Modern fysik kan inte förklara livet - men en ny teori, som säger att tiden är grundläggande, kanske

Under den korta tidsperioden på bara 300 år, sedan den moderna fysikens uppfinning, har vi fått en djupare förståelse för hur vårt universum fungerar i både liten och stor skala. Ändå är fysiken fortfarande väldigt ung och när det gäller att använda den för att förklara livet kämpar fysiker.

Även i dag, vi kan inte riktigt förklara vad är skillnaden mellan en levande klump av materia och en död. Men jag och mina kollegor skapar en ny livsfysik som snart kan ge svar.

För mer än 150 år sedan noterade Darwin med gripande dikotomi mellan vad vi förstår i fysiken och vad vi observerar i livet – och noterade i slutet av Arternas ursprung "...medan den här planeten har cyklat vidare enligt tyngdlagens fasta lag, från en så enkel början har oändliga former de vackraste och mest underbara varit och håller på att utvecklas."

Tidens betydelse

Isaac Newton beskrev ett universum där lagarna aldrig förändras, och tiden är en oföränderlig och absolut bakgrund mot vilken allt rör sig. Darwin observerade dock ett universum där oändliga former genereras, var och en förändrade drag av det som kom innan, vilket tyder på att tiden inte bara borde ha en riktning, men att den på något sätt viker sig tillbaka på sig själv. Nya evolutionära former kan bara uppstå genom urval från det förflutna.

Förmodligen dessa två områden av vetenskap beskriver samma universum, men hur kan två sådana diametralt motsatta åsikter förenas? Nyckeln till att förstå varför livet inte går att förklara i nuvarande fysik kan vara att ompröva våra föreställningar om tid som nyckelskillnaden mellan universum som beskrivits av Newton och Darwins. Tiden har faktiskt återuppfunnits många gånger genom fysikens historia.

Även om Newtons tid var fixerad och absolut, blev Einsteins tid en dimension – precis som rymden. Och precis som alla punkter i rymden finns på en gång, så finns alla punkter i tiden. Detta tidsfilosofi kallas ibland för "blockuniversum" där det förflutna, nuet och framtiden är lika verkliga och existerar i en statisk struktur - utan något speciellt "nu". I kvantmekanik, tidens gång framgår av hur kvanttillstånd förändras från det ena till det andra.

Uppfinningen av termodynamik gav tiden sin pil och förklarade varför den rör sig framåt snarare än bakåt. Det beror på att det finns tydliga exempel på system i vårt universum, som en fungerande motor, som är irreversibla – bara arbetar i en riktning. Varje nytt område av fundamental fysik, oavsett om det beskriver rum och tid (Newton/Einstein), materia och ljus (kvantmekanik), eller värme och arbete (termodynamik) har introducerat ett nytt begrepp om tid.

Men hur är det med evolutionen och livet? För att bygga nya saker kräver evolutionen tid. Oändliga nyheter kan bara komma att finnas i ett universum där tiden finns och har en tydlig riktning. Evolution är den enda fysiska processen i vårt universum som kan generera en rad nya föremål som vi förknippar med livet – saker som mikrober, däggdjur, träd och till och med mobiltelefoner.

Information och minne

Sådana föremål kan inte fluktuera till existens spontant. De kräver ett minne, baserat på vad som fanns i det förflutna, för att konstruera saker i nuet. Det är ett sådant "selektion" som bestämmer skiljelinjen mellan det universum som beskrivs av nuvarande fysik och vad Darwin såg: det är mekanismen som förvandlar ett universum där minnet inte spelar någon roll för att avgöra vad som existerar, till ett där det gör det.

Tänk på det, allt i den levande världen kräver någon form av minne och informationsflöde. DNA:t i våra celler är vår ritning. Och för att uppfinna nya saker, som raketer eller medicin, behöver levande varelser också information – kunskap om fysikens och kemins lagar.

För att förklara livet behöver vi därför förstå hur de komplexa föremål som livet skapar existerar i tiden. Med mina medarbetare har vi gjort just det i ett nyförslagen teori av fysiken som kallas monteringsteori.

En viktig gissning inom monteringsteorin är att när objekt blir mer komplexa, ökar antalet unika delar som utgör det, och så ökar behovet av lokalt minne för att lagra hur man sätter ihop objektet från dess unika delar. Vi kvantifierar detta i monteringsteorin som det kortaste antalet fysiska steg för att bygga ett objekt från dess elementära byggstenar, kallat monteringsindex.

Viktigt är att monteringsteorin behandlar denna kortaste väg som en inneboende egenskap hos objektet, och vi har faktiskt visat hur ett sammansättningsindex kan mätas för molekyler med hjälp av flera olika mättekniker inklusive masspektrometri (en analytisk metod för att mäta massa-till-laddning). förhållandet mellan molekyler).

Med detta tillvägagångssätt har vi i labbet, med mätningar på både biologiska och icke-biologiska prover, visat hur molekyler med ett sammansättningsindex över 15 steg bara hittas i levande prover.

Detta tyder på att monteringsteorin verkligen är kapabel att testa vår hypotes att livet är den enda fysiken som genererar komplexa objekt. Och vi kan göra det genom att identifiera de objekt som är så komplexa att den enda fysiska mekanismen för att bilda dem är evolution.

Vi siktar på att använda vår teori för att uppskatta när ursprunget om livet inträffar genom att mäta den punkt där molekyler i en kemisk soppa blir så komplexa att de börjar använda information för att göra kopior av sig själva—tröskeln vid vilken liv uppstår ur icke-liv. Vi kan sedan tillämpa teorin på experiment som syftar till att generera en ny livshändelse i labbet.

Och när vi vet detta kan vi använda teorin för att leta efter liv i världar som är radikalt annorlunda än jorden, och kan därför se så främmande ut att vi inte skulle känna igen livet där.

Om teorin håller kommer den att tvinga fram en radikal omtanke om tiden inom fysiken. Enligt vår teori kan sammansättning mätas som en inneboende egenskap för molekyler, vilket motsvarar deras storlek i tid – vilket betyder att tiden är en fysisk egenskap.

I slutändan är tiden inneboende för våra erfarenheter av världen, och det är nödvändigt för att evolutionen ska ske. Om vi ​​vill att fysiken ska kunna förklara livet – och oss – kan det vara så att vi måste behandla tid som en materiell egenskap för första gången i fysiken.

Detta är kanske den mest radikala avvikelsen för livets fysik från standardfysik, men det kan vara den kritiska insikten som behövs för att förklara vad liv är.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: Zdeněk Macháček / Unsplash

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/04/13/modern-physics-cant-explain-life-but-a-new-theory-which-says-time-is-fundamental-might/