פיזיקה מודרנית לא יכולה להסביר את החיים - אבל תיאוריה חדשה שאומרת שהזמן הוא יסודי, עשויה

בטווח הקצר של 300 שנה בלבד, מאז המצאת הפיזיקה המודרנית, השגנו הבנה מעמיקה יותר של איך היקום שלנו פועל בקנה מידה קטן וגדול כאחד. עם זאת, הפיזיקה עדיין צעירה מאוד וכשזה מגיע לשימוש בה כדי להסביר את החיים, הפיזיקאים נאבקים.

אפילו היום, אנחנו לא באמת יכולים להסביר מה ההבדל בין גוש חומר חי למת. אבל הקולגות שלי ואני יוצרים פיזיקת חיים חדשה שאולי בקרוב תספק תשובות.

לפני יותר מ-150 שנה, דרווין ציין בחריפות את הדיכוטומיה בין מה שאנו מבינים בפיזיקה לבין מה שאנו רואים בחיים - וציין בסוף מוצא המינים "בעוד כוכב הלכת הזה המשיך ברכיבה על אופניים על פי חוק הכבידה הקבוע, מהתחלה כל כך פשוטה, אין סוף צורות היפות והנפלאות ביותר התפתחו והתפתחו."

חשיבות הזמן

אייזק ניוטון תיאר יקום שבו החוקים לעולם אינם משתנים, והזמן הוא רקע בלתי משתנה ומוחלט שלעומתו הכל נע. דרווין, לעומת זאת, צפה ביקום שבו נוצרות אינסוף צורות, שכל אחת מהן משנה תכונות של מה שהיה קודם, מה שמרמז שהזמן לא צריך רק יש כיוון, אלא שבמובנים מסוימים זה מתקפל בחזרה על עצמו. צורות אבולוציוניות חדשות יכולות להיווצר רק באמצעות סלקציה על העבר.

מן הסתם שני התחומים הללו של מדע הם מתארים את אותו יקום, אבל איך אפשר לאחד שתי השקפות כל כך הפוכות בתכלית? המפתח להבנה מדוע החיים אינם ניתנים להסבר בפיזיקה הנוכחית עשוי להיות לשקול מחדש את מושגי הזמן שלנו כהבדל העיקרי בין היקום כפי שתואר על ידי ניוטון לזה של דרווין. הזמן, למעשה, הומצא מחדש פעמים רבות במהלך ההיסטוריה של הפיזיקה.

למרות שזמנו של ניוטון היה קבוע ומוחלט, הזמן של איינשטיין הפך למימד - ממש כמו החלל. וכמו שכל הנקודות במרחב קיימות בבת אחת, כך גם כל נקודות הזמן. זֶה פילוסופיית הזמן מכונה לפעמים "יקום בלוקים" שבו העבר, ההווה והעתיד הם אמיתיים באותה מידה ומתקיימים במבנה סטטי - ללא "עכשיו" מיוחד. ב מכניקה קוואנטית, חלוף הזמן עולה מאיך שמצבים קוונטיים משתנים מאחד למשנהו.

ההמצאה של תרמודינמיקה נתן לזמן את החץ שלו, והסביר מדוע הוא נע קדימה ולא אחורה. זה בגלל שיש דוגמאות ברורות של מערכות ביקום שלנו, כמו מנוע עובד, שהן בלתי הפיכות - עובדות רק בכיוון אחד. כל תחום חדש בפיזיקה בסיסית, בין אם הוא מתאר מרחב וזמן (ניוטון/איינשטיין), חומר ואור (מכניקת קוונטים), או חום ועבודה (תרמודינמיקה) הציג מושג חדש של זמן.

אבל מה עם האבולוציה והחיים? כדי לבנות דברים חדשים, האבולוציה דורשת זמן. חידוש אינסופי יכול להיות רק ביקום שבו זמן קיים ויש לו כיוון ברור. האבולוציה היא התהליך הפיזי היחיד ביקום שלנו שיכול ליצור את רצף החפצים החדשים שאנו מקשרים לחיים - דברים כמו מיקרובים, יונקים, עצים ואפילו טלפונים סלולריים.

