Af alle de videnskabelige fremskridt har evolution været den hårdeste på det menneskelige ego. Charles Darwins revolutionære teori, der er beskrevet i hans banebrydende bog fra 1859 om artenes oprindelse, truede med at vælte menneskehedens ophøjede position i universet. Alligevel fandt der i den samme æra sted en mere støjsvag - og tilsyneladende ikke tilknyttet - videnskabelig revolution.
Relateret indhold
- Charles Darwins bedstefar var berømt for sine digte om plantesex
- Et brev skrevet af Charles Darwin, to gange stjålet, vender tilbage til Smithsonian
- To videnskabsmænd deler kredit for teorien om evolution. Darwin blev berømt; Denne biolog gjorde det ikke.
- Udviklingen af Charles Darwin
Begrebet entropi i fysik begyndte harmløst nok, som en forklaring på, hvorfor dampmotorer aldrig kunne være perfekt effektive. Men i sidste ende truede entropien også et etableret hierarki. Og faktisk var entropi og evolution mere end tilfældigt relateret.
Entropy blev forkæmpet og uddybet af den østrigske fysiker Ludwig Boltzmann - som også tilfældigvis var en af Darwins største promotorer i fysiksamfundet. I 1886, fire år efter Darwins død, holdt Boltzmann et populært foredrag om entropi, hvor han sagde: ”Hvis du spørger mig om min inderste overbevisning, om vores århundrede vil blive kaldt århundredet af jern eller århundrede med damp eller elektricitet, svarer jeg uden tøven: det kaldes århundrede for det mekaniske syn på naturen, Darwins århundrede. ”
Alligevel var Boltzmann mere end bare en cheerleader af Darwins. Han forstod evolutionsteorien dybere end de fleste i den æra og erkendte de fulde implikationer af dens kerneideer. Specifikt forstod han, hvordan evolution og varme-fysik begge var afhængig af at forstå historien, og hvordan små ændringer ophobes over tid. I det 19. århundrede var disse ideer så revolutionerende, at de blev betragtet som kætter for mange.
Bortset fra deres storslåede skæg, havde Darwin og Boltzmann ikke meget til fælles som mennesker. Selvom deres arbejdsliv overlappede i mange år, mødtes de to mænd aldrig. Darwin var mere end en generation ældre og voksede op som en landet herre fra en berømt familie; sygdom holdt ham hjemme i store dele af hans senere liv. Boltzmann underviste på universiteter og instruerede mange fremtidige pionerer i det 20. århundredes fysik. Han opfandt gadgets, skrev poesi og rejste meget. Senere kæmpede han med depressive episoder, som han beskrev skriftligt og begik selvmord i 1906.
På overfladen så også deres teorier langt væk fra hinanden. Men se dybere, og de er uløseligt sammenflettet.
Både evolution og entropi forstyrrer mange menneskers syn på den "naturlige" orden. Darwin sagde, at mennesker stammede fra andre dyr; at vi er en del af det samme slægtstræ som alle levende ting, underlagt en universel proces kaldet naturlig udvælgelse. Boltzmann sagde, at de ordnede fysiske love fører til forstyrrelse og kræver, at vi bruger sproget til statistik og sandsynlighed for at forstå. Begge ideer blandede sig i det 19. århundredes syn på fremskridt og evig forbedring, men teorierne var også sammenflettet på en måde, som Boltzmann muligvis var den første til at genkende.
Finkerne på Galapagos-øerne gav et nøgleeksempel for Darwins evolutionsteori ved naturlig udvælgelse. (MarcPo / iStock) Entropi blev opdaget af ingeniører, der arbejdede med dampmaskiner. De indså, at uanset hvor effektiv deres maskiner var, var der altid noget energi tabt i processen. Energien blev ikke ødelagt (det er umuligt); det var bare ikke tilgængeligt til brug. Rudolf Clausius navngav den mængde, der er defineret af dette energitab, "entropi" fra det græske ord for transformation og det faktum, at det lyder som "energi."
Fysikere nedfældede entropiens formål i den anden lov om termodynamik, der siger: I enhver proces, der er afskåret fra eksterne påvirkninger, forøges eller forbliver entropien konstant. Det er en måde at sige, i kosmisk forstand, at der ikke er nogen gratis penge. Hver transaktion koster noget. Men at definere det på den måde siger ikke rigtig, hvad entropi er - og Boltzmann ville vide mere.
I det 19. århundrede blev forskere forenet forskellige aspekter af menneskelig viden: at forbinde elektricitet til magnetisme, bruge nye metoder inden for fysik til at identificere kemiske elementer osv. Boltzmann ville bruge Newtons bevægelseslove, der styrer opførelsen af makroskopiske objekter, for at forstå gassers opførsel.
Hans præcedens var "kinetisk teori", en model foreslået af James Clerk Maxwell (hvis største påstand om berømmelse er teorien, der forener elektricitet og magnetisme, der viser lys er en elektromagnetisk bølge) og kolleger. Kinetisk teori forbandt hastigheden af mikroskopiske gaspartikler til målelige mængder som temperatur. I henhold til Newtons love skal individuelle kollisioner mellem disse partikler se ens ud, hvis du vendte tidsretningen. Entropi skal dog altid forøges eller forblive den samme - det er irreversibelt.
