Adhat-e magyarázatot a fizika a tudat megjelenésére?

Hogyan indíthatja el a törzsfejlődésnél tágabb értelemben vett evolúciót az univerzum tágulása? Adhat-e magyarázatot a fizika az ember és a tudat megjelenésére? Valószínűleg nem, de egyfajta kiindulópontot igen.

Meggondolásainkban nem korlátozzuk az evolúció fogalmát az élővilág fejlődésére, hanem felhasználjuk az univerzum ősrobbanás utáni állapotainak jellemzésére is. 

A jelenleg elfogadott elmélet szerint az ősrobbanást követő első időszakban (ez még a részecskefizikában szokásos 10-23 másodperchez képest is rendkívül rövid) az univerzum kvarkokból és gluonokból álló plazma volt. Ebben a szakaszban olyan magas volt a hőmérséklet, illetve a kvarkok kinetikus energiája, hogy az ütközések szétverték a kvarkokból felépülő elemi részecskéket. Az ősrobbanást követő tágulás – az ideális gázokhoz hasonlóan – fokozatosan csökkentette az univerzum hőmérsékletét, és eljutott arra a pontra, amikor már az ütközések kinetikus energiája nem vetette szét az elemi részecskéket, mint például a hosszú élettartamú protonokat és neutronokat. Ez volt az első fontos minőségi ugrás az univerzum történetében: az egyszerűbb objektumokból összeálltak az első összetett objektumok.

Az univerzum teljes entrópiája növekszik, mert a hőmérséklet gyorsabban csökken, mint a termikus energia, viszont lokálisan kialakulnak összetett struktúrák, melyekhez kisebb entrópia tartozik, ahogy azt a kötött állapotok jellemzésénél megállapítottuk. Tehát az univerzum tágulása indíthatja el az evolúciót.

Az evolúció következő lépcsőfokán a tágulás miatt tovább csökkenő hőmérséklet megengedi, hogy az atommaggá összeépülő protonok és neutronok a termikus ütközések ellenére együtt maradjanak. A nagyobb rendszámú atommagok felépítése azonban nem egyszerű folyamat, mert a pozitív töltésű protonok taszítják egymást, ezért az egyesítéshez át kell lépni a taszítás miatt fellépő magas potenciálgátat.

Ebben kap szerepet a gravitáció, amely sok-sok nagyságrenddel gyengébb ugyan, mint az elektromágneses erők, vagy különösen az elemi részecskékben és az atommagokban működő erős kölcsönhatás, de a gravitáció mindig vonzást hoz létre és összeadódik, szemben a pozitív és negatív töltések egymást kompenzáló hatásával, ugyanakkor nagy távolságokban is hat, szemben a magerők rendkívül rövid hatótávolságával. Az óriási tömegű csillagokban a gravitációs nyomás felizzítja a csillagokat és beindul a magfúzió, melynek során létrejönnek a közepes rendszámú elemek. Ez a folyamat is az entrópia sajátos összjátéka: a nagyobb dimenzióban bekövetkező entrópianövekedés teremti meg a feltételeket az entrópia mikroszkopikus méretekben bekövetkező csökkenéséhez. 

Bizonyos tömegméret felett a csillag elveszíti stabilitását a fúziós folyamatok során elhasznált protonok eltűnésekor és létrejön a szupernóva-robbanás. Ez a robbanás felelős a nehéz elemek kialakulásáért. 

A harmadik evolúciós fokozat az atomok létrejötte, amikor a pozitív töltésű atommagok körül kialakul az elektronfelhő. Az evolúció, azaz a még összetettebb formációk létrejötte nem áll meg ezen a fokon, mert a lehűlő univerzumban kialakulnak azok a bolygók, ahol az elektronok akkor találják meg a kisebb energiájú pályákat, ha az atomokat molekulákká kovácsolják össze. További lépcsőfok, amikor a molekulák is összetapadnak és folyadékokat, szilárd testeket hoznak létre.

Magyarázhatja-e a fizika az élet keletkezését és a tudat kialakulását?

Eddig a pontig viszonylag könnyű az univerzum evolúcióját úgy magyarázni, mint amit a tágulás miatt képződő lokális entrópiacsökkenés hozott létre, de mi vezetett az önszerveződő élet kialakulásához, miért jutott el az evolúció a tudattal rendelkező emberi lény megalkotásáig? Vajon elegendő magyarázatot adhat erre a puszta véletlen, a természet kimeríthetetlen kísérletező kedve? 

Milliárdnyi galaxis mindegyikében milliárdnyi csillag van, talán ennél is nagyobb a bolygórendszerek száma. Ez esélyt ad arra, hogy létrejöjjenek az élet keletkezéséhez szükséges rendkívül szerencsés körülmények. Az élethez szükséges alapvegyületek, az aminosavak létrejöhettek, ezt megerősítik csillagászati megfigyelések is, de minek köszönhető az első nagy lépés ebbe az irányba? Mondhatunk-e többet annál, hogy a természetben minden megvalósul, ami megvalósítható? Egyáltalán várható-e, hogy a fizika megadhatja erre a kérdésre a választ? 