מידע וזיכרון

אובייקטים כאלה אינם יכולים להשתנות לתוך קיום באופן ספונטני. הם דורשים זיכרון, המבוסס על מה שהיה קיים בעבר, כדי לבנות דברים בהווה. "ברירה" כזו היא שקובעת את קו ההפרדה בין היקום המתואר על ידי הפיזיקה הנוכחית לבין מה שדרווין ראה: זהו המנגנון שהופך את היקום שבו הזיכרון אינו משנה בקביעת מה קיים, לכזה שבו הוא עושה זאת.

תחשוב על זה, כל דבר בעולם החי דורש איזושהי זיכרון וזרימת מידע. ה-DNA בתאים שלנו הוא התוכנית שלנו. וכדי להמציא דברים חדשים, כמו רקטות או תרופות, גם יצורים חיים צריכים מידע - הכרת חוקי הפיזיקה והכימיה.

כדי להסביר את החיים, אנו צריכים אפוא להבין כיצד האובייקטים המורכבים שהחיים יוצרים קיימים בזמן. עם משתפי הפעולה שלי, עשינו בדיוק את זה ב תיאוריה שהוצעה לאחרונה של הפיזיקה הנקראת תורת המכלול.

השערה מרכזית של תורת ההרכבה היא שככל שאובייקטים הופכים מורכבים יותר, מספר החלקים הייחודיים המרכיבים אותו גדל, וכך גם הצורך בזיכרון מקומי כדי לאחסן כיצד להרכיב את האובייקט מחלקיו הייחודיים. אנו מכמתים זאת בתורת ההרכבה כמספר הקצר ביותר של שלבים פיזיים לבניית אובייקט מאבני הבניין היסודיות שלו, הנקרא אינדקס ההרכבה.

חשוב לציין, תיאוריית ההרכבה מתייחסת לנתיב הקצר ביותר הזה כאל תכונה מהותית של האובייקט, ואכן הראינו כיצד ניתן למדוד אינדקס הרכבה עבור מולקולות באמצעות מספר טכניקות מדידה שונות כולל ספקטרומטריית מסה (שיטה אנליטית למדידת מסה-למטען יחס מולקולות).

עם גישה זו, הראינו במעבדה, עם מדידות על דגימות ביולוגיות ולא ביולוגיות, כיצד מולקולות עם אינדקס הרכבה מעל 15 שלבים נמצאות רק בדגימות חיות.

זה מצביע על כך שתיאוריית ההרכבה אכן מסוגלת לבחון את ההשערה שלנו שהחיים הם הפיזיקה היחידה שיוצרת עצמים מורכבים. ואנחנו יכולים לעשות זאת על ידי זיהוי אותם אובייקטים שהם כל כך מורכבים המנגנון הפיזי היחיד ליצור אותם הוא האבולוציה.

אנו שואפים להשתמש בתיאוריה שלנו כדי להעריך מתי מקור החיים מתרחשים על ידי מדידת הנקודה שבה מולקולות במרק כימי הופכות למורכבות כל כך שהן מתחילות להשתמש במידע כדי ליצור עותקים של עצמן -הסף בו עולים חיים מאי-חיים. לאחר מכן נוכל ליישם את התיאוריה על ניסויים שמטרתם ליצור מקור חדש של אירוע חיים במעבדה.

וכאשר אנו יודעים זאת, אנו יכולים להשתמש בתיאוריה כדי לחפש חיים בעולמות שונים בתכלית מכדור הארץ, ולכן עשויים להיראות כל כך זרים שלא נזהה חיים שם.

אם התיאוריה תתקיים, היא תאלץ חשיבה מחודשת רדיקלית בזמן בפיזיקה. לפי התיאוריה שלנו, הרכבה יכולה להימדד כתכונה מהותית למולקולות, התואמת את גודלן בזמן - כלומר הזמן הוא תכונה פיזיקלית.

בסופו של דבר, הזמן הוא מהותי לחוויותינו בעולם, וזה הכרחי כדי שהאבולוציה תתרחש. אם אנחנו רוצים שהפיזיקה תהיה מסוגלת להסביר את החיים - ואותנו - יכול להיות שאנחנו צריכים להתייחס לזמן כאל תכונה חומרית בפעם הראשונה בפיזיקה.

זוהי אולי היציאה הרדיקלית ביותר לפיזיקה של החיים מהפיסיקה הסטנדרטית, אבל ייתכן שזו התובנה הקריטית הדרושה כדי להסביר מה הם חיים.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: זדנק מאצ'ק / Unsplash

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://singularityhub.com/2023/04/13/modern-physics-cant-explain-life-but-a-new-theory-which-says-time-is-fundamental-might/