Irreversibilitet er en normal del af livet. At bryde et glas og søle vandet hen over gulvet er uigenkaldeligt. Fragmenterne af glas og molekyler af vand genskabes ikke spontant. Kage dej vil ikke blandes, parfume sprøjtet ind i et rum vil ikke flyde tilbage i flasken. Boltzmann ville forklare disse realistiske irreversible begivenheder ved hjælp af mikroskopisk fysik. Det gjorde han ved at vise, hvor stort antal gaspartikler stadig kunne give irreversible resultater.
Tænk på en forseglet kasse med en bevægelig skillevæg, der deler den i to. I vores eksperiment fylder vi halvdelen af kassen med en slags gas og åbner derefter partitionen lidt. Noget af gassen vil gå gennem åbningen i skillevæggen, så der efter et stykke tid er nogenlunde den samme mængde gas i begge sider af kassen.
Hvis vi startede med halvdelen af gasen på begge sider af boksen og derefter åbnede partitionen, ville vi næsten helt sikkert ikke ende med det hele på den ene side af kassen, ikke engang hvis vi ventede meget længe. Selvom hver sammenstød mellem partikler eller mellem partikler og beholderens vægge er reversible, er resultatet ikke.
Jo, det er muligt for alle gaspartiklerne at spontant strømme fra den ene side af beholderen til den anden. Men som Boltzmann påpegede, det er så usandsynligt, at vi ikke behøver at bekymre dig om det. På samme måde kan entropien spontant falde, men det gør det næppe nogensinde. Det er langt mere sandsynligt at stige, eller - når gaspartiklerne er jævnt fordelt mellem siderne af beholderen - forbliver de samme.
Resultatet er retningsbestemmelse og irreversibilitet, selvom det stammer fra helt reversibel mikroskopisk opførsel. I det så Boltzmann forbindelser mellem entropi og evolution.
*****
I biologien er små ændringer mellem generationer af sig selv til vores formål og formål retningsbestemte og tilfældige. Men Darwins naturlige selektionsteori viste, hvordan de i sidste ende kunne føre til irreversibel forandring, hvilket gav en underliggende forklaring på, hvordan nye arter opstår af eksisterende. Darwin kaldte dette fænomen "nedstigning med ændring" og introducerede ideen om naturlig udvælgelse for at få det til at fungere.
Boltzmann erkendte, at dette var en dyb måde at forstå spredningen af livet på Jorden, ligesom hans forklaring af entropi gav en dyb forståelse af irreversible processer i fysikken. Men ud over irreversibilitet anerkendte han også, at livet involverer konkurrence om tilgængelig energi - eller for at sige det på en tilsvarende måde, en kamp for at minimere entropi.
Levende ting er et bundt træk. Nogle af disse træk er tilpasningsdygtige, hvilket betyder, at de hjælper en organisme med at overleve: sæt den i stand til at finde mad eller undgå at blive mad til noget andet. Andre træk er ugunstige, og nogle er neutrale, de er hverken nyttige eller skadelige. Naturligt valg er den måde, evolution udvikler de adaptive træk fra de ugunstige.
(Boltzmann brugte endda Darwins teori for at argumentere for, at vores evner til at skabe forestillinger om, hvordan verden fungerer, hjalp menneskeheden til at overleve og lykkes. Det betød, at det menneskelige sind - genstand for en masse filosofiske spekulationer - er et adaptivt træk i henhold til darwinistiske principper .)
Naturlig udvælgelse er et hårdt syn på livet. Men levende ting kræver mad - kemikalier fra luft, jord eller fra at spise andre organismer - og det betyder konkurrence. Organismer, der overlever, videregiver deres adaptive træk til deres afkom, mens skadelige træk forsvinder. Hvis nok af disse træk opbygges gennem generationer, kan der opstå helt nye arter. En af disse arter var vores: mennesker blev født af processerne med naturlig selektion og tilpasning, ligesom alle andre liv.
Boltzmann brugte begge teorier for at argumentere for, at livets kamp ikke er over energi. Jorden får masser af energi fra solen, langt mere end livet faktisk bruger i form af fotosyntesen (og andre organismer, der spiser planter og andre fotosynteser). I stedet er livet en kamp for at minimere entropi ved at fange så meget af den tilgængelige energi som muligt.
Boltzmanns indsigt forbandte Darwins teori til grundlæggende fysik, en forbløffende intellektuel præstation. Det viste, hvordan både evolution og entropi har indflydelse ud over deres oprindelige domæner. I dag har vi evolutionære algoritmer og entropi inden for informationsteori, og evolution er på kriteriet, som NASA bruger i sin søgen efter livet på andre verdener.
Darwins og Boltzmanns tvillingevolutioner lever videre. Måske kan du endda sige, at de har udviklet sig.
