Die verborgenen Verbindungen zwischen Darwin und dem Physiker, der sich für Entropie einsetzte

Von allen wissenschaftlichen Fortschritten war die Evolution für das menschliche Ego am härtesten. Charles Darwins revolutionäre Theorie, die in seinem bahnbrechenden Buch über den Ursprung der Arten von 1859 dargelegt wurde, drohte die erhabene Position der Menschheit im Universum zu stürzen. In der gleichen Zeit fand jedoch auch eine ruhigere - und scheinbar nicht verwandte - wissenschaftliche Revolution statt.

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Das Konzept der Entropie in der Physik begann harmlos genug, um zu erklären, warum Dampfmaschinen niemals perfekt effizient sein könnten. Letztendlich bedrohte die Entropie aber auch eine etablierte Hierarchie. Und tatsächlich waren Entropie und Evolution mehr als zufällig miteinander verbunden.

Die Entropie wurde vom österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann gefördert und weiterentwickelt, der zufällig auch einer der größten Förderer Darwins in der Physikgemeinschaft war. 1886, vier Jahre nach Darwins Tod, hielt Boltzmann einen populären Vortrag über Entropie, in dem er sagte: „Wenn Sie mich nach meiner innersten Überzeugung fragen, ob unser Jahrhundert das Jahrhundert des Eisens oder das Jahrhundert des Dampfs oder der Elektrizität heißen wird, antworte ich ohne zu zögern: es wird das Jahrhundert der mechanischen Sicht der Natur genannt, das Jahrhundert von Darwin. “

Boltzmann war jedoch mehr als nur eine Cheerleaderin von Darwin. Er verstand die Evolutionstheorie tiefer als die meisten in dieser Zeit und erkannte die vollen Implikationen ihrer Kernideen. Insbesondere verstand er, wie die Evolution und die Physik der Wärme auf dem Verständnis der Geschichte beruhten und wie sich kleine Veränderungen im Laufe der Zeit ansammelten. Im 19. Jahrhundert waren diese Ideen so revolutionär, dass sie für viele als ketzerisch galten.

Abgesehen von ihren prächtigen Bärten hatten Darwin und Boltzmann als Menschen nicht viel gemeinsam. Obwohl sich ihr Berufsleben um viele Jahre überschnitten hatte, trafen sich die beiden Männer nie. Darwin war mehr als eine Generation älter und wuchs als Landherr aus einer berühmten Familie auf; Krankheit hielt ihn zu Hause für einen Großteil seines späteren Lebens. Boltzmann lehrte an Universitäten und unterrichtete viele zukünftige Pioniere der Physik des 20. Jahrhunderts. Er erfand Gadgets, schrieb Gedichte und reiste viel. Später kämpfte er mit depressiven Episoden, die er schriftlich beschrieb, und beging 1906 Selbstmord.

Oberflächlich betrachtet schienen auch ihre Theorien weit voneinander entfernt zu sein. Aber schauen Sie tiefer und sie sind untrennbar miteinander verbunden.

Sowohl die Evolution als auch die Entropie stören die Sichtweise vieler Menschen auf die „natürliche“ Ordnung. Darwin sagte, dass Menschen von anderen Tieren abstammen; dass wir Teil desselben Stammbaums sind wie alle Lebewesen, der einem universellen Prozess unterliegt, der natürliche Auslese genannt wird. Boltzmann sagte, dass die geordneten Gesetze der Physik zu Unordnung führen und dass wir die Sprache der Statistik und die Wahrscheinlichkeit des Verstehens verwenden müssen. Beide Ideen beeinträchtigten die Sichtweise des 19. Jahrhunderts auf Fortschritt und ständige Verbesserung, aber die Theorien waren auch so miteinander verflochten, dass Boltzmann sie möglicherweise als erster erkannte.

