Av alle vitenskapelige fremskritt har evolusjonen vært den vanskeligste på det menneskelige egoet. Charles Darwins revolusjonsteori, lagt opp i hans banebrytende bok fra 1859 On the Origin of Species, truet med å velte menneskehetens opphøyede posisjon i universet. Likevel skjedde en roligere - og tilsynelatende ikke relatert - vitenskapelig revolusjon i samme tidsalder.
Relatert innhold
- Charles Darwins bestefar var kjent for sine dikt om plantesex
- Et brev skrevet av Charles Darwin, to ganger stjålet, vender tilbake til Smithsonian
- To forskere deler æren for teorien om evolusjon. Darwin ble berømt; Denne biologen gjorde det ikke.
- Evolusjonen til Charles Darwin
Begrepet entropi i fysikk begynte ufarlig nok, som en forklaring på hvorfor dampmotorer aldri kunne være perfekt effektive. Men til syvende og sist truet entropi også et etablert hierarki. Og faktisk var entropi og evolusjon mer enn tilfeldig relatert.
Entropy ble forkjempet og utdypet av den østerrikske fysikeren Ludwig Boltzmann - som også tilfeldigvis var en av Darwins største promotører i fysikkmiljøet. I 1886, fire år etter Darwins død, holdt Boltzmann et populært foredrag om entropi der han sa: “Hvis du spør meg om min innerste overbevisning om vårt århundre vil bli kalt jernhundretallet eller århundret med damp eller elektrisitet, svarer jeg uten å nøle: det vil bli kalt tallet for det mekaniske natursynet, Darwins århundre. ”
Likevel var Boltzmann mer enn bare en cheerleader av Darwins. Han forsto evolusjonsteorien dypere enn de fleste i den perioden, og anerkjente de fulle implikasjonene av dens kjerneideer. Spesielt forsto han hvordan evolusjon og hetens fysikk både var avhengig av å forstå historien, og hvordan små endringer akkumuleres over tid. På 1800-tallet var disse ideene så revolusjonerende at de ble ansett som kjettere for mange.
Annet enn deres praktfulle skjegg hadde Darwin og Boltzmann ikke mye til felles som mennesker. Selv om deres arbeidsliv overlappet av mange år, møtte de to mennene aldri. Darwin var mer enn en generasjon eldre, og vokste opp en landet herre fra en kjent familie; sykdom holdt ham hjemme store deler av hans senere liv. Boltzmann underviste på universiteter og instruerte mange fremtidige pionerer i det 20. århundrets fysikk. Han oppfant dingser, skrev poesi og reiste mye. Senere slet han med depressive episoder, som han beskrev skriftlig, og begikk selvmord i 1906.
På overflaten virket også teoriene deres langt borte fra hverandre. Men se dypere, og de er uløselig sammenflettet.
Både evolusjon og entropi opprører mange menneskers syn på den "naturlige" ordenen. Darwin sa at mennesker stammet fra andre dyr; at vi er en del av det samme slektstreet som alle levende ting, underlagt en universell prosess som kalles naturlig seleksjon. Boltzmann sa fysiske ordenslover føre til uorden, og krever at vi bruker språket til statistikk og sannsynlighet for å forstå. Begge ideene forstyrret 1800-tallets syn på fremgang og evig forbedring, men teoriene var også sammenflettet på en måte Boltzmann muligens var den første til å gjenkjenne.
Finkene til Galapagos-øyene ga et nøkkeleksempel for Darwins evolusjonsteori ved naturlig seleksjon. (MarcPo / iStock) Entropy ble oppdaget av ingeniører som jobber med dampmaskiner. De innså at uansett hvor effektive maskinene deres var, så gikk det alltid litt energi tapt i prosessen. Energien ble ikke ødelagt (det er umulig); det var bare ikke tilgjengelig for bruk. Rudolf Clausius kalte mengden definert av dette energitapet "entropi", fra det greske ordet for transformasjon og det faktum at det høres ut som "energi."
Fysikere nedfelt entropiens formål i den andre loven om termodynamikk, som sier: I enhver prosess avskåret fra ytre påvirkninger øker eller forblir entropi konstant. Det er en måte å si i kosmisk forstand at det ikke er gratis penger. Hver transaksjon koster noe. Men å definere det på den måten sier ikke egentlig hva entropi er — og Boltzmann ville vite mer.
På 1800-tallet så forskere forene forskjellige aspekter av menneskelig kunnskap: å forbinde elektrisitet til magnetisme, ved å bruke nye metoder i fysikk for å identifisere kjemiske elementer, og så videre. Boltzmann ønsket å bruke Newtons bevegelseslover, som styrer oppførselen til makroskopiske objekter, for å forstå oppførselen til gasser.
Hans presedens var "kinetisk teori", en modell foreslått av James Clerk Maxwell (hvis største påstand om berømmelse er teorien som forener strøm og magnetisme, og viser lys er en elektromagnetisk bølge) og kolleger. Kinetisk teori koblet hastighetene til mikroskopiske gasspartikler til målbare mengder som temperatur. I henhold til Newtons lover skal individuelle kollisjoner mellom disse partiklene se like ut hvis du snudde tidsretningen. Entropi må imidlertid alltid øke eller forbli den samme - det er irreversibelt.
