Waarom is het leven beperkt tot de afmetingen die we op aarde waarnemen?
De afmetingen van de dingen in ons universum liggen in het bereik van 10-19 meter (kenmerkend voor quark-interacties) tot kosmische horizonten op een afstand van ongeveer 1026 graden van een meter. Binnen deze 45 ordinale magnitudes is het leven, voor zover we weten, beperkt tot een tamelijk klein bereik, iets meer dan negen ordinale magnitudes en ongeveer in het midden van de universele schaal gelokaliseerd. Bacteriën en virussen kunnen minder dan een micron (10-6 meter) groot zijn, terwijl de hoogste bomen ongeveer 100 meter zijn. Een paddenstoel genaamd honingzwam, die groeit aan de voet van de Blue Mountains in Oregon, kan tot 4 kilometer lang worden en wordt verondersteld het enige levende wezen van zijn omvang te zijn. Wat betreft het ons bekende bewuste leven, het bereik ervan zal nog kleiner zijn - ongeveer drie orden van grootte.
Maar zou de situatie anders kunnen zijn?
Vooruitgang in de computertheorie suggereert dat zowel wetenschap als intelligentie quadriljoenen primitieve "circuit" -elementen vereisen. Gezien het feit dat onze hersenen bestaan uit neuronen, die zelf in feite gespecialiseerde verenigde eencellige organismen zijn, kunnen we concluderen dat biologische computers in hun fysieke grootte ongeveer moeten overeenkomen met onze hersenen om de verwijderingsmogelijkheden.
We kunnen ons voorstellen dat we neuronen creëren in kunstmatige intelligentiesystemen die kleiner zijn dan de onze. Elektronische schakelingen zijn bijvoorbeeld aanzienlijk kleiner dan onze neuronen tegenwoordig. Maar ze zijn ook eenvoudiger in hun gedrag en hebben een bovenbouw van ondersteuning nodig (energie, koeling, multilaterale communicatie), die veel volume in beslag neemt. Het is waarschijnlijk dat de eerste echte kunstmatige intelligentie zo'n volume zal innemen dat niet veel zal verschillen van de grootte van ons lichaam, hoewel het gebaseerd zal zijn op fundamenteel verschillende materialen en architecturen, en dit zal eens te meer aangeven dat er iets speciaals aan is schaal van metingen.
Maar hoe zit het met het supergrote uiteinde van het spectrum? William S. Burroughs stelde zich in zijn roman The Ticket That Exploded voor dat er onder het planetaire oppervlak 'een enorm mineraalbewustzijn is op het niveau van denken in het absolute nulpunt in langzame kristalformaties'. Astronoom Fred Hoyle sprak zeer emotioneel en overtuigend over de wetenschappelijke hyperintelligentie "Black Cloud", vergelijkbaar in grootte met de afstand van de aarde tot de zon. Zijn idee is een voorbode van het Dyson-concept van bollen, dat wil zeggen grootschalige structuren die de ster volledig omringen en het grootste deel van zijn energie opvangen. Deze theorie wordt ook ondersteund door berekeningen van mijn collega Fred Adams, die dat aantonendat de meest efficiënte informatieverwerkende structuren in de moderne melkweg mogelijk worden gekatalyseerd in de donkere winden van stervende rode reuzensterren. Deze rode reuzen produceren genoeg energie voor enkele duizenden jaren, wat voldoende entropische gradiënt is, evenals voldoende grondstof om de biosferen van miljarden aardachtige planeten volledig te berekenen.en genoeg grondstof om de biosferen van miljarden aardachtige planeten mogelijk volledig te berekenen.en genoeg grondstof om de biosferen van miljarden aardachtige planeten mogelijk volledig te berekenen.
En wat kunnen in dit geval de levensvormen zijn? Interessante gedachten hebben niet alleen complexe hersenen nodig, maar ook voldoende tijd om ze te formuleren. De transmissiesnelheid van informatie in zenuwcellen is ongeveer 300 kilometer per uur, wat betekent dat de transittijd van een signaal in het menselijk brein ongeveer 1 milliseconde bedraagt. In dit geval zijn er 2 biljoen berichteenheden per mensenleven (en elke passage wordt in feite vermenigvuldigd met een parallelle rekenstructuur). Als onze hersenen en onze neuronen 10 keer groter waren, en onze levensduur en de snelheid van signaaloverdracht in neuronen ongewijzigd zouden blijven, dan zouden we gedurende ons hele leven 10 keer minder gedachten nodig hebben.
Promotie video:
Als ons brein ongelooflijk in omvang was vergroot en vergelijkbaar zou zijn met ons zonnestelsel, en ook het vermogen zou hebben om signalen te verzenden met de snelheid van het licht, dan zou het verzenden van hetzelfde aantal berichten de hele tijd van het universum in beslag nemen, en dan zou er geen tijd voor evolutie om zijn werk te doen. Als onze hersenen zo groot waren als onze melkweg, zou het probleem nog ingewikkelder worden. Vanaf het moment van zijn vorming zou er slechts voldoende tijd zijn voor de verzending van ongeveer 10.000 berichten die van de ene rand van de melkweg naar de andere zouden kunnen reizen. Daarom is het moeilijk om levende wezens voor te stellen die qua complexiteit vergelijkbaar zijn met het menselijk brein, dat qua grootte vergelijkbaar zou zijn met de sterren. Als ze bestonden,dan zouden ze niet genoeg tijd hebben om daadwerkelijk iets te doen.
