Mối tương quan phức tạp giữa vũ trụ và sinh học!

Chia sẻ Facebook

Khi các nhà vũ trụ học cố gắng tìm hiểu vũ trụ và nguồn gốc của nó, họ tập trung vào entropy (một đơn vị đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ) và có bao nhiêu cách khác nhau mà vũ trụ có thể đã hình thành. Người ta thường tin rằng lỗ đen và năng lượng tối đóng góp nhiều nhất vào sự gia tăng entropy trong vũ trụ, thì gần đây, một số nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm nhà vật lý thiên văn Marina Cortez và Andrew Liddell, bác sĩ và nhà sinh học lý thuyết Stuart Alan Kauffman và nhà vật lý lý thuyết Lee Smolin, lại đi theo một hướng nghiên cứu khác. Họ đã lần đầu tiên định lượng được mức độ phức tạp của cuộc sống và so sánh nó với mức độ phức tạp của vũ trụ.

Sinh học và vũ trụ học, hai lĩnh vực thường được cho là không có điểm chung, dường như có rất ít điểm để học hỏi lẫn nhau. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nói trên đang cố gắng chấm dứt điều đó. Bằng cách tái tạo lại vật lý của vũ trụ bao gồm các hệ thống sinh học, họ đã phát triển một loại "tiếng nói chung" có thể được sử dụng để tính toán và so sánh các hệ thống riêng lẻ. Nói cách khác, "tiếng nói" có thể định lượng giá trị của các hệ thống sinh học và so sánh chúng với các phần khác nhau của vũ trụ học - bao gồm các thiên hà, năng lượng tối và lỗ đen, để đặt tên cho một số ít.

Sự kết hợp giữa sinh học và vũ trụ học này đòi hỏi một sự thay đổi trong tư duy khỏi chủ nghĩa giản lược và tin rằng tất cả các hệ thống có thể được hiểu bằng cách chia nhỏ chúng thành các thành phần khác nhau. Thay vào đó, cách suy nghĩ mới này sẽ tính đến số lượng các trạng thái có thể có trong tương lai của tất cả các hệ thống này để hiểu các hệ thống phức tạp và sự tiến hóa của chúng.

Theo nghĩa kỹ thuật, sự tích hợp này khai thác khái niệm về một không gian mở rộng của các kết quả có thể xảy ra cho một hệ thống; Kaufman gọi khái niệm này là Theory of the Adjacent Possible - Lý thuyết về các khả năng có thể xảy ra liền kề (TAP). Theo nghĩa chung, lý thuyết này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc hiểu biết nhiều khía cạnh của cuộc sống của chúng ta, đặc biệt là kinh tế, đổi mới và biến đổi khí hậu thảm khốc.

Các trạng thái có thể có của vũ trụ

Theo lý thuyết nhiệt động lực học đơn giản, sự rối loạn và entropy tăng lên theo thời gian, bởi vậy vũ trụ ngày nay không khác gì một khối khí khổng lồ, không đặc trưng, và ấm áp. Nhưng sự thật thì ngược lại, chúng ta thấy vô số thứ khác nhau trong vũ trụ: từ hành tinh đến sao, từ thiên hà đến lỗ đen. Để hiểu được vũ trụ của chúng ta có thể (hoặc không chắc) như thế nào, người ta cần đếm số cách (hoặc về "trạng thái vi mô") mà một vũ trụ như ngày nay có thể đã hình thành.

Cho đến khoảng 20 năm trước, người ta tin rằng các lỗ đen, đặc biệt là các lỗ đen siêu lớn được tìm thấy ở trung tâm các thiên hà, là những yếu tố chính tạo ra entropy và các trạng thái có thể có của vũ trụ. Sử dụng công thức do Jacob Bekenstein và Stephen Hawking phát hiện, Roger Penrose đã tính toán rằng các lỗ đen đóng góp 10 ^ (10 ^ 101) trạng thái có thể có của vũ trụ.

Nhưng ngay cả như vậy, điều này lại không có ý nghĩa gì nhiều so với việc phát hiện ra năng lượng tối, được cho là nguyên nhân gây ra sự giãn nở gia tốc hiện tại của vũ trụ. Theo tính toán, năng lượng tối làm tăng số trạng thái có thể có của vũ trụ lên 10 ^ (10 ^ 124). Đây là số lượng lớn nhất mà chúng ta gặp phải trong tự nhiên.

