Fisika Modern Tidak Dapat Menjelaskan Kehidupan—Tapi Sebuah Teori Baru, Yang Mengatakan Waktu Itu Mendasar, Perkasa

Fisika Modern Tidak Dapat Menjelaskan Kehidupan—Tapi Sebuah Teori Baru, Yang Mengatakan Waktu Itu Mendasar, Perkasa

Stempel Waktu: 13 April 2023 2

Dalam kurun waktu singkat hanya 300 tahun, sejak penemuan fisika modern, kita telah memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana alam semesta kita bekerja dalam skala kecil dan besar. Namun, fisika masih sangat muda dan ketika digunakan untuk menjelaskan kehidupan, fisikawan kesulitan.

Bahkan hari ini, kami benar-benar tidak bisa menjelaskan apa perbedaan antara segumpal materi yang hidup dan yang mati. Tetapi rekan-rekan saya dan saya sedang menciptakan fisika kehidupan baru yang mungkin segera memberikan jawaban.

Lebih dari 150 tahun yang lalu, Darwin dengan tajam mencatat dikotomi antara apa yang kita pahami dalam fisika dan apa yang kita amati dalam kehidupan—mencatat di akhir The Origin of Species “…sementara planet ini terus berputar sesuai dengan hukum tetap gravitasi, dari awal yang begitu sederhana, bentuk tak berujung yang terindah dan terindah telah dan sedang berevolusi.”

Pentingnya Waktu

Isaac Newton menggambarkan alam semesta di mana hukum tidak pernah berubah, dan waktu adalah latar belakang mutlak yang tidak dapat diubah dan segala sesuatu bergerak. Darwin, bagaimanapun, mengamati alam semesta di mana bentuk tak berujung dihasilkan, setiap fitur berubah dari apa yang datang sebelumnya, menunjukkan bahwa waktu seharusnya tidak hanya memiliki arah, tetapi dalam beberapa hal itu terlipat dengan sendirinya. Bentuk-bentuk evolusi baru hanya dapat muncul melalui seleksi di masa lalu.

Agaknya dua bidang ini ilmu menggambarkan alam semesta yang sama, tetapi bagaimana dua pandangan yang berlawanan secara diametris dapat disatukan? Kunci untuk memahami mengapa kehidupan tidak dapat dijelaskan dalam fisika saat ini mungkin adalah dengan mempertimbangkan kembali gagasan kita tentang waktu sebagai perbedaan utama antara alam semesta seperti yang dijelaskan oleh Newton dan Darwin. Faktanya, waktu telah ditemukan kembali berkali-kali sepanjang sejarah fisika.

Meskipun waktu Newton tetap dan absolut, waktu Einstein menjadi sebuah dimensi—sama seperti ruang. Dan sama seperti semua titik di ruang ada sekaligus, demikian juga semua titik di waktu. Ini filosofi waktu kadang-kadang disebut sebagai "blok alam semesta" di mana masa lalu, sekarang, dan masa depan sama-sama nyata dan ada dalam struktur statis—tanpa "sekarang" khusus. Di dalam mekanika kuantum, berlalunya waktu muncul dari bagaimana keadaan kuantum berubah dari satu ke yang berikutnya.

Penemuan termodinamika memberi waktu panahnya, menjelaskan mengapa itu bergerak maju daripada mundur. Itu karena ada contoh sistem yang jelas di alam semesta kita, seperti mesin yang bekerja, yang tidak dapat diubah—hanya bekerja dalam satu arah. Setiap bidang baru fisika fundamental, baik yang menjelaskan ruang dan waktu (Newton/Einstein), materi dan cahaya (mekanika kuantum), atau panas dan kerja (termodinamika) telah memperkenalkan konsep waktu yang baru.

Tapi bagaimana dengan evolusi dan kehidupan? Untuk membangun hal-hal baru, evolusi membutuhkan waktu. Kebaruan tanpa akhir hanya dapat terjadi di alam semesta di mana waktu ada dan memiliki arah yang jelas. Evolusi adalah satu-satunya proses fisik di alam semesta kita yang dapat menghasilkan suksesi benda-benda baru yang kita kaitkan dengan kehidupan—hal-hal seperti mikroba, mamalia, pohon, dan bahkan ponsel.