Valószínűleg nem, mert a fizikai megismerés határai korlátozottak, az összetettebb struktúráknak megvannak az öntörvényei, amelyek nem vezethetők le a struktúra elemeiből, bármennyire alaposan ismerjük is őket. Erre példát találunk a fizikán belül is, ha összevetjük a termodinamika törvényeit az elemi részecskék és atomok mozgását leíró kvantummechanikával. 

A fizika törvényei szigorúan megszabott körülmények között érvényesek, mindig el kell tekinteni bizonyos kölcsönhatásoktól. De mi van akkor, ha épp az a lényeg, amit elhanyagolunk? Az élő szervezet bonyolult hierarchiája nem érthető meg, ha azt szétbontjuk alkotóelemeire. Ugyanakkor a biológia sokat köszönhet a fizikának és a kémiának, mert rávilágítanak a bonyolult folyamatok elemi lépéseire. Ám az élő szervezet több annál, mint amit a fizikai és kémiai ismeretek alapján megtudhatunk.

Az ember, a tudat megjelenése is olyan ugrás, amit nem magyaráz meg önmagában a biológia és az életformák evolúciója. Viszont a fizika adhat egyfajta kiindulópontot, ami alapjául szolgálhat a biológiának, amikor vizsgálja az élet keletkezését, illetve összegezheti különböző okok együttes hatását, de az emberi tudat kialakulásának megértéséhez talán még ennél is feljebb kell lépni – oda, ami már meghaladja a tudomány határait.

Az önszerveződő szerves struktúráktól az ipari méretű emberi entrópiahalmozásig

Gondolatmenetemet a fizika világára korlátozva kifejtek egy hipotézist az élet szerveződési formája és az entrópia kapcsolatáról. Az entrópiáról annyit állíthatunk biztosan, hogy az univerzumban – ha azt zárt rendszernek tekintjük – állandóan növekszik, vagy más szóval a természet a nagyobb valószínűségű, a többféleképpen megvalósuló állapot felé halad, és a táguló világban ez együtt jár olyan szigetek kialakulásával, ahol viszont lokálisan csökken az entrópia. 

Ebből még nem következik, hogy az entrópia növekedésének éppen milyen az útja, és ha többféle út áll rendelkezésre, akkor melyik utat választja a természet, akár lokálisan, akár a teljes univerzum szintjén. Erre vonatkozóan felállítok egy hipotézist, amely kijelöl egy irányt anélkül, hogy megszabná, milyen magasabb szintű okok vezettek az élet kialakulásához: a természet azt az utat választja, amelyik az entrópia leggyorsabb növekedését hozza magával. Másképp fogalmazva: a különböző szintű okok eredőjeként felgyorsul a globális entrópia növekedése. 

Ezt a hipotézist felfoghatjuk úgy, mint a termodinamika negyedik főtételét, megjegyezve, hogy a harmadik főtétel szintén a perpetuum mobilére vonatkozik, utóbbi megtiltja, hogy ilyen szerkezet akár abszolút zérus fokon is működjék, azaz a kvantummechanikai zérusponti rezgésre sem alapozhatunk örökmozgót. 

Amikor már létrejöttek azok a szerves vegyületek, aminosavak, amelyek megfelelő körülmények között létrehozhattak olyan önszerveződő struktúrákat, amelyek már rendelkeztek az alapvető életfunkciókkal, ezek a szervezetek az anyagcsere és egyéb élettani folyamatok révén felgyorsították a globális entrópia növekedését. 

Grafika: Tóth Róbert Jónás

Akár növényekről, akár állatokról van szó, az anyagcsere, a fotoszintézis, vagy a lélegzés olyan átalakítások hosszú-hosszú sorozata, amely összességében jóval több entrópiát termel, mint az az entrópiacsökkenés, ami bekövetkezik az élő szervezet felépítése, fenntartása és szaporítása miatt. 

Az evolúció menete arra vezet, hogy egyre bonyolultabb, egyre összetettebb életformák alakulnak ki, amelyek egyúttal fokozottabb entrópiatermelést valósítanak meg az életfolyamatokon keresztül. Ebben is minőségi ugrást jelent a tudattal bíró ember megjelenése, mert nincs olyan élőlény a Földön, amely hozzá hasonló mértékben termeli az entrópiát saját élete, tevékenysége által. Az emberi társadalom fejlődése is felfogható az egyre nagyobb mérvű entrópiatermelés korszakaiként. Ma már az ipari méretekben halmozódó entrópia korszakában élünk, veszélyeztetve a Föld ökológiai egyensúlyát is

A szerző a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára.


Mi az a tudományos ismeretterjesztés?

Egyes részterületek megítélésében nagy viták vannak mondjuk a pszichológiában, a történettudományban vagy a szociológiában is, de arra a nyelvészeten kívül csak a filozófiában tudok példát, hogy a leírásnak szinte semmilyen eszközében nincs általános egyetértés.