Hello, my name is Eric Smith.
In deze sectie wil ik je
inleiden tot het idee
dat beweging zelf kan bevriezen.
We gaan het concept introduceren
van niet-equilibrium faseovergangen
en gaan spreken over
hoe ze ons helpen
levende systemen te begrijpen.
De onderwerpen die in deze les
worden aangebracht, zullen starten met
het evenwichtsconcept van faseovergangen,
en we leggen uit hoe
faseovergangen verband houden met
de robuuste patronen van de wereld.
Dan gaan we praten over
waarom evenwicht niet genoeg is
om het leven te begrijpen,
en over faseovergangen binnen het
domein van dynamische systemen,
en wat het betekent
voor beweging om te bevriezen.
Om te begrijpen wat faseovergangen
speciaal maken,
moeten we starten met de
gewone respons van
thermodynamische systemen,
die een controle hebben over temperatuur.
Denk bijvoorbeeld aan lava,
dat een viscositeit heeft.
Bij zeer hoge temperaturen,
is de viscositeit laag
en stroomt de lava als water.
Als de temperatuur daalt,
wordt de lava meer viscoos,
en stapelt zich op en kruipt,
maar dat doet het allemaal
op een geleidelijke manier.
Systemen die faseovergangen ondergaan
zijn anders.
Als je denkt aan water
bij hoge temperaturen die we
dan doen dalen,
water wordt dan niet geleidelijk aan
harder terwijl het afkoelt.
Het blijft vloeibaar totdat
het plotseling ijs wordt.
En die plotselinge aard
van de verandering is van belang.
Als we aan het ijskristal denken,
het heeft een richting waarin het wijst,
en die wijsrichting ontstaat plotseling
als we de temperatuur doen dalen
onder de vriestemperatuur.
In het diagram toont de cirkel
de richtingen waarin het ijskristal
kan wijzen,
en de lijn is de staat van het water
waar geen richting is.
en de vriestransitie is degene waarin
het ijs plots in een bepaalde richting wijst.
De richting en kracht van het kristal
zijn wat we noemen
de orde-parameter
van de faseovergang.
Ze geven een idee en welke graad
en hoeveel van orde bereikt is.
De orde-parameter heeft twee eigenschappen:
Een is de richting, die willekeurig is,
en de andere is de kracht
die te maken heeft met hoe ver
we onder de vriestemperatuur zitten.
En dit geeft een idee van
hoe globaal de ijskristallen
in lijn liggen, en hoe rigide ze
in die configuratie liggen.
Als we praten over een richting,
dan heb je er ofwel een, of niet.
Je kan geen halve richting hebben.
Als we willen begrijpen
de reden voor het plotselinge ontstaan
van de orde-parameter,
moeten we het belangrijke concept
introduceren van symmetrie
in faseovergangen.
Voor een bevroren staat,
bestaat er wel of geen richting;
Het onderliggende water is symmetrisch
en elke bevroren richting is
gelijk aan de andere,
maar om te bevriezen, moet je
er een kiezen.
Want je kan geen halve symmetrie hebben.
Je kan geen gelijke mengeling zijn van
bevroren in vele richtingen,
en het is deze noodzaak om te kiezen die
het plotselinge ontstaan teweegbrengt,
op het blauwe vlak,
vanwaar de orde-parameter
van kracht gaat.
Daarom spelen faseovergangen
een heel belangrijke rol
in de materiele wereld.
Zij zijn verantwoordelijk voor de meeste
van de robuuste patronen
die we waarnemen.
En dat het is door iets dat we
'coöperatief onderhouden staat' noemen.
Iedereen kent de uitdrukking:
'Diamonds are forever'
dat een stelling is dat ze zo hard zijn
dat ze langer zullen blijven bestaan
dan gelijk wat,
maar elk gegeven atoom in een diamant
is gemakkelijk te bewegen.
Waarom is een diamant dan hard?
Het is hard omdat alle atomen
op microscopische schaal
zitten vergrendeld in een
kristalstructuur,
en je kan geen enkel atoom bewegen,
zonder ze allemaal te bewegen.
De orde van het kristal is
de robuuste eigenschap
die ontstaan is
als koolstofgas bevriest tot een diamant,
en dat is de eigenschap die robuust
is gemaakt door de faseovergang zelf.
Evolutie in de biologische wereld,
gebeurt op een achtergrond van
robuuste architecturen
Er is een verscheidenheid aan
kleine moleculen zoals zuren,
bijvoorbeeld azijn, of olies of suikers,
die een universele rol spelen
in alles wat leeft.
Er zijn grotere moleculen zoals RNA
die deel uitmaken van de ribosoom.
Er zijn architecturen
zoals cellularisatie.
Dit zijn allemaal universums waarin
evolutiedynamiek variaties en
veranderingen ontwikkelt.
