Η νοσταλγία μόλις έγινε νόμος της φύσης

Ο Τζον Ράσκιν το ονόμασε αξιολύπητη πλάνη:να βλέπεις τις καταιγίδες ως παθιασμένες, τις ψιλόβροχες ως λυπηρές και τα ρυάκια που λιώνουν ως αθώα. Εξάλλου, πήγε η διαίσθηση, η φύση δεν έχει ανθρώπινα πάθη.

Φανταστείτε λοιπόν την έκπληξη του Ράσκιν όταν έμαθε ότι τα μαθηματικά της αντίληψης, της γνώσης και της εμπειρίας βρίσκονται στην καρδιά των σύγχρονων θεωριών του φυσικού κόσμου. Σε αντίθεση με την αυστηρή του διαίσθηση, οι ποσοτικές σχέσεις φαίνεται να συνδέουν σκληρούς, υλικούς νόμους με ήπιες ιδιότητες του νου και των πεποιθήσεων.

Η ιστορία αυτής της ανακάλυψης ξεκινά με τον φυσικό Ludwig Boltzmann, λίγο μετά τη φράση του Ruskin στα τέλη του 19ου αιώνα. Τότε ήταν που η επιστήμη προσπάθησε για πρώτη φορά, όχι για τη γνώση, αλλά για το αντίθετό της:για μια θεωρία για το πώς θα μπορούσαμε να αγνοήσουμε τις ακατάστατες λεπτομέρειες, ας πούμε, μιας ατμομηχανής ή μιας χημικής αντίδρασης, αλλά παρόλα αυτά να προβλέψουμε και να εξηγήσουμε πώς λειτουργούσε.

Ο Boltzmann παρείχε ένα ενοποιητικό πλαίσιο για το πώς να το κάνει αυτό σχεδόν μόνος του πριν από τον θάνατό του από αυτοκτονία το 1906. Αυτό που είδε, αν και αμυδρό, είναι ότι η θερμοδυναμική δεν είναι μια ιστορία για τον φυσικό κόσμο, αλλά για το τι συμβαίνει όταν οι γνώσεις μας για αυτόν αποτυγχάνουν. Πολύ κυριολεκτικά:Ένας σπουδαστής θερμοδυναμικής σήμερα μπορεί να μεταφράσει τη φυσική ρύθμιση μιας ατμομηχανής ή μιας χημικής αντίδρασης σε μια δήλωση σχετικά με το συμπέρασμα ενόψει της άγνοιας. Μόλις λύσει αυτό το (συχνά απλούστερο) πρόβλημα, μπορεί να μεταφραστεί ξανά σε δηλώσεις σχετικά με θερμόμετρα και μετρητές πίεσης.

Η άγνοια στην οποία βασίστηκε ο Boltzmann ήταν μέγιστη:Ό,τι μπορούσε να συμβεί, πρέπει να συμβεί και καμία κρυφή τάξη δεν μπορούσε να παραμείνει. Ακόμη και στον απλό κόσμο των εμβόλων και των αερίων, ωστόσο, αυτή η υπόθεση μπορεί να αποτύχει. Σπρώξτε ένα έμβολο εξαιρετικά αργά και η μέθοδος του Boltzmann λειτουργεί καλά. Αλλά χτυπήστε το προς τα μέσα και οι κανόνες αλλάζουν. Εμφανίζονται δίνες και δίνες, ρέματα και αντίθετα ρεύματα, το έμβολο τραυλίζει και μπορεί ακόμη και να σταματήσει. Μπλοκάρετε το έμβολο και μεγάλο μέρος της προσπάθειάς σας θα είναι μάταιο. Το έργο σας θα διαλυθεί στην άχρηστη δημιουργία και καταστροφή περιττών μοτίβων.

Ο τρόπος με τον οποίο αυτός ο νόμος λειτουργεί από μόνος του - πώς συμβαίνει η σπατάλη στον πραγματικό κόσμο, πέρα ​​από το ιδανικό - δεν ήταν διαθέσιμος στον Boltzmann. Η θερμοδυναμική του 19ου αιώνα έπρεπε να περιμένει να επιστρέψει η ισορροπία, για να εξαφανιστούν όλες αυτές οι παροδικές και απίθανες δομές. Η άγνοιά μας στην περίπτωση ισορροπίας είναι απόλυτη:Ξέρουμε ότι δεν υπάρχει τίποτα άλλο να γνωρίζουμε. Αλλά σε έναν κόσμο εκτός ισορροπίας γνωρίζουμε ότι υπάρχει κάτι περισσότερο να γνωρίζουμε, αλλά δεν το γνωρίζουμε.

