فیزیک مدرن نمی تواند زندگی را توضیح دهد - اما یک نظریه جدید، که می گوید زمان اساسی است، ممکن است

فیزیک مدرن نمی تواند زندگی را توضیح دهد - اما یک نظریه جدید، که می گوید زمان اساسی است، ممکن است

تمبر زمان: 13 آوریل 2023، 2:19 بعد از ظهر

در طول 300 سال، از زمان اختراع فیزیک مدرن، ما به درک عمیق تری از نحوه عملکرد جهان ما در مقیاس های کوچک و بزرگ دست یافته ایم. با این حال، فیزیک هنوز بسیار جوان است و وقتی نوبت به استفاده از آن برای توضیح زندگی می رسد، فیزیکدانان با مشکل مواجه می شوند.

حتی امروز، ما واقعا نمی توانیم توضیح دهیم چه تفاوتی بین یک توده ماده زنده و یک مرده وجود دارد. اما من و همکارانم در حال ایجاد فیزیک جدیدی از زندگی هستیم که ممکن است به زودی پاسخ هایی را ارائه دهد.

بیش از 150 سال پیش، داروین به طرز تلخی به دوگانگی بین آنچه در فیزیک می‌فهمیم و آنچه در زندگی مشاهده می‌کنیم اشاره کرد. منشأ گونه ها «...در حالی که این سیاره طبق قانون ثابت گرانش در حال چرخش است، از ابتدایی ساده، زیباترین و شگفت‌انگیزترین شکل‌های بی‌پایان شکل گرفته و در حال تکامل هستند.»

اهمیت زمان

آیزاک نیوتن جهانی را توصیف کرد که در آن قوانین هرگز تغییر نمی کنند و زمان یک پس زمینه تغییر ناپذیر و مطلق است که همه چیز در آن حرکت می کند. داروین، اما، جهانی را مشاهده کرد که در آن اشکال بی‌پایانی تولید می‌شوند، هر کدام از ویژگی‌های قبلی تغییر می‌کنند، و این نشان می‌دهد که زمان نه تنها نباید جهت داشته باشد، اما از جهاتی روی خود تا می شود. اشکال تکاملی جدید تنها می توانند از طریق انتخاب در گذشته پدید آیند.

احتمالا این دو حوزه از علم یک جهان را توصیف می کنند، اما چگونه می توان دو دیدگاه کاملاً متضاد را با هم متحد کرد؟ کلید درک اینکه چرا زندگی در فیزیک کنونی قابل توضیح نیست، ممکن است این باشد که در تصورات ما از زمان به عنوان تفاوت کلیدی بین جهان همانطور که توسط نیوتن و داروین توصیف شده است، تجدید نظر کنیم. زمان در واقع بارها در طول تاریخ فیزیک دوباره اختراع شده است.

اگرچه زمان نیوتن ثابت و مطلق بود، زمان انیشتین به یک بعد تبدیل شد - درست مانند فضا. و همانطور که همه نقاط در فضا به یکباره وجود دارند، همه نقاط در زمان نیز وجود دارند. این فلسفه زمان گاهی اوقات به عنوان "جهان بلوکی" نامیده می شود که در آن گذشته، حال و آینده به یک اندازه واقعی هستند و در یک ساختار ایستا وجود دارند - بدون "اکنون" خاص. که در مکانیک کوانتومی، گذر زمان از چگونگی تغییر حالت های کوانتومی از یک حالت به حالت بعدی پدیدار می شود.

اختراع ترمودینامیک پیکان خود را به زمان داد و توضیح داد که چرا به جای عقب رفتن به جلو می رود. این به این دلیل است که نمونه‌های واضحی از سیستم‌ها در جهان ما، مانند یک موتور در حال کار، وجود دارد که برگشت‌ناپذیر هستند - فقط در یک جهت کار می‌کنند. هر حوزه جدیدی از فیزیک بنیادی، خواه در توصیف فضا و زمان (نیوتن/اینشتین)، ماده و نور (مکانیک کوانتومی)، یا گرما و کار (ترمودینامیک) مفهوم جدیدی از زمان را معرفی کرده است.

اما در مورد تکامل و زندگی چطور؟ برای ساختن چیزهای بدیع، تکامل نیاز به زمان دارد. تازگی بی پایان فقط در جهانی می تواند به وجود بیاید که زمان وجود دارد و جهت روشنی دارد. تکامل تنها فرآیند فیزیکی در جهان ما است که می‌تواند دنباله‌ای از اشیاء جدیدی را که ما به زندگی مرتبط می‌کنیم ایجاد کند - چیزهایی مانند میکروب‌ها، پستانداران، درختان و حتی تلفن‌های همراه.

