De todos os avanços científicos, a evolução tem sido a mais difícil para o ego humano. A teoria revolucionária de Charles Darwin, exposta em seu livro inovador de 1859, Sobre a Origem das Espécies, ameaçou derrubar a posição exaltada da humanidade no universo. No entanto, na mesma época, uma revolução científica mais silenciosa - e aparentemente não relacionada - também estava ocorrendo.
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O conceito de entropia na física começou de forma inofensiva, como uma explicação de por que os motores a vapor nunca poderiam ser perfeitamente eficientes. Mas, no final das contas, a entropia também ameaçava uma hierarquia estabelecida. E, de fato, a entropia e a evolução eram mais que casualmente relacionadas.
A entropia foi defendida e elaborada pelo físico austríaco Ludwig Boltzmann - que também passou a ser um dos maiores promotores de Darwin na comunidade da física. Em 1886, quatro anos após a morte de Darwin, Boltzmann proferiu uma palestra popular sobre entropia na qual ele disse: “Se você me perguntar sobre minha mais profunda convicção de que nosso século será chamado de século de ferro ou século de vapor ou eletricidade, respondo sem hesitação: será chamado o século da visão mecânica da natureza, o século de Darwin ”.
No entanto, Boltzmann era mais do que apenas uma animadora de torcida de Darwin. Ele entendeu a teoria evolutiva mais profundamente do que a maioria naquela época e reconheceu todas as implicações de suas idéias centrais. Especificamente, ele compreendeu como a evolução e a física do calor se baseavam na compreensão da história e em como pequenas mudanças se acumulam com o tempo. No século XIX, essas idéias eram tão revolucionárias que eram consideradas heréticas para muitos.
Além de suas magníficas barbas, Darwin e Boltzmann não tinham muito em comum como pessoas. Apesar de suas vidas de trabalho se sobreporem por muitos anos, os dois homens nunca se encontraram. Darwin era mais de uma geração mais velha e cresceu como um cavalheiro de uma família famosa; a doença o manteve em casa durante grande parte de sua vida posterior. Boltzmann ensinou em universidades e instruiu muitos futuros pioneiros da física do século XX. Ele inventou gadgets, escreveu poesia e viajou extensivamente. Mais tarde, ele lutou com episódios depressivos, que ele descreveu por escrito, e cometeu suicídio em 1906.
Na superfície, suas teorias também pareciam distantes umas das outras. Mas olhe mais fundo e eles estão inextricavelmente interligados.
Tanto a evolução quanto a entropia perturbaram a visão de muitas pessoas sobre a ordem “natural”. Darwin disse que os humanos descendem de outros animais; que somos parte da mesma árvore genealógica de todos os seres vivos, sujeitos a um processo universal chamado seleção natural. Boltzmann disse que as leis ordenadas da física levam à desordem e exigem que usemos a linguagem da estatística e a probabilidade de compreendê-la. Ambas as idéias interferiram nas visões de progresso e aperfeiçoamento perpétuo do século XIX, mas as teorias também estavam entrelaçadas de um modo que Boltzmann foi possivelmente o primeiro a reconhecer.
Os tentilhões das ilhas Galápagos forneceram um exemplo-chave para a teoria da evolução de Darwin pela seleção natural. (MarcPo / iStock) A entropia foi descoberta por engenheiros que trabalham em motores a vapor. Eles perceberam que não importava quão eficientes fossem suas máquinas, sempre havia alguma energia perdida no processo. A energia não foi destruída (isso é impossível); simplesmente não estava disponível para ser usado. Rudolf Clausius nomeou a quantidade definida por essa entropia de perda de energia, da palavra grega para transformação e o fato de que soa semelhante a "energia".
Os físicos consagraram o propósito da entropia na Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma: Em qualquer processo isolado das influências externas, a entropia aumenta ou permanece constante. É uma maneira de dizer, num sentido cósmico, que não há dinheiro livre. Toda transação custa alguma coisa. Mas defini-lo dessa maneira não diz exatamente o que é a entropia - e Boltzmann queria saber mais.
O século XIX viu cientistas unificando diferentes aspectos do conhecimento humano: unindo eletricidade ao magnetismo, usando novos métodos na física para identificar elementos químicos, e assim por diante. Boltzmann queria usar as leis do movimento de Newton, que governam o comportamento dos objetos macroscópicos, para entender o comportamento dos gases.
Seu precedente foi "teoria cinética", um modelo proposto por James Clerk Maxwell (cuja maior reivindicação para a fama é a teoria unificando eletricidade e magnetismo, mostrando que a luz é uma onda eletromagnética) e seus colegas. A teoria cinética conectava as velocidades das partículas de gás microscópicas a quantidades mensuráveis, como a temperatura. De acordo com as leis de Newton, as colisões individuais entre essas partículas devem parecer iguais se você inverter a direção do tempo. No entanto, a entropia tem que aumentar ou permanecer sempre a mesma - é irreversível.
