Dari semua kemajuan ilmiah, evolusi adalah yang paling sulit bagi ego manusia. Teori revolusioner Charles Darwin, yang dituangkan dalam bukunya yang terbit pada tahun 1859, On the Origin of Species, mengancam akan membalikkan posisi agung umat manusia di alam semesta. Namun di era yang sama, revolusi ilmiah yang lebih tenang — dan tampaknya tidak berkaitan — juga terjadi.
Konten terkait
- Kakek Charles Darwin Terkenal dengan Puisi-Puisinya tentang Seks Tanaman
- Surat yang Ditulis oleh Charles Darwin, Dua Kali Dicuri, Kembali ke Smithsonian
- Dua Ilmuwan Berbagi Kredit untuk Teori Evolusi. Darwin Menjadi Terkenal; Ahli Biologi Ini Tidak.
- Evolusi Charles Darwin
Konsep entropi dalam fisika mulai cukup tidak berbahaya, sebagai penjelasan mengapa mesin uap tidak pernah bisa sepenuhnya efisien. Tetapi pada akhirnya, entropi juga mengancam hierarki yang sudah mapan. Dan faktanya, entropi dan evolusi lebih dari sekadar terkait.
Entropy diperjuangkan dan dielaborasi oleh fisikawan Austria Ludwig Boltzmann — yang juga merupakan salah satu promotor terbesar Darwin dalam komunitas fisika. Pada tahun 1886, empat tahun setelah kematian Darwin, Boltzmann memberikan ceramah populer tentang entropi di mana ia berkata: "Jika Anda bertanya kepada saya tentang keyakinan terdalam saya apakah abad kita akan disebut abad besi atau abad uap atau listrik, saya menjawab tanpa ragu-ragu: itu akan disebut abad dari pandangan mekanis tentang alam, abad Darwin. "
Namun Boltzmann lebih dari sekadar pemandu sorak Darwin. Dia memahami teori evolusi lebih dalam daripada kebanyakan di era itu, dan mengakui implikasi penuh dari gagasan intinya. Secara khusus, ia memahami bagaimana evolusi dan fisika panas bergantung pada pemahaman sejarah, dan bagaimana perubahan kecil terakumulasi dari waktu ke waktu. Pada abad ke-19, ide-ide ini begitu revolusioner sehingga dianggap sesat bagi banyak orang.
Selain janggut mereka yang luar biasa, Darwin dan Boltzmann tidak memiliki banyak kesamaan sebagai manusia. Meskipun kehidupan kerja mereka tumpang tindih selama bertahun-tahun, kedua pria itu tidak pernah bertemu. Darwin lebih dari satu generasi yang lebih tua, dan tumbuh sebagai pria yang berasal dari keluarga terkenal; penyakit menahannya di rumah untuk sebagian besar hidupnya di kemudian hari. Boltzmann mengajar di universitas dan mengajar banyak perintis masa depan fisika abad ke-20. Dia menemukan gadget, menulis puisi, dan bepergian secara luas. Dia kemudian berjuang dengan episode depresi, yang dia gambarkan secara tertulis, dan bunuh diri pada tahun 1906.
Di permukaan, teori-teori mereka juga tampak jauh berbeda satu sama lain. Tapi lihat lebih dalam, dan mereka saling terkait.
Baik evolusi maupun entropi mengecewakan pandangan banyak orang tentang tatanan “alami”. Darwin mengatakan manusia diturunkan dari hewan lain; bahwa kita adalah bagian dari silsilah keluarga yang sama dengan semua makhluk hidup, tunduk pada proses universal yang disebut seleksi alam. Boltzmann mengatakan hukum fisika yang teratur menyebabkan kekacauan, dan mengharuskan kita menggunakan bahasa statistik dan probabilitas untuk memahami. Kedua gagasan itu mengganggu pandangan abad ke-19 tentang kemajuan dan perbaikan terus-menerus, tetapi teori-teori itu juga terjalin dengan cara yang mungkin pertama kali diakui oleh Boltzmann.
