2016年12月17日土曜日

The Hidden Connections Between Darwin and the Physicist Who Championed Entropy

The Hidden Connections Between Darwin and the Physicist Who Championed Entropy

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f all the scientific advances, evolution has been the hardest on the human ego. Charles Darwin’s revolutionary theory, laid out in his groundbreaking 1859 book On the Origin of Species, threatened to overturn humanity’s exalted position in the universe. Yet in the same era, a quieter—and seemingly unrelated—scientific revolution was also taking place. 

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The concept of entropy in physics began harmlessly enough, as an explanation for why steam engines could never be perfectly efficient. But ultimately, entropy also threatened an established hierarchy. And in fact, entropy and evolution were more than casually related.
Entropy was championed and elaborated on by Austrian physicist Ludwig Boltzmann—who also happened to be one of Darwin’s biggest promoters in the physics community. In 1886, four years after Darwin's death, Boltzmann gave a popular lecture on entropy in which he said: “If you ask me about my innermost conviction whether our century will be called the century of iron or the century of steam or electricity, I answer without hesitation: it will be called the century of the mechanical view of nature, the century of Darwin.”
Yet Boltzmann was more than just a cheerleader of Darwin's. He understood evolutionary theory more deeply than most in that era, and recognized the full implications of its core ideas. Specifically, he grasped how evolution and the physics of heat both relied on understanding history, and how small changes accumulate over time. In the 19th century, these ideas were so revolutionary as to be considered heretical to many.
Other than their magnificent beards, Darwin and Boltzmann didn't have a lot in common as people. Though their working lives overlapped by many years, the two men never met. Darwin was more than a generation older, and grew up a landed gentleman from a famous family; illness kept him at home for much of his later life. Boltzmann taught in universities and instructed many future pioneers of 20th century physics. He invented gadgets, wrote poetry, and traveled extensively. He later struggled with depressive episodes, which he described in writing, and committed suicide in 1906.
On the surface, their theories, too, seemed far removed from each other. But look deeper, and they are inextricably intertwined.
Both evolution and entropy upset many people's views of the “natural” order. Darwin said humans descended from other animals; that we are part of the same family tree as all living things, subject to a universal process called natural selection. Boltzmann said the orderly laws of physics lead to disorder, and require us to use the language of statistics and probability to understand. Both ideas interfered with the 19th century's views of progress and perpetual improvement, but the theories were also intertwined in a way Boltzmann was possibly the first to recognize.
Entropy was discovered by engineers working on steam engines. They realized that no matter how efficient their machines were, there was always some energy lost in the process. The energy wasn't destroyed (that's impossible); it just wasn't available to be used. Rudolf Clausius named the quantity defined by this energy loss "entropy," from the Greek word for transformation and the fact that it sounds similar to "energy."
Physicists enshrined entropy's purpose in the Second Law of Thermodynamics, which states: In any process cut off from external influences, entropy increases or stays constant. It's a way of saying, in a cosmic sense, that there's no free money. Every transaction costs something. But defining it that way doesn't really say what entropy is—and Boltzmann wanted to know more.
 The 19th century saw scientists unifying different aspects of human knowledge: joining electricity to magnetism, using new methods in physics to identify chemical elements, and so forth. Boltzmann wanted to use Newton's laws of motion, which govern the behavior of macroscopic objects, to understand the behavior of gases.