Verrassend genoeg dwingt de beperkende invloed van de omgeving op fysieke lichamen het leven ook ongeveer even groot te zijn als zijn geest nodig heeft. De hoogte van het hoogste mahoniehout wordt beperkt door het onvermogen om water omhoog te pompen tot meer dan 100 meter, en deze limiet is een combinatie van de zwaartekrachten van de aarde (die water naar de aarde trekken), evenals transpiratie, wateropname en oppervlaktespanning in het xyleem van onze planeet (waardoor het omhoog). Als we aannemen dat de zwaartekracht en atmosferische druk van de meeste potentieel bewoonbare planeten binnen een factor 10 liggen ten opzichte van de aardse omstandigheden, dan krijgen we slechts een paar ordes van grootte van dezelfde maximale beperking.
Als we ook aannemen dat de meeste levenssoorten geassocieerd zullen worden met een planeet, maan of asteroïde, dan zal de zwaartekracht ook een natuurlijke schaal creëren. Als de planeet groter wordt en de zwaartekracht ervan krachtiger wordt, zal de belasting van de botten (of een andere gelijkwaardige variant) van het hypothetische dier toenemen - sommige wetenschappers hebben hierover al in de 17e eeuw gesproken, waaronder Christian Huygens. Zo'n dier zou worden gedwongen om de dwarsdoorsnede van zijn botten te vergroten om een grotere kracht te weerstaan, die toeneemt met de vierkantswortel van de grootte van het dier. Dit soort lichaamsvormende inspanning zal uiteindelijk mislukken als de massa met een orde van grootte toeneemt naarmate het blokjeslichaam toeneemt. Over het algemeen,de maximale massa van een terrestrisch organisme dat zich kan verplaatsen, zal bijna lineair afnemen in overeenstemming met de toename van de zwaartekracht. Omgekeerd zou een planeet waarop de zwaartekrachten 10 keer kleiner zijn dan op aarde, mogelijk dieren kunnen hebben die 10 keer groter zijn.
Er is echter een limiet aan hoe klein een planeet kan zijn - als hij onbeduidend groot is (ongeveer minder dan een tiende van de massa van de aarde), dan zal hij niet genoeg kracht hebben om zijn atmosfeer vast te houden. Nogmaals, we zijn beperkt door de ongeveer 10 factor die we op aarde zien. Het leven heeft ook koeling nodig. Fabrikanten van computerchips staan voortdurend voor de uitdaging om de warmte die door computers wordt gegenereerd, af te voeren. Levende wezens hebben hetzelfde probleem: grote dieren hebben een hoge volumecoëfficiënt in verhouding tot het buitenoppervlak, dat wil zeggen tot de "huid". Omdat het de huid is die verantwoordelijk is voor het koelen van het dier, en de grootte afhangt van de hoeveelheid geproduceerde warmte,grotere dieren hebben minder vermogen om zichzelf af te koelen.
In de jaren dertig vestigde Max Kleiber voor het eerst de aandacht op het feit dat de hoeveelheid metabolisme evenredig met de massa van een dier afneemt met een factor 0,25. En inderdaad, als dit temperatuurregime niet was gestegen, zouden grote dieren, in de letterlijke zin van het woord, zichzelf hebben gekookt (recent hebben Aatish Batia en Robert Krulwich dit heel duidelijk aangetoond. Als we aannemen dat het minimum De waargenomen stofwisseling van het hele lichaam die nodig is voor het functioneren van een zoogdier is gelijk aan een biljoenste watt per nanogram, dan krijgen we een extreem temperatuurbeperkt organisme van meer dan 1 miljoen kilogram, wat groter is dan de blauwe vinvis - het absolute record onder dieren op aarde in termen van grootte.
Planeten aarde
Foto: Norman Kuring, NASA / GSFC / Suomi NPP
In principe kan men zich een 'wezen' voorstellen dat veel groter is. Als we ons baseren op het Landauer-principe, dat de minimale hoeveelheid energie beschrijft die nodig is voor berekeningen, en als we aannemen dat de energiebronnen van een superzwaar, superinert meercellig organisme zich alleen bezighouden met langzame celreproductie, dan ontdekken we dat de problemen van mechanische ondersteuning opwegen tegen de afvoer van warmte. als de ultieme beperkende factor voor groei. Met dergelijke waarden blijft het echter onduidelijk wat een dergelijk wezen zal doen en hoe het zich zal kunnen ontwikkelen.
De klassieke korte film van Charles en Ray Eames, Powers of Ten, werd ongeveer veertig jaar geleden gemaakt, maar de impact blijft aanzienlijk. Het kan bijvoorbeeld in verband worden gebracht met de opkomst van ordinale waardeschattingen als centraal aspect van het wetenschappelijke programma, en bovendien is deze film de directe inspiratiebron voor het maken van kaartprogramma's zoals Google Earth.
De impact van Ratio Ten wordt versterkt door de opvallende symmetrie tussen het verhaal van de naar binnen gerichte beweging (waarin de kijker naar binnen afdaalt op een schaal van een picknick in Chicago aan de oever van het meer tot een niveau onder de kern) en de boog van naar buiten gerichte beweging (waarin het beeld pulseert met toenemende snelheid, waarbij de aarde en haar inhoud in het kader van de grote schaal van de kosmos worden geplaatst).
Wij, als intelligente wezens, hadden gewoon geluk, en we kregen de mogelijkheid om in beide richtingen te bewegen en de schaal van het universum te verkennen - zowel in de richting van afnemen als vergroten? Dit is waarschijnlijk niet het geval.
Gregory Laughlin is hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. Hij is ook de co-auteur van The Five Ages of the Universe-Inside the Physics of Eternity.