Burung kutilang di pulau Galapagos memberikan contoh kunci bagi teori evolusi Darwin melalui seleksi alam. (MarcPo / iStock) Entropi ditemukan oleh para insinyur yang bekerja di mesin uap. Mereka menyadari bahwa tidak peduli seberapa efisien mesin mereka, selalu ada energi yang hilang dalam proses tersebut. Energinya tidak hancur (itu tidak mungkin); hanya saja tidak tersedia untuk digunakan. Rudolf Clausius menamakan kuantitas yang didefinisikan oleh hilangnya energi ini "entropi, " dari kata Yunani untuk transformasi dan fakta bahwa itu terdengar mirip dengan "energi."
Fisikawan mengabadikan tujuan entropi dalam Hukum Kedua Termodinamika, yang menyatakan: Dalam proses apa pun yang terputus dari pengaruh eksternal, entropi meningkat atau tetap konstan. Ini adalah cara untuk mengatakan, dalam arti kosmis, bahwa tidak ada uang gratis. Setiap transaksi membutuhkan biaya. Tetapi mendefinisikannya seperti itu tidak benar-benar mengatakan apa itu entropi — dan Boltzmann ingin tahu lebih banyak.
Abad ke-19 melihat para ilmuwan menyatukan berbagai aspek pengetahuan manusia: menggabungkan listrik dengan magnet, menggunakan metode baru dalam fisika untuk mengidentifikasi unsur-unsur kimia, dan sebagainya. Boltzmann ingin menggunakan hukum gerak Newton, yang mengatur perilaku objek makroskopik, untuk memahami perilaku gas.
Presedennya adalah "teori kinetik, " model yang diusulkan oleh James Clerk Maxwell (yang klaim ketenaran terbesarnya adalah teori yang menyatukan listrik dan magnet, menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik) dan rekannya. Teori kinetik menghubungkan kecepatan partikel gas mikroskopis ke jumlah yang dapat diukur seperti suhu. Menurut hukum Newton, tabrakan individual antara partikel-partikel ini akan terlihat sama jika Anda membalikkan arah waktu. Namun, entropi harus selalu meningkat atau tetap sama — itu tidak dapat dipulihkan.
Irreversibilitas adalah bagian normal dari kehidupan. Memecah gelas dan menumpahkan air di lantai tidak dapat dipulihkan. Pecahan gelas dan molekul air tidak akan secara spontan terbentuk kembali. Adonan kue tidak akan tercampur, parfum yang disemprotkan ke dalam ruangan tidak akan mengalir kembali ke dalam botol. Boltzmann ingin menjelaskan peristiwa-peristiwa ireversibel realistis ini menggunakan fisika mikroskopis. Dia melakukan itu dengan menunjukkan bagaimana sejumlah besar partikel gas masih dapat menghasilkan hasil yang tidak dapat diubah.
Pikirkan sebuah kotak tertutup dengan partisi yang dapat dipindah yang membaginya menjadi dua. Dalam percobaan kami, kami mengisi setengah kotak dengan semacam gas, lalu sedikit membuka partisi. Beberapa gas akan melalui lubang di partisi, sehingga setelah beberapa saat ada kira-kira jumlah gas yang sama di kedua sisi kotak.
Jika kita mulai dengan setengah gas di kedua sisi kotak dan kemudian membuka partisi, kita hampir pasti tidak akan berakhir dengan semuanya di satu sisi kotak, bahkan jika kita menunggu waktu yang sangat lama. Meskipun setiap tabrakan antara partikel atau antara partikel dan dinding wadah dapat dibalik, hasilnya tidak.
Tentu, semua partikel gas dapat mengalir secara spontan dari satu sisi wadah ke sisi lainnya. Tapi seperti yang ditunjukkan Boltzmann, sangat tidak mungkin kita tidak perlu khawatir tentang hal itu. Dengan cara yang sama, entropi dapat secara spontan berkurang, tetapi hampir tidak pernah melakukannya. Ini jauh lebih mungkin meningkat, atau - setelah partikel gas terdistribusi secara merata di antara sisi wadah - tetap sama.