His precedent was "kinetic theory," a model proposed by James Clerk Maxwell (whose biggest claim to fame is the theory unifying electricity and magnetism, showing light is an electromagnetic wave) and colleagues. Kinetic theory connected the speeds of microscopic gas particles to measurable quantities like temperature. According to Newton's laws, individual collisions between these particles should look the same if you reversed the direction of time. However, entropy has to always increase or stay the same—it's irreversible.
Irreversibility is a normal part of life. Breaking a glass and spilling the water across the floor is irreversible. The fragments of glass and molecules of water won't spontaneously re-form. Cake batter won't unmix, perfume spritzed into a room won't flow back into the bottle. Boltzmann wanted to explain these realistic irreversible events using microscopic physics. He did that by showing how huge numbers gas particles could still produce irreversible results.
Think of a sealed box with a movable partition dividing it in half. In our experiment, we fill half of the box with some sort of gas, then open the partition slightly. Some of the gas will go through the opening in the partition, so that after a while there's roughly the same amount of gas in both sides of the box.
If we started with half the gas in both sides of the box and then opened the partition, we almost certainly wouldn't end up with all of it on one side of the box, not even if we waited a very long time. Even though each collision between particles or between particles and the walls of the container are reversible, the result isn't.
Sure, it's possible for all the gas particles to spontaneously flow from one side of the container to the other. But as Boltzmann pointed out, it's so unlikely we don't have to worry about it. In the same way, entropy can spontaneously decrease, but it hardly ever does so. It's far more likely to increase, or — once the gas particles are evenly distributed between the sides of the container — stay the same.
The result is directionality and irreversibility, even though it originated in completely reversible microscopic behavior. In that, Boltzmann saw connections between entropy and evolution.
*****
In biology, small changes between generations by themselves are, for our intents and purposes, directionless and random. But Darwin's natural selection theory showed how they could eventually lead to irreversible change, providing an underlying explanation for how new species arise out of existing ones. Darwin called this phenomenon "descent with modification," and introduced the idea of natural selection to make it work.
Boltzmann recognized that this was a deep way to understand the proliferation of life on Earth, much like his explanation of entropy provided a deep understanding of irreversible processes in physics.  But beyond irreversibility, he also recognized that life involves competition over available energy—or to put it an equivalent way, a battle to minimize entropy.
Living things are a bundle of traits. Some of those traits are adaptive, meaning they help an organism survive: enable it to find food, or avoid becoming food for something else. Other traits are disadvantageous, and some are neutral, being neither helpful nor harmful. Natural selection is the way evolution picks out the adaptive traits from the disadvantageous ones.
(Boltzmann even used Darwin's theory to argue that our skill at creating conceptions of how the world works helped humanity to survive and succeed. That meant the human mind — the subject of a lot of philosophical speculation — is an adaptive trait, according to Darwinian principles.)
Natural selection is a harsh view of life. But living things require food—chemicals from air, soil or from eating other organisms—and that means competition. Organisms that survive pass their adaptive traits on to their offspring, while harmful traits disappear. If enough of those traits build up over the generations, entirely new species can spring up. One of those species was ours: humans were born out of the processes of natural selection and adaptation, just like all other life.