A irreversibilidade é uma parte normal da vida. Quebrar um copo e derramar a água no chão é irreversível. Os fragmentos de vidro e moléculas de água não se reformam espontaneamente. Massa de bolo não é misturada, perfume borrifado em uma sala não fluirá de volta para a garrafa. Boltzmann queria explicar esses eventos irreversíveis realistas usando a física microscópica. Ele fez isso mostrando como números enormes de partículas de gás ainda podem produzir resultados irreversíveis.
Pense em uma caixa selada com uma divisória móvel dividida ao meio. Em nosso experimento, preenchemos metade da caixa com algum tipo de gás e abrimos a partição um pouco. Parte do gás passará pela abertura da divisória, de modo que, depois de um tempo, haverá aproximadamente a mesma quantidade de gás nos dois lados da caixa.
Se começássemos com metade do gás em ambos os lados da caixa e depois abríssemos a divisória, quase certamente não acabaríamos com ela de um lado da caixa, nem mesmo se esperássemos muito tempo. Mesmo que cada colisão entre partículas ou entre partículas e as paredes do contêiner seja reversível, o resultado não é.
Claro, é possível que todas as partículas de gás fluam espontaneamente de um lado do recipiente para o outro. Mas, como Boltzmann apontou, é tão improvável que não tenhamos que nos preocupar com isso. Do mesmo modo, a entropia pode diminuir espontaneamente, mas dificilmente isso acontece. É muito mais provável que aumente, ou - uma vez que as partículas de gás estejam distribuídas uniformemente entre os lados do recipiente - permaneça o mesmo.
O resultado é direcionalidade e irreversibilidade, embora tenha se originado em um comportamento microscópico completamente reversível. Nesse sentido, Boltzmann viu conexões entre entropia e evolução.
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Na biologia, pequenas mudanças entre gerações por si mesmas são, para nossos propósitos e propósitos, sem direção e aleatórias. Mas a teoria da seleção natural de Darwin mostrou como eles poderiam eventualmente levar a mudanças irreversíveis, fornecendo uma explicação subjacente de como novas espécies surgem das existentes. Darwin chamou esse fenômeno de "descendência com modificação" e introduziu a idéia da seleção natural para fazê-la funcionar.
Boltzmann reconheceu que essa era uma maneira profunda de entender a proliferação da vida na Terra, assim como sua explicação da entropia proporcionou um profundo entendimento de processos irreversíveis na física. Mas além da irreversibilidade, ele também reconheceu que a vida envolve a competição pela energia disponível - ou, pelo menos, uma batalha para minimizar a entropia.
As coisas vivas são um pacote de traços. Alguns desses traços são adaptativos, o que significa que eles ajudam um organismo a sobreviver: capacitá-lo a encontrar comida ou evitar tornar-se alimento para outra coisa. Outras características são desvantajosas, e algumas são neutras, não sendo nem úteis nem prejudiciais. A seleção natural é a forma como a evolução escolhe os traços adaptativos dos desvantajosos.
(Boltzmann até usou a teoria de Darwin para argumentar que nossa habilidade em criar concepções de como o mundo funciona ajudou a humanidade a sobreviver e a ter sucesso. Isso significava que a mente humana - objeto de muita especulação filosófica - é um traço adaptativo, segundo os princípios darwinianos. .)
A seleção natural é uma visão dura da vida. Mas os seres vivos necessitam de comida - substâncias químicas do ar, do solo ou de outros organismos - e isso significa competição. Organismos que sobrevivem passam seus traços adaptativos para seus descendentes, enquanto traços nocivos desaparecem. Se um número suficiente dessas características se acumular ao longo das gerações, espécies inteiramente novas podem surgir. Uma dessas espécies era nossa: os seres humanos nasceram dos processos de seleção natural e adaptação, assim como todas as outras formas de vida.
Boltzmann usou ambas as teorias para argumentar que a luta da vida não é sobre energia. A Terra recebe muita energia do Sol, muito mais do que a vida realmente usa na forma de fotossíntese (e outros organismos que comem plantas e outros fotossintetizadores). Em vez disso, a vida é uma luta para minimizar a entropia, capturando o máximo de energia disponível possível.
O insight de Boltzmann conectou a teoria de Darwin à física fundamental, uma conquista intelectual surpreendente. Mostrou como tanto a evolução quanto a entropia têm influência além de seus domínios originais. Hoje temos algoritmos evolutivos e entropia na teoria da informação, e a evolução está no critério que a NASA usa em sua busca pela vida em outros mundos.
As duas revoluções de Darwin e Boltzmann continuam. Talvez você possa até dizer que eles evoluíram juntos.
