Из всех научных достижений эволюция была самой трудной для человеческого эго. Революционная теория Чарльза Дарвина, изложенная в его революционной книге 1859 года « О происхождении видов», угрожала отменить возвышенное положение человечества во вселенной. Тем не менее, в ту же эпоху происходила более спокойная и, казалось бы, не связанная с этим научная революция.
Связанный контент
- Дед Чарльза Дарвина прославился своими стихами о растительном сексе
- Письмо, написанное Чарльзом Дарвином, дважды украденное, возвращается в Смитсоновский институт
- Два ученых разделяют кредит на теорию эволюции. Дарвин получил известность; Этот биолог не сделал.
- Эволюция Чарльза Дарвина
Понятие энтропии в физике началось достаточно безобидно, как объяснение того, почему паровые двигатели никогда не могли быть совершенно эффективными. Но в конечном итоге энтропия также угрожает установившейся иерархии. И на самом деле, энтропия и эволюция были более чем случайно связаны.
Энтропия была защищена и разработана австрийским физиком Людвигом Больцманом, который также оказался одним из крупнейших промоутеров Дарвина в физическом сообществе. В 1886 году, спустя четыре года после смерти Дарвина, Больцман выступил с популярной лекцией по энтропии, в которой он сказал: «Если вы спросите меня о моем глубочайшем убеждении, будет ли наш век называться веком железа или века пара или электричества, я отвечу не задумываясь: это будет век механического взгляда на природу, век Дарвина ».
И все же Больцман был не просто болельщиком Дарвина. Он понимал эволюционную теорию глубже, чем большинство в ту эпоху, и осознавал всю полноту ее основных идей. В частности, он понял, как эволюция и физика тепла полагаются на понимание истории, и как небольшие изменения накапливаются с течением времени. В 19 веке эти идеи были настолько революционными, что многие считали их еретиками.
У Дарвина и Больцмана, кроме их великолепных бород, не было много общего как людей. Хотя их трудовая жизнь перекрывалась многими годами, эти двое никогда не встречались. Дарвин был на поколение старше, и вырос молодым джентльменом из знаменитой семьи; болезнь держала его дома большую часть его дальнейшей жизни. Больцман преподавал в университетах и обучал многих будущих пионеров физики 20-го века. Он изобрел гаджеты, писал стихи и много путешествовал. Позже он боролся с депрессивными эпизодами, которые он описал в письменной форме, и покончил жизнь самоубийством в 1906 году.
На первый взгляд их теории тоже казались далекими друг от друга. Но посмотрите глубже, и они неразрывно связаны между собой.
И эволюция, и энтропия расстраивают взгляды многих людей на «естественный» порядок. Дарвин сказал, что люди произошли от других животных; что мы являемся частью того же генеалогического древа, что и все живые существа, и подвергаемся универсальному процессу, называемому естественным отбором. Больцман сказал, что упорядоченные законы физики приводят к беспорядку и требуют от нас использования языка статистики и вероятности для понимания. Обе идеи мешали взглядам 19-го века на прогресс и постоянное улучшение, но теории также были переплетены таким образом, что Больцман, возможно, был первым, кто это признал.
Зяблики Галапагосских островов послужили ключевым примером теории эволюции Дарвина посредством естественного отбора. (MarcPo / iStock) Энтропия была обнаружена инженерами, работающими над паровыми двигателями. Они поняли, что независимо от того, насколько эффективными были их машины, в процессе всегда была потеряна некоторая энергия. Энергия не была уничтожена (это невозможно); это просто не было доступно для использования. Рудольф Клаузиус назвал величину, определенную этой потерей энергии, «энтропией», от греческого слова «трансформация» и того факта, что она звучит похоже на «энергию».
Физики закрепили цель энтропии во Втором законе термодинамики, который гласит: В любом процессе, изолированном от внешних воздействий, энтропия увеличивается или остается постоянной. В космическом смысле это способ сказать, что свободных денег нет. Каждая транзакция стоит чего-то. Но такое определение не означает, что такое энтропия, и Больцман хотел знать больше.
В 19 веке ученые объединили различные аспекты человеческого знания: соединение электричества с магнетизмом, использование новых методов в физике для идентификации химических элементов и так далее. Больцман хотел использовать законы движения Ньютона, которые управляют поведением макроскопических объектов, чтобы понять поведение газов.
Его прецедентом была «кинетическая теория», модель, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом (чья самая большая претензия на известность - теория, объединяющая электричество и магнетизм, показывающая, что свет - это электромагнитная волна) и его коллеги. Кинетическая теория связывала скорости частиц микроскопического газа с такими измеряемыми величинами, как температура. Согласно законам Ньютона, отдельные столкновения между этими частицами должны выглядеть одинаково, если вы изменили направление времени. Однако энтропия всегда должна увеличиваться или оставаться неизменной - она необратима.
Необратимость - нормальная часть жизни. Разбить стекло и пролить воду на пол необратимо. Фрагменты стекла и молекулы воды не будут самопроизвольно формироваться. Тесто для торта не размешается, духи в комнате не перетекают обратно в бутылку. Больцман хотел объяснить эти реалистичные необратимые события с помощью микроскопической физики. Он сделал это, показав, как огромное количество газовых частиц все еще может давать необратимые результаты.
Представьте себе запечатанную коробку с подвижной перегородкой, разделяющей ее пополам. В нашем эксперименте мы наполняем половину коробки газом, а затем слегка открываем перегородку. Часть газа будет проходить через отверстие в перегородке, так что через некоторое время с обеих сторон коробки будет примерно одинаковое количество газа.
Если бы мы начали с половины газа с обеих сторон коробки, а затем открыли перегородку, мы почти наверняка не получили бы все это на одной стороне коробки, даже если бы мы ждали очень долго. Даже если каждое столкновение между частицами или между частицами и стенками контейнера обратимо, результат - нет.
Конечно, все частицы газа могут самопроизвольно перетекать с одной стороны контейнера на другую. Но, как указал Больцман, маловероятно, что нам не нужно об этом беспокоиться. Точно так же энтропия может спонтанно уменьшаться, но вряд ли когда-либо так. Вероятность его увеличения гораздо выше, или, если частицы газа равномерно распределены между стенками контейнера, они остаются прежними.
Результатом является направленность и необратимость, даже если она возникла в результате полностью обратимого микроскопического поведения. В этом Больцман видел связь между энтропией и эволюцией.
*****
В биологии небольшие изменения между поколениями сами по себе являются для наших целей и целей бесцельными и случайными. Но теория естественного отбора Дарвина показала, как они могут в конечном итоге привести к необратимым изменениям, предоставляя основное объяснение того, как новые виды возникают из существующих. Дарвин назвал это явление «происхождением с модификацией» и ввел идею естественного отбора, чтобы заставить его работать.
Больцман признал, что это был глубокий способ понять распространение жизни на Земле, подобно тому, как его объяснение энтропии дало глубокое понимание необратимых процессов в физике. Но помимо необратимости он также признал, что жизнь включает в себя конкуренцию за доступную энергию - или, другими словами, битву за минимизацию энтропии.
Живые существа - это набор черт. Некоторые из этих черт являются адаптивными, что означает, что они помогают организму выживать: позволяют ему находить пищу или не становятся пищей для чего-то другого. Другие черты невыгодны, а некоторые нейтральны, ни полезны, ни вредны. Естественный отбор - это способ, которым эволюция выделяет адаптивные черты из неблагоприятных.
(Больцман даже использовал теорию Дарвина, чтобы доказать, что наше умение создавать концепции того, как устроен мир, помогло человечеству выжить и преуспеть. Это означало, что человеческий разум - предмет многих философских спекуляций - является адаптивной чертой, согласно принципам Дарвина .)
Естественный отбор - суровый взгляд на жизнь. Но живые существа требуют пищи - химических веществ из воздуха, почвы или от употребления в пищу других организмов - и это означает конкуренцию. Выжившие организмы передают свои адаптивные черты потомству, а вредные черты исчезают. Если из поколения в поколение накапливается достаточно этих признаков, могут появиться совершенно новые виды. Один из этих видов был нашим: люди родились в результате процессов естественного отбора и адаптации, как и всякая другая жизнь.
Больцман использовал обе теории, чтобы доказать, что жизненная борьба не за энергию. Земля получает много энергии от Солнца, гораздо больше, чем жизнь фактически использует в форме фотосинтеза (и других организмов, которые питаются растениями и другими фотосинтезаторами). Вместо этого жизнь - это борьба за минимизацию энтропии путем захвата как можно большего количества доступной энергии.
Понимание Больцмана связало теорию Дарвина с фундаментальной физикой, поразительное интеллектуальное достижение. Он показал, как эволюция и энтропия влияют за пределы своих первоначальных областей. Сегодня у нас есть эволюционные алгоритмы и энтропия в теории информации, и эволюция является критерием, который НАСА использует для поиска жизни в других мирах.
Двойственные революции Дарвина и Больцмана продолжаются. Возможно, вы могли бы даже сказать, что они со-эволюционировали.
