Γιατί η Φυσική δεν μπορεί να μας πει τι είναι η ζωή
Υπάρχει απλώς κάτι προφανώς λογικό σχετικά με την ακόλουθη έννοια:Εάν όλη η ζωή είναι χτισμένη από άτομα που υπακούουν σε ακριβείς εξισώσεις που γνωρίζουμε - κάτι που φαίνεται να είναι αλήθεια - τότε η ύπαρξη ζωής μπορεί να είναι απλώς κάποια κατάντη συνέπεια αυτών των νόμων που δεν έχουμε αλλά έφτασε στον υπολογισμό. Αυτός είναι ουσιαστικά ο τρόπος σκέψης ενός φυσικού και προς τιμήν του, έχει ήδη κάνει πολλά για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα ζωντανά πράγματα.
Χάρη σε πρωτοπόρους όπως ο Max Delbrück, ο οποίος πέρασε από τη φυσική στη βιολογία στα μέσα του 20ου αιώνα, η επιρροή των ποσοτικών αναλύσεων από τις φυσικές επιστήμες βοήθησε στη δημιουργία μηχανιστικών, μοριακών προσεγγίσεων στην κυτταρική βιολογία και τη βιοχημεία που οδήγησαν σε πολλές επαναστατικές ανακαλύψεις. Οι τεχνικές απεικόνισης όπως η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός και η μικροσκοπία υπερ-ανάλυσης έχουν παράσχει ένα ζωντανό πορτρέτο του DNA, των πρωτεϊνών και άλλων δομών μικρότερων από ένα κύτταρο που κάνουν τη ζωή να χτυπάει σε μοριακή κλίμακα.
Επιπλέον, σπάζοντας τον γενετικό κώδικα, καταφέραμε να εκμεταλλευτούμε τον μηχανισμό των ζωντανών κυττάρων για να κάνουμε την προσφορά μας, συναρμολογώντας νέα μακρομόρια της δικής μας επινόησης. Καθώς έχουμε αποκτήσει μια ολοένα πιο ακριβή εικόνα του πώς τα πιο μικροσκοπικά και απλούστερα δομικά στοιχεία της ζωής ταιριάζουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν το σύνολο, γίνεται όλο και πιο δελεαστικό να φανταστούμε ότι οι πιο δύσκολοι γρίφοι της βιολογίας μπορούν να λυθούν μόνο όταν καταλάβουμε πώς να τους αντιμετωπίσουμε στη φυσική». όρους.
Αλλά το να προσεγγίσουμε το θέμα της ζωής με αυτή τη στάση θα μας αποτύχει, για δύο τουλάχιστον λόγους. Ο πρώτος λόγος που θα μπορούσαμε να ονομάσουμε πλάνη του αναγωγισμού. Ο αναγωγισμός είναι η υπόθεση ότι οποιοδήποτε κομμάτι του σύμπαντος που θα μπορούσαμε να επιλέξουμε να μελετήσουμε λειτουργεί σαν κάποιο δείγμα αντίκα, κουρδιστό, έτσι ώστε να είναι εύκολο (ή τουλάχιστον κατ' εξοχήν δυνατό) να προβλέψουμε τη συμπεριφορά του συνόλου, αφού γνωρίζετε τους κανόνες που διέπουν πώς κάθε ένα από τα μέρη του προωθεί και κινείται μαζί με τα άλλα.
Το όνειρο της εξήγησης και της πρόβλεψης των πάντων από μερικούς απλούς κανόνες έχει από καιρό αιχμαλωτίσει τη φαντασία πολλών επιστημόνων, ιδιαίτερα των φυσικών. Και, για κάθε δίκαιο, μια μεγάλη καλή επιστήμη έχει προωθηθεί από την πείνα ορισμένων ερευνητών για μια πιο εντελώς αναγωγική εξήγηση του φαινομένου που τους ενδιαφέρει. Εξάλλου, υπάρχουν πράγματα στον κόσμο που μπορούν να γίνουν κατανοητά ως αποτέλεσμα γνωστών αλληλεπιδράσεων μεταξύ διαφόρων απλούστερων κομματιών. Από την άνοδο και την πτώση της παλίρροιας των ωκεανών με τη βαρυτική έλξη του φεγγαριού, μέχρι τον τρόπο με τον οποίο ορισμένες γενετικές ασθένειες μπορούν να εντοπιστούν σε μοριακά γεγονότα που προκύπτουν από την αλλοιωμένη χημεία ενός μικροσκοπικού μπαλώματος στην επιφάνεια μιας πρωτεΐνης, μερικές φορές αυτό που μελετάμε μοιάζει με κατανοητό άθροισμα των μερών του.
