Od vseh znanstvenih dosežkov je bil evolucija najtežja za človeški ego. Revolucionarna teorija Charlesa Darwina, ki je bila predstavljena v njegovi prelomni knjigi o izvoru iz leta 1859 , grozi, da bo izničila vzvišen položaj človeštva v vesolju. Toda v isti dobi je potekala tudi tišja - in na videz nepovezana - znanstvena revolucija.
Sorodne vsebine
- Dedek Charlesa Darwina je bil znan po svojih pesmih o rastlinskem seksu
- Pismo Charlesa Darwina, Dvakrat ukradeno, se vrača k Smithsonianu
- Dva znanstvenika si delita zasluge za teorijo evolucije. Darwin je znan; Ta Biolog ni.
- Evolucija Charlesa Darwina
Koncept entropije v fiziki se je začel neškodljivo kot razlaga, zakaj parni stroji nikoli ne morejo biti popolnoma učinkoviti. Toda navsezadnje je entropija ogrozila tudi ustaljeno hierarhijo. In v resnici sta bili entropija in evolucija več kot le slučajno povezani.
Entropijo je zagovarjal in razvijal avstrijski fizik Ludwig Boltzmann - ki je bil tudi eden največjih predlagateljev Darwina v fizični skupnosti. Leta 1886, štiri leta po Darwinovi smrti, je Boltzmann objavil priljubljeno predavanje o entropiji, v katerem je dejal: "Če me vprašate o mojem najbolj prepričanem, ali se bo naše stoletje imenovalo stoletje železa ali stoletje pare ali elektrike, odgovorim brez oklevanja: to se bo imenovalo stoletje mehaničnega pogleda na naravo, stoletje Darwina. "
Pa vendar je bil Boltzmann več kot le navijač Darwina. Evolucijsko teorijo je razumel globlje kot večina v tisti dobi in spoznal je vse posledice njenih temeljnih idej. Konkretno je dojel, kako se evolucija in fizika vročine opirata na razumevanje zgodovine in kako se skozi čas nabirajo majhne spremembe. V 19. stoletju so bile te ideje tako revolucionarne, da so jih mnogi veljali za heretične.
Darwin in Boltzmann, razen svojih čudovitih brad, nista imela veliko skupnega kot ljudje. Čeprav sta se njuna delovna življenja prekrivala z dolgimi leti, se dva moža nista spoznala. Darwin je bil več kot eno generacijo starejši in je odraščal podzemni gospod iz znane družine; bolezen ga je zadržala doma večino svojega poznejšega življenja. Boltzmann je poučeval na univerzah in poučeval številne bodoče pionirje fizike 20. stoletja. Izumil je pripomočke, pisal poezijo in veliko potoval. Pozneje se je spopadel z depresivnimi epizodami, ki jih je pisno opisal, in leta 1906 storil samomor.
Na površini se jim je tudi teorija zdela oddaljena druga od druge. Toda poglejte globlje in so neločljivo prepleteni.
Evolucija in entropija sta vznemirjala stališča mnogih ljudi o "naravnem" redu. Darwin je dejal, da ljudje izvirajo od drugih živali; da smo del istega družinskega drevesa kot vsa živa bitja, ki je podvržen univerzalnemu procesu, imenovanem naravna selekcija. Boltzmann je dejal, da urejeni zakoni fizike vodijo v motnje in od nas zahtevajo uporabo statističnih jezikov in verjetnosti. Obe ideji sta posegali v poglede na napredek in večno izboljšanje iz 19. stoletja, toda teorije so se prepletale tudi na način, ki ga je Boltzmann morda prvi prepoznal.
Koprive otokov Galapagos so bile naravni izbor ključni primer za Darwinovo teorijo evolucije. (MarcPo / iStock) Entropijo so odkrili inženirji, ki delajo na parnih strojih. Spoznali so, da ne glede na to, kako učinkoviti so bili njihovi stroji, se v procesu vedno izgubi nekaj energije. Energija ni bila uničena (to je nemogoče); preprosto ni bilo na voljo za uporabo. Rudolf Clausius je količino, opredeljeno s to izgubo energije, poimenoval iz grške besede za preobrazbo in dejstvo, da zveni podobno kot "energija".
Namen entropije so fiziki zapisali v Drugem zakonu termodinamike, ki pravi: V vsakem postopku, ki je odrezan od zunanjih vplivov, se entropija poveča ali ostane konstantna. To je način, da v kozmičnem smislu rečejo, da ni prostega denarja. Vsaka transakcija nekaj stane. Toda če ga tako definiramo, v resnici ne povemo, kaj je entropija - in Boltzmann je želel vedeti več.
V 19. stoletju so znanstveniki združili različne vidike človeškega znanja: pridruževanje električne energije magnetizmu, uporabo novih metod v fiziki za prepoznavanje kemičnih elementov ipd. Boltzmann je želel uporabiti Newtonove zakone gibanja, ki urejajo obnašanje makroskopskih predmetov, da bi razumeli obnašanje plinov.
