Di tutti i progressi scientifici, l'evoluzione è stata la più dura dell'ego umano. La teoria rivoluzionaria di Charles Darwin, esposta nel suo rivoluzionario libro del 1859 sull'origine delle specie, minacciò di ribaltare la posizione esaltata dell'umanità nell'universo. Tuttavia, nella stessa era, stava avvenendo anche una rivoluzione scientifica più silenziosa e apparentemente indipendente.
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Il concetto di entropia in fisica è iniziato abbastanza innocuo, come una spiegazione del perché i motori a vapore non potrebbero mai essere perfettamente efficienti. Ma alla fine l'entropia ha anche minacciato una gerarchia consolidata. E in effetti, l'entropia e l'evoluzione erano più che casualmente correlate.
L'entropia fu sostenuta ed elaborata dal fisico austriaco Ludwig Boltzmann, che fu anche uno dei maggiori promotori di Darwin nella comunità della fisica. Nel 1886, quattro anni dopo la morte di Darwin, Boltzmann tenne una lezione popolare sull'entropia in cui disse: “Se mi chiedi della mia più intima convinzione se il nostro secolo sarà chiamato il secolo del ferro o il secolo del vapore o dell'elettricità, rispondo senza esitazione: sarà chiamato il secolo della visione meccanica della natura, il secolo di Darwin. "
Eppure Boltzmann era molto più di una cheerleader di Darwin. Comprendeva la teoria dell'evoluzione più profondamente di molti altri in quell'epoca e riconosceva le piene implicazioni delle sue idee fondamentali. In particolare, ha capito come l'evoluzione e la fisica del calore si basavano entrambe sulla comprensione della storia e su come piccoli cambiamenti si accumulano nel tempo. Nel diciannovesimo secolo, queste idee erano così rivoluzionarie da essere considerate eretiche per molti.
A parte le loro magnifiche barbe, Darwin e Boltzmann non avevano molto in comune come persone. Sebbene le loro vite lavorative si siano sovrapposte per molti anni, i due uomini non si sono mai incontrati. Darwin aveva più di una generazione e cresceva un gentiluomo di terra di una famiglia famosa; la malattia lo ha tenuto a casa per gran parte della sua vita successiva. Boltzmann ha insegnato nelle università e ha istruito molti futuri pionieri della fisica del 20 ° secolo. Inventò gadget, scrisse poesie e viaggiò molto. In seguito ha lottato con episodi depressivi, che ha descritto per iscritto, e si è suicidato nel 1906.
In superficie, anche le loro teorie sembravano lontane l'una dall'altra. Ma guarda più in profondità e si intrecciano indissolubilmente.
Sia l'evoluzione che l'entropia hanno sconvolto l'opinione di molte persone sull'ordine "naturale". Darwin disse che gli umani discendevano da altri animali; che facciamo parte dello stesso albero genealogico di tutti gli esseri viventi, soggetti a un processo universale chiamato selezione naturale. Boltzmann ha affermato che le leggi ordinate della fisica portano al disordine e ci impongono di usare il linguaggio delle statistiche e la probabilità di capire. Entrambe le idee interferirono con le visioni del progresso e del miglioramento perpetuo del XIX secolo, ma le teorie furono anche intrecciate in un modo che Boltzmann fu probabilmente il primo a riconoscere.
I fringuelli delle isole Galapagos hanno fornito un esempio chiave della teoria dell'evoluzione di Darwin per selezione naturale. (MarcPo / iStock) L'entropia è stata scoperta dagli ingegneri che lavorano su motori a vapore. Si resero conto che, indipendentemente dall'efficienza delle loro macchine, nel processo si perdeva sempre energia. L'energia non è stata distrutta (è impossibile); semplicemente non era disponibile per essere utilizzato. Rudolf Clausius ha chiamato la quantità definita da questa perdita di energia "entropia", dalla parola greca per trasformazione e dal fatto che suona simile a "energia".
I fisici hanno sancito lo scopo dell'entropia nella Seconda Legge della Termodinamica, che afferma: In qualsiasi processo tagliato fuori da influenze esterne, l'entropia aumenta o rimane costante. È un modo di dire, in senso cosmico, che non ci sono soldi gratuiti. Ogni transazione costa qualcosa. Ma definirlo in questo modo non dice davvero cosa sia l'entropia e Boltzmann voleva saperne di più.
Il diciannovesimo secolo vide gli scienziati unificare diversi aspetti della conoscenza umana: unire l'elettricità al magnetismo, usare nuovi metodi in fisica per identificare elementi chimici, e così via. Boltzmann voleva usare le leggi del moto di Newton, che regolano il comportamento degli oggetti macroscopici, per comprendere il comportamento dei gas.
Il suo precedente era la "teoria cinetica", un modello proposto da James Clerk Maxwell (la cui più grande pretesa di fama è la teoria che unisce elettricità e magnetismo, mostrando che la luce è un'onda elettromagnetica) e colleghi. La teoria cinetica ha collegato le velocità delle particelle di gas microscopiche a quantità misurabili come la temperatura. Secondo le leggi di Newton, le singole collisioni tra queste particelle dovrebbero apparire uguali se invertite la direzione del tempo. Tuttavia, l'entropia deve sempre aumentare o rimanere la stessa: è irreversibile.
