04 April 2018

Klaas Landsman (3) Finetuning versus de tweede hoofdwet van de thermodynamica

relatie Finetuning — Life —
— Second Law of Thermodynamics

Vraagje: is de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica ('Second Law of Thermodynamics') strijdig met Finetuning for Life? Om die vraag te beantwoorden moeten we eerst een andere vraag stellen: is het verschijnsel leven strijdig met de tweede hoofdwet?

Voor zover ik weet zijn finetuning en de 2e hoofdwet niet eerder met elkaar in verband gebracht. Klaas Landsman (zie vorige blogs) heeft het ook niet gedaan [5]. En ik heb het ook niet in de literatuur gevonden.

tweede hoofdwet strijdig met leven of niet?

Finetuning is: de fundamentele fysische constanten hebben zodanige waardes dat chemie en leven mogelijk zijn. Dat is weinig controversieel. Dat is een onmiskenbaar feit. Prima! Maar, het is óók zo dat de 2e hoofdwet noodzakelijkerwijs voortvloeit uit de aard van diezelfde materie die gefinetuned zou zijn voor leven. En die 2e hoofdwet zegt:

"De entropie (wanorde) van het heelal neigt naar een maximum".
of:
"Orderly things tend to become disordered over time"
                       (David Deamer, 2011, First Life, p.99)
Voorbeeldje: doe een theezakje (inkt, zout, suiker) in een kopje water. Eerst zijn de toegevoegde moleculen geconcentreerd in 1 locatie, en vrij snel spreiden ze zich uit over het beschikbare volume met als eindresultaat een homogene vloeistof. Bovendien neemt het vrij snel de omgevingstemperatuur aan. Dat is de tweede hoofdwet. Als dat de tweede hoofdwet is, dan hebben we een probleempje. 

Kijken we naar de definitie van het leven:
"Living systems are able to establish order within a chaotic world and perpetuate that order as long as energy is available for resisting the inexorable tendency toward increased entropy.
Dirk Schulze-Makuch, Louis Irwin (2006) Life in the Universe, p.16) (inexorable = niet te stoppen).
NB: dit is geen selectief citaat of controversiële definitie. Ik heb vele definities van 'leven' vergeleken [4], ze komen allemaal op hetzelfde neer. Veel definities leggen andere accenten (zoals het belang van DNA, eiwitten, membraan), maar geen enkele is in strijd met bovenstaande definitie. De definities zijn afkomstig van onderzoekers in het Origin of Life / Astrobiology gebied, die zich niet bezighouden met finetuning for life.

Conclusie: het leven gaat tegen de 2e hoofdwet in. Oorzaak: het leven is een onwaarschijnlijke, en complexe structuur die niet zou kunnen bestaan als er niet voortdurend energie aan toegevoegd wordt [11]. Het leven is een pannetje met water dat kokend gehouden wordt op een vuurtje (=energie). Het leven is een systeem dat niet in evenwicht is met zijn omgeving ('Non-Equilibrium Thermodynamics'). Als een lichaam koud aanvoelt en niet meer beweegt: bel 112. Het zijn sterke aanwijzingen dat het lichaam in thermodynamisch evenwicht is met zijn  omgeving. En dus dood.
Paul Davies bracht het heel fraai onder woorden: life is against the tide [5]. Het leven is tegen de stroom in roeien. Geen enkele auteur ontkent dit aspect van het leven.

Let op: het leven is niet letterlijk strijdig met de 2e hoofdwet, want anders zou de 2e hoofdwet gefalsifieerd zijn! [3]. Fysici zouden je uitlachen. De tweede hoofdwet is heilig. Het leven is 'strijdig met' de 2e hoofdwet net zoals het in de lucht hangen van een helikopter 'strijdig is' met de wet der zwaartekracht. Als de brandstof op is, volgt neerstorten en de dood. Net als het leven. Het leven 'omzeilt' de 2e hoofdwet door slimme trucs.
Natuurkundigen lossen deze 'strijdigheid' op door te zeggen: het leven is een open thermodynamisch systeem omdat het energie importeert en afvalstoffen exporteert. De 2e hoofdwet is  van toepassing op gesloten systemen. Natuurkundigen hebben het probleem opgelost, de 2e hoofdwet blijft geldig.