Δυστυχώς, η ελπίδα ότι όλοι οι επιστημονικοί γρίφοι θα κατακτηθούν μέσω του αναγωγισμού ήταν πιο δημοφιλής στους φυσικούς πριν από τον 20ο αιώνα. Από τότε, πολλοί νομπελίστες στη φυσική (και αμέτρητοι άλλοι επίσης) έγραψαν ξεκάθαρα για το πώς και γιατί η αναγωγική σκέψη συχνά αποτυγχάνει. Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τους νόμους του Νεύτωνα ή την κβαντική θεωρία για να προβλέψετε το χρηματιστήριο, ούτε να προβλέψετε ακόμη πιο απλές ιδιότητες συστημάτων «πολλών σωματιδίων», όπως ένα τυρβώδες ρευστό ή ένας υπερψυκτικός μαγνήτης. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, οι φυσικοί νόμοι που υποτίθεται ότι «κυβερνούν» τα πάντα είναι πλημμυρισμένοι από την απεραντοσύνη αυτών που δεν γνωρίζουμε, δεν μπορούμε να μετρήσουμε ή δεν έχουμε την ικανότητα να υπολογίζουμε άμεσα. Η φυσική εξακολουθεί να λειτουργεί σε τέτοια συστήματα, αλλά όχι μόνο ξεκινώντας με θεμελιώδεις εξισώσεις που διέπουν τα μικροσκοπικά μέρη.
Το δεύτερο λάθος στο πώς οι άνθρωποι έχουν δει το όριο μεταξύ ζωής και μη ζωής εξακολουθεί να είναι αχαλίνωτο στις μέρες μας και προέρχεται από τον τρόπο που χρησιμοποιούμε τη γλώσσα. Πολλοί άνθρωποι φαντάζονται ότι αν κατανοήσουμε αρκετά καλά τη φυσική, θα καταλάβουμε τελικά τι είναι η ζωή ως φυσικό φαινόμενο με τον ίδιο τρόπο που καταλαβαίνουμε τώρα πώς και γιατί το νερό παγώνει ή βράζει. Πράγματι, συχνά φαίνεται ότι οι άνθρωποι περιμένουν ότι μια αρκετά καλή φυσική θεωρία θα μπορούσε να γίνει το νέο χρυσό πρότυπο για να πούμε τι είναι ζωντανό και τι όχι.
Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση αποτυγχάνει να αναγνωρίσει ότι ο δικός μας ρόλος στο να δίνουμε ονόματα στα φαινόμενα του κόσμου προηγείται της ικανότητάς μας να πούμε με οποιαδήποτε σαφήνεια τι σημαίνει να αποκαλούμε κάτι ζωντανό. Ένας φυσικός που θέλει να επινοήσει θεωρίες για το πώς συμπεριφέρονται ή αναδύονται τα έμβια όντα πρέπει να ξεκινήσει κάνοντας διαισθητικές επιλογές για το πώς να μεταφράσει τα χαρακτηριστικά των παραδειγμάτων ζωής που γνωρίζουμε σε μια φυσική γλώσσα. Αφού το κάνει κάποιος, γίνεται γρήγορα σαφές ότι το όριο μεταξύ αυτού που είναι ζωντανό και αυτό που δεν είναι είναι κάτι που έχει ήδη χαραχθεί στην αρχή, μέσω ενός διαφορετικού τρόπου ομιλίας από αυτόν που παρέχει η φυσική.
