Van alle wetenschappelijke vooruitgang is evolutie het moeilijkst geweest voor het menselijke ego. De revolutionaire theorie van Charles Darwin, neergelegd in zijn baanbrekende boek over de oorsprong van soorten uit 1859 , dreigde de verheven positie van de mensheid in het universum teniet te doen. Maar in hetzelfde tijdperk vond ook een stillere - en schijnbaar niet-verwante - wetenschappelijke revolutie plaats.
gerelateerde inhoud
- De grootvader van Charles Darwin was beroemd om zijn gedichten over plantenseks
- Een brief geschreven door Charles Darwin, Twice Stolen, keert terug naar het Smithsonian
- Twee wetenschappers delen de eer voor de evolutietheorie. Darwin werd beroemd; Deze bioloog niet.
- De evolutie van Charles Darwin
Het concept van entropie in de fysica begon onschadelijk genoeg, als een verklaring voor waarom stoommachines nooit perfect efficiënt konden zijn. Maar uiteindelijk bedreigde entropie ook een gevestigde hiërarchie. En in feite waren entropie en evolutie meer dan terloops gerelateerd.
Entropy werd verdedigd en uitgewerkt door de Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann - die toevallig ook een van de grootste promotors van Darwin in de natuurkundegemeenschap was. In 1886, vier jaar na de dood van Darwin, gaf Boltzmann een populaire lezing over entropie waarin hij zei: “Als je me vraagt naar mijn diepste overtuiging of onze eeuw de eeuw van ijzer of de eeuw van stoom of elektriciteit zal worden genoemd, antwoord ik zonder aarzeling: het zal de eeuw van de mechanische kijk op de natuur worden genoemd, de eeuw van Darwin. ”
Toch was Boltzmann meer dan alleen een cheerleader van Darwin. Hij begreep de evolutietheorie dieper dan de meeste in die tijd, en erkende de volledige implicaties van haar kernideeën. In het bijzonder begreep hij hoe evolutie en de fysica van warmte beide afhankelijk waren van het begrijpen van de geschiedenis, en hoe kleine veranderingen zich in de loop van de tijd ophopen. In de 19e eeuw waren deze ideeën zo revolutionair dat ze voor velen als ketters werden beschouwd.
Afgezien van hun prachtige baarden, hadden Darwin en Boltzmann niet veel gemeen als mensen. Hoewel hun werkende leven vele jaren overlapte, hebben de twee mannen elkaar nooit ontmoet. Darwin was meer dan een generatie ouder en groeide op als een landheer uit een beroemde familie; ziekte hield hem voor een groot deel van zijn latere leven thuis. Boltzmann gaf les aan universiteiten en instrueerde veel toekomstige pioniers van de natuurkunde van de 20e eeuw. Hij bedacht gadgets, schreef poëzie en reisde veel. Hij worstelde later met depressieve afleveringen, die hij schriftelijk beschreef, en pleegde zelfmoord in 1906.
Op het eerste gezicht leken ook hun theorieën ver van elkaar verwijderd. Maar kijk dieper en ze zijn onlosmakelijk met elkaar verweven.
Zowel evolutie als entropie verstoorde de kijk van veel mensen op de 'natuurlijke' orde. Darwin zei dat mensen afstammen van andere dieren; dat we deel uitmaken van dezelfde stamboom als alle levende wezens, onderworpen aan een universeel proces dat natuurlijke selectie wordt genoemd. Boltzmann zei dat de geordende natuurwetten leiden tot wanorde, en vereisen dat we de taal van statistiek gebruiken en waarschijnlijkheid begrijpen. Beide ideeën belemmerden de opvattingen van de 19e eeuw over vooruitgang en voortdurende verbetering, maar de theorieën waren ook met elkaar verweven op een manier die Boltzmann mogelijk als eerste herkende.
De vinken van de Galapagos-eilanden vormden een belangrijk voorbeeld voor Darwins evolutietheorie door natuurlijke selectie. (MarcPo / iStock) Entropy werd ontdekt door ingenieurs die aan stoommachines werken. Ze realiseerden zich dat hoe efficiënt hun machines ook waren, er ging altijd wat energie verloren in het proces. De energie werd niet vernietigd (dat is onmogelijk); het was gewoon niet beschikbaar om te worden gebruikt. Rudolf Clausius noemde de door dit energieverlies gedefinieerde hoeveelheid "entropie", van het Griekse woord voor transformatie en het feit dat het vergelijkbaar klinkt met "energie".
Natuurkundigen hebben het doel van entropie vastgelegd in de tweede wet van de thermodynamica, die luidt: in elk proces afgesloten van externe invloeden neemt entropie toe of blijft constant. Het is een manier om in kosmische zin te zeggen dat er geen gratis geld is. Elke transactie kost iets. Maar het op die manier definiëren zegt niet echt wat entropie is - en Boltzmann wilde meer weten.
In de 19e eeuw verenigden wetenschappers verschillende aspecten van menselijke kennis: elektriciteit verenigen met magnetisme, met behulp van nieuwe methoden in de fysica om chemische elementen te identificeren, enzovoort. Boltzmann wilde de bewegingswetten van Newton, die het gedrag van macroscopische objecten regelen, gebruiken om het gedrag van gassen te begrijpen.
Zijn precedent was 'kinetische theorie', een model dat werd voorgesteld door James Clerk Maxwell (wiens grootste claim op roem de theorie is die elektriciteit en magnetisme verenigt, licht tonen een elektromagnetische golf is) en collega's. De kinetische theorie verbond de snelheden van microscopische gasdeeltjes met meetbare hoeveelheden zoals temperatuur. Volgens de wetten van Newton moeten individuele botsingen tussen deze deeltjes er hetzelfde uitzien als u de richting van de tijd omkeert. Entropie moet echter altijd toenemen of hetzelfde blijven - het is onomkeerbaar.
Onomkeerbaarheid is een normaal onderdeel van het leven. Een glas breken en het water over de vloer morsen is onomkeerbaar. De fragmenten van glas en watermoleculen zullen zich niet spontaan opnieuw vormen. Cakebeslag zal niet losraken, parfum dat in een kamer wordt gemorst, vloeit niet terug in de fles. Boltzmann wilde deze realistische onomkeerbare gebeurtenissen verklaren met behulp van microscopische fysica. Hij deed dat door te laten zien hoe grote aantallen gasdeeltjes nog steeds onomkeerbare resultaten konden produceren.
Denk aan een verzegelde doos met een verplaatsbare scheidingswand die deze in tweeën deelt. In ons experiment vullen we de helft van de doos met een soort gas en openen dan de scheidingswand iets. Een deel van het gas zal door de opening in de scheidingswand gaan, zodat na een tijdje ongeveer dezelfde hoeveelheid gas aan beide zijden van de doos aanwezig is.
Als we zouden beginnen met de helft van het gas aan beide kanten van de doos en vervolgens de scheidingswand zouden openen, zouden we vrijwel zeker niet alles aan één kant van de doos eindigen, zelfs niet als we heel lang zouden wachten. Hoewel elke botsing tussen deeltjes of tussen deeltjes en de wanden van de container omkeerbaar is, is het resultaat niet.
Natuurlijk kunnen alle gasdeeltjes spontaan van de ene kant van de container naar de andere kant stromen. Maar zoals Boltzmann zei, het is zo onwaarschijnlijk dat we ons er geen zorgen over hoeven te maken. Op dezelfde manier kan entropie spontaan afnemen, maar dat doet het bijna nooit. Het is veel waarschijnlijker dat deze toeneemt, of - als de gasdeeltjes gelijkmatig over de zijkanten van de container zijn verdeeld - hetzelfde blijven.
Het resultaat is directionaliteit en onomkeerbaarheid, ook al is het ontstaan in volledig omkeerbaar microscopisch gedrag. Daarin zag Boltzmann verbanden tussen entropie en evolutie.
*****
In de biologie zijn kleine veranderingen tussen generaties op zichzelf, voor onze intenties en doeleinden, richtingloos en willekeurig. Maar de natuurlijke selectietheorie van Darwin liet zien hoe ze uiteindelijk konden leiden tot onomkeerbare verandering, en gaf een onderliggende verklaring voor hoe nieuwe soorten ontstaan uit bestaande soorten. Darwin noemde dit fenomeen 'afstamming met modificatie' en introduceerde het idee van natuurlijke selectie om het te laten werken.
Boltzmann erkende dat dit een diepe manier was om de proliferatie van het leven op aarde te begrijpen, net zoals zijn uitleg van entropie een diep begrip van onomkeerbare processen in de fysica opleverde. Maar naast onomkeerbaarheid, erkende hij ook dat het leven om concurrentie om de beschikbare energie gaat - of, om het op een vergelijkbare manier te zeggen, een strijd om entropie te minimaliseren.
Levende dingen zijn een bundel van eigenschappen. Sommige van die eigenschappen zijn adaptief, wat betekent dat ze een organisme helpen te overleven: het in staat stellen voedsel te vinden, of vermijden voedsel voor iets anders te worden. Andere eigenschappen zijn nadelig, en sommige zijn neutraal, noch nuttig noch schadelijk. Natuurlijke selectie is de manier waarop evolutie de adaptieve eigenschappen kiest uit de nadelen.
(Boltzmann gebruikte zelfs de theorie van Darwin om te beweren dat onze vaardigheid in het creëren van concepties van hoe de wereld werkt de mensheid heeft helpen overleven en slagen. Dat betekende dat de menselijke geest - het onderwerp van veel filosofische speculatie - een adaptieve eigenschap is, volgens Darwiniaanse principes .)
Natuurlijke selectie is een harde kijk op het leven. Maar levende wezens hebben voedsel nodig - chemicaliën uit lucht, bodem of van het eten van andere organismen - en dat betekent concurrentie. Organismen die overleven, geven hun adaptieve eigenschappen door aan hun nakomelingen, terwijl schadelijke eigenschappen verdwijnen. Als genoeg van die eigenschappen zich over de generaties opbouwen, kunnen er geheel nieuwe soorten opduiken. Een van die soorten was die van ons: mensen werden geboren uit de processen van natuurlijke selectie en aanpassing, net als al het andere leven.
Boltzmann gebruikte beide theorieën om te beweren dat de strijd in het leven niet over energie gaat. De aarde krijgt veel energie van de zon, veel meer dan het leven eigenlijk gebruikt in de vorm van fotosynthese (en andere organismen die planten en andere fotosynthesizers eten). In plaats daarvan is het leven een strijd om entropie te minimaliseren door zoveel mogelijk beschikbare energie op te vangen.
Boltzmanns inzicht verbond Darwins theorie met fundamentele fysica, een verbazingwekkende intellectuele prestatie. Het liet zien hoe zowel evolutie als entropie invloed hebben buiten hun oorspronkelijke domeinen. Tegenwoordig hebben we evolutionaire algoritmen en entropie in de informatietheorie, en evolutie is op criterium dat NASA gebruikt bij zijn zoektocht naar leven op andere werelden.
De tweelingrevoluties van Darwin en Boltzmann leven voort. Misschien kun je zelfs zeggen dat ze samen zijn geëvolueerd.