اطلاعات و حافظه

چنین اشیایی نمی توانند خود به خود به وجود بیایند. آنها برای ساختن چیزها در زمان حال نیاز به حافظه دارند، بر اساس آنچه در گذشته وجود داشته است. این چنین «انتخابی» است که خط تقسیم بین جهان توصیف شده توسط فیزیک فعلی و آنچه داروین دیده است را تعیین می کند: این مکانیسمی است که جهانی را که در آن حافظه در تعیین آنچه وجود دارد مهم نیست، به جهانی تبدیل می کند که در آن وجود دارد.

مولکول های DNA زرد روی سیاه
زندگی اطلاعات است. اعتبار تصویر: انیرود / می Unsplash

در مورد آن فکر کنید، همه چیز در دنیای زنده نیاز به نوعی حافظه و جریان اطلاعات دارد. DNA سلول های ما طرح اولیه ماست. و برای اختراع چیزهای جدید، مانند موشک یا دارو، موجودات زنده نیز به اطلاعات نیاز دارند - دانش قوانین فیزیک و شیمی.

بنابراین برای توضیح زندگی، باید بدانیم که چگونه اشیاء پیچیده ای که زندگی ایجاد می کند در زمان وجود دارند. با همکارانم، ما همین کار را انجام داده‌ایم نظریه جدید ارائه شده فیزیک به نام نظریه مونتاژ.

یک حدس کلیدی تئوری اسمبلی این است که با پیچیده‌تر شدن اشیا، تعداد قطعات منحصربه‌فردی که آن‌ها را تشکیل می‌دهند افزایش می‌یابد، و به همین دلیل نیاز به حافظه محلی برای ذخیره‌سازی نحوه جمع‌آوری شی از قسمت‌های منحصربه‌فردش افزایش می‌یابد. ما این را در تئوری مونتاژ به عنوان کوتاه‌ترین تعداد مراحل فیزیکی برای ساختن یک شی از بلوک‌های ساختمان اولیه‌اش، که شاخص مونتاژ نامیده می‌شود، کمیت می‌کنیم.

نکته مهم این است که نظریه اسمبلی این کوتاه‌ترین مسیر را به عنوان یک ویژگی ذاتی جسم در نظر می‌گیرد، و در واقع نشان داده‌ایم که چگونه یک شاخص مونتاژ را می‌توان با استفاده از چندین تکنیک اندازه‌گیری مختلف از جمله طیف‌سنجی جرمی (روشی تحلیلی برای اندازه‌گیری جرم به بار) برای مولکول‌ها اندازه‌گیری کرد. نسبت مولکول ها).

با این رویکرد، ما در آزمایشگاه با اندازه‌گیری‌های نمونه‌های بیولوژیکی و غیربیولوژیکی نشان داده‌ایم که چگونه مولکول‌هایی با شاخص مونتاژ بالاتر از 15 مرحله فقط یافت می شوند در نمونه های زنده

این نشان می دهد که نظریه مونتاژ واقعاً قادر به آزمایش فرضیه ما است که زندگی تنها فیزیک است که اجسام پیچیده را تولید می کند. و ما می توانیم این کار را با شناسایی اشیایی انجام دهیم که بسیار پیچیده هستند و تنها مکانیسم فیزیکی برای تشکیل آنها تکامل است.

ما قصد داریم از نظریه خود برای تخمین زمان وقوع حیات با اندازه گیری نقطه ای که در آن مولکول های یک سوپ شیمیایی آنقدر پیچیده می شوند که شروع به استفاده از اطلاعات برای ساختن کپی از خود می کنند، استفاده کنیم.آستانه ای که زندگی از غیر زندگی برمی خیزد. سپس می‌توانیم این نظریه را برای آزمایش‌هایی با هدف ایجاد منشأ جدیدی از رویداد حیات در آزمایشگاه اعمال کنیم.

و وقتی این را بدانیم، می‌توانیم از این تئوری برای جستجوی حیات در جهان‌هایی استفاده کنیم که کاملاً با زمین متفاوت هستند و بنابراین ممکن است آنقدر بیگانه به نظر برسند که نتوانیم زندگی در آنجا را تشخیص دهیم.

اگر این تئوری پابرجا باشد، بازنگری اساسی در مورد زمان در فیزیک را مجبور خواهد کرد. طبق نظریه ما، مجموعه را می توان به عنوان یک ویژگی ذاتی برای مولکول ها اندازه گیری کرد که با اندازه آنها در زمان مطابقت دارد - به این معنی که زمان یک ویژگی فیزیکی است.

در نهایت، زمان ذاتی تجربیات ما از جهان است و برای تحقق تکامل ضروری است. اگر می‌خواهیم فیزیک قادر به توضیح زندگی باشد - و ما - ممکن است لازم باشد برای اولین بار در فیزیک زمان را به عنوان یک ویژگی مادی در نظر بگیریم.

شاید این رادیکال ترین انحراف فیزیک زندگی از فیزیک استاندارد باشد، اما ممکن است بینش انتقادی مورد نیاز برای توضیح چیستی زندگی باشد.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: زدنیک ماچاچک / می Unsplash

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب