מבין כל ההתקדמות המדעית, האבולוציה הייתה הקשה ביותר באגו האנושי. התיאוריה המהפכנית של צ'רלס דארווין, שהונחה בספרו פורץ הדרך משנת 1859 " על מוצא המינים", איימה על הפיכת מעמדה המרומם של האנושות ביקום. עם זאת, באותה עידן התחוללה גם מהפכה מדעית שקטה יותר ולכאורה אינה קשורה.
תוכן קשור
- סבו של צ'רלס דארווין היה מפורסם בשיריו על מין צמחי
- מכתב שכתב צ'רלס דארווין, גנוב פעמיים, חוזר לסמית'סוניאן
- שני מדענים חולקים קרדיט על תורת האבולוציה. דארווין התפרסם; הביולוג הזה לא.
- האבולוציה של צ'רלס דארווין
מושג האנטרופיה בפיזיקה התחיל די מזיק, כהסבר מדוע מנועי קיטור לעולם לא יוכלו להיות יעילים לחלוטין. אך בסופו של דבר, האנטרופיה גם איימה על היררכיה מבוססת. ולמעשה האנטרופיה והאבולוציה היו קשורות יותר מאשר כלאחר יד.
אנטרופיה זכתה באליפות והרחבה על ידי הפיזיקאי האוסטרי לודוויג בולצמן - שהיה במקרה גם אחד מהמקדמים הגדולים של דארווין בקהילת הפיזיקה. בשנת 1886, ארבע שנים לאחר מותו של דרווין, נתן בולצמן הרצאה פופולרית על אנטרופיה בה אמר: "אם תשאל אותי על ההכרה הפנימית ביותר שלי אם המאה שלנו תקרא מאה הברזל או מאה הקיטור או החשמל, אני עונה בלי להסס: זה ייקרא מאה התפיסה המכנית של הטבע, המאה של דארווין. "
עם זאת, בולצמן היה יותר מאשר רק מעודדת של דרווין. הוא הבין את התיאוריה האבולוציונית לעומק יותר מרובם באותה תקופה, והכיר בהשלכות המלאות של רעיונות הליבה שלה. באופן ספציפי, הוא תפס כיצד האבולוציה והפיזיקה של החום הסתמכו שניהם על הבנת ההיסטוריה, וכמה שינויים קטנים מצטברים עם הזמן. במאה ה -19, רעיונות אלה היו כה מהפכניים עד שנחשבו ככפריים עבור רבים.
מלבד זקנם המרהיב, דארווין ובולצמן לא היו הרבה אנשים משותפים. אף על פי שחיי עבודתם חופפים שנים רבות, שני הגברים מעולם לא נפגשו. דארווין היה מבוגר יותר מדור, וגדל ג'נטלמן נחת ממשפחה מפורסמת; מחלה החזיקה אותו בבית חלק ניכר מחייו המאוחרים. בולצמן לימד באוניברסיטאות והנחה חלוצים רבים בעתיד בפיזיקה של המאה העשרים. הוא המציא גאדג'טים, כתב שירה ונסע בהרחבה. בהמשך הוא נאבק בפרקים דיכאוניים, אותם תיאר בכתב, והתאבד בשנת 1906.
על פני השטח נראה גם התיאוריות שלהם רחוקות זו מזו. אבל תסתכלו עמוק יותר, והם שזורים זה בזה בל יינתק.
גם האבולוציה וגם האנטרופיה מצערים את השקפותיהם של אנשים רבים על הסדר ה"טבעי ". דארווין אמר כי בני האדם נצרו מבעלי חיים אחרים; שאנחנו חלק מאותו אילן היוחסין כמו כל היצורים החיים, בכפוף לתהליך אוניברסאלי המכונה סלקציה טבעית. בולצמן אמר שחוקי הפיזיקה המסודרים גורמים להפרעה ומחייבים אותנו להשתמש בשפת הסטטיסטיקה וההסתברות להבנה. שני הרעיונות הפריעו להשקפותיהם של המאה ה -19 לגבי התקדמות ושיפור תמידי, אך התיאוריות שזורות זו בזו באופן בו בולצמן היה הראשון להכיר בכך.