Σε κάποιο βαθμό, μια ελπιδοφόρα κλίση προς τον αναγωγισμό εκφράζεται στο ίδιο το ερώτημα από πού προέρχεται η ζωή. Κοιτάμε έναν ζωντανό οργανισμό και δεν μπορούμε παρά να αναρωτηθούμε εάν μια τέτοια εκπληκτική επιτυχία σε μορφή και λειτουργία θα μπορούσε απλώς να είναι το αποτέλεσμα μιας δέσμης πιο βασικών κομματιών που αναπηδούν το ένα από το άλλο σαν απλές και προβλέψιμες μπάλες μπιλιάρδου. Υπάρχει κάτι περισσότερο στο μηχάνημα εκτός από όλα τα ανόητα δονούμενα μέρη του; Εάν δεν υπάρχει, αυτό δεν θα πρέπει να σημαίνει ότι μπορούμε τελικά να καταλάβουμε πώς ταιριάζει το όλο θέμα; Με άλλα λόγια, καμία προτεινόμενη εξήγηση για την εμφάνιση της ζωής δεν θα έπρεπε να τα αναλύσει όλα σε μια σειρά από ορθολογικά βήματα, όπου κάθε επόμενο ακολουθεί λογικά και προβλέψιμα από το τελευταίο; Αν ναι, πώς δεν είναι το ίδιο με το να λέμε ότι θέλουμε να μειώσουμε τη ζωή σε μια χορογραφημένη παράσταση που σκηνοθετείται από ένα απλό, υπολογίσιμο σύνολο γνωστών φυσικών κανόνων;
Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι οι φυσικοί έχουν ήδη εντοπίσει ορισμένους κανόνες που αποδεικνύουν ότι κάνουν πολύ ακριβείς προβλέψεις σε συστήματα που κάποτε φαίνονταν απελπιστικά και μυστηριωδώς περίπλοκα. Χάρη στις ιδέες ανθρώπων όπως ο Κέπλερ και ο Νεύτωνας, η κίνηση των ουράνιων σωμάτων είναι πλέον ένα ανοιχτό βιβλίο και η ικανότητά μας να υπολογίζουμε πού πάνε αυτά τα λαμπερά φώτα στον ουρανό είναι τόσο ασήμαντη κοινοτοπία που είναι πλέον δυνατό να αποκτήσουμε εκτενή εκπαίδευση στη φυσική σε πολλά σπουδαία πανεπιστήμια, χωρίς ποτέ να εμβαθύνω στην ειδικότητα της σχολαστικής μηχανικής της τροχιακής. Φανταστείτε, ωστόσο, να είστε ένας λαμπρός φυσικός φιλόσοφος σε οποιοδήποτε σημείο κατά τη διάρκεια του μεγαλύτερου μέρους της ανθρώπινης ιστορίας και να θαυμάζετε τη φαινομενικά δυσεπίλυτη πολυπλοκότητα του πώς ο ήλιος, η σελήνη και τα αστέρια φαίνονται να αναδιατάσσονται συνεχώς στο στερέωμα καθώς περνούν οι μέρες και τα χρόνια. Η ιδέα ότι ένα συνοπτικό ζεύγος εξισώσεων που περιγράφουν τη βαρύτητα και την κίνηση υπό δύναμη θα μπορούσε να φέρει τους μακρινούς γαλαξίες, τους περιπλανώμενους πλανήτες και τα κουτιά που κρέμονται από κουλουριασμένα ελατήρια όλα σε ένα ολοκληρωμένο θεωρητικό πλαίσιο πρέπει να ήταν αδιανόητη ακόμη και για τη μεγαλύτερη ιδιοφυΐα κάθε εποχής για χιλιάδες χρόνια. Το εύρος και η σημασία της επανάστασης που ξεκίνησε με τον Νεύτωνα και τους συγχρόνους του είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί.
