Fizica modernă nu poate explica viața, dar o nouă teorie, care susține că timpul este fundamental, ar putea

Pe parcursul unei perioade de doar 300 de ani, de la inventarea fizicii moderne, am dobândit o înțelegere mai profundă a universului atât la scară mică, cât și la scară mare. Cu toate acestea, fizica se află abia la inceput atunci când vine vorba de a explica viața.

În prezent nu putem explica cu adevărat care este diferența dintre o bucată de materie vie și una moartă. Cu toate acestea, eu și colegii mei lucrăm la o nouă fizică a vieții care ar putea oferi răspunsuri în curând.

Cu mai bine de 150 de ani în urmă, Darwin a remarcat, în mod exceptional, dihotomia dintre ceea ce înțelegem din fizică și ceea ce observăm în viață, notând la sfârșitul Originii speciilor „…în timp ce această planetă a continuat să-și parcurgă orbita conform legii fixe a gravitației, din forme atat de simple la început s-au dezvoltat formele cele mai frumoase și mai minunate”.

Importanța timpului

Isaac Newton a descris un univers în care legile nu se schimbă niciodată, iar timpul este un fundal imuabil și absolut pe care totul se mișcă.

Darwin, totuși, a observat un univers în care sunt generate forme nesfârșite, fiecare schimbând trăsăturile anterioare, sugerând că timpul nu ar trebui doar să aibă o direcție, ci că, într-un fel, se pliază pe sine. Noile forme evolutive pot apărea doar prin selecția trecutului.

Probabil că aceste două domenii ale științei descriu același univers, dar cum pot fi unificate două astfel de vederi diametral opuse?

Cheia pentru a înțelege de ce viața nu este explicabilă în fizica actuală poate fi  reconsiderarea noțiunii de timp ca diferența cheie dintre universul descris de Newton și cel al lui Darwin. De fapt, timpul a fost reinventat de multe ori în istoria fizicii.

Deși timpul lui Newton era fix și absolut, timpul lui Einstein a devenit o dimensiune, la fel ca spațiul. Și la fel cum toate punctele din spațiu există deodată, la fel există toate punctele din timp. Această filozofie a timpului este uneori denumită „universul bloc” în care trecutul, prezentul și viitorul sunt la fel de reale și există într-o structură statică, fără un „acum” special. În mecanica cuantică, trecerea timpului reiese din modul în care stările cuantice se schimbă de la una la alta.

Termodinamica a explicat săgeata timpului, adică de ce timpul se scurge înainte și nu înapoi. Există exemple de sisteme din universul nostru, cum ar fi un motor, care sunt ireversibile, adica funcționeaza doar într-o singură direcție.

Fiecare domeniu nou al fizicii fundamentale, indiferent dacă descrie spațiul și timpul (Newton/Einstein), materia și lumină (mecanica cuantică), sau căldura și lucrul mecanic (termodinamică), a introdus un nou concept de timp.

Dar cum rămâne cu evoluția și viața? Pentru a avea lucruri noi, evoluția necesită timp. Noutatea nesfârșită este posibilă doar într-un univers în care timpul există și are o direcție clară.

Evoluția este singurul proces fizic din universul nostru care poate genera succesiunea de obiecte noi pe care le asociem vieții, lucruri precum microbi, mamifere, copaci și chiar telefoane mobile.

Informații și memorie

Astfel de obiecte nu pot apărea spontan. Ele au nevoie de o memorie, bazată pe ceea ce a existat în trecut, pentru a construi lucruri în prezent. Este o „selecție” care determină linia de demarcație dintre universul descris de fizica actuală și cel al lui Darwin: este mecanismul care transformă un univers în care memoria nu determină ceea ce există, într-un univers în care memoria conditionează ce poate exista.

Viața este informație. Credit: Shutterstock

Totul în lumea vie necesită un fel de memorie și un flux de informații. ADN-ul din celule este modelul nostru și pentru a inventa lucruri noi, cum ar fi rachete sau medicamente, ființele vii au nevoie de informații cum ar fi cunoașterea legilor fizicii și chimiei.

Pentru a explica viața, trebuie așadar să înțelegem existența în timp a obiectelor complexe pe care le creează viața. Împreună cu colaboratorii mei, am studiat acest lucru într-o teorie a fizicii, propusă recent, denumită teoria asamblarii.

O presupunere cheie a teoriei asamblarii este că, pe măsură ce obiectele devin mai complexe, numărul de părți unice care le compun crește, la fel și nevoia de memorie locală pentru a stoca modul de asamblare a obiectului din părțile sale unice. În teoria asamblării cuantificăm acest lucru ca fiind cel mai mic număr de pași fizici pentru a construi un obiect din blocurile sale elementare de construcție, numit indice de asamblare.

Foarte important, teoria asamblării tratează această cale cea mai scurtă ca pe o proprietate intrinsecă a obiectului și, într-adevăr, am arătat cum indicele de asamblare poate fi măsurat pentru molecule folosind mai multe tehnici de măsurare diferite, inclusiv spectrometria de masă (o metodă analitică pentru măsurarea raportului dintre masă si sarcina electrică a moleculelor).

Cu această abordare am arătat în laborator, prin măsurători atât pe probe biologice, cât și pe cele non-biologice, cum moleculele cu un indice de asamblare mai mare de 15 se găsesc doar în probele vii.

Acest lucru sugerează că teoria asamblării este într-adevăr capabilă să testeze ipoteza noastră că doar viața poate genera obiecte complexe. Putem face acest lucru identificând obiectele care sunt cele mai complexe, iar singurul mecanism fizic care le formează este evoluția.

Ne propunem să folosim teoria noastră pentru a estima originea vieții măsurând punctul sau momentul în care moleculele dintr-o supă chimică devin atât de complexe încât încep să folosească informațiile pentru a-și face copii, adică pragul la care viața ia naștere din non-viață. Apoi putem aplica această teorie experimentelor care urmăresc să genereze o nouă origine a evenimentului vieții în laborator.

Daca știm acest lucru, atunci putem folosi teoria pentru a căuta viața pe alte lumi care sunt radical diferite de Pământ. Prin urmare, viața ar putea părea atât de diferită acolo încât să nu o recunoaștem deloc.

Dacă teoria este valabilă, ea va impune o regândire radicală asupra timpului în fizică. Conform teoriei noastre, asamblarea poate fi măsurată ca o proprietate intrinsecă a moleculelor, care corespunde mărimii lor în timp, ceea ce înseamnă că timpul este un atribut fizic.

În cele din urmă, timpul este intrinsec experiențelor noastre despre lume și este necesar pentru ca evoluția să aibă loc. Dacă vrem ca fizica să fie capabilă să explice viața (și pe noi înșine), atunci ar putea fi necesar să considerăm timpul ca pe o proprietate materială pentru prima dată în fizică.

Aceasta este poate cea mai radicală abatere pentru fizica vieții față de fizica standard, dar poate fi percepția critică necesară pentru a explica ce este viața.

Traducere după Life: modern physics can’t explain it – but our new theory, which says time is fundamental, might