Njegov precedens je bila "kinetična teorija", model, ki ga je predlagal James Clerk Maxwell (čigar največja trditev je slava teorija, ki združuje elektriko in magnetizem, prikazovanje svetlobe je elektromagnetno valovanje) in sodelavci. Kinetična teorija je povezala hitrosti mikroskopskih delcev plina z merljivimi količinami, kot je temperatura. Po Newtonovih zakonih naj bi posamezni trki med temi delci izgledali enako, če bi obrnili smer časa. Vendar mora entropija vedno naraščati ali ostati enaka - to je nepopravljiva.
Nepovratnost je normalen del življenja. Razbiti kozarec in razliti vodo po tleh je nepovratno. Drobci stekla in molekul vode se ne bodo spontano preoblikovali. Testo za torte se ne bo mešalo, parfum, speten v sobo, ne bo stekel nazaj v steklenico. Boltzmann je želel razložiti te realne nepovratne dogodke z uporabo mikroskopske fizike. To je storil tako, da je pokazal, kako ogromno število delcev plina še vedno lahko daje nepovratne rezultate.
Pomislite na zapečateno škatlo s premično particijo, ki jo deli na pol. V našem poskusu napolnimo polovico škatle z nekakšnim plinom, nato pa particijo nekoliko odpremo. Del plina bo šel skozi odprtino v predelni steni, tako da bo čez nekaj časa približno enaka količina plina na obeh straneh škatle.
Če bi začeli s polovico plina na obeh straneh škatle in nato odprli predelno steno, skoraj zagotovo ne bi končali z vsem na eni strani škatle, tudi če bi čakali zelo dolgo. Čeprav je vsako trčenje delcev ali delcev in sten posode reverzibilno, rezultat ni.
Seveda je mogoče, da vsi delci plina spontano tečejo z ene strani posode na drugo. Toda kot je poudaril Boltzmann, je tako malo verjetno, da nam ni treba skrbeti. Na enak način se lahko entropija spontano zmanjša, vendar to skoraj nikoli ne stori. Veliko večja je verjetnost povečanja ali - ko se delci plina enakomerno porazdelijo po straneh vsebnika - ostanejo enaki.
Rezultat je usmerjenost in nepovratnost, čeprav izvira iz popolnoma reverzibilnega mikroskopskega vedenja. V tem je Boltzmann videl povezave med entropijo in evolucijo.
*****
V biologiji so majhne spremembe med generacijami same po našem namenu in namenu usmerjene in naključne. Toda Darwinova teorija naravne selekcije je pokazala, kako lahko sčasoma privedejo do nepovratnih sprememb, in zagotovila temeljno razlago, kako nove vrste nastajajo iz obstoječih. Darwin je ta pojav poimenoval "spuščanje z modifikacijo" in predstavil idejo o naravni selekciji, da bi lahko deloval.
Boltzmann je priznal, da gre za globok način razumevanja širjenja življenja na Zemlji, podobno kot je njegova razlaga entropije zagotavljala globoko razumevanje nepopravljivih procesov v fiziki. A on je poleg nepovratnosti spoznal, da življenje vključuje konkurenco za razpoložljivo energijo - ali povedano enako, boj za zmanjšanje entropije.
Žive stvari so kup lastnosti. Nekatere od teh lastnosti so prilagodljive, kar pomeni, da pomagajo organizmu, da preživi: omogoči mu, da najde hrano ali prepreči, da postane hrana za kaj drugega. Druge lastnosti so neugodne, nekatere pa nevtralne in niso koristne niti škodljive. Naravna selekcija je način, kako evolucija pobira prilagodljive lastnosti od neugodnih.
(Boltzmann je celo uporabil Darwinovo teorijo, da je trdil, da je naša spretnost ustvarjanja konceptov, kako deluje svet, pomagala človeštvu, da je preživel in uspel. To je pomenilo, da je človeški um - predmet številnih filozofskih špekulacij - po darvinskih načelih prilagojena lastnost .)
Naravna selekcija je oster pogled na življenje. Toda živa bitja zahtevajo hrano - kemikalije iz zraka, zemlje ali jedo drugih organizmov - in to pomeni konkurenco. Organizmi, ki preživijo, prenesejo svoje prilagodljive lastnosti na potomce, medtem ko škodljive lastnosti izginejo. Če se skozi te generacije nabere dovolj teh lastnosti, se lahko pojavijo povsem nove vrste. Ena od teh vrst je bila tudi naša: ljudje so se rodili iz procesov naravne selekcije in prilagajanja, tako kot vse drugo življenje.
Boltzmann je uporabil obe teoriji, da je trdil, da življenjski boj ni v energiji. Zemlja dobiva veliko energije od Sonca, veliko več kot življenje dejansko porabi v obliki fotosinteze (in drugih organizmov, ki jedo rastline in druge fotosinteze). Namesto tega je življenje boj za zmanjšanje entropije, tako da zajame čim več razpoložljive energije.
Boltzmannov vpogled je Darwinovo teorijo povezal s temeljno fiziko, osupljivim intelektualnim dosežkom. Pokazal je, kako vplivata tako evolucija kot entropija zunaj njihovih prvotnih področij. Danes imamo v teoriji informacij evolucijske algoritme in entropijo, evolucija pa je odvisna od merila, ki ga NASA uporablja pri iskanju življenja na drugih svetovih.
Darwinovi in Boltzmannovi dvojni revoluciji živita naprej. Mogoče bi lahko celo rekli, da sta se razvijala.