Against the tide

Toch blijft er een ongemakkelijk relatie bestaan tussen de tweede hoofdwet en het leven. In bovenstaande definitie van het leven zien we: "resisting the tendency toward increased entropy"; het leven biedt weerstand tegen degradatie. Als je goed kijkt naar verschillende auteurs dan zie je dit idee steeds terugkomen.
We weten allemaal dat we moeten blijven eten om in leven te blijven. We doen ons hele leven niet anders. Dat is natuurlijk, dat is normaal. Maar als je nadenkt over hoe de fysische natuurwetten in elkaar zitten: is dat wel zo natuurlijk? Had het niet anders gekund? Is de tweede hoofdwet noodzakelijk? Zijn er in andere universa geen levende wezens die niet hoeven te eten? [9]. Dat gaat mijn kennis te boven.

Leven dankzij de tweede hoofdwet?

Eerlijkheidshalve moet ik melden dat er ook wetenschappers zijn die menen dat er een harmonie is tussen het leven en de tweede hoofdwet. Dat zou ook onze kijk op finetuning drastisch kunnen veranderen.

Het idee is dat het leven energie degradatie [6] versnelt. Dus in dezelfde richting werkt als de tweede hoofdwet. Dat doen ze door warmte uit te stralen. Fysisch: het leven is een dissipatieve structuur. Door dissipatie van warmte neemt de entropie van het heelal sneller toe dan zonder leven. Er zijn meerdere auteurs die soortgelijk opvattingen verkondigen [1], [13], [14].

Jeffrey Wicken beweert zelfs dat het leven dankzij de tweede hoofdwet bestaat! [7]. Dat gaat ver. Eric Schneider omschrijft het zo: organismes verbruiken energie waardoor de entropie (=nutteloze warmte, wanorde) in het heelal toeneemt [8] en dat is precies wat de tweede hoofdwet voorschrijft. Dus ook hij zegt dat leven bestaat dankzij de tweede hoofdwet. Mijn kanttekening: organismes streven er in het algemeen naar om rond te komen met zo weinig mogelijk energie, dus om energie zo efficient mogelijk te gebruiken [12].

De ambivalentie van het leven

Niemand heeft de dubbelrol van het leven expliciet aan de orde gesteld. Enerzijds creëert het leven orde, want het leven is orde en anderzijds produceert het leven wanorde omdat het orde en energie uit de omgeving omzet in wanorde en die dumpt in de omgeving. Populair gezegd: het lichaam is een zeer complexe structuur die ongestructureerde poep produceert. Dus je kunt concluderen dat het leven zowel meewerkt aan de 2e hoofdwet, als de 2e hoofdwet tegenwerkt [10].


fine tuning?

Dit alles overziend: is het heelal gefinetuned voor het leven? Het leven is: hier heb je een kano en een peddel, en je mag tegen de stroom op peddelen. Als je te langzaam peddelt stort je met kano in een afgrond van 100 meter. Dood. Naar mijn smaak is dat niet een bio-friendly cosmos! Een optimist zegt: als er geen stroom is kun je er ook niet tegen in peddelen. Dit heelal is het best mogelijke heelal.

Maar zelfs als er geen alternatief voor de tweede hoofdwet mogelijk is in een multiversum, blijven we zitten met een compromis. Het heelal is niet ideaal voor het leven. Bewijs: als je niet eet ga je dood. Plus: eten is doden. Wat een drama! Wie heeft dat verzonnen? Zelfs auteurs die de harmonie verdedigen schrijven verderop dat het leven de tweede hoofdwet moet weerstaan (resisting).
Dus, ik kan met de beste wil ter wereld niet zeggen dat het heelal optimaal en compromisloos gefinetuned is voor het leven. En dan heb ik het nog niet eens gehad over het ontstaan van het leven! Als het ontstaan van het leven en fluitje van een cent was, als er overal in het heelal spontaan leven zou ontstaan, dan zou dat beter passen bij een heelal dat gefinetuned was voor het leven. Hoezo: speciale condities voor het ontstaan van leven? Hoezo een planeet in de habitable zone? Zijn andere planeten in het gefinetuned heelal ongeschikt voor leven?

Vorige blogs

 

Noten

  1. Rod Swenson geciteerd in Lynn Margulis, Dorion Sagan (1995) What is Life? p.16. Rod Swenson: "...because it is through ordered, dissipative systems that the rate of entropy production in the universe  is maximized." [1]. Maar ever verder: "Life must maintain itself against the universal tendency of heat to dissipate with time." (p.86) en: [animals] make wast of useful energy ..." (p.151). Rod Swenson ziet leven als doelgericht omdat het helpt om het universum als geheel grotere entropie te krijgen!
  2. In de Westerse wereld kennen we geen honger meer, daardoor is de 2e hoofdwet ook een ver van mijn bed show. Maar vroeger en in Afrika is er nog steeds hongersnood, dus confrontatie met de 2e hoofdwet.
  3. Schrödinger paradox (p.7 Schneider): het leven is ogenschijnlijk in strijd met de tweede hoofdwet.
  4. In mijn review van Tibor Gánti staat een lijst van 27 definities van leven. Hier is er nog een: "Associated with self-replicating far-from-equilibrium systems is an energy requirement. There is a constant thermal degradation, driven by the second law of thermodynamics, toward equilibrium that must be countered by the expenditure of work. Thus, there is the requirement of a proper energy source and the ability to convert that energy into a form that is useful in maintaining the structure and synthesizing similar structures." Harold Morowitz (1999) 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution', Complexity pp 39-53.
  5. Ook fysicus Paul Davies (2006) The Goldilocks Enigma - Why is the Universe Just Right for Life? (gaat dus over finetuning) behandelt niet de mogelijke problemen die de tweede hoofdwet op kan leveren voor het leven. Echter in The Fifth Miracle (1999) legt hij op fraaie wijze uit dat leven en de tweede hoofdwet niet strijdig zijn. Maar de titel van Chapter 2: 'Against the tide' spreekt voor zich (tegen de stroom in!). Dus als hij met finetuning bezig is vergeet hij dat het leven against the tide is! Toeval?
  6. Robert Hazen (2005) Genesis, The Scientific Quest for Life's Origin, p.13-14.
  7. "Wicken (1987) who dares to claim that it is only because of the second law of thermodynamics that life exists at all." ; "Wicken persuasively argued that the second law is not just compatible with life but instrumental in its origin and evolution." (Eric Schneider, Dorion Sagan, 2005, p.105.)
  8. Eric Schneider, Dorion Sagan (2005) Into the Cool: "In using up energy, in performing work, they perform a natural function: the production of entropy mandated by the second law (p. xv). Schneider gaat zover als: "Life as a manifestation of the second law of thermodynamics". Dat gaat wel wat ver, want leven zelf is orde. En: "They don't just obey that law, they actively enhance its operation. (p.xv); "accelerate the natural production of entropy.". En: "Life not only does not contradict the second law but exists because of it." (p.330 Schneider). Dat gaat te ver naar mijn smaak.
  9. Adam en Eva plukten vruchten in het paradijs. Dat bewijst dat je zelfs in het paradijs moet eten om in leven te blijven. Dus de tweede hoofdwet gold ook in het paradijs. Zou je in de hemel ook moeten eten, of geldt daar de tweede hoofdwet niet? Leven zou daar een perpetual motion machine (Trotman) zijn! Een hindernis om het probleem te zien is dat we eten lekker vinden en er daarom niet over nadenken waarom we moeten eten.
  10. Hetzelfde kun je zeggen van de moderne beschaving: we produceren auto's, vliegtuigen, computers (bitcoin-miners vreten stroom!), etc. Die produceren ontzettend veel entropie. Dus die accelerate, enhance de tweede hoofdwet!
  11. Fijne structuur op moleculair en cellulair niveau: die wordt door een simpele kogel vernietigd met de dood als gevolg. Bewijs geleverd dat die structuur nodig was voor het leven. 
  12. Denk aan vogeltrek. Dat is topsport. Individuen die het efficiëntst met energie omgaan komen het verst. Denk ook aan de actieradius van elektrische auto's. Denk aan LEDs. Denk aan de evolutie van zonnepanelen en windturbines.
  13. De theorie van de fysicus Karo Michaelian (2016) is volledig gebaseerd op het idee dat het leven bestaat dankzij energie (entropy) dissipatie: Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life. Samengevat: Life started by dissipating UV photons into heat! Het is een extreem reductionistische, ééndimensionale en ambitieuze theorie over het leven: alles wordt gereduceerd tot dissipatie. Ik kom hier nog op terug in een volgende blog, want het is wel een fascinerende theorie en je leert er (als bioloog) veel nieuwe feiten door. Zie: zijn website. [8 april 2018]
  14. Clive Trotman (2004): "The laws [of thermodynamics] do not work against the origin and existence of of life but overwhelmingly in its favor" (p.112). [toegevoegd 9 april 2018]

