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ダーウィンとエントロピーを擁護した物理学者の間の隠されたつながり

すべての科学的進歩の中で、進化は人間のエゴで最も困難でした。 チャールズダーウィンの革新的な理論は、彼の画期的な1859年の本「 種の起源について」で述べられており、宇宙における人類の高貴な地位を覆す脅しました。 しかし、同じ時代に、より静かで、一見無関係に見える科学革命も起きていました。

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蒸気エンジンが完全に効率的でない理由の説明として、物理学におけるエントロピーの概念は十分に無害に始まりました。 しかし、最終的に、エントロピーは確立された階層を脅かしました。 そして実際、エントロピーと進化は偶然に関連している以上のものでした。

エントロピーはオーストリア物理学者のルートヴィヒ・ボルツマンによって擁護され、詳細に説明されました。彼はたまたま物理学界でダーウィンの最大のプロモーターの一人でした。 ダーウィンの死から4年後の1886年に、ボルツマンはエントロピーに関する一般的な講義を行い、次のように述べました。ためらうことなく、それは自然の機械的視点の世紀、ダーウィンの世紀と呼ばれます。」

しかし、ボルツマンは単なるダーウィンのチアリーダーではありませんでした。 彼は進化論をその時代のほとんどよりも深く理解し、その核となる考えの完全な意味を認識していました。 具体的には、熱の進化と物理学の両方が歴史の理解に依存しており、時間の経過とともにどのように小さな変化が蓄積するかを把握しました。 19世紀には、これらのアイデアは多くの人にとって異端と見なされるほど革命的でした。

ダーウィンとボルツマンは、彼らの壮大なひげを除いて、人間としての共通点があまりありませんでした。 彼らの労働生活は長年にわたって重複していましたが、二人は出会うことはありませんでした。 ダーウィンは1世代以上前であり、有名な家族から上陸した紳士として育ちました。 病気のため、彼はその後の人生の大半を彼の家に置いた。 ボルツマンは大学で教鞭をとり、20世紀の物理学の先駆者の多くを指導しました。 彼はガジェットを発明し、詩を書き、広範囲に旅をしました。 彼は後にうつ病エピソードに苦労し、それを彼は書面で説明し、1906年に自殺した。

表面的には、それらの理論も互いに遠く離れているように見えました。 しかし、もっと深く見ると、それらは密接に絡み合っています。

進化とエントロピーの両方が、「自然な」秩序に対する多くの人々の見解を混乱させました。 ダーウィンは、人間は他の動物の子孫だと言いました。 私たちはすべての生物と同じ家系図の一部であり、自然naturalと呼ばれる普遍的なプロセスの対象になっています。 ボルツマンは、物理学の秩序ある法則が無秩序をもたらし、理解するために統計学と確率の言語を使用する必要があると述べました。 両方の考えは、19世紀の進歩と永続的な改善の見方を妨害しましたが、ボルツマンが最初に認識した可能性のある方法で理論が絡み合っていました。

ガラパゴス諸島のフィンチは、自然選択によるダーウィンの進化論の重要な例を提供しました。 ガラパゴス諸島のフィンチは、自然選択によるダーウィンの進化論の重要な例を提供しました。 (MarcPo / iStock)

エントロピーは、蒸気エンジンに取り組んでいるエンジニアによって発見されました。 彼らは、機械がどれほど効率的であっても、その過程で常にいくらかのエネルギーが失われていることに気付きました。 エネルギーは破壊されませんでした(不可能です)。 使用できませんでした。 ルドルフ・クラウジウスは、このエネルギー損失によって定義される量を、ギリシャ語の変換の言葉と「エネルギー」に似ているという事実から「エントロピー」と名付けました。

物理学者たちは、熱力学の第二法則でエントロピーの目的をenっていました。それは次のように述べています。外部の影響から切り離されたプロセスでは、エントロピーは増加するか、一定のままです。 それは、宇宙的な意味で、自由なお金がないと言う方法です。 すべてのトランザクションには何か費用がかかります。 しかし、そのように定義しても、エントロピーが何であるかは実際にはわかりません。ボルツマンはもっと知りたいと思っていました。

19世紀には、科学者が人間の知識のさまざまな側面を統一しました。電気を磁気に結び付けたり、物理学の新しい方法を使用して化学元素を特定したりなどです。 ボルツマンは、気体の挙動を理解するために、巨視的な物体の挙動を支配するニュートンの運動法則を使用したいと考えました。

