Kaikista tieteen edistyksistä evoluutio on ollut vaikeinta ihmisen egossa. Charles Darwinin vallankumouksellinen teoria, joka esitettiin hänen uraauurtavassa 1859-teoksessaan lajien alkuperästä, uhkasi kumota ihmiskunnan korotetun aseman maailmankaikkeudessa. Samana ajankohtana tapahtui myös hiljaisempi - ja näennäisesti riippumattoman - tieteellinen vallankumous.
Asiaan liittyvä sisältö
- Charles Darwinin isoisä oli kuuluisa runoistaan kasvisukusta
- Kahdesti varastettu Charles Darwinin kirjoittama kirje palaa Smithsonianille
- Kaksi tutkijaa jakaa opintojaan evoluutioteorian puolesta. Darwin sai kuuluisaksi; Tämä biologi ei.
- Charles Darwinin evoluutio
Entropian käsite fysiikassa alkoi tarpeettomasti vaarattomina, selityksenä miksi höyrykoneet eivät koskaan voineet olla täysin tehokkaita. Mutta lopulta entropia uhkasi myös vakiintunutta hierarkiaa. Ja itse asiassa entropia ja evoluutio olivat enemmän kuin rento suhteita.
Entropiaa puolusti ja kehitti itävaltalainen fyysikko Ludwig Boltzmann - joka myös sattui olemaan yksi Darwinin suurimmista promoottoreista fysiikkayhteisössä. Vuonna 1886, neljä vuotta Darwinin kuoleman jälkeen, Boltzmann piti suositun entropiaa käsittelevän luennon, jossa hän sanoi: ”Jos kysyt minulta syvimpiä vakaumuksiani siitä, kutsutaanko vuosisatamme raudan vuosisataa vai höyryn tai sähkön vuosisataa, vastaan epäröimättä: sitä kutsutaan luonnon mekaanisen näkemyksen vuosisadaksi, Darwinin vuosisadaksi. ”
Silti Boltzmann oli enemmän kuin vain Darwinin cheerleader. Hän ymmärsi evoluutioteorian syvemmin kuin useimmat tuolloin, ja tunnusti sen ydinideoiden täydet vaikutukset. Erityisesti hän ymmärsi, kuinka evoluutio ja lämmön fysiikka luottavat sekä historian ymmärtämiseen että kuinka pienet muutokset kertyvät ajan myötä. 1800-luvulla nämä ajatukset olivat niin vallankumouksellisia, että niitä pidettiin harhaoppisena monille.
Darwinilla ja Boltzmannilla ei ollut upeaa partaa lukuun ottamatta paljon yhteistä ihmisinä. Vaikka heidän työelämänsä olivat päällekkäisiä monien vuosien ajan, nämä kaksi miestä eivät koskaan tavanneet. Darwin oli yli sukupolven vanhempi, ja hän kasvoi kuuluisan perheen herrasmies; sairaus piti hänet kotona suuren osan myöhemmästä elämästään. Boltzmann opetti yliopistoissa ja ohjasi monia tulevia 1900-luvun fysiikan pioneereja. Hän keksi laitteita, kirjoitti runoutta ja matkusti laajasti. Myöhemmin hän kamppaili masennustilanteiden kanssa, jotka hän kuvasi kirjallisesti, ja teki itsemurhan vuonna 1906.
Pinnalla myös heidän teoriansa näyttivät kaukana toisistaan. Mutta katso syvemmälle, ja ne ovat erottamattomasti toisiinsa.
Sekä evoluutio että entropia järkyttävät monien ihmisten näkemyksiä "luonnollisesta" järjestyksestä. Darwin sanoi, että ihmiset ovat syntyneet muista eläimistä; että olemme osa samaa sukupuuta kuin kaikki elävät olennot, luonnonvalintaksi kutsutun universaalin prosessin alaisena. Boltzmann sanoi, että fysiikan säännönmukaiset lait johtavat häiriöihin, ja vaativat meitä käyttämään tilastojen kieltä ja todennäköisyyttä ymmärtää. Molemmat ideat puuttuivat 1800-luvun näkemyksiin kehityksestä ja ikuisesta parantamisesta, mutta myös teoriat olivat kietoutuneet tavalla, jonka Boltzmann tunnisti mahdollisesti ensimmäisenä.