Boltzmann used both theories to argue that life's struggle isn't over energy. Earth gets plenty of energy from the Sun, far more than life actually uses in the form of photosynthesis (and other organisms that eat plants and other photosynthesizers). Instead, life is a struggle to minimize entropy by capturing as much of the available energy as possible.
Boltzmann's insight connected Darwin's theory to fundamental physics, an astounding intellectual achievement. It showed how both evolution and entropy have influence beyond their original domains. Today we have evolutionary algorithms and entropy in information theory, and evolution is on criterion NASA uses in its search for life on other worlds.
Darwin's and Boltzmann's twin revolutions live on. Perhaps you could even say they’ve co-evolved. http://www.smithsonianmag.com/science-nature/hidden-connections-between-darwin-and-physicist-who-championed-entropy-2-180961461/

とても興味深く読みました：

再生核研究所声明314（2016.08.08）　
世界観を大きく変えた、ニュートンとダーウィンについて

今朝２０１６年８月６日，散歩中　目が眩むような大きな構想が閃いたのであるが、流石に直接表現とはいかず、先ずは世界史上の大きな事件を回想して、準備したい。紀元前の大きな事件についても触れたいが当分　保留したい。
そもそも、ニュートン、ダーウィンの時代とは　中世の名残を多く残し、宗教の存在は世界観そのものの基礎に有ったと言える。それで、アリストテレスの世界観や聖書に反して　天動説に対して地動説を唱えるには　それこそ命を掛けなければ主張できないような時代背景が　存在していた。
そのような時に世の運動、地上も、天空も、万有を支配する法則が存在するとの考えは　それこそ、世界観の大きな変更であり、人類に与えた影響は計り知れない。進化論　人類も動物や生物の進化によるものであるとの考えは、　人間そのものの考え方、捉え方の基本的な変更であり、運動法則とともに科学的な思考、捉え方が世界観を根本的に変えてきたと考えられる。勿論、自然科学などの基礎として果たしている役割の大きさを考えると、驚嘆すべきことである。
人生とは何か、人間とは何か、―　世の中には秩序と法則があり、人間は作られた存在で
その上に　存在している。如何に行くべきか、在るべきかの基本は　その法則と作られた存在の元、原理を探し、それに従わざるを得ないとなるだろう。しかしながら、狭く捉えて　唯物史観などの思想も生んだが、それらは、心の問題、生命の神秘的な面を過小評価しておかしな世相も一時は蔓延ったが、自然消滅に向かっているように見える。
自然科学も生物学も目も眩むほどに発展してきている。しかしながら、人類未だ成長していないように感じられるのは、止むことのない抗争、紛争、戦争、医学などの驚異的な発展にも関わらず、人間存在についての掘り下げた発展と進化はどれほどかと考えさせられ、昔の人の方が余程人間らしい人間だったと思われることは　多いのではないだろうか。
上記二人の巨人の役割を、自然科学の基礎に大きな影響を与えた人と捉えれば、我々は一段と深く、巨人の拓いた世界を深めるべきではないだろうか。社会科学や人文社会、人生観や世界観にさらに深い影響を与えると、与えられると考える。
ニュートンの作用、反作用の運動法則などは、人間社会でも、人間の精神、心の世界でも成り立つ原理であり、公正の原則の基礎（再生核研究所声明 1　(2007/1/27)：　美しい社会はどうしたら、できるか、美しい社会とは）にもなる。　自国の安全を願って軍備を強化すれば相手国がより、軍備を強化するのは道理、法則のようなものである。慣性の法則、急には何事でも変えられない、移行処置や時間的な猶予が必要なのも法則のようなものである。力の法則　変化には情熱、エネルギー，力が必要であり、変化は人間の本質的な要求である。それらはみな、社会や心の世界でも成り立つ原理であり、掘り下げて学ぶべきことが多い。ダーウィンの進化論については、人間はどのように作られ、どのような進化を目指しているのかと追求すべきであり、人間とは何者かと絶えず問うて行くべきである。根本を見失い、個別の結果の追求に明け暮れているのが、現在における科学の現状と言えるのではないだろうか。単に盲目的に夢中で進んでいる蟻の大群のような生態である。広い視点で見れば、経済の成長、成長と叫んでいるが、地球規模で生態系を環境の面から見れば、癌細胞の増殖のような様ではないだろうか。人間の心の喪失、哲学的精神の欠落している時代であると言える。

