Ze wszystkich osiągnięć naukowych ewolucja była najtrudniejsza dla ludzkiego ego. Rewolucyjna teoria Charlesa Darwina, przedstawiona w jego przełomowej książce z 1859 r. O pochodzeniu gatunków, groziła obaleniem wzniosłej pozycji ludzkości we wszechświecie. Jednak w tej samej erze miała miejsce także cichsza - i pozornie niezwiązana - rewolucja naukowa.
powiązana zawartość
- Dziadek Charlesa Darwina słynął z wierszy o seksie roślinnym
- List napisany przez Charlesa Darwina, dwa razy skradziony, powraca do Smithsona
- Dwóch naukowców podziela uznanie za teorię ewolucji. Darwin stał się sławny; Ten biolog nie.
- Ewolucja Karola Darwina
Pojęcie entropii w fizyce zaczęło się wystarczająco nieszkodliwie, jako wyjaśnienie, dlaczego silniki parowe nigdy nie mogłyby być idealnie wydajne. Ale ostatecznie entropia zagrażała również ustalonej hierarchii. W rzeczywistości entropia i ewolucja były bardziej niż przypadkowe.
Entropia została poparta i opracowana przez austriackiego fizyka Ludwiga Boltzmanna - który był również jednym z największych promotorów Darwina w społeczności fizyków. W 1886 roku, cztery lata po śmierci Darwina, Boltzmann wygłosił popularny wykład na temat entropii, w którym powiedział: „Jeśli zapytacie mnie o moje najgłębsze przekonanie, czy nasz wiek będzie nazywany wiekiem żelaza, czy wiekiem pary czy elektryczności, odpowiadam bez wahania: nazywa się to stuleciem mechanicznego widzenia przyrody, stuleciem Darwin. ”
Jednak Boltzmann był czymś więcej niż tylko cheerleaderką Darwina. Rozumiał teorię ewolucji głębiej niż większość w tamtych czasach i rozpoznał pełne implikacje jej podstawowych idei. W szczególności zrozumiał, w jaki sposób zarówno ewolucja, jak i fizyka ciepła opierały się na zrozumieniu historii i jak niewielkie zmiany gromadzą się w czasie. W XIX wieku idee te były tak rewolucyjne, że dla wielu były uważane za heretyckie.
Poza wspaniałymi brodami Darwin i Boltzmann nie mieli ze sobą wiele wspólnego. Choć ich życie zawodowe pokrywało się przez wiele lat, dwóch mężczyzn nigdy się nie spotkało. Darwin był o ponad pokolenie starszy i dorastał dżentelmenem ze słynnej rodziny; choroba utrzymywała go w domu przez większą część późniejszego życia. Boltzmann wykładał na uniwersytetach i instruował wielu przyszłych pionierów fizyki XX wieku. Wynalazł gadżety, pisał wiersze i dużo podróżował. Później zmagał się z epizodami depresyjnymi, które opisał na piśmie, i popełnił samobójstwo w 1906 roku.
Na powierzchni ich teorie również wydawały się dalekie od siebie. Ale spójrz głębiej, a są one nierozerwalnie powiązane.
Zarówno ewolucja, jak i entropia podważają poglądy wielu ludzi na temat „naturalnego” porządku. Darwin powiedział, że ludzie pochodzą od innych zwierząt; że jesteśmy częścią tego samego drzewa genealogicznego co wszystkie żywe stworzenia, podlegając uniwersalnemu procesowi zwanemu doborem naturalnym. Boltzmann powiedział, że uporządkowane prawa fizyki prowadzą do nieporządku i wymagają od nas użycia języka statystyki i prawdopodobieństwa zrozumienia. Obie idee ingerowały w XIX-wieczne poglądy na postęp i ciągłe doskonalenie, ale teorie były również powiązane w sposób, w jaki Boltzmann był prawdopodobnie pierwszym, który rozpoznał.