Η μη ισορροπημένη θερμοδυναμική ήταν ανεξερεύνητη περιοχή για πολλά χρόνια. Μόνο το 1951, 45 χρόνια μετά το θάνατο του Boltzmann, μπορέσαμε να περιγράψουμε πόσο μικρές προσαρμογές που εκτοξεύουν ένα σύστημα τόσο ελαφρώς εκτός ισορροπίας εξαφανίζονται με τον καιρό, μέσω κάτι που ονομάζεται Θεώρημα Διασποράς Διακυμάνσεων. Σε σύγκριση με την κβαντική μηχανική ή τη σχετικότητα, καμία από τις οποίες δεν ήταν υποκείμενα μέχρι την εποχή του θανάτου του Boltzmann, αλλά η οποία προκάλεσε έκπληξη μετά την έκπληξη για δεκαετίες, η θερμοδυναμική φαινόταν να λειτουργεί σε παγετώδεις κλίμακες.

Μέχρι το άνοιγμα του 21ου αιώνα, ωστόσο, μια επιστήμη που βασιζόταν σε μια θεωρία συμπερασμάτων και πρόβλεψης είχε εισέλθει σε μια αναγέννηση, καθοδηγούμενη εν μέρει από την ταχεία πρόοδο στη μηχανική μάθηση και την τεχνητή νοημοσύνη. Η πορεία μου στη νέα θερμοδυναμική προήλθε από μια διάλεξη της Susanne Still του Πανεπιστημίου της Χαβάης το 2011. Ήταν εκεί που η Still ανακοίνωσε, με τους συνεργάτες της, μια νέα σχέση μεταξύ της διασποράς σε ένα σύστημα (το ποσό της δουλειάς που κάνουμε για αυτό που χάνεται και χάνεται) και τι γνωρίζουμε για αυτό το σύστημα.

Η Still και οι συνεργάτες της έδειξαν πώς η διάχυση περιορίζεται από το περιττό πληροφορίες που διατηρεί ένα σύστημα για τον κόσμο—πληροφορίες άσχετες με το μέλλον του συστήματος. Με μια αξιοθαύμαστη ποίηση του μυαλού, το αναφέρουν ως νοσταλγία, τις μνήμες του παρελθόντος που είναι άχρηστες για το μέλλον. Αυτό που έδειξαν είναι ότι η νοσταλγία ενός συστήματος βάζει ελάχιστα τον όγκο της δουλειάς που θα χάσεις όταν ενεργείς σε αυτό.

Κυριολεκτικά, δουλειά:Οι υδρομασάζ που δημιουργούνται όταν μπλοκάρεις ένα έμβολο δεν έχουν χαθεί (ακόμα) - με προσεκτική ιχνηλάτηση, μπορεί κανείς να τρέμει το έμβολο προς τα πίσω για να ανακτήσει την ενέργειά τους. Μόνο με την πάροδο του χρόνου, καθώς διασπώνται και γίνονται άγνωστα, καθώς γίνονται όλο και πιο απρόβλεπτα για εσάς, χάνεται το έργο που συντελέστηκε στη δημιουργία τους.

Εδώ είναι η μελαγχολία μιας ξεχασμένης ανάμνησης, ένα παιδικό δωμάτιο γεμάτο σε κουτιά, οι ανεπανόρθωτες λεπτομέρειες ενός απογευματινού ψιλόβροχου, που εμφανίζονται κυριολεκτικά στον φυσικό νόμο. Αυτές οι αναμνήσεις ανιχνεύουν ένα παρελθόν που δεν έχει πλέον σημασία. Έγινε στην προσοχή μας, μας λένε μια ιστορία απώλειας και απειλούν να καταναλώσουν το παρόν μας, αν δεν προσέξουμε. Στη φυσική, επίσης, η νοσταλγία επιφέρει ποινή.