19 March 2018

Klaas Landsman (2). Het zgn. fine-tuning for life argument

Klaas Landsman (2018)
Naar alle onwaarschijnlijkheid.
Klaas Landsman (2018) geeft in zijn boek Naar alle onwaarschijnlijkheid een zeer goede uiteenzetting van finetuning van de kosmos voor het leven. De Hoyle-resonantie was niet alleen het eerste voorbeeld van de finetuning, maar tevens de enige echte voorspelling van finetuning [1].
Ik vind finetuning een fascinerend onderwerp. Het heeft alles te maken met Big History (verbanden leggen!), evolutie en creationisme. Ik zou er nog vele blogs over kunnen schrijven.

Ik geef hier enige aanvullingen op de uitstekende uiteenzetting van Landsman.

Finetuning for what?
Landsman noemt het finetuning for life argument een understatement, omdat het niet alleen fine-tuning for life zou zijn, maar voor alle materie, en zelfs voor het bestaan van het universum zoals wij dat kennen. Ik noem het een overstatement precies omdat er te véél wordt geclaimd. En omdat ze het totaal niet kunnen waar maken.

Als je goed kijkt naar het finetuning for life argument, dan blijkt dat het helemaal geen finetuning for life is, maar hoogstens fysische finetuning voor de bouwstenen C, H, N, O, P, S van leven. Finetuning specifiek for life kan dus helemaal niet. Dat is een misverstand dat gretig in leven wordt gehouden door religieuze denkers. Bovendien, als er echt finetuning for life zou bestaan dan zou je moeten verwachten dat het leven op een planeet zoals de aarde spontaan zou ontstaan. Maar wat blijkt? Na al die onvoorstelbaar precieze finetuning van de fysische natuurwetten moet de Schepper-God het leven op aarde alsnog handmatig creëren (Genesis). Wat een afgang. Een ingreep in de natuurwetten! Dus, de hele uitdrukking 'de kosmos is gefinetuned for life' klopt niet en gelovigen gaan er niet consequent mee om. Ik noem het dus een overstatement.

David Foster (1993)
The Philosophical Scientists
Evolutie
Religieuze denkers richten hun aanvallen ook in de context van de evolutietheorie op kleine kansen. Onlangs kreeg ik nog een onthullend commentaar op een oude bespreking op mijn WDW website van een creationistisch anti-evolutieboek (de moeite waard om over te bloggen). Het argument draaide om de extreem kleine kans dat een hemeglobine eiwit door zuiver toeval zou ontstaan: 10 tot de macht 650. Zo werkt evolutie niet. Maar zo werken de argumenten tegen evolutie bijna altijd. Toen realiseerde ik mij dat ook het finetuning argument draait om extreem kleine kansen. In feite zijn volgens mij alle creationistische en Intelligent Design (ID) argumenten gericht tegen  extreem kleine kansen, dus tegen toeval. Religieuze denkers zien extreem kleine kansen en roepen: dat kan geen toeval zijn! Dat moet God zijn!