Και μετά ήρθε ο 20ός αιώνας! Ο Αϊνστάιν ξεκίνησε με τον στοχασμό των εξισώσεων που περιγράφουν την κίνηση του φωτός και μέσω της καθαρής δύναμης της ενόρασης κατέληξε να ξανασκεφτεί τις απαρχές της βαρύτητας, έτσι ώστε να εξηγήσει τελικά το τελευταίο παζλ της κίνησης των πλανητών που ο Νεύτωνας δεν μπορούσε να αγγίξει (δηλαδή τον Ερμή). Εν τω μεταξύ, η εξίσωση κβαντομηχανικών κυμάτων του Erwin Schrödinger ξεκλείδωσε το άτομο, παρέχοντας μια κομψή ποσοτική εξήγηση για τα χρώματα του φωτός που εκπέμπεται από διάφορους τύπους ηλεκτρισμένων αερίων. Αυτή ήταν μια παράξενη, αδιανόητη θεωρία της μαθηματικής εσωτερικής λειτουργίας αντικειμένων πολύ μικρών για να φαίνονται ή να αγγίζονται, ωστόσο μπορούσε να ταιριάξει με πειραματικές μετρήσεις με εκπληκτική ακρίβεια. Στον απόηχο αυτών των μεγάλων επιστημονικών νικών, θα μπορούσε κανείς να συγχωρήσει τον ή δύο περίεργους επιστήμονες για την αίσθηση ότι κάθε απρόβλεπτο μπορεί τελικά να εξαλειφθεί καθώς έφτασαν νεότερες και ολοένα πιο λαμπρές θεωρίες.
Με μια πιο προσεκτική εξέταση, ωστόσο, αυτή η επιτυχής παρέλαση νικών για την αναγωγική θεωρητική επιστήμη αποκαλύπτει κάποια προκατάληψη. Αυτό και πολλά άλλα παραδείγματα επιτυχημένων φυσικών θεωριών έχουν κοινό είναι ότι αποδίδουν καλύτερα όταν προσπαθούν να προβλέψουν ένα καλά απομονωμένο κομμάτι του κόσμου που περιγράφεται από μια σχετικά απλή μαθηματική διατύπωση που περιλαμβάνει μερικά διαφορετικά πράγματα που μπορεί κανείς να μετρήσει - τον έναν πλανήτη ηλιακό σύστημα, το ενιαίο, μοναχικό άτομο υδρογόνου, και ούτω καθεξής. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, η θεωρία πετυχαίνει φιλτράροντας το υπόλοιπο σύμπαν και εστιάζοντας σε μερικές εξισώσεις που περιγράφουν με ακρίβεια τις σχέσεις μεταξύ ενός μικρού αριθμού φυσικών μεγεθών.
Το γεγονός είναι ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους ο ακραίος αναγωγικός, οπλισμένος με έναν ισχυρό υπερυπολογιστή, θα χάσει το σημάδι με τα μίλια όταν προσπαθεί να υπολογίσει τη συμπεριφορά του συνόλου απευθείας από τους απλούς κανόνες που υπακούουν στα μέρη του. Όπως είπε ο νομπελίστας φυσικής P.W. Ο Άντερσον έγραψε κάποτε:«Τα περισσότερα είναι διαφορετικά». Και ενώ μπορεί κάλλιστα να καταφέρουμε να καταλήξουμε σε πολύ καλές φυσικές θεωρίες για πράγματα όπως κρυστάλλους κατάψυξης ή παχύρρευστα ρευστά, δεν θα είναι επειδή ξεκινήσαμε τελειοποιώντας τα λεπτομερή μοντέλα μας για τα άτομα ή τα υποατομικά σωματίδια από τα οποία είναι κατασκευασμένα αυτά τα πράγματα.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η μοριακή βιολογία έχει τη δική της μακρά και αξιοσέβαστη ιστορία ως σκληρή επιστήμη από μόνη της. Χάρη σε αμέτρητα πειράματα σε μόρια, κύτταρα, ιστούς και ολόκληρους οργανισμούς, είναι πλέον ξεκάθαρο ότι οι εκπληκτικά διαφορετικές λειτουργικές δυνατότητες ενός ζωντανού όντος έχουν όλες ηχητικές βάσεις στις φυσικές ιδιότητες των υλικών τους μερών.
Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι βασιλεύει ο αναγωγισμός. Αντίθετα, η ιδέα «το περισσότερο είναι διαφορετικό» των αναδυόμενων ιδιοτήτων σηκώνει το κεφάλι της παντού στη μελέτη του πώς λειτουργεί η ζωή. Το αίμα, για παράδειγμα, είναι ένα υγρό που ρέει μέσα από τις φλέβες και μεταφέρει οξυγόνο και η βιοχημική του ικανότητα να απορροφά και να απελευθερώνει οξυγόνο είναι καλά κατανοητή από την άποψη της ατομικής δομής μιας πρωτεΐνης στα ερυθρά αιμοσφαίρια, γνωστή ως αιμοσφαιρίνη. Ταυτόχρονα, όμως, μια ποσότητα όπως το ιξώδες του αίματος (που θεωρητικά προκύπτει από την ανάμειξη μορίων νερού με πρωτεΐνες του πλάσματος και πολλά άλλα συστατικά) θα ήταν εντελώς αδύνατο για κανέναν να προβλέψει με ακρίβεια από τις πρώτες αρχές. Ο αριθμός των διαφορετικών παραγόντων που συμβάλλουν στον τρόπο με τον οποίο ένα δεδομένο κύτταρο ή μόριο ολισθαίνει από ένα άλλο σε ένα τόσο ετερογενές μείγμα είναι τόσο ιδιαίτερος και πολύπλοκα ευαίσθητος σε μικρές διαφορές στις ιδιότητες αλληλεπίδρασης κάθε ζεύγους συστατικών που δεν θα υπάρξει ποτέ τόσο αξιόπιστος και κατατοπιστικός υπολογισμός όπως ακριβώς κάνουμε το πείραμα για να μετρήσουμε ποια είναι η εμπειρική απάντηση.
Ωστόσο, αυτή η εμπειρική απάντηση είναι σημαντική! Η ζωή ευδοκιμεί στη σφαίρα του ιδιαίτερου, όπου επιτυγχάνονται αρκετά συγκεκριμένες και ακριβείς ιδιότητες από τα συστατικά της που θα μπορούσαν να προκαλέσουν καταστροφικές αποτυχίες, αν εξελιχθούν διαφορετικά. Δεν μπορούμε να υποθέσουμε ότι οποιαδήποτε μικρή αλλαγή στο πόσο αργά το αίμα γλιστράει μέσα από ένα αγγείο, για παράδειγμα, ή στην αλληλουχία DNA που καθοδηγεί το κύτταρο πώς να χτίσει μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη, θα κάνει απαραίτητα μόνο μια μικρή διαφορά στο πώς λειτουργεί το ζωντανό πλάσμα ως ολόκληρος. Η ζωή είναι μια τσάντα αρπαγής από διαφορετικά κομμάτια, μερικές από τις φυσικές ιδιότητες των οποίων είναι πιο εύκολο να προβλεφθούν μηχανιστικά από άλλες, και είναι βέβαιο ότι τουλάχιστον μερικοί από τους παράγοντες που έχουν μεγάλη σημασία για το πώς λειτουργεί ένα ζωντανό πράγμα θα εμπίπτουν στο κατηγορία εξαιρετικά μη καθολικών αναδυόμενων ιδιοτήτων που είναι αδύνατο να προκύψουν από τις πρώτες αρχές.
Βασικά, αυτή η πρόκληση θα συνεχίσει να εμφανίζεται, γιατί το να μιλάς με φυσικούς όρους δεν είναι ποτέ το ίδιο πράγμα με το να μιλάς με βιολογικούς, και έτσι βιολογικά σημαντικές ερωτήσεις δεν επιλέγονται για τη φυσική τους ικανότητα. Αντίθετα, οι βιολογικοί και φυσικοί τρόποι ομιλίας προσγειώνονται σε πολύ διαφορετικούς εννοιολογικούς χώρους.