Galapagossaarten piikkit olivat avainasemassa Darwinin teoriassa evoluutiosta luonnollisen valinnan avulla. (MarcPo / iStock) Entropian löysivät höyrykoneissa työskentelevät insinöörit. He tajusivat, että riippumatta siitä kuinka tehokkaita koneet olivat, prosessissa oli aina menetetty energiaa. Energiaa ei tuhottu (se on mahdotonta); sitä ei vain ollut käytettävissä käytettäväksi. Rudolf Clausius nimitti tämän energian menetyksen määrittelemän määrän "entroopiaksi" kreikkalaisesta sanasta transformaatio ja tosiasiasta, että se kuulostaa samanlaiselta kuin "energia".
Fyysikot vahvistivat entropian tarkoituksen termodynamiikan toisessa laissa, jossa todetaan: Kaikissa ulkoisista vaikutteista katkaistuissa prosesseissa entropia kasvaa tai pysyy vakiona. Se on tapa sanoa kosmisessa merkityksessä, että rahaa ei ole. Jokainen kauppa maksaa jotain. Mutta sen määritteleminen tällä tavalla ei oikeastaan sano mitä entropia on - ja Boltzmann halusi tietää enemmän.
1800-luvulla tutkijat yhdistivät ihmisen tietämyksen eri näkökohdat: yhdistivät sähkön magnetismiin, käyttivät fysiikassa uusia menetelmiä kemiallisten elementtien tunnistamiseen ja niin edelleen. Boltzmann halusi käyttää Newtonin liikelakia, jotka säätelevät makroskooppisten esineiden käyttäytymistä, ymmärtää kaasujen käyttäytymistä.
Hänen ennakkotapauksensa oli "kineettinen teoria", malli, jonka ehdotti James Clerk Maxwell (jonka suurin väite kuuluisuudelle on sähköä ja magneettisuutta yhdistävä teoria, joka osoittaa, että valo on sähkömagneettinen aalto) ja kollegat. Kineettinen teoria yhdisti mikroskooppisten kaasuhiukkasten nopeudet mitattavissa oleviin määriin, kuten lämpötila. Newtonin lakien mukaan näiden hiukkasten välisten yksittäisten törmäysten tulisi näyttää samoilta, jos käännät ajan suuntaa. Entropian on kuitenkin aina kasvava tai pysyttävä samana - se on peruuttamaton.
Peruuttamattomuus on normaali osa elämää. Lasin rikkominen ja veden vuotaminen lattian yli on peruuttamatonta. Lasin fragmentit ja vesimolekyylit eivät muodostu spontaanisti uudelleen. Kakkaruoka ei sekoitu, huoneeseen jauhettu hajuste ei virtaa takaisin pullossa. Boltzmann halusi selittää nämä realistiset peruuttamattomat tapahtumat käyttämällä mikroskooppista fysiikkaa. Hän teki sen osoittamalla, kuinka suuret määrät kaasuhiukkasia saattavat silti tuottaa peruuttamattomia tuloksia.
Ajattele suljettua laatikkoa, jossa siirrettävä väliseinä jakaa sen kahtia. Kokeilumme täytämme puolet laatikosta jonkinlaisella kaasulla, avaa sitten osio hiukan. Osa kaasusta kulkee väliseinässä olevan aukon läpi, joten jonkin ajan kuluttua kotelon molemmille puolille on suunnilleen sama määrä kaasua.
Jos aloitimme puolelta kaasua laatikon molemmilla puolilla ja avasimme sitten osion, emme melkein varmasti päätyisi siihen kaikki laatikon yhdelle puolelle, edes jos odotimme hyvin kauan. Vaikka jokainen törmäys hiukkasten välillä tai hiukkasten ja säiliön seinämien välillä on palautuva, tulos ei ole.
Toki, on mahdollista, että kaikki kaasuhiukkaset virtaavat spontaanisti säiliön yhdeltä puolelta toiselle. Mutta kuten Boltzmann huomautti, on niin epätodennäköistä, että meidän ei tarvitse huolehtia siitä. Samalla tavoin entropia voi vähentyä spontaanisti, mutta tuskin koskaan tekee niin. Se kasvaa paljon todennäköisemmin, tai - kun kaasuhiukkaset jakautuvat tasaisesti säiliön sivujen välillä - pysyvät samana.