Maar equilibrium ideeën zijn niet genoeg
om de aard van de levende robuustheid
of de oorzaak ervan te begrijpen.
Bedenk, als ik begin met een kip,
dan kan ik van de kip kippensoep maken.
Maar als ik start met de kippensoep,
ook al heeft die dezelfde ingrediënten,
dan heeft nog niemand begrepen
hoe je daar terug een kip van kan maken.
Een klassiek voorbeeld is
Stanley Millers experiment uit 1953
dat van de studie
naar de oorsprong van het leven,
een serieuze wetenschappelijk kwestie maakte,
voor het eerst in de geschiedenis.
Miller nam een aantal gassen,
verhitte deze met een elektrische vonk,
en zag dat na verloop van tijd
de transparante mix van gassen
was omgezet naar diverse,
steeds donkerdere teersoorten
die aminozuren bevatten,
die de materialen zijn,
die, onder andere, de materialen zijn
waaruit levende systemen bestaan.
Maar deze aminozuren waren
nog geen leven,
net zoals kippensoep geen kip is.
We begrijpen uiteraard waarom:
Omdat het leven opgebouwd is uit
in elkaar grijpende
structuren en processen.
Als je denkt aan een zaadje dat kiemt,
dan wordt er een structuur gebouwd,
maar als de structuur gebouwd is
en het veld wordt groen,
dan doen al deze blaadjes het werk
dat het mogelijk maakte
de structuur in het begin te bouwen.
We kunnen dus vragen,
Als we robuustheid begrijpen
en de verhouding ervan tot
faseovergangen in evenwicht,
kunnen dezelfde ideeën dan
toegepast worden op een
dynamische interactie van
structuren en processen,
en inderdaad, dat kunnen ze.
Misschien het gemakkelijkste systeem
waarin we dit kunnen begrijpen
rechtstreeks uit een illustratie,
is het voorbeeld van scheurpropagatie.
We beginnen met een gaas
van samengebonden atomen
en we oefenen er druk op uit.
Om dan de stress te verlichten,
moet het loskomen.
Als we een knip in dat systeem aanbrengen,
kunnen we de scheur zien groeien.
Het is de propagatie van dat
zelf-reproducerende patroon
van het breken van bindingen
en het aanpassen van het spanningsveld,
dat in het paars wordt getoond,
in de omliggende bindingen.
De mate waarin de scheurpropagatie
een gezamenlijk effect is,
is dat het breken van de bindingen
plaatsvindt op de schaal van
enkelvoudige atoomdiameters.
Maar het spanningsveld is
op uniforme wijze verdeeld over
het volledige materiaal.
De macrovervorming van het deel
dat reeds gescheurd is,
laat toe een zwakke energiedichtheid,
verdeeld over het materiaal,
te focussen,
zoals het heldere licht toont,
helemaal tot in
een enkelvoudige atoombinding.
En het is die focus,
die ervoor zorgt dat het spanningsveld
en het breken van de binding
zich verder en verder doorzetten,
als een zelf-reproducerend patroon.
We hebben kennis van de
ruimte-tijdspatronen die zich vormen
in dit soort overgangen
als staten van orde, op dezelfde manier
dat kristaloriëntatie
een staat van orde is.
Een manier om dit te doen
is met illustraties.
Stel, ik neem een elastische vaste stof
onder spanning, bijvoorbeeld een blok,
en ik draai eraan zodat het buigt.
Ik heb niet al de drie dimensies
daarvan nodig.
Laten een er een doorsnee van nemen
die het belangrijke effect
van de buiging toont,
en we tekenen die groene doorsnee
op een vlak.
Nu heb ik een extra dimensie
en kan ik tijd gebruiken om de
andere dimensies voor te stellen.
op dezelfde manier waarop ik
vellen van films op elkaar zou stapelen.
En dan kan ik kijken naar het patroon
van een bepaald deel van het materiaal
door de tijd heen,
getoond als een geel vlak.
En ik kan vragen:
Welke patronen worden uitgebeeld
in deze ruimte-tijd illustratie.
Op deze manier kunnen we vergelijken
het gespannen materiaal zonder scheur,
dat zich in een soort
gesmolten staat bevindt,
dat al z'n symmetrie heeft.
Hier heb je een uniform,
verdund spanningsveld,
dat door de tijd standhoudt.
Als er een knip wordt geïntroduceerd,
en de scheur zich uitbreidt,
zien we dit op een ruimtediagram,
zoals getoond met een gele lijn
als het patroon van een spanningsveld
en de scheurtip,
die op een uniforme manier door
ruimte en tijd bewegen.
Denk dat we zeiden dat voor een kristal
de orde-parameter
twee eigenschappen heeft.
De ene is een richting,
die willekeurig is,
de andere is een magnitude
die voortkomt uit de wetten
van de fysica aan de grondslag ervan.
