Ze všech vědeckých pokroků byla evoluce na lidském egu nejtěžší. Revoluční teorie Charlese Darwina, popsaná v jeho průkopnické knize o původu druhů z roku 1859 , hrozila, že převrátí vznešené postavení lidstva ve vesmíru. Ve stejné době se ale konala i tišší - a zdánlivě nesouvisející - vědecká revoluce.
Související obsah
- Dědeček Charlese Darwina byl známý svými básněmi o rostlinném sexu
- Dopis, který napsal Charles Darwin, dvakrát odcizený, se vrací k Smithsonianovi
- Dva vědci sdílejí kredit za teorii evoluce. Darwin se stal slavným; Tento biolog ne.
- Evoluce Charlese Darwina
Pojem entropie ve fyzice začal dostatečně neškodně, jako vysvětlení toho, proč parní stroje nemohou být nikdy dokonale efektivní. Ale nakonec entropie také ohrožovala zavedenou hierarchii. A ve skutečnosti byla entropie a evoluce více než jen náhodně spojená.
Entropii prosazoval a rozvíjel rakouský fyzik Ludwig Boltzmann - který se také stal jedním z největších darwinových promotérů ve fyzikální komunitě. V roce 1886, čtyři roky po Darwinově smrti, provedl Boltzmann populární přednášku o entropii, ve které řekl: „Pokud se mě zeptáte na moje nejvnitřnější přesvědčení, zda bude naše století nazýváno století železa nebo století páry nebo elektřiny, odpovím bez váhání: bude se to nazývat století mechanického pohledu na přírodu, století Darwina. “
Přesto byl Boltzmann více než pouhý Darwinův roztleskávačka. V té době rozuměl evoluční teorii hlouběji než většina ostatních a uznal plné důsledky jejích hlavních myšlenek. Konkrétně pochopil, jak se evoluce a fyzika tepla spoléhaly na historii porozumění a jak se malé změny v průběhu času hromadily. V 19. století byly tyto myšlenky tak revoluční, že se pro mnohé považovaly za kacířské.
Kromě svých velkolepých vousů, Darwin a Boltzmann neměli moc společného jako lidé. Přestože se jejich pracovní životy překrývaly mnoho let, oba muži se nikdy nesetkali. Darwin byl o více než generaci starší a vyrostl jako pozemkový pán ze slavné rodiny; nemoc ho držela doma po většinu svého pozdějšího života. Boltzmann vyučoval na univerzitách a vyučoval mnoho budoucích průkopníků fyziky 20. století. Vymýšlel gadgety, psal poezii a značně cestoval. Později bojoval s depresivními epizodami, které popsal písemně, a v roce 1906 spáchal sebevraždu.
Na povrchu se i jejich teorie zdály od sebe vzdáleny. Ale podívejte se hlouběji a jsou neoddělitelně propletené.
Evoluce i entropie narušují názory mnoha lidí na „přirozený“ řád. Darwin řekl, že lidé pocházejí z jiných zvířat; že jsme součástí stejného rodokmenu jako všechny živé věci, podléhající univerzálnímu procesu zvanému přirozený výběr. Boltzmann řekl, že řádné fyzikální zákony vedou k nepořádkům a vyžadují, abychom používali jazyk statistik a pravděpodobnosti, abychom porozuměli. Obě myšlenky zasahovaly do názorů na pokrok a neustálé zlepšování 19. století, ale teorie byly také propojeny způsobem, který Boltzmann možná jako první rozpoznal.
Pěnkavy ostrovů Galapagos poskytly klíčový příklad pro Darwinovu evoluční teorii přirozeným výběrem. (MarcPo / iStock) Entropii objevili inženýři pracující na parních strojích. Uvědomili si, že bez ohledu na to, jak efektivní byly jejich stroje, v procesu vždy byla nějaká energie. Energie nebyla zničena (to je nemožné); to prostě nebylo k dispozici k použití. Rudolf Clausius nazval množství definované touto energetickou ztrátou „entropií“ z řeckého slova pro transformaci a skutečnost, že to zní podobně jako „energie“.
Fyzici zakotvili entropický účel ve druhém zákoně o termodynamice, který uvádí: V každém procesu odříznutém od vnějších vlivů entropie zvyšuje nebo zůstává konstantní. Je to způsob, jak v kosmickém smyslu říci, že neexistují žádné volné peníze. Každá transakce něco stojí. Ale definování to tak opravdu neříká, co je entropie - a Boltzmann chtěl vědět víc.
V 19. století vědci sjednocují různé aspekty lidského poznání: spojování elektřiny s magnetismem, používání nových metod ve fyzice k identifikaci chemických prvků atd. Boltzmann chtěl použít Newtonovy zákony pohybu, které řídí chování makroskopických objektů, k pochopení chování plynů.
Jeho precedentem byla „kinetická teorie“, model navržený Jamesem Clerkem Maxwellem (jehož největším nárokem na slávu je teorie sjednocující elektřinu a magnetismus, zobrazující světlo je elektromagnetická vlna) a jeho kolegové. Kinetická teorie spojovala rychlosti mikroskopických částic plynu s měřitelnými veličinami, jako je teplota. Podle Newtonových zákonů by jednotlivé srážky mezi těmito částicemi měly vypadat stejně, pokud jste obrátili směr času. Entropie však musí vždy růst nebo zůstat stejná - je to nevratné.