Irreversibilitet er en normal del av livet. Å bryte et glass og søle vannet over gulvet er irreversibelt. Fragmentene av glass og molekyler av vann vil ikke spontant gjenformes. Kakedeig vil ikke blandes, parfyme som er spritzed inn i et rom vil ikke strømme tilbake i flasken. Boltzmann ønsket å forklare disse realistiske irreversible hendelsene ved bruk av mikroskopisk fysikk. Det gjorde han ved å vise hvor stort antall gasspartikler som fremdeles kunne gi irreversible resultater.
Tenk på en forseglet boks med en bevegelig skillevegg som deler den i to. I eksperimentet vårt fyller vi halvparten av boksen med en slags gass, og åpner deretter partisjonen litt. Noe av gassen vil gå gjennom åpningen i skilleveggen, slik at det etter en stund er omtrent den samme mengden gass på begge sider av esken.
Hvis vi startet med halvparten av gassen på begge sider av boksen og deretter åpnet partisjonen, ville vi nesten ikke ende med det hele på den ene siden av boksen, ikke engang om vi ventet veldig lenge. Selv om hver kollisjon mellom partikler eller mellom partikler og veggene i beholderen er reversibel, er ikke resultatet det.
Jada, det er mulig for alle gasspartiklene å spontant strømme fra den ene siden av beholderen til den andre. Men som Boltzmann påpekte, det er så usannsynlig at vi ikke trenger å bekymre deg for det. På samme måte kan entropien spontant avta, men det gjør det nesten aldri. Det er langt mer sannsynlig å øke, eller - når gasspartiklene er jevnt fordelt mellom sidene av beholderen - forblir de samme.
Resultatet er retning og irreversibilitet, selv om det oppsto i fullstendig reversibel mikroskopisk oppførsel. I det så Boltzmann sammenhenger mellom entropi og evolusjon.
*****
I biologi er små forandringer mellom generasjoner av seg selv, for vårt formål og formål, retningsløse og tilfeldige. Men Darwins naturlige seleksjonsteori viste hvordan de etter hvert kunne føre til irreversibel forandring, og ga en underliggende forklaring på hvordan nye arter oppstår fra eksisterende. Darwin kalte dette fenomenet "nedstigning med modifisering", og introduserte ideen om naturlig utvalg for å få det til å fungere.
Boltzmann erkjente at dette var en dyp måte å forstå spredning av liv på jorden, omtrent som hans forklaring av entropi ga en dyp forståelse av irreversible prosesser i fysikken. Men utover irreversibilitet, anerkjente han også at livet innebærer konkurranse om tilgjengelig energi - eller for å si det på en tilsvarende måte, en kamp for å minimere entropi.
Levende ting er et knippe egenskaper. Noen av disse egenskapene er tilpasningsdyktige, noe som betyr at de hjelper en organisme å overleve: gjør det mulig for den å finne mat, eller unngå å bli mat til noe annet. Andre egenskaper er ugunstige, og noen er nøytrale, verken nyttige eller skadelige. Naturlig utvalg er måten evolusjonen plukker ut tilpasningstrekkene fra de ugunstige.
(Boltzmann brukte til og med Darwins teori for å hevde at vår dyktighet til å skape forestillinger om hvordan verden fungerer hjalp menneskeheten til å overleve og lykkes. Det betydde det menneskelige sinnet - gjenstand for mange filosofiske spekulasjoner - er en adaptiv egenskap, i henhold til darwinistiske prinsipper .)
Naturlig utvalg er et tøft syn på livet. Men levende ting krever mat - kjemikalier fra luft, jord eller fra å spise andre organismer - og det betyr konkurranse. Organismer som overlever overfører sine tilpasningsdyktige egenskaper til avkommet, mens skadelige egenskaper forsvinner. Hvis nok av disse trekkene bygger seg opp gjennom generasjonene, kan helt nye arter dukke opp. En av disse artene var vår: mennesker ble født av prosessene med naturlig seleksjon og tilpasning, akkurat som alle andre liv.
Boltzmann brukte begge teoriene for å hevde at livets kamp ikke er over energi. Jorden får rikelig med energi fra sola, langt mer enn livet faktisk bruker i form av fotosyntesen (og andre organismer som spiser planter og andre fotosynteser). I stedet er livet en kamp for å minimere entropi ved å fange opp så mye av den tilgjengelige energien som mulig.
Boltzmanns innsikt koblet Darwins teori til grunnleggende fysikk, en forbløffende intellektuell prestasjon. Det viste hvordan både evolusjon og entropi har innflytelse utover de opprinnelige domenene. I dag har vi evolusjonsalgoritmer og entropi innen informasjonsteori, og evolusjonen er på kriteriet NASA bruker i sitt søk etter liv på andre verdener.
Darwins og Boltzmanns tvillingevolusjoner lever videre. Kanskje du til og med kan si at de har utviklet seg videre.