Η φυσική είναι μια προσέγγιση στην επιστήμη που βασίζεται στη μέτρηση συγκεκριμένων μεγεθών:απόσταση, μάζα, διάρκεια, φορτίο, θερμοκρασία και τα παρόμοια. Είτε μιλάμε για εμπειρικές παρατηρήσεις είτε για ανάπτυξη θεωριών για να κάνουμε προβλέψεις, η γλώσσα της φυσικής είναι εγγενώς μετρική και μαθηματική. Τα φαινόμενα της φυσικής εκφράζονται πάντα με όρους του πώς συμπεριφέρεται ένα σύνολο μετρήσιμων αριθμών όταν άλλα σύνολα μετρήσιμων αριθμών διατηρούνται σταθερά ή ποικίλλουν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ιδιοφυΐα του Δεύτερου Νόμου του Νεύτωνα, F =ma , δεν ήταν απλώς ότι πρότεινε μια επιτυχημένη εξίσωση σχετικής δύναμης (F ), μάζα (m ), και την επιτάχυνση (a ), αλλά μάλλον ότι συνειδητοποίησε ότι όλα αυτά ήταν μεγέθη στον κόσμο που μπορούσαν να μετρηθούν και να συγκριθούν ανεξάρτητα προκειμένου να ανακαλυφθεί μια τέτοια γενική σχέση.
Δεν λειτουργεί έτσι η επιστήμη της βιολογίας. Είναι αλήθεια ότι η εξαιρετική έρευνα στη βιολογία περιλαμβάνει διακίνηση αριθμών, ειδικά αυτές τις μέρες:Για παράδειγμα, οι στατιστικές μέθοδοι βοηθούν κάποιον να αποκτήσει εμπιστοσύνη στις τάσεις που ανακαλύπτονται μέσω επαναλαμβανόμενων παρατηρήσεων (όπως μια σημαντική αλλά μικρή αύξηση του ποσοστού κυτταρικού θανάτου όταν ένα φάρμακο εισάγεται). Ωστόσο, δεν υπάρχει τίποτα ουσιαστικά ποσοτικό σχετικά με την επιστημονική μελέτη της ζωής. Αντίθετα, η βιολογία θεωρεί ως αφετηρία τις κατηγορίες των ζωντανών και μη ζωντανών πραγμάτων και στη συνέχεια χρησιμοποιεί την επιστημονική μέθοδο για να διερευνήσει τι είναι προβλέψιμο σχετικά με τη συμπεριφορά και τις ποιότητες της ζωής. Οι βιολόγοι δεν χρειάστηκε να περιπλανηθούν για να πείσουν την ανθρωπότητα ότι ο κόσμος στην πραγματικότητα χωρίζεται σε πράγματα που είναι ζωντανά και σε πράγματα που δεν είναι. Αντίθετα, με τον ίδιο τρόπο που είναι αρκετά δημοφιλές σε όλο το μήκος και το πλάτος της ανθρώπινης γλώσσας να επινοούνται όροι για κοινά πράγματα όπως αστέρια, ποτάμια και δέντρα, η διαφορά μεταξύ του να είσαι ζωντανός και να μην είσαι ζωντανός δηλώνεται με λεξιλόγιο.