De scheur heeft ook zoiets in de tijd.
De positie van de scheur
tot een willekeurige oorsprong van tijd
kan overal zijn, want dit is
een richting van symmetrie.
Maar de snelheid waarmee het beweegt
wordt bepaald door de achterliggende
fysica.
En dat is een eigenschap die je kan
voorspellen, zoals de hardheid
van een kristal.
We zien dus dat het concept van
faseovergang en
het spontane ontstaan van orde
bestaat in de dynamische wereld.
Bevroren beweging wil niet zeggen
beweging die gevangen en gestopt is
dat zou het einde zijn van beweging.
Bevroren beweging is beweging die
robuust is gemaakt door
samenwerkingseffecten en faseovergangen.
Wat kunnen de orde-parameters
van het leven zijn,
als we de dynamische faseovergangen
proberen te gebruiken,
om robuuste universele dingen te begrijpen
waaruit het is opgebouwd.
Als eerste weten we dat ze
chemisch en energetisch moeten zijn.
Want het leven is een energetisch proces
dat in een chemische omgeving bestaat.
We verwachten ook dat het
onderling afhankelijke
structuur en proces omvat,
waarin de structuur
het proces ondersteunt,
en het proces bouwt de structuur.
Enkele kandidaten die we kunnen gebruiken
zijn de typische moleculen,
de kleine metabolieten
die dezelfde rol spelen,
of het RNA.
Maar een andere eigenschap
kan gevonden worden op schaal van
de volledige planeet.
En dat is het effect dat de biosfeer heeft
op de grote biogeochemische cycli.
De aanwezigheid van levende systemen,
wijzigt de kringlopen van koolstof,
stikstof, zwavel, en vele andere elementen
en ook van water.
De manier waarop deze beweging
mogelijk wordt gemaakt,
is door nieuwe verbindingen te genereren
vanuit deze elementen,
die niet zouden bestaan
op een planeet zonder biosfeer.
Voor de normale patronen in deze
veranderingen, komen in aanmerking
de orde-parameters voor het leven
als een fenomeen van deze planeet.
Een andere mogelijkheid is
de energieproductie van de Aarde
als een volledig systeem.
De Aarde is een groene planeet
Er is geen andere groene planeet,
om dezelfde reden, in ons zonnestelsel.
En dat is zo omdat de biosfeer,
en diens pigmenten op deze planeet
gegenereerd werden.
De biosfeer heeft ook de compositie
van onze atmosfeer veranderd.
Het deed met name moleculair zuurstof
in de atmosfeer ontstaan,
wat vanuit de ruimte gezien kan worden
als het zonlicht erdoorheen schijnt.
De studie van de manier waarop
levende systemen de atmosferische
samenstelling veranderen,
is een van de manieren waarop
wetenschappers zoeken naar
de mogelijkheid van leven
op planeten die te ver weg liggen
om ook maar iets anders te kunnen zien.
Een andere mogelijke eigenschap
van het leven
die een orde-parameter kan zijn
is het concept van individualiteit,
die op veel verschillende manieren
is ontstaan.
A bacteriecel is in de ruimte ingesloten
en bevindt zich in een beschermde omgeving
maar het heeft ook een
moleculair genoom.
Een virion is een genoom maar niet met
dezelfde verhouding tot energie
en metabolisme.
We zien dat individualiteit
vele vormen aanneemt.
Het leven is fascinerend in dit opzicht:
Omdat alle faseovergangen
waarover ik het hiervoor had,
hebben een orde-parameter die één waarde
neemt uit het geheel.
Maar als we meer willen weten over
het soort orde dat ontstaat
bij individualiteit,
komen we iets fascinerend tegenkomen
dat we normaalgezien behandelden
als we het over de mensheid hebben,
en dat is de vereiste om eigennamen
te gebruiken.
Harry, Jane, June.
We kunnen dus denken
aan de individualiteit
als een faseovergang waarvan
de orde-parameters eigennamen zijn.
De voornaamste boodschap van deze les
zijn, ten eerste,
dat faseovergangen een belangrijke manier
zijn waarin natuurlijke systemen
op een spontane manier orde scheppen
die niet wordt opgelegd
door hun randvoorwaarden.
De orde is robuust omdat de componenten
elkaar wederzijds versterken
en het moeilijk maken plaatselijke
veranderingen toe te staan.
Faseovergangen kunnen ook leiden tot
spontane orde en we zagen ook
het voorbeeld van scheurpropagatie
dat toont hoe dat in z'n werk gaat.
En het is belangrijk te zeggen
dat we niet weten hoeveel van de orde
van het leven begrepen kan worden,
door middel van het concept van
dynamische faseovergang.
Maar kandidaten voor orde-parameters
voor deze faseovergangen omvatten
de grote biogeochemische cycli
en het ontstaan van individualiteit.