Zięby wysp Galapagos stanowiły kluczowy przykład teorii ewolucji Darwina poprzez dobór naturalny. (MarcPo / iStock) Entropia została odkryta przez inżynierów pracujących nad silnikami parowymi. Zdali sobie sprawę, że bez względu na to, jak wydajne były ich maszyny, w procesie zawsze tracono trochę energii. Energia nie została zniszczona (to niemożliwe); po prostu nie był dostępny do użycia. Rudolf Clausius nazwał wielkość zdefiniowaną przez tę utratę energii „entropią”, od greckiego słowa oznaczającego transformację i fakt, że brzmi on podobnie do „energii”.
Fizycy zapisali cel entropii w Drugim prawie termodynamiki, które stwierdza: W każdym procesie odciętym od wpływów zewnętrznych entropia zwiększa się lub pozostaje stała. To sposób na powiedzenie w kosmicznym sensie, że nie ma wolnych pieniędzy. Każda transakcja kosztuje coś. Ale zdefiniowanie go w ten sposób tak naprawdę nie mówi, czym jest entropia - a Boltzmann chciał wiedzieć więcej.
W XIX wieku naukowcy zjednoczyli różne aspekty ludzkiej wiedzy: łącząc elektryczność z magnetyzmem, stosując nowe metody fizyki do identyfikacji pierwiastków chemicznych i tak dalej. Boltzmann chciał wykorzystać prawa ruchu Newtona, które rządzą zachowaniem obiektów makroskopowych, aby zrozumieć zachowanie gazów.
Jego precedensem była „teoria kinetyczna”, model zaproponowany przez Jamesa Clerk Maxwella (którego największym roszczeniem do sławy jest teoria jednocząca elektryczność i magnetyzm, pokazująca, że światło jest falą elektromagnetyczną) i współpracownicy. Teoria kinetyczna połączyła prędkości mikroskopijnych cząstek gazu z mierzalnymi wielkościami, takimi jak temperatura. Zgodnie z prawami Newtona pojedyncze zderzenia między tymi cząsteczkami powinny wyglądać tak samo, jeśli odwrócisz kierunek czasu. Jednak entropia musi zawsze wzrastać lub pozostać niezmienna - jest nieodwracalna.
Nieodwracalność jest normalną częścią życia. Rozbicie szkła i rozlanie wody na podłodze jest nieodwracalne. Fragmenty szkła i cząsteczki wody nie spontanicznie się odrodzą. Ciasto do ciasta nie zostanie rozproszone, perfumy wlane do pokoju nie spłyną z powrotem do butelki. Boltzmann chciał wyjaśnić te realistyczne nieodwracalne zdarzenia za pomocą fizyki mikroskopowej. Zrobił to, pokazując, jak ogromne liczby cząstek gazu mogą nadal dawać nieodwracalne rezultaty.
Pomyśl o zamkniętym pudełku z ruchomą przegrodą dzielącą go na pół. W naszym eksperymencie napełniamy połowę skrzynki jakimś gazem, a następnie lekko otwieramy przegrodę. Część gazu przejdzie przez otwór w przegrodzie, dzięki czemu po chwili z obu stron skrzynki będzie mniej więcej tyle samo gazu.
Gdybyśmy zaczęli z połową gazu po obu stronach skrzynki, a następnie otworzyli przegrodę, prawie na pewno nie skończylibyśmy na tym z jednej strony skrzynki, nawet gdybyśmy bardzo długo czekali. Mimo że każde zderzenie między cząstkami lub między cząstkami a ściankami pojemnika jest odwracalne, wynik nie jest.
Jasne, że wszystkie cząsteczki gazu mogą spontanicznie przepływać z jednej strony pojemnika na drugą. Ale jak zauważył Boltzmann, jest tak mało prawdopodobne, że nie musimy się tym martwić. W ten sam sposób entropia może spontanicznie się zmniejszać, ale prawie nigdy tak nie jest. O wiele bardziej prawdopodobne jest zwiększenie lub - gdy cząstki gazu zostaną równomiernie rozmieszczone między bokami pojemnika - pozostaną takie same.