פינקי האיים של גלפגוס סיפקו דוגמא מרכזית לתורת האבולוציה של דרווין על ידי בחירה טבעית. (MarcPo / iStock) אנטרופי התגלה על ידי מהנדסים העובדים על מנועי קיטור. הם הבינו שלא משנה כמה יעילות המכונות שלהם, תמיד הייתה קצת אנרגיה שאבדה בתהליך. האנרגיה לא נהרסה (זה בלתי אפשרי); זה פשוט לא היה ניתן לשימוש. רודולף קלאוסיוס כינה את הכמות שהוגדרה על ידי אובדן האנרגיה הזה "אנטרופיה", מהמילה היוונית לשינוי והעובדה שזה נשמע דומה ל"אנרגיה ".
פיזיקאים עיגנו את מטרת האנטרופיה בחוק השני של התרמודינמיקה, הקובע: בכל תהליך מנותק מהשפעות חיצוניות האנטרופיה מתגברת או נשארת קבועה. זו דרך לומר, במובן הקוסמי, שאין כסף בחינם. כל עסקה עולה משהו. אבל ההגדרה ככה לא באמת אומרת מהי אנטרופיה - ובולצמן רצה לדעת יותר.
במאה ה -19 ראו מדענים המאחדים היבטים שונים של הידע האנושי: הצטרפות לחשמל למגנטיות, שימוש בשיטות חדשות בפיזיקה לזיהוי יסודות כימיים וכדומה. בולצמן רצה להשתמש בחוקי התנועה של ניוטון, השולטים בהתנהגותם של חפצים מקרוסקופיים, בכדי להבין את התנהגות הגזים.
התקדים שלו היה "תיאוריה קינטית", מודל שהציע ג'יימס קלרק מקסוול (שתביעתו הגדולה ביותר לתהילה היא התיאוריה המאחדת חשמל ומגנטיות, מראה אור הוא גל אלקטרומגנטי) ועמיתים לעבודה. התיאוריה הקינטית חיברה את המהירות של חלקיקי הגז המיקרוסקופיים לכמויות מדידות כמו טמפרטורה. על פי החוקים של ניוטון, התנגשויות אינדיבידואליות בין חלקיקים אלה צריכים להיראות זהים אם תהפכו את כיוון הזמן. עם זאת, האנטרופיה צריכה תמיד להגדיל או להישאר זהה - זה בלתי הפיך.
בלתי הפיכה היא חלק רגיל מהחיים. שוברים כוסית ושפכים את המים על הרצפה זה בלתי הפיך. שברי הזכוכית ומולקולות המים לא יווצרו מחדש באופן ספונטני. הבלילה של העוגה לא תתערבב, הבושם המפוזר בחדר לא יזרום חזרה לבקבוק. בולצמן רצה להסביר אירועים ריאליסטיים בלתי הפיכים אלה באמצעות פיזיקה מיקרוסקופית. הוא עשה זאת בכך שהראה עד כמה חלקיקי גז עדיין יכולים להביא לתוצאות בלתי הפיכות.
חשוב על קופסה אטומה עם מחיצה מטלטלת המחלקת אותה לשניים. בניסוי שלנו אנו ממלאים חצי מהקופסה בסוג של גז ואז פותחים מעט את המחיצה. חלק מהגז יעבור דרך הפתח במחיצה, כך שלאחר זמן מה יש בערך אותה כמות גז בשני צידי התיבה.
אם היינו מתחילים בחצי מהגז בשני צידי התיבה ואז נפתח את המחיצה, כמעט לא היינו מסתיימים עם כל זה בצד אחד של התיבה, אפילו לא אם חיכינו זמן רב מאוד. למרות שכל התנגשות בין חלקיקים או בין חלקיקים לדפנות המכולה הפיכים, התוצאה לא.
בטח, יתכן שכל חלקיקי הגז יזרמו באופן ספונטני מצד אחד של המכולה לצד שני. אבל כפי שציין בולצמן, זה כל כך לא סביר שאנחנו לא צריכים לדאוג לזה. באותו אופן, האנטרופיה יכולה לצמצם באופן ספונטני, אך היא כמעט ולא עושה זאת. סביר להניח שהוא יגבר, או - ברגע שחלקיקי הגז יתפזרו באופן שווה בין צידי המכולה - יישארו זהים.
