Kõigist teaduse arengutest on evolutsioon olnud inimese ego kõige raskem. Charles Murwini revolutsiooniline teooria, mis oli kirjas tema murrangulises 1859. aasta raamatus liikide päritolu kohta, ähvardas inimkonna ülendatud positsiooni universumis ümber lükata. Kuid samal ajastul toimus ka vaiksem ja näiliselt sõltumatu teadusrevolutsioon.
Seotud sisu
- Charles Darwini vanaisa oli kuulus oma luuletustest taime seksi kohta
- Kaks korda varastatud Charles Darwini kirjutatud kiri naaseb Smithsoniani
- Kaks teadlast jagavad evolutsiooni teooria eest krediiti. Darwin sai kuulsaks; See bioloog ei teinud seda.
- Charles Darwini evolutsioon
Entroopia mõiste füüsikas algas piisavalt kahjutult, selgitamaks, miks aurumasinad ei võiks kunagi olla täiesti tõhusad. Kuid lõpuks ohustas entroopia ka väljakujunenud hierarhiat. Ja tegelikult olid entroopia ja evolutsioon rohkem kui juhuslikult seotud.
Entroopiat võitles ja töötas välja Austria füüsik Ludwig Boltzmann - kes oli ka üks Darwini suurimaid füüsikakogukonna edendajaid. 1886. aastal, neli aastat pärast Darwini surma, pidas Boltzmann populaarse entroopialoengu, milles ta ütles: „Kui te küsite minu sisemise veendumuse kohta, kas meie sajandit nimetatakse raua sajandiks või auru või elektri sajandiks, siis vastan kõhklemata: seda hakatakse nimetama mehaanilise loodusevaate sajandiks, Darwini sajandiks. ”
Ometi oli Boltzmann midagi enamat kui lihtsalt Darwini cheerleader. Ta mõistis evolutsiooniteooriat sügavamalt kui enamus tol ajal ja tunnistas selle põhideede täielikku tähendust. Täpsemalt mõistis ta, kuidas evolutsioon ja soojuse füüsika tuginesid nii ajaloo mõistmisele kui ka sellele, kuidas väikesed muutused aja jooksul kogunevad. 19. sajandil olid need ideed nii revolutsioonilised, et neid võis paljude jaoks pidada ketserlikuks.
Peale nende suurepäraste habemete polnud Darwinil ja Boltzmannil inimesena palju ühist. Ehkki nende tööelu kattus paljude aastate jooksul, ei kohtunud need kaks meest kunagi. Darwin oli rohkem kui põlvkond vanem ja ta kasvas üles kuulsast perest pärit härrasmees; haigus hoidis teda suurema osa oma hilisemast elust kodus. Boltzmann õpetas ülikoolides ja juhendas paljusid 20. sajandi füüsika pioneere. Ta leiutas vidinaid, kirjutas luulet ja reisis ulatuslikult. Hiljem oli ta hädas depressiivsete episoodidega, mida ta kirjeldas kirjalikult, ja tegi enesetapu 1906. aastal.
Pinnal tundusid ka nende teooriad üksteisest kaugel. Kuid vaadake sügavamalt ja need on lahutamatult põimunud.
Nii evolutsioon kui ka entroopia häirivad paljude inimeste arvamust “loomulikust” korrast. Darwin ütles, et inimesed põlvnevad teistest loomadest; et me oleme osa samast sugupuust kui kõik elusad asjad, alludes universaalsele protsessile, mida nimetatakse looduslikuks valikuks. Boltzmann ütles, et korrapärased füüsikaseadused põhjustavad häireid ja nõuavad, et me kasutaksime statistika keelt ja mõistmise tõenäosust. Mõlemad ideed sekkusid 19. sajandi vaadetesse progressi ja pideva täiustamise osas, kuid teooriad olid ka omavahel läbi põimitud viisil, mille Boltzmann tõenäoliselt esimesena ära tundis.
Galapagose saarte vinnid olid peamiseks näiteks Darwini loomuliku valiku evolutsiooniteooriast. (MarcPo / iStock) Entroopia avastasid aurumasinatega töötavad insenerid. Nad mõistsid, et ükskõik kui tõhusad nende masinad ka poleks, oli protsessis alati mõni energia kadunud. Energiat ei hävitatud (see on võimatu); seda lihtsalt polnud võimalik kasutada. Rudolf Clausius nimetas selle energiakao määratletud kogust "entroopiaks" kreekakeelsest sõnast transformatsioon ja sellest, et see kõlab sarnaselt "energiaga".
Füüsikud kinnitasid entroopia eesmärgi termodünaamika teises seaduses, milles öeldakse: Kõigis välistest mõjudest eraldatud protsessides suureneb entroopia või püsib see muutumatuna. See on viis öelda kosmilises mõttes, et vaba raha pole. Iga tehing maksab midagi. Kuid selle määratlemine ei ütle tegelikult, mis on entroopia - ja Boltzmann soovis rohkem teada saada.
19. sajandil ühendasid teadlased inimese teadmiste erinevad aspektid: ühendasid elektrienergia magnetilisusega, kasutasid füüsikas uusi meetodeid keemiliste elementide tuvastamiseks jne. Boltzmann soovis gaaside käitumise mõistmiseks kasutada Newtoni liikumisseadusi, mis reguleerivad makroskoopiliste objektide käitumist.