Heelal: een reality check
 
Een volgend probleem met het the cosmos is fine tuned for life is dat die extreem kleine kansen zo oogverblindend zijn, dat de kille feiten van het heelal aan het oog onttrokken worden. Het heelal is bepaald niet een extreem efficiënte en doelmatige machine om leven voort te brengen, laat staan 'intelligent leven'. Ik zet een paar voorbeelden op een rijtje ter illustratie:
  1. Het heelal is een onmetelijk grote, koude, donkere en vrijwel lege ruimte waar het bepaald niet wemelt van het leven. Fine tuned for life?
  2. het zichtbare heelal heeft 100 miljard melkwegstelsels met ieder 100 miljard sterren. Zijn die allemaal nodig? Moeten we dat verwachten onder de finetuning (ft) hypothese?
  3. 95% van het heelal bestaat uit zgn. donkere materie en energie: wat voor nut heeft dat voor het leven? Idem: zwarte gaten (black holes).
  4. De belangrijkste chemische elementen voor het leven zijn: Koolstof (C), Zuurstof (O), Stikstof (N), Fosfor (P), etc. en die werden niet geproduceerd door de Big Bang. Die werden pas veel later in de geschiedenis van het heelal geproduceerd. Is dit begrijpelijk onder de ft hypothese?
  5. Het heelal bestaat voor 75% uit waterstof (H) en 25% Helium-4. Een objectieve waarnemer zou moeten concluderen dat deze kennelijk de belangrijkste elementen zijn. Maar volgt dat uit de ft hypothese?
  6. Als je het Periodiek systeem der elementen bekijkt (zie hier onder) dan zie je dat slechts 19 van de 115  van de elementen essentieel zijn voor menselijk leven (paarse kleur in illustratie). Wat is het nut van de rest? Dat lijkt niet op een doelgerichte, efficiënte finetuning for life.

  7. Essential Elements for Life (paars). groen: mogelijk essentieel.
    grijs: niet essentieel of relevant voor leven.

  8. Levende organismen gebruiken 20 aminozuren terwijl er minimaal 80 aminozuren bestaan ("over 80 amino acids created abiotically in high concentrations and about 900 are produced by natural pathways"; source). Hoe verklaart finetuning for life dit?
  9. Alle golflengtes van UV licht van 220 - 390 nm (UV-C, UV-B, UV-A) veroorzaken mutaties in het DNA. UV-B licht produceert pyrimidine dimers, dat is schadelijk. Dus: DNA en de zon als energiebron voor onze planeet, zijn niet op elkaar afgestemd. Zie: DNA damage.
  10. Kan het zijn dat de planeet Aarde een beetje té gevoelig is voor opwarming door CO2? Is dat compatibel met de ft hypothese?

De chronologie

An updated time line of the universe shows the first stars
being born by about 180 million years after the big bang.
bron
Een vraag: ziet het er naar uit dat de mens het doel van het universum is? De Schepper-god zou met extreme precisie aan enkele tientallen knoppen gedraaid hebben en dan:
  • de eerste 150 miljoen jaar van de geschiedenis van de kosmos heerste er volledige duisternis (Chronology of the universe). [4] Was dat nodig?
  • ons zonnestelsel (zon, aarde, etc) heeft zich pas 4.6 miljard jaar geleden gevormd, dus pas na 9,1 miljard jaar. Waarom duurde dat zo lang als ons zonnestelsel zo belangrijk is?
  • Boring Billion is een periode van een miljard jaar na het ontstaan van het leven op aarde zien we alleen eencelligen. Pas vanaf 600 - 500 miljoen jaar geleden zien we meercelligen. Moeten we dat verwachten onder de ft hypothese? Idem: snowball earth, mass extinctions; late atmospheric oxygen arrival.
  • Als de mens 'de bedoeling was', waarom duurde het zo'n slordige 3,5 miljard jaar na het verschijnen van het eerste leven op aarde dat de mens verscheen? (zie bekende klok figuur hieronder )
  • History of Earth in 24-hour clock
    de mens verschijnt de laatste paar seconden
  • Als het leven in het heelal de bedoeling is, waarom dan de warmtedood van het heelal? (heat death of the universe).