彼の先例は、ジェームス・クラーク・マクスウェル(名声の最大の主張は、電気と磁気を統一する理論であり、光は電磁波であることを示す)と同僚が提唱した「運動論」でした。 速度論は、微視的なガス粒子の速度を温度などの測定可能な量に関連付けました。 ニュートンの法則によれば、時間の方向を逆にした場合、これらの粒子間の個々の衝突は同じように見えるはずです。 ただし、エントロピーは常に増加するか、同じ値を維持する必要があります。これは不可逆的です。

不可逆性は人生の正常な部分です。 ガラスを割って床全体に水をこぼすことは不可逆的です。 ガラスの破片と水の分子は自然に再形成されません。 ケーキの生地は混ざり合いません。部屋に入った香水はボトルに戻りません。 ボルツマンは、これらの現実的な不可逆的な出来事を微視的な物理学を使用して説明したかった。 彼は、膨大な数のガス粒子が依然として不可逆的な結果を生み出す可能性があることを示すことでそれを行いました。

可動パーティションが半分に分割されている密閉ボックスを考えてください。 私たちの実験では、箱の半分を何らかのガスで満たし、その後パーティションをわずかに開きます。 ガスの一部はパーティションの開口部を通過するため、しばらくすると、ボックスの両側にほぼ同じ量のガスが入ります。

ボックスの両側の半分のガスで始めてからパーティションを開いた場合、非常に長い時間待っても、ほぼ確実にすべてがボックスの片側にあるわけではありません。 粒子間または粒子とコンテナの壁間の各衝突は可逆的ですが、結果はそうではありません。

確かに、すべてのガス粒子が容器の一方の側から他方の側に自発的に流れる可能性があります。 しかし、ボルツマンが指摘したように、それを心配する必要はほとんどありません。 同様に、エントロピーは自然に減少する可能性がありますが、ほとんど減少しません。 増加する可能性がはるかに高くなります。または、ガス粒子がコンテナの側面に均等に分配されると、同じままになります。

その結果、方向性と不可逆性が生じますが、それは完全に可逆的な微視的振る舞いに由来します。 その中で、ボルツマンはエントロピーと進化の関係を見ました。

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生物学では、世代間の小さな変化自体は、私たちの意図と目的のために、方向性がなくランダムです。 しかし、ダーウィンの自然選択理論は、それらが最終的に不可逆的な変化につながる可能性があることを示し、既存の種から新しい種がどのように発生するかについての根本的な説明を提供しました。 ダーウィンはこの現象を「修正を伴う降下」と呼び、それを機能させるために自然選択の概念を導入しました。

ボルツマンは、エントロピーの説明が物理学における不可逆的なプロセスの深い理解を提供したように、これが地球上の生命の拡散を理解するための深い方法であることを認識しました。 しかし、不可逆性を超えて、彼はまた、生命は利用可能なエネルギーをめぐる競争を伴うことを認識しました。

生物は特性の束です。 それらの特性のいくつかは適応性があります。つまり、生物が生き残るのを助けます。つまり、生物が食物を見つけられるようにするか、何か他のものの食物にならないようにします。 他の特性は不利であり、一部は中立的であり、有用でも有害でもありません。 自然選択は、進化が不利な特性から適応特性を選択する方法です。

(ボルツマンはダーウィンの理論を使って、世界がどのように機能するかという概念を作成するスキルが人類の生存と成功を助けたと主張しました。 )

自然selectionは、人生に対する厳しい見方です。 しかし、生物は食物、つまり空気、土壌、または他の生物を食べることによる化学物質を必要とし、それは競争を意味します。 生き残った生物は、適応形質を子孫に伝えますが、有害な形質は消えます。 これらの特性が世代を超えて十分に蓄積されると、まったく新しい種が生まれることがあります。 それらの種の1つは私たちのものでした。人間は、他のすべての生命と同じように、自然selectionと適応のプロセスから生まれました。

ボルツマンは、両方の理論を使用して、人生の闘争はエネルギーを超えたものではないと主張しました。 地球は太陽から十分なエネルギーを受け取ります。これは、生命が実際に光合成(および植物や他の光合成剤を食べる他の生物)の形で使用するよりもはるかに多くのエネルギーです。 代わりに、人生は可能な限り多くの利用可能なエネルギーを取り込むことによりエントロピーを最小限に抑えるための闘争です。

ボルツマンの洞察は、ダーウィンの理論を驚くべき知的成果である基礎物理学に結び付けました。 進化とエントロピーの両方が元の領域を超えてどのように影響するかを示しました。 今日、情報理論には進化アルゴリズムとエントロピーがあり、進化は、NASAが他の世界の生命の探索に使用する基準に基づいています。

ダーウィンとボルツマンの双子の革命は生き続けています。 おそらくあなたは彼らが共進化したとさえ言えるでしょう。

ダーウィンとエントロピーを擁護した物理学者の間の隠されたつながり