Tuloksena on suunta ja peruuttamattomuus, vaikka se johtui täysin palautuvasta mikroskooppisesta käytöksestä. Siinä Boltzmann näki yhteydet entropian ja evoluution välillä.
*****
Biologiassa pienet muutokset sukupolvien välillä ovat itsessään tarkoituksemme ja tarkoituksemme suhteen suuntaamattomia ja satunnaisia. Mutta Darwinin luonnollisen valinnan teoria osoitti, kuinka ne voisivat lopulta johtaa peruuttamattomaan muutokseen, tarjoamalla perustana selityksen uusien lajien syntymisestä olemassa olevista. Darwin kutsui tätä ilmiötä "laskeutumiseksi modifioinnilla" ja esitteli luonnollisen valinnan ajatuksen, jotta se toimisi.
Boltzmann tunnusti, että tämä oli syvä tapa ymmärtää elämän leviämistä maan päällä, aivan kuten hänen selityksensä entropialle antoi syvän käsityksen peruuttamattomista prosesseista fysiikassa. Mutta peruuttamattomuuden lisäksi hän tunnusti myös, että elämään liittyy kilpailu käytettävissä olevasta energiasta - tai vastaavasti sanottuna - taistelu entropian minimoimiseksi.
Elävät asiat ovat nippu piirteitä. Jotkut näistä piirteistä ovat mukautuvia, mikä tarkoittaa, että ne auttavat organismia selviytymään: mahdollistavat sen, että se löytää ruokaa, tai välttää siitä, että siitä tulee ruokaa jollekin muulle. Muut piirteet ovat epäedullisia, ja jotkut ovat neutraaleja, eivätkä ne ole hyödyllisiä eikä haitallisia. Luonnollinen valinta on tapa, jolla evoluutio valitsee adaptiiviset piirteet epäedullisista.
(Boltzmann käytti jopa Darwinin teoriaa väittääkseen, että taitomme luoda käsityksiä siitä, miten maailma toimii, auttoi ihmiskuntaa selviytymään ja menestymään. Tämä tarkoitti, että ihmismielellä - jonka aiheena on paljon filosofisia spekulointeja - on darwiinien periaatteiden mukainen mukautuva piirre. .)
Luonnollinen valinta on ankara näkemys elämästä. Mutta elävät asiat vaativat ruokaa - kemikaaleja ilmasta, maaperästä tai muiden organismien syömisestä - ja se tarkoittaa kilpailua. Selviytyneet organismit siirtävät adaptiiviset piirteensä jälkeläisilleen, kun taas haitalliset piirteet katoavat. Jos tarpeeksi näitä piirteitä syntyy sukupolvien aikana, aivan uusia lajeja voi syntyä. Yksi niistä lajeista oli meidän: ihmiset syntyivät luonnollisen valinnan ja sopeutumisen prosesseista, kuten kaikki muu elämä.
Boltzmann väitti molemmat teoriat väittäen, että elämän taistelu ei ole yli energiaa. Maa saa paljon aurinkoa energiaa, paljon enemmän kuin elämä tosiasiallisesti käyttää fotosynteesin muodossa (ja muut organismit, jotka syövät kasveja ja muita fotosyntetisaattoreita). Sen sijaan elämä on taistelu entropian minimoimiseksi kaappaamalla mahdollisimman suuri osa käytettävissä olevasta energiasta.
Boltzmannin näkemys yhdisti Darwinin teorian perustavanlaatuiseen fysiikkaan, hämmästyttävän älyllisen saavutuksen. Se osoitti, kuinka sekä evoluutiolla että entropialla on vaikutusta alkuperäisten alueidensa ulkopuolelle. Nykyään meillä on evoluutioalgoritmeja ja entropiaa informaatioteoriassa, ja evoluutio on kriteeri, jota NASA käyttää etsiessään elämää muissa maailmoissa.
Darwinin ja Boltzmannin kaksoisvallankumous elää. Ehkä voisit jopa sanoa, että he ovat kehittyneet yhdessä.