L'irreversibilità è una parte normale della vita. Rompere un bicchiere e versare l'acqua sul pavimento è irreversibile. I frammenti di vetro e le molecole d'acqua non si riformeranno spontaneamente. La pastella della torta non si mescolerà, il profumo sprigionato in una stanza non rifluirà nella bottiglia. Boltzmann voleva spiegare questi eventi irreversibili realistici usando la fisica microscopica. Lo ha fatto mostrando come un numero enorme di particelle di gas potesse ancora produrre risultati irreversibili.
Pensa a una scatola sigillata con una partizione mobile che la divide a metà. Nel nostro esperimento, riempiamo metà della scatola con una sorta di gas, quindi apriamo leggermente la partizione. Parte del gas passerà attraverso l'apertura nella partizione, in modo che dopo un po 'vi sia all'incirca la stessa quantità di gas su entrambi i lati della scatola.
Se iniziassimo con metà del gas in entrambi i lati della scatola e poi aprissimo la partizione, quasi sicuramente non finiremmo con tutto da un lato della scatola, nemmeno se aspettassimo molto tempo. Anche se ogni collisione tra particelle o tra particelle e pareti del contenitore è reversibile, il risultato non lo è.
Certo, è possibile che tutte le particelle di gas scorrano spontaneamente da un lato all'altro del contenitore. Ma come ha sottolineato Boltzmann, è così improbabile che non ci dobbiamo preoccupare. Allo stesso modo, l'entropia può diminuire spontaneamente, ma quasi mai. È molto più probabile che aumenti o, una volta che le particelle di gas sono distribuite uniformemente tra i lati del contenitore, rimangano invariate.
Il risultato è direzionalità e irreversibilità, anche se ha avuto origine in un comportamento microscopico completamente reversibile. In questo, Boltzmann vide connessioni tra entropia ed evoluzione.
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In biologia, piccoli cambiamenti tra le generazioni da soli sono, per i nostri intenti e scopi, senza direzione e casuali. Ma la teoria della selezione naturale di Darwin ha mostrato come alla fine potrebbero portare a cambiamenti irreversibili, fornendo una spiegazione di base su come nuove specie nascono da quelle esistenti. Darwin chiamò questo fenomeno "discesa con modifica" e introdusse l'idea della selezione naturale per farlo funzionare.
Boltzmann riconobbe che questo era un modo profondo per comprendere la proliferazione della vita sulla Terra, proprio come la sua spiegazione dell'entropia forniva una profonda comprensione dei processi irreversibili in fisica. Ma al di là dell'irreversibilità, ha anche riconosciuto che la vita implica la competizione sull'energia disponibile, o per dirla in modo equivalente, una battaglia per minimizzare l'entropia.
Gli esseri viventi sono un insieme di tratti. Alcuni di questi tratti sono adattivi, nel senso che aiutano un organismo a sopravvivere: consentirgli di trovare cibo o evitare di diventare cibo per qualcos'altro. Altri tratti sono svantaggiosi e alcuni sono neutri, non essendo né utili né dannosi. La selezione naturale è il modo in cui l'evoluzione seleziona i tratti adattativi da quelli svantaggiosi.
(Boltzmann ha persino usato la teoria di Darwin per sostenere che la nostra abilità nel creare concetti su come funziona il mondo ha aiutato l'umanità a sopravvivere e avere successo. Ciò significava che la mente umana - oggetto di molte speculazioni filosofiche - è un tratto adattativo, secondo i principi darwiniani .)
La selezione naturale è una visione dura della vita. Ma gli esseri viventi richiedono cibo - sostanze chimiche dall'aria, dal suolo o dal consumo di altri organismi - e questo significa competizione. Gli organismi che sopravvivono trasmettono i loro tratti adattativi alla loro prole, mentre i tratti dannosi scompaiono. Se un numero sufficiente di quei tratti si accumulano nel corso delle generazioni, possono nascere specie completamente nuove. Una di quelle specie era la nostra: gli umani sono nati dai processi di selezione e adattamento naturali, proprio come tutte le altre forme di vita.
Boltzmann usò entrambe le teorie per sostenere che la lotta della vita non è sull'energia. La Terra riceve molta energia dal Sole, molto più di quanto la vita effettivamente utilizza sotto forma di fotosintesi (e altri organismi che mangiano piante e altri fotosintetizzatori). Invece, la vita è una lotta per minimizzare l'entropia catturando quanta più energia disponibile possibile.
L'intuizione di Boltzmann collegò la teoria di Darwin alla fisica fondamentale, un risultato intellettuale sorprendente. Ha mostrato come sia l'evoluzione che l'entropia abbiano influenza oltre i loro domini originali. Oggi abbiamo algoritmi evolutivi ed entropia nella teoria dell'informazione, e l'evoluzione è in base al criterio utilizzato dalla NASA nella sua ricerca di vita su altri mondi.
Le rivoluzioni gemelle di Darwin e Boltzmann continuano a vivere. Forse potresti anche dire che si sono evoluti insieme.