Die Finken der Galapagosinseln waren ein Schlüsselbeispiel für Darwins Evolutionstheorie durch natürliche Selektion. (MarcPo / iStock)

Die Entropie wurde von Ingenieuren entdeckt, die an Dampfmaschinen arbeiteten. Sie stellten fest, dass unabhängig von der Effizienz ihrer Maschinen immer Energie verloren ging. Die Energie wurde nicht zerstört (das ist unmöglich); Es war einfach nicht verfügbar, um verwendet zu werden. Rudolf Clausius nannte die durch diesen Energieverlust definierte Größe "Entropie", aus dem griechischen Wort für Transformation und der Tatsache, dass es sich ähnlich anhört wie "Energie".

Physiker haben den Zweck der Entropie im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verankert, der besagt: In jedem Prozess, der von äußeren Einflüssen abgeschnitten ist, nimmt die Entropie zu oder bleibt konstant. Es ist eine Art zu sagen, dass es im kosmischen Sinne kein freies Geld gibt. Jede Transaktion kostet etwas. Eine solche Definition sagt jedoch nicht wirklich aus, was Entropie ist - und Boltzmann wollte mehr wissen.

Im 19. Jahrhundert vereinten Wissenschaftler verschiedene Aspekte des menschlichen Wissens: Sie verbanden Elektrizität mit Magnetismus, verwendeten neue Methoden in der Physik, um chemische Elemente zu identifizieren und so weiter. Boltzmann wollte Newtons Bewegungsgesetze, die das Verhalten makroskopischer Objekte bestimmen, nutzen, um das Verhalten von Gasen zu verstehen.

Sein Präzedenzfall war die "kinetische Theorie", ein Modell, das von James Clerk Maxwell (dessen größter Bekanntheitsgrad die Theorie ist, die Elektrizität und Magnetismus vereint und zeigt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist) und Kollegen vorgeschlagen wurde. Die kinetische Theorie verband die Geschwindigkeit mikroskopischer Gasteilchen mit messbaren Größen wie der Temperatur. Nach Newtons Gesetzen sollten einzelne Kollisionen zwischen diesen Partikeln gleich aussehen, wenn Sie die Zeitrichtung umkehren. Die Entropie muss jedoch immer zunehmen oder gleich bleiben - sie ist irreversibel.

Irreversibilität ist ein normaler Teil des Lebens. Ein Glas zu zerbrechen und das Wasser über den Boden zu schütten, ist irreversibel. Die Glasscherben und Wassermoleküle bilden sich nicht spontan neu. Kuchenteig löst sich nicht, in einen Raum gesprühtes Parfüm fließt nicht in die Flasche zurück. Boltzmann wollte diese realistischen irreversiblen Ereignisse mithilfe der mikroskopischen Physik erklären. Er tat dies, indem er zeigte, wie viele Gasteilchen immer noch irreversible Ergebnisse liefern konnten.

Stellen Sie sich eine versiegelte Box mit einer beweglichen Trennwand vor, die sie in zwei Hälften teilt. In unserem Experiment füllen wir die Hälfte der Kiste mit einer Art Gas und öffnen dann die Trennwand leicht. Ein Teil des Gases wird durch die Öffnung in der Trennwand geleitet, so dass sich nach einer Weile ungefähr die gleiche Menge Gas auf beiden Seiten der Box befindet.

Wenn wir mit der Hälfte des Gases auf beiden Seiten der Box angefangen und dann die Trennwand geöffnet hätten, hätten wir mit ziemlicher Sicherheit nicht alles auf einer Seite der Box, auch wenn wir sehr lange gewartet hätten. Auch wenn jede Kollision zwischen Partikeln oder zwischen Partikeln und den Wänden des Behälters reversibel ist, ist dies nicht das Ergebnis.

Sicher, es ist möglich, dass alle Gaspartikel spontan von einer Seite des Behälters zur anderen fließen. Aber wie Boltzmann betonte, ist es so unwahrscheinlich, dass wir uns darüber keine Sorgen machen müssen. Auf die gleiche Weise kann die Entropie spontan abnehmen, tut dies jedoch selten. Es ist weitaus wahrscheinlicher, dass es zunimmt oder - sobald die Gaspartikel gleichmäßig zwischen den Seiten des Behälters verteilt sind - gleich bleibt.