Các trạng thái có thể có của cuộc sống

Cho đến nay, các nhà vật lý vẫn bỏ qua sự tồn tại của sự sống khi tính toán cách một vũ trụ như ngày nay hình thành. Các nhà vật lý truyền thống, đặc biệt là những người tin vào thuyết giản lược, sẽ cho rằng sự đóng góp của cuộc sống rõ ràng là không đáng kể, và câu hỏi thậm chí không cần phải đặt ra, chứ đừng nói đến câu trả lời. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu như Marina Cortez đã đưa ra một quan điểm khác.

Một điểm khác biệt chính giữa vật lý và sinh học là trong khi vật lý có chứa một Mô hình Chuẩn cơ bản để nhận ra các hiện tượng của nó, thì trong sinh học lại không có điều đó. Cuộc sống không ngừng đổi mới theo những cách không thể đoán trước, liên tục tạo ra các hốc và khả năng sinh thái mới, cũng như vô số các mối tương tác. Không giống như vật lý, trong sinh học, không gian khả năng luôn mở rộng một cách khó lường.

"Sự đổi mới tổ hợp" là một sự phát triển lý thuyết mới giải thích sự khác biệt này đồng thời mang vật lý và sinh học lại gần nhau. Đổi mới tổ hợp coi mỗi sự kết hợp mới của các yếu tố hệ thống là việc tạo ra một yếu tố mới. Khi hệ thống phát triển, nó tạo ra các khả năng mới thông qua các kết hợp mới này và trở nên phức tạp hơn (một ứng dụng phi kỹ thuật của "đổi mới tổ hợp" mô tả cách kết hợp và kiểm tra các ý tưởng hiện có để tạo ra các ý tưởng mới).

Lý thuyết Khả năng Gần nhau hình dung quá trình nổi lên này của việc tạo ra các trạng thái mới và mô tả quá trình này bằng phương trình TAP. Một dự đoán chung về phương trình TAP là một hệ thống phức tạp đang phát triển có xu hướng trải qua một sự ổn định lâu dài và chậm chạp về số lượng trạng thái trước khi tăng đột ngột.

"Sự đổi mới tổ hợp" có ý nghĩa gì đối với sự phức tạp và số lượng các trạng thái có thể có của sự sống trên Trái đất? Sự kết hợp của sáu nguyên tố carbon, hydro, nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh (thường được gọi là CHNOPS) tạo nên phần lớn các phân tử sinh học. Các nhà nghiên cứu như Marina Cortez sử dụng các nguyên tố hóa học này làm thành phần của các hệ thống phức tạp đang được mô hình hóa. Sau đó, họ sử dụng phương trình TAP để mô hình hóa số lượng các trạng thái cấu hình có thể có của sinh quyển khi nó phát triển. Khi các phân tử axit ribonucleic (RNA) đầu tiên xuất hiện cách đây 3,5 tỷ năm, số trạng thái có thể có của sinh quyển là 10 ^ (10 ^ 237).

Đây là một khám phá gây sốc. Nhớ lại rằng tổng số trạng thái có thể có của vũ trụ ngày nay chỉ là 10 ^ (10 ^ 124). Điều này có nghĩa là trong một thế giới mà RNA mới xuất hiện cách đây 3,5 tỷ năm, sự sống phức tạp hơn chính vũ trụ. Các nhà vũ trụ học có thể không bao giờ mong đợi một con số như vậy từ quá trình tiến hóa sinh học. Marina Cortez và những người khác đã mất ba năm tính toán, liên tục sửa đổi và kiểm tra kỹ mô hình toán học, để đi đến kết quả này.

Tương lai của sinh học

Tất cả điều này có nghĩa là gì? Điểm của rất nhiều trạng thái có thể xảy ra là gì? Người ta thường tin rằng những thứ như lỗ đen trong vũ trụ đóng góp nhiều nhất vào entropy và sự đa dạng, và hành tinh của chúng ta thực sự đóng góp rất ít. Nhưng trong nghiên cứu mới của Marina Cortez và những người khác, entropy và sự đa dạng của sự sống trên Trái đất làm giảm đi sự đóng góp của các thực thể vũ trụ.

Marina Cortez và những người khác đang làm việc để thiết lập một lĩnh vực chủ đề mới: Biocosmology (còn được gọi là vũ trụ học hữu cơ). Họ đã đưa ra một phương pháp mới để định lượng giá trị của sự sống trong vũ trụ, và giá trị đó chắc chắn là vô cùng to lớn.

Bằng cách này, vũ trụ học có thể cung cấp đầu vào cho cuộc tranh luận về biến đổi khí hậu, vì nó truyền đạt ý tưởng về giá trị của cuộc sống. Nói cách khác, sự sống là đóng góp giá trị nhất cho sự đa dạng của vật chất trong vũ trụ, và ngay cả các lỗ đen cũng không thể cạnh tranh với nó.

Chia sẻ Facebook