Leven is tegennatuurlijk
Een belangrijk en relevant punt dat Landsman in het geheel niet noemt:
  • het verschijnsel leven is in feite 'tegennatuurlijk'. Leven is een semi-stabiel verschijnsel dat alleen kan blijven voortbestaan door voortdurend materie en energie (=voedsel) uit de omgeving te importeren. Per definitie. Houdt die toevoer op dan vervalt het leven snel tot dode materie. Het lijkt heel vanzelfsprekend dat we moeten eten om in leven te blijven, maar het is tegelijk het ultieme bewijs dat het leven tegennatuurlijk is. Waarom? Door een zeer fundamentele natuurwet: 'The Second Law of Thermodynamics'! Leven is een far-from-equilibrium state [2].  Met als bijkomend nadeel dat organismen (uitgezonderd planten) ander leven moeten doden om zelf in leven te blijven.
OK, het is duidelijk dat leven mogelijk is met de huidige natuurwetten. Maar hoe logisch zijn de huidige natuurwetten als een Schepper leven wil scheppen? Als de kosmos gefinetuned was voor leven, zouden er dan niet meer 'leven-vriendelijke' natuurwetten bestaan hebben? Zoals het nu is, is het bepaald niet elegant ontworpen. Waarom zijn de natuurwetten niet zodanig dat ze inherent stabiele levensvormen mogelijk maken? Dus, zonder dat we continue moeten eten (=doden) om in leven te blijven? De natuurwetten van de kosmos zouden ontworpen moeten worden voor leven en niet voor de dood! [2]

Omgekeerde finetuning
Landsman noemt een paar keer dat organismen zich aanpassen (finetuning) aan de omstandigheden en niet andersom. Dat ben ik met hem eens. Dat is evolutie. Dat is natuurlijke selectie. Zeker een belangrijk punt. Maar de natuurwetten moeten wel zodanig zijn dat ze een complexe (koolstof-)chemie mogelijk maken. Dat is een fysische randvoorwaarde. Daarna past het leven zich aan aan de eigenschappen van de fysica en chemie. Hier is nog veel meer interessants over te zeggen [3].

Metaforen
Ik denk dat ik Landsman goed samenvat met: alle metaforen (kaartspel, etc) door gelovigen naar voren gebracht om finetuning een theïstische interpretatie te geven, hebben een menselijke context: ze bevatten artefacten, en mensen met bedoelingen. Maar dan neem je al op voorhand een Schepper aan. Wat we nodig hebben is een zuiver wetenschappelijke behandeling van finetuning zonder de kwestie te verontreinigen met misleidende, antropocentrische metaforen.

Landsman concludeert dat het Antropische Principe (zwak of sterk) niet leeg, tautologisch of onjuist is, maar ook geen serieuze bijdrage aan een beter begrip van finetuning levert. 

De uiteenzetting van Landsman zal nog jaren de moeite waard zijn om te lezen. Verplichte kost.

Volgende keer over Jezus.

Vorig blog over dit onderwerp

Over het boek Naar alle onwaarschijnlijkheid. Toeval in de wetenschap en filosofie van Klaas Landsman (1)

 

Noten

  1. Landsman noemt nog enkele andere voorbeelden van fine tuning. De voorbeelden van finetuning (hij schrijft finetuning nooit tussen aanhalingstekens!) zijn fysische realiteit, ze zijn echt. Het zijn geen verzinsels van creationisten.
  2. Over dit onderwerp zou ik makkelijk een apart blog kunnen maken. Creationisten vinden dit geen leuke materie. Zie o.a. Addy Pross, Tibor Ganti en Eric J Chaisson (2001) Cosmic Evolution. The Rise of Complexity in Nature. Zeer de moete waard, ook om over te bloggen.
  3. De lichaamstemperatuur van 37 graden is op de meeste plaatsen op aarde hoger dan de omgevingstemperatuur. Waarom 37 graden? Het kost energie om dat temperatuurverschil te handhaven (vooral 's winters!). Had dat niet anders gekund? Het zou minder energie kosten als de lichaamstemperatuur gelijk is aan de omgevingstemperatuur. Bijvoorbeeld als de temperatuur op aarde overal 37 graden zou zijn.
  4. Recente info: "...the earliest stars didn’t turn on until about 180 million years after the big bang..." bron