התוצאה היא כיווניות ובלתי הפיכה, למרות שמקורה בהתנהגות מיקרוסקופית הפיכה לחלוטין. בכך ראה בולצמן קשרים בין אנטרופיה לאבולוציה.
*****
בביולוגיה, שינויים קטנים בין הדורות בפני עצמם הם, לענייננו ולמטרותינו, ללא כיוון ואקראיים. אולם תיאוריית הברירה הטבעית של דארווין הראתה כיצד הם יכלו בסופו של דבר להוביל לשינוי בלתי הפיך, וסיפקו הסבר בסיסי לאופן בו מינים חדשים נוצרים מתוך הקיים. דרווין כינה תופעה זו "ירידה עם שינוי", והציג את הרעיון של הברירה הטבעית בכדי לגרום לה לעבוד.
בולצמן הכיר בכך שזו דרך עמוקה להבין את התפשטות החיים על פני כדור הארץ, ממש כמו שההסבר שלו לאנטרופיה סיפק הבנה עמוקה של תהליכים בלתי הפיכים בפיזיקה. אך מעבר לבלתי הפיכה, הוא גם הכיר בכך שהחיים כרוכים בתחרות על אנרגיה זמינה - או לשים את זה באופן שווה ערך, קרב למזעור האנטרופיה.
דברים חיים הם צרור תכונות. חלק מהתכונות הללו הן אדפטיביות, כלומר הן עוזרות לאורגניזם לשרוד: מאפשרות לו למצוא אוכל, או להימנע מלהפוך מזון למשהו אחר. תכונות אחרות הן חסרות, וחלקן ניטרליות, אינן מועילות ואינן מזיקות. הברירה הטבעית היא האופן בו האבולוציה בוחרת את התכונות ההסתגלותיות מהחסרונות.
(בולצמן אפילו השתמש בתיאוריה של דרווין כדי לטעון שהמיומנות שלנו ביצירת תפיסות כיצד פועל העולם סייעה לאנושות לשרוד ולהצליח. המשמעות היא שהמוח האנושי - נושא ההשערות הפילוסופיות הרבות - הוא תכונה אדפטיבית, על פי העקרונות הדרוויניסטיים .)
הברירה הטבעית היא השקפה קשה על החיים. אבל דברים חיים דורשים מזון - כימיקלים מאוויר, אדמה או מאכילת אורגניזמים אחרים - וזה אומר תחרות. אורגניזמים ששורדים מעבירים את תכונותיהם ההסתגלותיות לצאצאיהם, ואילו תכונות מזיקות נעלמות. אם מספיק מאותן תכונות שנבנות לאורך הדורות, מינים חדשים לחלוטין יכולים לצוץ. אחד מאותם מינים היה שלנו: בני האדם נולדו מתהליכי הברירה וההסתגלות הטבעית, ממש כמו כל החיים האחרים.
בולצמן השתמש בשתי התיאוריות כדי לטעון כי מאבק החיים אינו נמרץ. כדור הארץ מקבל הרבה אנרגיה מהשמש, הרבה יותר ממה שהחיים משתמשים בפועל בצורת פוטוסינתזה (ואורגניזמים אחרים שאוכלים צמחים ופוטוסינתייזרים אחרים). במקום זאת, החיים הם מאבק למזעור האנטרופיה על ידי לכידת כמה שיותר מהאנרגיה הזמינה.
התובנה של בולצמן חיברה את התיאוריה של דרווין לפיזיקה בסיסית, הישג אינטלקטואלי מדהים. זה הראה כיצד גם האבולוציה וגם האנטרופיה משפיעים מעבר לתחומים המקוריים שלהם. כיום יש לנו אלגוריתמים ואנטרופיה אבולוציונית בתורת המידע, והאבולוציה היא על פי הקריטריון ש- NASA משתמשת בחיפוש אחר חיים בעולמות אחרים.
המהפכות התאומות של דארווין ובולצמן חיים. אולי אפילו אפשר לומר שהם התפתחו יחד.