Informasi dan Memori

Objek seperti itu tidak dapat berfluktuasi menjadi ada secara spontan. Mereka membutuhkan ingatan, berdasarkan apa yang ada di masa lalu, untuk membangun sesuatu di masa kini. “Seleksi” inilah yang menentukan garis pemisah antara alam semesta yang dijelaskan oleh fisika saat ini dan apa yang dilihat Darwin: mekanisme itulah yang mengubah alam semesta di mana ingatan tidak penting dalam menentukan apa yang ada, ke alam semesta yang ada.

molekul dna berwarna kuning di atas hitam
Hidup adalah informasi. Kredit Gambar: ANIRUD / Unsplash

Coba pikirkan, segala sesuatu di dunia kehidupan membutuhkan semacam memori dan aliran informasi. DNA dalam sel kita adalah cetak biru kita. Dan untuk menemukan hal-hal baru, seperti roket atau pengobatan, makhluk hidup juga membutuhkan informasi—pengetahuan tentang hukum fisika dan kimia.

Oleh karena itu, untuk menjelaskan kehidupan, kita perlu memahami bagaimana objek kompleks yang diciptakan kehidupan ada dalam waktu. Dengan kolaborator saya, kami telah melakukan hal itu di a teori yang baru diajukan fisika disebut teori perakitan.

Dugaan utama dari teori perakitan adalah bahwa, ketika objek menjadi lebih kompleks, jumlah bagian unik yang menyusunnya meningkat, dan demikian pula kebutuhan memori lokal untuk menyimpan cara merakit objek dari bagian uniknya. Kami mengukur ini dalam teori perakitan sebagai jumlah langkah fisik terpendek untuk membangun objek dari blok bangunan dasarnya, yang disebut indeks perakitan.

Yang penting, teori perakitan memperlakukan jalur terpendek ini sebagai properti intrinsik objek, dan memang kami telah menunjukkan bagaimana indeks rakitan dapat diukur untuk molekul menggunakan beberapa teknik pengukuran yang berbeda termasuk spektrometri massa (metode analitik untuk mengukur massa ke muatan). rasio molekul).

Dengan pendekatan ini, kami telah menunjukkan di laboratorium, dengan pengukuran pada sampel biologis dan non-biologis, bagaimana molekul dengan indeks rakitan di atas 15 langkah hanya ditemukan dalam sampel hidup.

Ini menunjukkan bahwa teori perakitan memang mampu menguji hipotesis kita bahwa kehidupan adalah satu-satunya fisika yang menghasilkan objek kompleks. Dan kita dapat melakukannya dengan mengidentifikasi obyek-obyek yang begitu rumit satu-satunya mekanisme fisik untuk membentuknya adalah evolusi.

Kami bermaksud menggunakan teori kami untuk memperkirakan kapan asal usul kehidupan terjadi dengan mengukur titik di mana molekul dalam sup kimia menjadi begitu rumit sehingga mereka mulai menggunakan informasi untuk membuat salinan dirinya sendiri—ambang di mana kehidupan muncul dari non-kehidupan. Kami kemudian dapat menerapkan teori tersebut pada eksperimen yang bertujuan untuk menghasilkan peristiwa kehidupan baru di laboratorium.

Dan saat kita mengetahui hal ini, kita dapat menggunakan teori tersebut untuk mencari kehidupan di dunia yang sangat berbeda dengan Bumi, dan karena itu terlihat sangat asing sehingga kita tidak akan mengenali kehidupan di sana.

Jika teorinya berlaku, itu akan memaksa pemikiran ulang radikal tentang waktu dalam fisika. Menurut teori kami, perakitan dapat diukur sebagai sifat intrinsik untuk molekul, yang sesuai dengan ukurannya dalam waktu—artinya waktu adalah atribut fisik.

Pada akhirnya, waktu adalah intrinsik bagi pengalaman kita di dunia, dan evolusi diperlukan untuk terjadi. Jika kita ingin fisika mampu menjelaskan kehidupan—dan kita—mungkin kita perlu memperlakukan waktu sebagai properti material untuk pertama kalinya dalam fisika.

Ini mungkin penyimpangan paling radikal bagi fisika kehidupan dari fisika standar, tetapi ini mungkin merupakan wawasan kritis yang diperlukan untuk menjelaskan apa itu kehidupan.

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

Gambar Kredit: Zdeněk Macháček / Unsplash

Stempel Waktu:

Lebih dari Hub Singularity