Od svih znanstvenih dostignuća, evolucija je bila najteža na ljudski ego. Revolucionarna teorija Charlesa Darwina iznesena u svojoj revolucionarnoj knjizi o podrijetlu vrsta iz 1859. godine, prijetila je poništavanjem uzvišenog položaja čovječanstva u svemiru. No, u isto se doba odvijala i tiša - i naizgled nepovezana - znanstvena revolucija.
Povezani sadržaj
- Djed Charlesa Darwina bio je poznat po svojim pjesmama o biljnom seksu
- Pismo Charlesa Darwina, Dva puta ukradeno, vraća se Smithsonianu
- Dvoje znanstvenika dijeli zasluge za teoriju evolucije. Darwin je postao poznat; Ovaj Biolog nije.
- Evolucija Charlesa Darwina
Koncept entropije u fizici počeo je dovoljno bezopasno, kao objašnjenje zašto parni strojevi nikada ne mogu biti savršeno učinkoviti. No u konačnici je entropija također prijetila uspostavljenoj hijerarhiji. A zapravo su entropija i evolucija bili više nego slučajno povezani.
Entropiju je zagovarao i razradio austrijski fizičar Ludwig Boltzmann - koji je ujedno bio i jedan od najvećih Darwinovih promotora u fizičkoj zajednici. Godine 1886., četiri godine nakon Darwinove smrti, Boltzmann je održao popularno predavanje o entropiji u kojem je rekao: „Ako me pitate za moje duboko uvjerenje hoće li se naše stoljeće zvati stoljeće željeza ili stoljeće pare ili struje, odgovaram bez oklijevanja: nazvat će se stoljećem mehaničkog pogleda na prirodu, stoljeća Darwina. "
Ipak Boltzmann je bio više od Darwinove navijačice. Razumio je evolucijsku teoriju dublje od većine u to doba i prepoznao je pune implikacije njegovih temeljnih ideja. Konkretno, on je shvatio kako se evolucija i fizika topline oslanjaju na razumijevanje povijesti i kako se male promjene nakupljaju s vremenom. U 19. stoljeću te su ideje bile toliko revolucionarne da su se mnoge smatrale heretičkim.
Osim svojih veličanstvenih brada, Darwin i Boltzmann nisu imali mnogo zajedničkog kao ljudi. Iako im se radni vijek preklapao dugi niz godina, njih dvoje se nikada nisu upoznali. Darwin je bio više od generacije stariji i odrastao je prizemni gospodin iz poznate obitelji; bolest ga je zadržala kod kuće veći dio njegovog kasnijeg života. Boltzmann je predavao na sveučilištima i upućivao mnoge buduće pionire fizike 20. stoljeća. Izmišljao je uređaje, pisao poeziju i mnogo putovao. Kasnije se borio s depresivnim epizodama, koje je opisao u pisanom obliku, i počinio samoubojstvo 1906. godine.
Na površini, činilo se da su i njihove teorije daleke jedna od druge. Ali pogledajte dublje, i oni su neraskidivo isprepleteni.
I evolucija i entropija uznemirile su pogled mnogih na "prirodni" poredak. Darwin je rekao da ljudi potječu od drugih životinja; da smo dio istog obiteljskog stabla kao i sva živa bića, podložan univerzalnom procesu koji se zove prirodna selekcija. Boltzmann je rekao da uredni zakoni fizike vode u poremećaj i da od nas trebaju upotrebljavati jezik statistike i vjerojatnost. Obje su ideje ometale pogled na napredak i neprestano poboljšanje iz 19. stoljeća, ali teorije su bile isprepletene i na način koji je Boltzmann možda prvi prepoznao.
Uključivanje otoka Galapagos bio je ključni primjer Darwinove teorije evolucije prirodnim odabirom. (MarcPo / iStock) Entropiju su otkrili inženjeri koji rade na parnim strojevima. Shvatili su da bez obzira koliko efikasni bili njihovi strojevi, u procesu se uvijek gubi nešto energije. Energija nije uništena (to je nemoguće); jednostavno nije bilo dostupno za upotrebu. Rudolf Clausius je količinu definiranu ovim gubitkom energije nazvao "entropijom", od grčke riječi za transformaciju i činjenicom da zvuči slično kao "energija".
Fizičari su svrhu entropije utvrdili u Drugom zakonu termodinamike koji kaže: U bilo kojem procesu odsječenom od vanjskih utjecaja, entropija se povećava ili ostaje konstantna. To je način da se u kozmičkom smislu kaže da nema besplatnog novca. Svaka transakcija nešto košta. Ali definiranje na taj način zapravo ne govori što je entropija - i Boltzmann je želio znati više.
U 19. stoljeću znanstvenici su objedinjavali različite aspekte ljudskog znanja: spajanje električne energije s magnetizmom, primjenom novih fizičkih metoda za prepoznavanje kemijskih elemenata i tako dalje. Boltzmann je želio koristiti Newtonove zakone kretanja, koji upravljaju ponašanjem makroskopskih objekata, da bi razumio ponašanje plinova.
Njegov je presedan bila "kinetička teorija", model koji je predložio James Clerk Maxwell (čija je najveća tvrdnja slava teorija koja objedinjuje elektricitet i magnetizam, pokazivanje svjetla je elektromagnetski val) i kolege. Kinetička teorija povezala je brzine mikroskopskih čestica plina s mjerljivim količinama poput temperature. Prema Newtonovim zakonima, pojedinačni sudari tih čestica trebali bi izgledati isto ako ste preokrenuli smjer vremena. Međutim, entropija mora uvijek biti povećana ili ostati ista - nepovratna je.
Nepovratnost je normalan dio života. Razbiti čašu i proliti vodu po podu nepovratno je. Fragmenti čaše i molekula vode neće se spontano oblikovati. Tijesto za kolače se neće miješati, a parfem stisnut u sobi neće se preliti u bocu. Boltzmann je želio objasniti ove realne nepovratne događaje koristeći mikroskopsku fiziku. Učinio je to tako što je pokazao kako ogroman broj čestica plina još uvijek može dati nepovratne rezultate.
Zamislite zapečaćenu kutiju s pomičnom pregradom koja je dijeli na pola. U našem eksperimentu napunimo polovicu kutije s nekom vrstom plina, a zatim lagano otvorimo particiju. Dio plina proći će kroz otvor u particiji, tako da će nakon nekog vremena otprilike biti iste količine plina na obje strane kutije.
Da smo počeli s pola plina s obje strane kutije i zatim otvorili pregradu, gotovo sigurno ne bismo završili sa svim onim na kutiji, čak i da smo čekali jako dugo. Iako je svaki sud između čestica ili između čestica i zidova spremnika reverzibilan, rezultat nije.
Svakako, moguće je da sve čestice plina spontano teku s jedne strane spremnika na drugu. Ali kako je istaknuo Boltzmann, toliko je malo vjerojatno da se ne moramo brinuti oko toga. Na isti način entropija se može spontano smanjiti, ali to se gotovo nikada i ne dogodi. Daleko je veća vjerojatnost da će se povećati ili - nakon što se čestice plina ravnomjerno rasporede između strana spremnika - ostanu iste.
Rezultat je usmjerenost i nepovratnost, iako je nastao u potpuno reverzibilnom mikroskopskom ponašanju. U tome je Boltzmann vidio veze između entropije i evolucije.
*****
U biologiji, male promjene među generacijama same po sebi su, za naše namjere i svrhe, ne usmjerene i slučajne. No Darwinova teorija prirodnog odabira pokazala je kako bi one na kraju mogle dovesti do nepovratnih promjena, pruživši temeljno objašnjenje kako nove vrste nastaju iz postojećih. Darwin je ovaj fenomen nazvao "silazak s modifikacijom" i uveo ideju prirodne selekcije kako bi uspio.
Boltzmann je prepoznao da je ovo dubok način razumijevanja širenja života na Zemlji, slično kao što je njegovo objašnjenje entropije pružalo duboko razumijevanje nepovratnih procesa u fizici. Ali izvan nepovratnosti, također je prepoznao da život uključuje nadmetanje zbog raspoložive energije - ili, na ekvivalentni način, borbu za minimiziranje entropije.
Živa bića su skup osobina. Neke od tih osobina su prilagodljive, što znači da pomažu organizmu da opstane: omoguće mu da pronađe hranu ili izbjegne da postane hrana za nešto drugo. Druge su osobine nepovoljne, a neke su neutralne, pa nisu ni korisne ni štetne. Prirodna selekcija je način na koji evolucija odabire osobine prilagođavanja onima nepovoljnih.
(Boltzmann je čak koristio Darwinovu teoriju da bi tvrdio da je naša vještina stvaranja predodžbi o tome kako svijet pomaže čovječanstvu da preživi i uspije. To je značilo da je ljudski um - predmet mnogih filozofskih nagađanja - prilagodljiva osobina, prema Darwinovskim načelima .)
Prirodni odabir je oštar pogled na život. Ali živa bića trebaju hranu - kemikalije iz zraka, zemlje ili jedenje drugih organizama - a to znači konkurenciju. Organizmi koji opstaju prenose svoje adaptivne osobine na potomstvo, dok štetne osobine nestaju. Ako se dovoljno tih osobina razvija tijekom generacija, mogu se pojaviti potpuno nove vrste. Jedna od tih vrsta bila je i naša: ljudi su rođeni izvan procesa prirodne selekcije i prilagodbe, kao i svaki drugi život.
Boltzmann je koristio obje teorije kako bi tvrdio da životna borba nije prekomjerna energija. Zemlja dobiva puno energije od Sunca, daleko više nego što život zapravo koristi u obliku fotosinteze (i drugih organizama koji jedu biljke i druge fotosinteze). Umjesto toga, život je borba za minimiziranje entropije, hvatajući što više dostupne energije.
Boltzmannov uvid povezao je Darwinovu teoriju s osnovnom fizikom, nevjerojatnim intelektualnim dostignućem. Pokazalo je kako evolucija i entropija imaju utjecaja izvan svojih izvornih domena. Danas imamo evolucijske algoritme i entropiju u teoriji informacija, a evolucija je prema kriteriju koji NASA koristi u potrazi za životom na drugim svjetovima.
Darwinova i Boltzmannova blizanačka revolucija žive dalje. Možda bi čak mogli reći da su se zajednički razvijali.
