nieuwe ruimte. Nadat deze sprong heeft plaatsvonden stopt de dynamiek van de oude ecologie.
De meest herkenbare fase is de Exploitatie-fase (B). Dit is de opgaande lijn waarin de ecologie een hoge mate van orde bereikt en overschotten (Potential) produceert.
Aan het eind van deze fase neemt de potentie af en wordt er van alles gedaan om de levensduur van de ecologie zo lang mogelijk te rekken (C -Conservation). In deze fase zijn de structuren verouderd geraakt en zijn er op allerlei plaatsen reeds alternatieven (bypass) ontstaan die beter passen op de huidige vraag naar beweging.
De ecologie is in de conservatie-fase vrijwel tot stilstand gekomen en besteed al zijn energie aan het onderhouden van zijn eigen structuur.
Tijdens de langzaam opgaande lijn van de Exploitatie-fase neemt de verbondenheid en vooral de afhankelijkheid (Connectedness) tussen de participanten onderling enorm toe waardoor de ecologie steeds kwetsbaarder wordt voor verstoringen.
De constructal engines in de ecologie gaan steeds efficienter samenwerken wat ten koste gaat van de diversiteit en de variatie in de ecologie.
De ecologie kan verstoringen opvangen totdat de verschillende paden nog niet zijn dichtgeslibd maar een verstoring die alle paden tegelijkertijd raakt is dodelijk.
Op het laatst wordt de Veerkracht (Resilience) enorm op de proef gesteld en kan het gebeuren dat de Ecologie volledig ten onder gaat (Release) of na een grondige Reorganisatie weer aan een nieuwe levensloop kan beginnen.
De resilience van een ecologie wordt gemeten door de snelheid te meten waarmee een ecologie zich weer herstelt van een verstoring.
Volgens Panarchy beweegt een Ecologie zich op verschillende schalen en plaatsen en kan op die plaatsen in verschillende fasen verkeren waardoor er allerlei soorten van interactie mogelijk zijn. Hoe hoger de schaal hoe langzamer de cyclus verloopt. Hoge schalen dempen de fluctuaties van de lagere schalen.
Een snelle lokale reorganisatie kan zich plotseling heel snel verspreiden (een lopend vuur (Revolt)) terwijl een langzame geleidelijke ontwikkeling (een organisatie) een snelle ontwikkeling weer kan dempen of tot stilstand kan brengen (de organisatie van de Brandweer (Remember)).
Panarchy is een Zelf-Refererend Cyclus-Model dat bestaat uit Vier Fasen en (minstens) drie Schaalniveaus. De panarchische golfbeweging bestaat uit twee stappen n.l. de positieve weg Omhoog naar de Top (exploitation, conservation) en de negatieve weg Omlaag naar het Dal (depressie, reorganization).
Op een bepaald moment kan de golfbeweging zich splitsen waardoor een nieuw (ander) niveau van organisatie optreedt. Deze sprongen doen zich volgens een vaste regelmaat voor.
Als we kijken naar terminologie en inhoud valt het op dat er een groot verband bestaat tussen Ecologische-, Economische- en Persoonlijkheidstheorien. De natuur, de economie en de mens lijken onderhevig te zijn aan dezelfde wetten.
De theorie over de Menselijke Natuur heeft erg veel weg van de Theorie die wij over de Natuur zelf hebben ontwikkeld. De mens is een zelfstandig bewegende ecologie, een stromend stroomsysteem waaraan een groot aantal participanten deelnemen.
Bacteria wisselen DNA uit
Die participanten hebben zich in de loop der tijd verenigd omdat een samenwerkingsverband veel efficienter bleek te zijn dan een solitaire ontwikkeling.
In het begin bestond het samenwerkingsverband uitsluitend uit simpele chemische fabriekjes, bacteriën, die genetische ontwerpinformatie (DNA) van hun fabriekjes uitwisselenden. De eerste fundamentele stap in de samenwerking van de bacterien was de statische spons. De mens heeft erg veel ontwerp-informatie gemeen met de spons.
Spons
Later gingen de organismen bewegen en waarnemen. Hierdoor gingen ze als individuen samenwerken met andere organismen die genetisch op hen leken (zie Genetic Similarity Theory). Het uitwisselen en combineren van ontwerp-informatie ging gewoon door (sex).
In volgende fasen ontstonden er hogere ordeningen, zoals lichamen die lichamen konden bevatten (huizen, steden, vliegtuigen, onderzeeboten en auto’s).
Op dit moment is de (grote) stad het hoogste niveau van koppeling maar niets houdt de “Constructal Law” (of de Entropie) tegen om een ordening te gaan scheppen op het niveau land of aarde.
Dat betekent dat er nieuwe slagaderen moeten komen om de ontwerp-informatie en de energie die tussen de grote steden gaat stromen te faciliteren. Overduidelijk is dat het Internet de basis vormt van het zenuwstelsel van de aardse informatievoorziening.
De thermodynamica is een statistische theorie. De kansverdeling van een Systeem wordt de Entropie van het Systeem genoemd.
Om een kans te kunnen berekenen moet je de kansruimte (de Phase Space) bepalen. Die bestaat uit alle mogelijkheden.
Het aardige is dat je niet hoeft te beschikken over kennis van alle combinaties van alle componenten van een specifiek systeem om erg veel te weten te komen over een kansruimte.
Je kunt gaan spelen met willekeurige componenten (a,b,c,d,e,….), de combinaties in een matrix stoppen, gaan tellen en patronen zoeken in de getallen die er dan worden gevonden. Je bent dan bezig met de statistiek van de statistiek of beter de waarschijnlijkheid van de waarschijnlijkheid. De mogelijke patronen worden beschreven in de Driehoek van Pascal.
Wat dan blijkt is dat er achter het patroon van Pascal weer een patroon zit (zie plaatje). Dat patroon bevat wederom driehoeken en het is zeer waarschjinlijk dat er achter de driehoeken weer driehoeken zitten. Driehoeken in driehoeken in driehoeken in…. noemt men een fractal, een zelf-herhaling.
De (on)waarschijnlijkheid is eigenlijk heel mooi en vooral ook simpel geordend en komt voort uit een zichzelf herhalend patroon, de Drie-Eenheid, dat in iedere godsdienst op aarde voorkomt.
Wetenschap en Godsdienst gaan uiteindelijk over hetzelfde.
LINKS
Waarom een stad een organisme is
Waarom de genen bepalen wie we aardig vinden
Over de orde achter de wanorde (Over de Driehoek van Pascal)
In 2002 the book
