Moderne fysik kan ikke forklare livet - men en ny teori, der siger, at tiden er fundamental, kan

Moderne fysik kan ikke forklare livet - men en ny teori, der siger, at tiden er fundamental, kan

Tidsstempel: 13. april 2023 kl. 2

I løbet af det korte tidsrum på blot 300 år, siden den moderne fysik blev opfundet, har vi fået en dybere forståelse af, hvordan vores univers fungerer i både små og store skalaer. Alligevel er fysik stadig meget ung, og når det kommer til at bruge det til at forklare livet, kæmper fysikere.

Selv i dag, vi kan ikke rigtig forklare hvad forskellen er på en levende klump stof og en død. Men mine kolleger og jeg skaber en ny livsfysik, som snart kan give svar.

For mere end 150 år siden bemærkede Darwin gribende dikotomien mellem det, vi forstår i fysik, og det, vi observerer i livet – og bemærkede i slutningen af Oprindelsen af ​​arter "...mens denne planet har cyklet videre i overensstemmelse med den faste tyngdelov, fra en så enkel begyndelse uendelige former har de smukkeste og mest vidunderlige været og er ved at blive udviklet."

Tidens betydning

Isaac Newton beskrev et univers, hvor lovene aldrig ændrer sig, og tiden er en uforanderlig og absolut kulisse, som alting bevæger sig imod. Darwin observerede imidlertid et univers, hvor endeløse former genereres, hver skiftende træk ved det, der kom før, hvilket tyder på, at tiden ikke kun skulle have en retning, men at det på nogle måder folder sig tilbage på sig selv. Nye evolutionære former kan kun opstå via selektion på fortiden.

Formentlig disse to områder af videnskab beskriver det samme univers, men hvordan kan to sådanne diametralt modsatte synspunkter forenes? Nøglen til at forstå, hvorfor livet ikke kan forklares i den nuværende fysik, kan være at genoverveje vores forestillinger om tid som nøgleforskellen mellem universet som beskrevet af Newton og det af Darwin. Tiden er faktisk blevet genopfundet mange gange gennem fysikkens historie.

Selvom Newtons tid var fast og absolut, blev Einsteins tid en dimension – ligesom rummet. Og ligesom alle punkter i rummet eksisterer på én gang, så gør alle punkter i tid. Det her tidsfilosofi bliver nogle gange omtalt som "blokuniverset", hvor fortiden, nutiden og fremtiden er lige virkelige og eksisterer i en statisk struktur - uden noget særligt "nu". I kvantemekanik, tidens gang fremkommer af, hvordan kvantetilstande ændrer sig fra den ene til den næste.

Opfindelsen af termodynamik gav tiden sin pil og forklarede, hvorfor den bevæger sig fremad i stedet for bagud. Det er fordi der er klare eksempler på systemer i vores univers, såsom en fungerende motor, der er irreversible – kun arbejder i én retning. Hvert nyt område af grundlæggende fysik, hvad enten det beskriver rum og tid (Newton/Einstein), stof og lys (kvantemekanik) eller varme og arbejde (termodynamik) har introduceret et nyt begreb om tid.

Men hvad med evolutionen og livet? For at bygge nye ting kræver evolution tid. Uendelig nyhed kan kun komme til at være i et univers, hvor tiden eksisterer og har en klar retning. Evolution er den eneste fysiske proces i vores univers, der kan generere rækken af ​​nye objekter, vi forbinder med livet - ting som mikrober, pattedyr, træer og endda mobiltelefoner.

Information og Hukommelse

Sådanne objekter kan ikke fluktuere til eksistens spontant. De kræver en hukommelse, baseret på hvad der eksisterede i fortiden, for at konstruere ting i nutiden. Det er sådan en "udvælgelse", der bestemmer skillelinjen mellem universet beskrevet af den nuværende fysik og det, Darwin så: Det er den mekanisme, der forvandler et univers, hvor hukommelsen ikke betyder noget for at bestemme, hvad der eksisterer, til en, hvor den gør.

dna-molekyler gul på sort
Livet er information. Billedkredit: ANIRUDH / Unsplash

Tænk over det, alt i den levende verden kræver en form for hukommelse og informationsflow. DNA'et i vores celler er vores plan. Og for at opfinde nye ting, såsom raketter eller medicin, har levende væsener også brug for information – viden om fysikkens og kemiens love.

For at forklare livet er vi derfor nødt til at forstå, hvordan de komplekse objekter livet skaber eksisterer i tiden. Med mine samarbejdspartnere har vi gjort netop det i en ny foreslået teori af fysik kaldet samlingsteori.

En central formodning om assembleringsteori er, at når objekter bliver mere komplekse, stiger antallet af unikke dele, der udgør det, og det samme gør behovet for lokal hukommelse til at gemme, hvordan man samler objektet fra dets unikke dele. Vi kvantificerer dette i samlingsteori som det korteste antal fysiske trin til at bygge et objekt ud fra dets elementære byggeklodser, kaldet samlingsindekset.

Det er vigtigt, at samlingsteori behandler denne korteste vej som en iboende egenskab ved objektet, og vi har faktisk vist, hvordan et samlingsindeks kan måles for molekyler ved hjælp af flere forskellige måleteknikker, herunder massespektrometri (en analytisk metode til at måle masse-til-ladning) forholdet mellem molekyler).

Med denne tilgang har vi i laboratoriet, med målinger på både biologiske og ikke-biologiske prøver, vist, hvordan molekyler med et samlingsindeks over 15 trin findes kun i levende prøver.

Dette tyder på, at samlingsteori faktisk er i stand til at teste vores hypotese om, at livet er den eneste fysik, der genererer komplekse objekter. Og vi kan gøre det ved at identificere de objekter, der er så komplekse, at den eneste fysiske mekanisme til at danne dem er evolution.

Vi sigter efter at bruge vores teori til at estimere, hvornår oprindelsen, hvis liv sker, ved at måle det punkt, hvor molekyler i en kemisk suppe bliver så komplekse, at de begynder at bruge information til at lave kopier af sig selv -den tærskel, hvor liv opstår fra ikke-liv. Vi kan derefter anvende teorien på eksperimenter, der sigter mod at generere en ny oprindelse af livsbegivenhed i laboratoriet.

Og når vi ved dette, kan vi bruge teorien til at lede efter liv på verdener, der er radikalt anderledes end Jorden, og som derfor kan se så fremmede ud, at vi ikke ville genkende livet der.

Hvis teorien holder, vil den fremtvinge en radikal gentænkning på tid i fysikken. Ifølge vores teori kan samling måles som en iboende egenskab for molekyler, hvilket svarer til deres størrelse i tid - hvilket betyder, at tid er en fysisk egenskab.

I sidste ende er tid uløseligt forbundet med vores oplevelser af verden, og det er nødvendigt for evolution at ske. Hvis vi ønsker, at fysikken skal være i stand til at forklare livet - og os - kan det være, at vi skal behandle tid som en materiel egenskab for første gang i fysikken.

Dette er måske den mest radikale afvigelse for livets fysik fra standardfysik, men det kan være den kritiske indsigt, der er nødvendig for at forklare, hvad liv er.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billede Credit: Zdeněk Macháček / Unsplash

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub