Новая теория, вопреки современной физике, утверждает, что время имеет фундаментальное значение
За последние 300 лет, с момента изобретения современной физики, мы получили более глубокое понимание того, как наша Вселенная работает в малых и больших масштабах. Тем не менее, физика все еще очень молода, и когда дело доходит для объяснения жизни, физики сталкиваются с трудностями.
Даже сегодня мы не можем толком объяснить, в чем разница между живым куском материи и мертвым. Но мы с коллегами создаем новую физику жизни, которая вскоре может дать ответы.
Более 150 лет назад Дарвин проницательно отметил дихотомию, что мы понимаем в физике, и том, что мы наблюдаем в жизни, отметив в конце «Происхождения видов»: «…пока эта планета вращалась в соответствии с фиксированным законом гравитации, из такого простого начала развились бесконечные формы жизни, прекраснейшие и изумительнейшие».
Исаак Ньютон описал Вселенную, где законы никогда не меняются, а время — неизменный и абсолютный фон, на котором все движется. Дарвин, однако, наблюдал Вселенную, в которой генерируются бесконечные формы, каждая из которых меняет черты того, что было раньше, предполагая, что время должно не только иметь направление, но и что оно каким-то образом сворачивать в само себя. Новые эволюционные формы могут возникнуть только путем отбора прошлого.
Предположительно, эти две области науки описывают одну и ту же вселенную, но как можно объединить два таких диаметрально противоположных взгляда? Ключом к пониманию того, почему жизнь не поддается объяснению в современной физике, может быть пересмотр наших представлений о времени как о ключевом различии между вселенной, описанной Ньютоном, и вселенной Дарвина. На самом деле время изобреталось заново много раз в истории физики.
Хотя время Ньютона было фиксированным и абсолютным, время Эйнштейна стало измерением — точно так же, как пространство. И точно так же, как все точки в пространстве существуют одновременно, существуют и все точки во времени. Эту философию времени иногда называют «блочной вселенной», где прошлое, настоящее и будущее в равной степени реальны и существуют в статической структуре — без особого «сейчас». В квантовой механике ход времени определяется тем, как квантовые состояния меняются от одного к другому.
Изобретение термодинамики дало время направление, объяснив, почему оно движется вперед, а не назад. В нашей вселенной есть явные примеры систем, таких как работающий двигатель, которые необратимы — работают только в одном направлении. Каждая новая область фундаментальной физики, будь то описание пространства и времени (Ньютон/Эйнштейн), материи и света (квантовая механика) или тепла и работы (термодинамика), вводит новое понятие времени.
А как же эволюция и жизнь? Чтобы создавать новое, эволюции требуется время. Бесконечная новизна может возникнуть только во вселенной, где время существует и имеет четкое направление. Эволюция — единственный физический процесс в нашей Вселенной, который может породить последовательность новых объектов, которые мы связываем с жизнью, — таких вещей, как микробы, млекопитающие, деревья и даже мобильные телефоны.
Такие объекты не могут возникать спонтанно. Им требуется память, основанная на том, что существовало в прошлом, чтобы создавать вещи в настоящем. Именно такой «отбор» определяет разделительную линию между вселенной, описываемой современной физикой, и тем, что видел Дарвин: это механизм, который превращает вселенную, в которой память не имеет значения при определении того, что существует, во вселенную, где она имеет значение.
Подумайте об этом, все в живом мире требует какой-то памяти и потока информации. ДНК в наших клетках — это наш план. А для изобретения новых вещей, таких как ракеты или лекарства, живым существам тоже нужна информация — знание законов физики и химии.
Следовательно, чтобы объяснить жизнь, нам нужно понять, как сложные объекты, созданные жизнью, существуют во времени. Вместе с моими коллегами мы занимались именно этим в недавно предложенной теории физики, называемой теорией сборки.
Ключевая догадка теории сборки заключается в том, что по мере того, как объекты становятся более сложными, увеличивается количество уникальных частей, из которых они состоят, а также потребность в локальной памяти для хранения того, как собрать объект из его уникальных частей. Мы измеряем это в теории сборки как кратчайшее количество физических шагов для построения объекта из его элементарных строительных блоков, называемых индексом сборки.
Важно отметить, что теория сборки рассматривает этот кратчайший путь как неотъемлемое свойство объекта, и мы действительно показали, как индекс сборки можно измерить для молекул, используя несколько различных методов измерения, включая масс-спектрометрию (аналитический метод измерения отношения массы к заряду).
С помощью этого подхода мы продемонстрировали в лаборатории с измерениями как биологических, так и небиологических образцов, как молекулы с индексом сборки выше 15 шагов обнаруживаются только в живых образцах.
Это говорит о том, что теория сборки действительно способна проверить нашу гипотезу о том, что жизнь — это единственная физика, порождающая сложные объекты. И мы можем сделать это, идентифицируя те объекты, которые настолько сложны, что единственным физическим механизмом для их формирования является эволюция.
Мы стремимся использовать нашу теорию для оценки того, когда происходит зарождение жизни, путем измерения точки, в которой молекулы в химическом бульоне становятся настолько сложными, что они начинают использовать информацию для создания своих копий — порог, при котором жизнь возникает из не живого. Затем мы можем применить теорию к экспериментам, направленным на создание нового события происхождения жизни в лаборатории.
И когда мы это узнаем, мы можем использовать теорию для поиска жизни в мирах, которые радикально отличаются от Земли и поэтому могут выглядеть настолько чуждыми, что мы не узнаем там жизнь.
Если теория подтвердится, это заставит радикально переосмыслить время в физике. Согласно нашей теории, сборку можно измерить как неотъемлемое свойство молекул, которое соответствует их размеру во времени, то есть время является физическим атрибутом.
В конечном счете, время неотъемлемо связано с нашим восприятием мира и необходимо для того, чтобы произошла эволюция. Если мы хотим, чтобы физика была способна объяснить жизнь — и нас — возможно, нам придется впервые в физике рассматривать время как материальное свойство.
Возможно, это самый радикальный отход физики жизни от стандартной физики, но, возможно, это критическое понимание, необходимое для объяснения того, что такое жизнь.