Εν ολίγοις, η βιολογία δεν θα μπορούσε να είχε εφευρεθεί χωρίς την προϋπάρχουσα έννοια της ζωής για να την εμπνεύσει, και το μόνο που χρειαζόταν για να ξεκινήσει ήταν κάποιος να συνειδητοποιήσει ότι υπήρχαν πράγματα που έπρεπε να ανακαλυφθούν συλλογίζοντας επιστημονικά για πράγματα που ήταν ζωντανά. Αυτό σημαίνει, ωστόσο, ότι η βιολογία σίγουρα δεν βασίζεται στα μαθηματικά με τον τρόπο που είναι η φυσική. Η ανακάλυψη ότι τα φυτά χρειάζονται το φως του ήλιου για να αναπτυχθούν, ή ότι τα ψάρια θα ασφυκτιούν όταν τα βγάλουν από το νερό, δεν απαιτεί κανένα απολύτως ποσοτικό προσδιορισμό. Φυσικά, θα μπορούσαμε να μάθουμε περισσότερα μετρώντας πόση ηλιακή ακτινοβολία πήρε το φυτό ή χρονομετρώντας πόσο χρόνο χρειάζεται για να λήξει το ψάρι εκτός νερού. Αλλά ο βασικός εμπειρικός νόμος με βιολογικούς όρους ασχολείται μόνο με το ποιες συνθήκες θα επιτρέψουν ή θα αποτρέψουν την ευημερία και το τι σημαίνει να ευδοκιμεί κανείς προέρχεται από την ποιοτική και ολιστική μας κρίση για το πώς φαίνεται να πετύχουμε να είμαστε ζωντανοί. Αν είμαστε ειλικρινείς με τους εαυτούς μας, η ικανότητα να κάνουμε αυτή την κρίση δεν μας διδάχτηκαν από επιστήμονες, αλλά προέρχεται από ένα πιο κοινό είδος γνώσης:Είμαστε ζωντανοί οι ίδιοι και διαρκώς συναντάμε ζωή και θάνατο σε ζωύφια και λουλούδια στο περιβάλλον μας. . Η επιστήμη μπορεί να μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε νέους τρόπους για να κάνουμε τα πράγματα να ζήσουν ή να πεθάνουν, αλλά μόνο όταν πούμε στους επιστήμονες πώς να χρησιμοποιήσουν αυτές τις λέξεις. Δεν γνωρίζαμε καμία φυσική όταν εφεύραμε τη λέξη «ζωή» και θα ήταν περίεργο αν η φυσική μόλις τώρα άρχιζε ξαφνικά να μας υπαγορεύει τι σημαίνει η λέξη.
Ο Jeremy England είναι ανώτερος διευθυντής τεχνητής νοημοσύνης στο GlaxoSmithKline, κύριος ερευνητής στο Georgia Tech και ο πρώην Thomas D. και Virginia W. Cabot αναπληρωτής καθηγητής φυσικής ανάπτυξης σταδιοδρομίας στο MIT. Αυτό το δοκίμιο είναι προσαρμοσμένο από το νέο βιβλίο της Αγγλίας Κάθε ζωή φλέγεται:Πώς η Θερμοδυναμική εξηγεί την προέλευση των ζωντανών πραγμάτων.
Διαβάστε τη συνέντευξή μας με τον Jeremy England, "The Physicist's New Book of Life".
Υποσημειώσεις
1. Watson, J.D. &Crick, F.H.C. Μοριακή δομή νουκλεϊκών οξέων. Φύση 171 737-738 (1953); Wüthrich, Κ. Προσδιορισμός δομής πρωτεΐνης σε διάλυμα με φασματοσκοπία NMR. Journal of Biological Chemistry 265 22059-22062 (1990); Rust, M.J., Bates, M., &Zhuang, X. Απεικόνιση ορίου υποδιάθλασης με στοχαστική οπτική μικροσκοπία ανακατασκευής (STORM). Μέθοδοι της φύσης 3 , 793 (2006).
2. Laughlin, R.B. &Pines, D. The theory of Everything. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών 97 , 28–31 (2000); Anderson, P.W. Το περισσότερο είναι διαφορετικό. Επιστήμη 177 , 393-396 (1972).
Θα πρέπει να πει κανείς ότι τόσο ο Anderson όσο και ο Laughlin δεν εννοούν να υποστηρίξουν ότι τα συστήματα με πολλά στοιχεία είναι εντελώς απρόβλεπτα. Αντίθετα, και οι δύο έκαναν την καριέρα τους ανακαλύπτοντας την προβλεψιμότητα σε τόσο διαβολικά πολύπλοκα συστήματα. Ωστόσο, αυτό που συμβαίνει συχνά στον λεγόμενο κόσμο της σκληρής συμπυκνωμένης ύλης (δηλαδή, μέταλλα και πιο εξωτικά υλικά στερεάς κατάστασης) είναι ότι ο τρόπος να ξεπεράσεις τα πλήθη και να δεις την τάξη στο σύνολο είναι να συνειδητοποιήσεις ότι η συλλογική συμπεριφορά πρέπει να διέπονται από ορισμένες πολύ συγκεκριμένες συμμετρίες του συστήματος.