Das Ergebnis ist Direktionalität und Irreversibilität, obwohl es aus einem vollständig reversiblen mikroskopischen Verhalten stammt. Darin sah Boltzmann Zusammenhänge zwischen Entropie und Evolution.

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In der Biologie sind kleine Veränderungen zwischen den Generationen für sich genommen für unsere Absichten und Zwecke richtungslos und zufällig. Aber Darwins Theorie der natürlichen Selektion zeigte, wie sie letztendlich zu irreversiblen Veränderungen führen können, und lieferte eine Erklärung dafür, wie aus bestehenden Arten neue Arten entstehen. Darwin nannte dieses Phänomen "Abstieg mit Modifikation" und führte die Idee der natürlichen Auslese ein, damit es funktioniert.

Boltzmann erkannte, dass dies ein tiefer Weg war, die Ausbreitung des Lebens auf der Erde zu verstehen, ähnlich wie seine Erklärung der Entropie ein tiefes Verständnis der irreversiblen Prozesse in der Physik ermöglichte. Jenseits der Irreversibilität erkannte er jedoch auch, dass das Leben einen Wettbewerb um die verfügbare Energie beinhaltet - oder, um es gleichzusetzen, einen Kampf um die Minimierung der Entropie.

Lebewesen sind ein Bündel von Merkmalen. Einige dieser Merkmale sind anpassungsfähig, das heißt, sie helfen einem Organismus beim Überleben: ermöglichen ihm, Nahrung zu finden, oder vermeiden es, Nahrung für etwas anderes zu werden. Andere Eigenschaften sind nachteilig und einige sind neutral, weder hilfreich noch schädlich. Natürliche Auslese ist die Art und Weise, wie die Evolution die adaptiven Merkmale von den nachteiligen Merkmalen unterscheidet.

(Boltzmann benutzte sogar Darwins Theorie, um zu argumentieren, dass unsere Fähigkeit, Vorstellungen über die Funktionsweise der Welt zu entwickeln, der Menschheit zum Überleben und Erfolg verhalf. Das bedeutete, dass der menschliche Geist - Gegenstand vieler philosophischer Spekulationen - nach darwinistischen Prinzipien ein adaptives Merkmal ist .)

Natürliche Auslese ist eine raue Sicht auf das Leben. Lebewesen benötigen jedoch Lebensmittel - Chemikalien aus Luft, Boden oder aus dem Verzehr anderer Organismen - und das bedeutet Wettbewerb. Überlebende Organismen geben ihre Anpassungsmerkmale an ihre Nachkommen weiter, während schädliche Merkmale verschwinden. Wenn sich über die Generationen genügend dieser Merkmale ansammeln, können völlig neue Arten entstehen. Eine dieser Arten war unsere: Der Mensch wurde wie jedes andere Leben aus den Prozessen der natürlichen Auslese und Anpassung geboren.

Boltzmann verwendete beide Theorien, um zu argumentieren, dass der Kampf des Lebens nicht über Energie ist. Die Erde bekommt viel Energie von der Sonne, weit mehr als das Leben tatsächlich in Form von Photosynthese (und anderen Organismen, die Pflanzen und andere Photosynthesizer essen) verbraucht. Stattdessen ist das Leben ein Kampf um die Minimierung der Entropie, indem so viel Energie wie möglich eingefangen wird.

Boltzmanns Einsicht verband Darwins Theorie mit der fundamentalen Physik, einer erstaunlichen intellektuellen Leistung. Es zeigte, wie sowohl Evolution als auch Entropie über ihre ursprünglichen Domänen hinaus Einfluss haben. Heute haben wir evolutionäre Algorithmen und Entropie in der Informationstheorie, und Evolution ist ein Kriterium, das die NASA bei der Suche nach Leben auf anderen Welten verwendet.

Darwins und Boltzmanns Zwillingsrevolutionen leben weiter. Vielleicht könnte man sogar sagen, dass sie sich gemeinsam entwickelt haben.