Tema pretsedent oli "kineetiline teooria", James Clerk Maxwelli (kelle suurim väide kuulsuse kohta on elektrit ja magnetismi ühendav teooria, mis näitab, et valgus on elektromagnetiline laine) ja kolleegide väljapakutud mudel. Kineetiline teooria ühendas mikroskoopiliste gaasiosakeste kiirused mõõdetavate kogustega nagu temperatuur. Newtoni seaduste kohaselt peaksid nende osakeste vahelised individuaalsed kokkupõrked nägema sama välja, kui te ajasuunda pöörate. Ent entroopia peab alati suurenema või jääma samaks - see on pöördumatu.
Pöördumatus on normaalne osa elust. Klaasi purustamine ja vee üle põranda valamine on pöördumatu. Klaasi killud ja veemolekulid ei moodustu spontaanselt uuesti. Koogitainas ei segune, tuppa piserdatud parfüüm ei voola tagasi pudelisse. Boltzmann soovis neid realistlikke pöördumatuid sündmusi selgitada mikroskoopilise füüsika abil. Ta tegi seda, näidates, kui suured gaasiosakesed võivad ikkagi pöördumatuid tulemusi anda.
Mõelge suletud kastile, mille liikuv vahesein jagab selle pooleks. Oma katses täidame poole kastist mingi gaasiga, seejärel avame partitsiooni veidi. Osa gaasi läheb läbi vaheseina ava, nii et mõne aja pärast on karbi mõlemal küljel umbes sama palju gaasi.
Kui me alustaksime gaasi kasti mõlemal küljel olevast poolest gaasist ja avaksime siis vaheseina, ei saaks me peaaegu kindlasti kogu seda kasti ühel küljel otsa, isegi kui me väga kaua ootasime. Kuigi iga kokkupõrge osakeste vahel või osakeste ja anuma seinte vahel on pöörduv, ei anna see tulemust.
Muidugi, on võimalik, et kõik gaasiosakesed voolavad spontaanselt anuma ühelt küljelt teisele. Kuid nagu Boltzmann märkis, pole nii tõenäoline, et peaksime selle pärast muretsema. Samal viisil võib entroopia spontaanselt väheneda, kuid vaevalt see kunagi juhtub. See on palju tõenäolisem, et suureneb, või - kui gaasiosakesed on mahuti külgede vahel ühtlaselt jaotunud - jääge samaks.
Tulemuseks on suund ja pöördumatus, isegi kui see tekkis täielikult pöörduvas mikroskoopilises käitumises. Selles nägi Boltzmann seoseid entroopia ja evolutsiooni vahel.
*****
Bioloogias on väikesed põlvkondadevahelised muutused iseenesest meie eesmärkidel ja eesmärkidel suunatud ja juhuslikud. Kuid Darwini loodusliku valiku teooria näitas, kuidas need võivad lõpuks viia pöördumatute muutusteni, pakkudes põhjalikku selgitust uute liikide tekkeks olemasolevatest. Darwin nimetas seda nähtust modifikatsiooniks laskumiseks ja tutvustas loodusliku valiku ideed, et see toimiks.
Boltzmann tunnistas, et see oli sügav viis Maakera elu leviku mõistmiseks, sarnaselt sellega, et tema entroopia selgitus andis sügava mõistmise füüsika pöördumatutest protsessidest. Kuid lisaks pöördumatusele tunnistas ta ka, et elu hõlmab konkurentsi saadaoleva energia üle - või öeldes samaväärselt - võitlust entroopia minimeerimiseks.
Elavad asjad on kimbu omadusi. Mõned neist omadustest on kohanemisvõimelised, mis tähendab, et need aitavad organismil ellu jääda: võimaldavad tal toitu leida või väldivad millegi muu toiduks saamist. Muud omadused on ebasoodsad ja mõned on neutraalsed, ei ole abiks ega kahjulikud. Looduslik valik on viis, kuidas evolutsioon valib adaptiivsed tunnused ebasoodsatest.
(Boltzmann kasutas isegi Darwini teooriat, väites, et meie oskus luua maailma toimimisest kontseptsioone aitas inimkonnal ellu jääda ja edu saavutada. See tähendas, et inimmõistus - paljude filosoofiliste spekulatsioonide objekt - on Darwini põhimõtete kohaselt adaptiivne omadus) .)
Looduslik valik on karm vaade elule. Kuid elusad asjad vajavad toitu - kemikaale õhust, pinnasest või muude organismide söömiseks - ja see tähendab konkurentsi. Ellujäänud organismid annavad adaptiivsed omadused edasi järglastele, kahjulikud tunnused aga kaovad. Kui põlvkondade jooksul koguneb piisavalt neid tunnuseid, võivad ilmneda täiesti uued liigid. Üks neist liikidest oli meie oma: inimesed, nagu ka kogu muu elu, sündisid loodusliku valiku ja kohanemise protsessidest.
Boltzmann kasutas mõlemat teooriat väites, et elu võitlus pole energia üle. Maa saab Päikeselt palju energiat, palju rohkem kui elu tegelikult fotosünteesi käigus kasutab (ja muud taimed söövad organismid ja muud fotosüntesaatorid). Selle asemel on elu võitlus entroopia minimeerimiseks, jäädvustades võimalikult palju olemasolevat energiat.
Boltzmanni ülevaade ühendas Darwini teooria fundamentaalfüüsikaga, hämmastava intellektuaalse saavutusega. See näitas, kuidas nii evolutsioonil kui entroopil on mõju väljaspool nende algset domeeni. Täna on meil infoteoorias evolutsioonilised algoritmid ja entroopia ning evolutsioon on kriteerium, mida NASA kasutab oma elu otsimisel teistes maailmades.
Darwini ja Boltzmanni kaksikrevolutsioonid elavad edasi. Võib-olla võiks isegi öelda, et nad on koos arenenud.