Μπορούμε να αντιστρέψουμε αυτό το αποτέλεσμα:Η διάχυση συνδέεται με το πόσο δύσκολο είναι να ανακτηθεί η εμφάνιση ενός συστήματος. Για να επαναφέρει κανείς, χρειάζεται να κάνει αναδρομή, να προβλέψει προς τα πίσω — και η πλήρης αναδρομή είναι αδύνατη όταν η νοσταλγία σημαίνει ότι πολλά διαφορετικά παρελθόντα είναι συμβατά με το ίδιο μέλλον. Οι ακριβείς μαθηματικές σχέσεις μεταξύ της νοσταλγίας, της μη αναστρέψιμης και της διασποράς είναι περίτεχνες, συγκεκριμένες και πάντα προκαλούν έκπληξη όταν ξεφεύγουν από τις εξισώσεις.

Μία από τις πιο αξιοσημείωτες συνεισφορές στη νέα θερμοδυναμική τα τελευταία χρόνια ήταν ο Jeremy England του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, που κυκλοφόρησε το έτος μετά την ομάδα του Still. Εστιάζοντας στο μη αναστρέψιμο ενός συστήματος και όχι στη νοσταλγία του, η Αγγλία συνέταξε έναν απολογισμό του βιολογικού κόσμου. Περιέγραψε τους τρόπους με τους οποίους η εξέλιξη θα μπορούσε να ωθήσει τους οργανισμούς όχι μόνο να κάνουν χρήση της ελεύθερης ενέργειας στο περιβάλλον τους, αλλά να το κάνουν με τον μέγιστο διασκορπιστικό τρόπο.

Το έργο της Αγγλίας φαίνεται να εξηγεί γιατί, πάνω από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, το οικοσύστημά μας μετατράπηκε σε ένα γιγάντιο πράσινο ηλιακό πάνελ, τροφοδοτώντας πύργους φυτοφάγων και αρπακτικών ως μέρος μιας φυσικής διαδικασίας που λερώνει την ενέργεια του ήλιου. Υπάρχουμε, με αυτή την ερμηνεία, επειδή διαλύουμε όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστα τη μαζική πηγή εργασίας στο κέντρο του ηλιακού μας συστήματος.

Ενώ το έργο του Στιλ συνδέει τη νοσταλγία με τη διασπορά και την απώλεια, το έργο της Αγγλίας φαίνεται να λέει ότι η ίδια η ζωή δημιουργείται από τις απαιτήσεις της διασποράς. Όντα σαν εμάς υπάρχουν ακριβώς επειδή δημιουργούμε τους κόσμους μας -φυσικούς, χημικούς, βιολογικούς, διανοητικούς, κοινωνικούς- και τους γκρεμίζουμε πιο γρήγορα από τις εναλλακτικές. Η νοσταλγία μπορεί να είναι γλυκόπικρη, αλλά μπορεί επίσης να εγγυάται την ύπαρξή μας.

Ο Simon DeDeo είναι καθηγητής στη Σχολή Πληροφορικής και Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα και εξωτερικός καθηγητής στο Ινστιτούτο Santa Fe.

Ευχαριστίες

Ευχαριστώ τον Matteo Smerlak για τις εκτενείς συνομιλίες και τη Susanne Still, τον Jeremy England και την Jascha Sohl-Dickstein για τις διαλέξεις που πραγματοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Santa Fe και στο BEYOND Center του State University της Αριζόνα. Αυτή η εργασία γράφτηκε εν μέρει κατά τη διάρκεια μιας παραμονής στο Perimeter Institute for Theoretical Physics, με την υποστήριξη της κυβέρνησης του Καναδά μέσω της Industry Canada και από την επαρχία του Οντάριο μέσω του Υπουργείου Οικονομικής Ανάπτυξης και Καινοτομίας.

Αναφορές

1. Still, S., Sivak, D.A., Bell, A.J., &Crooks, G.E. Η θερμοδυναμική της πρόβλεψης. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 109 , 120604 (2012).

2. Αγγλία, J.L. Statistical physics of self-replication. The Journal of Chemical Physics 139 , 121923 (2013).