Αυτό μπορεί να γίνει αρκετά μαθηματικά σπάνιο, αλλά για ένα απλό παράδειγμα φανταστείτε ένα επίπεδο, επίπεδο πλέγμα βελών που δείχνουν προς κάθε κατεύθυνση στο επίπεδο. Ας υποθέσουμε ότι η ενέργεια κάθε βέλους είναι χαμηλότερη στο βαθμό που δείχνει προς την ίδια κατεύθυνση με τα γείτονά του. Σαφώς, η ενέργεια είναι επομένως χαμηλότερη για το συλλογικό όταν όλα τα βέλη δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Ωστόσο, η συμμετρία μάς λέει ότι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση δεν πρέπει να παρουσιάζει μέση προκατάληψη για να δείχνει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, επειδή ο συνολικός τρόπος που προσδιορίζουμε την ενέργεια του συστήματος φαίνεται ακριβώς ο ίδιος όταν περιστρέφουμε την προοπτική μας. Η λύση είναι να συνειδητοποιήσουμε ότι υπάρχουν άπειρες ισοδύναμες καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας, με όλα τα βέλη ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους, αλλά με κάθε συλλογικά ευθυγραμμισμένη κατάσταση να δείχνει προς διαφορετική κατεύθυνση.
3. Αξίζει να αναφέρουμε συγκεκριμένα γιατί κάποιος θα μπορούσε ποτέ να φανταστεί κάτι τόσο περίεργο όπως την ιδέα ότι η κβαντική θεωρία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της χρηματιστηριακής αγοράς. Το θέμα είναι ότι, από την οπτική γωνία ενός φυσικού, όλοι οι άνθρωποι και τα έγγραφα και οι υπολογιστές και τα τηλέφωνα και τα εργοστάσια και τα ορυχεία και τα δάση και οι άνεμοι (και οτιδήποτε άλλο) που ενεργούν για να καθορίσουν την τιμή μιας μετοχής αποτελούνται από άτομα. Ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους σε μόρια περιγράφεται αρκετά καλά από γνωστές εξισώσεις που διέπουν την αλληλεπίδραση ηλεκτρικού φορτίου, φωτός και ύλης στην πιο μικροσκοπική κλίμακα. Γιατί λοιπόν δεν προσπαθούμε να προβλέψουμε τις μετοχές (και πράγματι, όλα τα γεγονότα του κόσμου που επηρεάζουν τις μετοχές) χρησιμοποιώντας αυτές τις εξισώσεις; Όχι μόνο η καθαρή κλίμακα του υπολογισμού που απαιτείται για την αναπαράσταση τέτοιων λεπτών λεπτομερειών καθιστά την εργασία πολύ απρόσιτη, αλλά έχουμε επίσης λίγο τρόπο να γνωρίζουμε τους περισσότερους από τους αριθμούς που θα χρησίμευαν ως είσοδος στο μοντέλο. Κατά συνέπεια, με τον ίδιο τρόπο που οι μέτοχοι μπορεί να μην γνωρίζουν εύκολα όλα όσα ταλαιπωρούν μια εισηγμένη εταιρεία, εμείς επίσης, εξ ορισμού, γνωρίζουμε πολύ λίγα για το τι ακριβώς κάνει κάθε άτομο ή μόριο στον πλανήτη. Αντί να προσπαθούμε να μετρήσουμε κάθε μία από αυτές τις λεπτομέρειες, μας εξυπηρετεί πολύ καλύτερα να φτιάχνουμε προγνωστικά μοντέλα που δίνουν μια απλούστερη εικόνα του πράγματος που προσπαθούμε να μοντελοποιήσουμε (για παράδειγμα, απλώς θέτοντας ότι οι τιμές καθορίζονται από μια ισορροπία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης ).
4. Anderson, P.W. Το περισσότερο είναι διαφορετικό. Επιστήμη 177 , 393-396 (1972).
Επικεφαλής εικόνα:Sergey Nivens