Rezultatem jest kierunkowość i nieodwracalność, mimo że wywodzi się z całkowicie odwracalnego zachowania mikroskopowego. W tym Boltzmann dostrzegł związki między entropią a ewolucją.
*****
W biologii niewielkie zmiany między pokoleniami same w sobie są dla naszych celów i celów bezkierunkowe i losowe. Ale teoria selekcji naturalnej Darwina pokazała, w jaki sposób mogą one ostatecznie doprowadzić do nieodwracalnej zmiany, zapewniając podstawowe wyjaśnienie tego, w jaki sposób nowe gatunki powstają z istniejących. Darwin nazwał to zjawisko „zejściem z modyfikacją” i wprowadził ideę doboru naturalnego, aby działał.
Boltzmann uznał, że był to głęboki sposób na zrozumienie rozprzestrzeniania się życia na Ziemi, podobnie jak jego wyjaśnienie entropii zapewniło głębokie zrozumienie nieodwracalnych procesów w fizyce. Ale poza nieodwracalnością zdał sobie również sprawę, że życie wymaga rywalizacji o dostępną energię - lub, mówiąc inaczej, bitwy o minimalizację entropii.
Żywe istoty to pakiet cech. Niektóre z tych cech są adaptacyjne, co oznacza, że pomagają organizmowi przetrwać: umożliwiają mu znalezienie pożywienia lub unikanie pokarmu dla czegoś innego. Inne cechy są niekorzystne, a niektóre są neutralne, nie są ani pomocne, ani szkodliwe. Dobór naturalny to sposób, w jaki ewolucja odróżnia cechy adaptacyjne od niekorzystnych.
(Boltzmann wykorzystał nawet teorię Darwina, aby argumentować, że nasza umiejętność tworzenia koncepcji funkcjonowania świata pomogła ludzkości przetrwać i odnieść sukces. Oznaczało to, że ludzki umysł - przedmiot wielu spekulacji filozoficznych - jest cechą adaptacyjną, zgodnie z zasadami darwinowskimi .)
Dobór naturalny to trudny pogląd na życie. Ale żywe stworzenia wymagają żywności - chemikaliów z powietrza, gleby lub zjadania innych organizmów - a to oznacza konkurencję. Organizmy, które przeżyją, przekazują swoje cechy adaptacyjne potomstwu, a szkodliwe cechy znikają. Jeśli z pokolenia narasta wystarczająca liczba tych cech, mogą powstać zupełnie nowe gatunki. Jednym z tych gatunków był nasz: ludzie narodzili się z procesów doboru naturalnego i adaptacji, tak jak wszystkie inne życia.
Boltzmann wykorzystał obie teorie, aby argumentować, że walka życia nie jest o energię. Ziemia otrzymuje dużo energii od Słońca, znacznie więcej niż życie faktycznie wykorzystuje w formie fotosyntezy (i innych organizmów, które jedzą rośliny i inne fotosyntezatory). Zamiast tego życie jest walką o zminimalizowanie entropii poprzez przechwytywanie jak największej ilości dostępnej energii.
Wgląd Boltzmanna połączył teorię Darwina z podstawową fizyką, co było zdumiewającym osiągnięciem intelektualnym. Pokazało, w jaki sposób zarówno ewolucja, jak i entropia wywierają wpływ poza pierwotne dziedziny. Dziś mamy algorytmy ewolucyjne i entropię w teorii informacji, a ewolucja jest kryterium, którego NASA używa w poszukiwaniu życia na innych światach.
Bliźniacze rewolucje Darwina i Boltzmanna trwają. Być może możesz nawet powiedzieć, że ewoluowali.