Hasilnya adalah directionality dan irreversibilitas, meskipun itu berasal dari perilaku mikroskopis yang sepenuhnya dapat dibalik. Dalam hal itu, Boltzmann melihat hubungan antara entropi dan evolusi.
*****
Dalam biologi, perubahan kecil antara generasi sendiri, untuk maksud dan tujuan kita, tanpa arah dan acak. Tetapi teori seleksi alam Darwin menunjukkan bagaimana mereka pada akhirnya dapat mengarah pada perubahan yang tidak dapat dibalikkan, memberikan penjelasan mendasar tentang bagaimana spesies baru muncul dari yang sudah ada. Darwin menyebut fenomena ini "keturunan dengan modifikasi, " dan memperkenalkan gagasan seleksi alam untuk membuatnya berfungsi.
Boltzmann mengakui bahwa ini adalah cara yang dalam untuk memahami proliferasi kehidupan di Bumi, seperti penjelasannya tentang entropi yang memberikan pemahaman mendalam tentang proses ireversibel dalam fisika. Tetapi di luar hal yang tidak dapat dibalikkan lagi, ia juga mengakui bahwa kehidupan melibatkan persaingan atas energi yang tersedia — atau dengan kata lain, perjuangan untuk meminimalkan entropi.
Makhluk hidup adalah kumpulan sifat. Beberapa sifat itu adaptif, artinya mereka membantu organisme bertahan hidup: memungkinkannya untuk mencari makanan, atau menghindari menjadi makanan untuk sesuatu yang lain. Ciri-ciri lain tidak menguntungkan, dan beberapa bersifat netral, tidak membantu atau berbahaya. Seleksi alam adalah cara evolusi memilih sifat adaptif dari yang tidak menguntungkan.
(Boltzmann bahkan menggunakan teori Darwin untuk menyatakan bahwa keterampilan kita dalam menciptakan konsepsi tentang bagaimana dunia bekerja membantu umat manusia untuk bertahan hidup dan berhasil. Itu berarti pikiran manusia - subjek dari banyak spekulasi filosofis - adalah sifat adaptif, sesuai dengan prinsip-prinsip Darwinian .)
Seleksi alam adalah pandangan hidup yang keras. Tetapi makhluk hidup membutuhkan makanan — bahan kimia dari udara, tanah atau dari memakan organisme lain — dan itu berarti persaingan. Organisme yang bertahan hidup meneruskan sifat adaptifnya ke keturunannya, sementara sifat berbahaya menghilang. Jika cukup banyak dari sifat-sifat itu menumpuk dari generasi ke generasi, seluruh spesies baru dapat muncul. Salah satu dari spesies itu adalah spesies kita: manusia dilahirkan dari proses seleksi alam dan adaptasi, sama seperti semua kehidupan lainnya.
Boltzmann menggunakan kedua teori itu untuk menyatakan bahwa perjuangan hidup bukanlah energi. Bumi mendapat banyak energi dari Matahari, jauh lebih banyak daripada kehidupan yang sebenarnya digunakan dalam bentuk fotosintesis (dan organisme lain yang memakan tanaman dan fotosintesis lainnya). Sebaliknya, hidup adalah perjuangan untuk meminimalkan entropi dengan menangkap sebanyak mungkin energi yang tersedia.
Wawasan Boltzmann menghubungkan teori Darwin dengan fisika fundamental, sebuah pencapaian intelektual yang mencengangkan. Ini menunjukkan bagaimana evolusi dan entropi memiliki pengaruh di luar domain asli mereka. Hari ini kita memiliki algoritma evolusioner dan entropi dalam teori informasi, dan evolusi adalah kriteria yang digunakan NASA dalam pencariannya untuk kehidupan di dunia lain.
Revolusi kembar Darwin dan Boltzmann terus berlanjut. Mungkin Anda bahkan bisa mengatakan mereka telah berevolusi bersama.