Nezvratitelnost je normální součástí života. Rozbití sklenice a rozlití vody po podlaze je nevratné. Fragmenty skla a molekuly vody se spontánně nevytvoří. Cake těsto nebude smíchat, parfém roztrhaný do místnosti nebude téct zpět do láhve. Boltzmann chtěl vysvětlit tyto realistické nevratné události pomocí mikroskopické fyziky. Udělal to tím, že ukázal, jak obrovské množství částic plynu může stále vést k nevratným výsledkům.
Pomyslete na uzavřenou krabici s pohyblivou přepážkou, která ji rozdělí na polovinu. V našem experimentu naplníme polovinu krabice nějakým druhem plynu a poté oddíl mírně otevřete. Část plynu projde otvorem v přepážce, takže po chvíli je na obou stranách krabice přibližně stejné množství plynu.
Pokud bychom začali s polovinou plynu na obou stranách krabice a pak jsme otevřeli přepážku, téměř určitě bychom neskončili tím, že by to všechno skončilo na jedné straně krabice, i kdybychom čekali velmi dlouhou dobu. I když každá kolize mezi částicemi nebo mezi částicemi a stěnami nádoby je reverzibilní, výsledek není.
Jistě, je možné, že všechny částice plynu spontánně tekou z jedné strany nádoby na druhou. Ale jak Boltzmann zdůraznil, je tak nepravděpodobné, že bychom se tím nemuseli bát. Stejně tak může entropie spontánně klesat, ale stěží to tak někdy je. Je mnohem pravděpodobnější, že se zvýší, nebo - jakmile budou částice plynu rovnoměrně rozděleny mezi strany nádoby - zůstanou stejné.
Výsledkem je směrovost a ireverzibilita, i když má původ v naprosto reverzibilním mikroskopickém chování. V tom viděl Boltzmann souvislosti mezi entropií a evolucí.
*****
V biologii jsou malé změny mezi generacemi samy o sobě, pro naše záměry a účely, nesměrové a náhodné. Teorie Darwinovy přirozené selekce však ukázala, jak mohou nakonec vést k nevratným změnám, což poskytuje základní vysvětlení toho, jak nové druhy vycházejí ze stávajících. Darwin nazval tento jev „sestup s modifikací“ a představil myšlenku přirozeného výběru, aby to fungovalo.
Boltzmann uznal, že to byl hluboký způsob, jak porozumět šíření života na Zemi, podobně jako jeho vysvětlení entropie poskytovalo hluboké pochopení nezvratných procesů ve fyzice. Ale kromě nezvratnosti také uznal, že život zahrnuje konkurenci nad dostupnou energií - nebo aby to řekl rovnocenným způsobem, bitvu o minimalizaci entropie.
Živé věci jsou svazek zvláštností. Některé z těchto vlastností jsou adaptivní, což znamená, že pomáhají organismu přežít: umožnit mu najít jídlo nebo se vyhnout jídlu pro něco jiného. Jiné rysy jsou nevýhodné a některé jsou neutrální a nejsou ani užitečné ani škodlivé. Přirozený výběr je způsob, jakým evoluce vybírá adaptivní rysy od těch nevýhodných.
(Boltzmann dokonce použil Darwinovu teorii k argumentaci, že naše dovednost ve vytváření koncepcí toho, jak svět funguje, pomohla lidstvu přežít a uspět. To znamenalo, že lidská mysl - předmět mnoha filosofických spekulací) je podle darwinovských principů adaptivní vlastnost .)
Přirozený výběr je tvrdý pohled na život. Živé věci však vyžadují jídlo - chemikálie ze vzduchu, půdy nebo z jiných organismů - a to znamená konkurenci. Organismy, které přežijí, předají své adaptivní vlastnosti svému potomstvu, zatímco škodlivé vlastnosti vymizí. Pokud se během těchto generací vytvoří dostatečné množství těchto znaků, může vyvstávat zcela nový druh. Jeden z těchto druhů byl náš: lidé se narodili z procesů přirozeného výběru a přizpůsobení, stejně jako celý život.
Boltzmann použil obě teorie k argumentaci, že životní boj není nad energií. Země získává od Slunce spoustu energie, mnohem více, než život ve skutečnosti používá ve formě fotosyntézy (a dalších organismů, které jedí rostliny a jiné fotosyntetizátory). Místo toho je život bojem o minimalizaci entropie zachycením co největšího množství dostupné energie.
Boltzmannův vhled propojil Darwinovu teorii se základní fyzikou, ohromujícím intelektuálním úspěchem. Ukázalo se, jak evoluce i entropie mají vliv mimo jejich původní domény. Dnes máme evoluční algoritmy a entropii v teorii informací a evoluce je na kritériu, které NASA používá při hledání života v jiných světech.
Darwinovy a Boltzmannovy dvojité revoluce žijí dál. Možná byste dokonce mohli říci, že se společně vyvinuli.