以　上
再生核研究所声明315（2016.08.08）　世界観を大きく変えた、ユークリッドと幾何学

今朝２０１６年８月６日，散歩中　目が眩むような大きな構想が閃いたのであるが、流石に直接表現とはいかず、先ずは世界史上の大きな事件を回想して、準備したい。紀元前の大きな事件についても触れたいが当分　保留したい。
ニュートン、ダーウィンの大きな影響を纏めたので（声明３１４）今回はユークリッド幾何学の影響について触れたい。
ユークリッド幾何学の建設について、ユークリッド自身（アレクサンドリアのエウクレイデス（古代ギリシャ語: Εὐκλείδης, Eukleídēs、ラテン語: Euclīdēs、英語: Euclid（ユークリッド）、紀元前3世紀? - ）は、古代ギリシアの数学者、天文学者とされる。数学史上最も重要な著作の1つ『原論』（ユークリッド原論）の著者であり、「幾何学の父」と称される。プトレマイオス1世治世下（紀元前323年-283年）のアレクサンドリアで活動した。）が絶対的な幾何学の建設に努力した様は、『新しい幾何学の発見―ガウス ボヤイ ロバチェフスキー』リワノワ 著松野武 訳1961　東京図書　に見事に描かれており、ここでの考えはその著書に負うところが大きい。
ユークリッドは絶対的な幾何学を建設するためには、絶対的に正しい基礎、公準、公理に基づき、厳格な論理によって如何なる隙や曖昧さを残さず、打ち立てられなければならないとして、来る日も来る日も、アレクサンドリアの海岸を散歩しながら　ユークリッド幾何学を建設した（『原論』は19世紀末から20世紀初頭まで数学（特に幾何学）の教科書として使われ続けた[1][2][3]。線の定義について、「線は幅のない長さである」、「線の端は点である」など述べられている。基本的にその中で今日ユークリッド幾何学と呼ばれている体系が少数の公理系から構築されている。エウクレイデスは他に光学、透視図法、円錐曲線論、球面天文学、誤謬推理論、図形分割論、天秤などについても著述を残したとされている。）。
ユークリッド幾何学、原論は２０００年以上も越えて多くの人に学ばれ、あらゆる論理的な学術書の記述の模範、範として、現在でもその精神は少しも変わっていない、人類の超古典である。―　少し、厳密に述べると、ユークリッド幾何学の基礎、いわゆる第５公準、いわゆる平行線の公理は徹底的に検討され、２０００年を経て公理系の考えについての考えは改められ―　公理系とは絶対的な真理という概念ではなく、矛盾のない仮定系である　―　、非ユークリッド幾何学が出現した。論理的な厳密性も徹底的に検討がなされ、ヒルベルトによってユークリッド幾何学は再構成されることになった。非ユークリッド幾何学の出現過程についても上記の著書に詳しい。
しかしながら、ユークリッド幾何学の実態は少しも変わらず、世に絶対的なものがあるとすれば、それは数学くらいではないだろうかと人類は考えているのではないだろうか。
数学の不可思議さに想いを致したい（しかしながら、数学について、そもそも数学とは何だろうかと問い、ユニバースと数学の関係に思いを致すのは大事ではないだろうか。この本質論については幸運にも相当に力を入れて書いたものがある：

19/03/2012
ここでは、数学とは何かについて考えながら、数学と人間に絡む問題などについて、幅.広く面白く触れたい。
）。
―　数学は公理系によって定まり、そこから、論理的に導かれる関係の全体が一つの数学の様 にみえる。いま予想されている関係は、そもそも人間には無関係に確定しているようにみえる。その数学の全体はすべて人間には無関係に存在して、確定しているようにみえる。すなわち、われわれが捉えた数学は、人間の要求や好みで発見された部分で、その全貌は分か らない。抽象的な関係の世界、それはものにも、時間にも、エネルギーにも無関係で、存在 している。それではどうして、存在して、数学は美しいと感動させるのであろうか。現代物理学は宇宙全体の存在した時を述べているが、それでは数学はどうして存在しているのであろうか。宇宙と数学は何か関係が有るのだろうか。不思議で 不思議で仕方がない。数学は絶対で、不変の様にみえる。時間にも無関係であるようにみえる。数学と人間の関係は何だ ろうか。―
数学によって、神の存在を予感する者は　世に多いのではないだろうか。

以　上

再生核研究所声明316（2016.08.19）　ゼロ除算における誤解

（２０１６年８月１６日夜，風呂で、ゼロ除算の理解の遅れについて　理由を纏める考えが独りでに湧いた。）
                                                     
６歳の道脇愛羽さんたち親娘が３週間くらいで　ゼロ除算は自明であるとの理解を示したのに、近い人や指導的な数学者たちが１年や２年を経過してもスッキリ理解できない状況は　世にも稀なる事件であると考えられる。ゼロ除算の理解を進めるために　その原因について、掘り下げて纏めて置きたい。
まず、結果を聞いて、とても信じられないと発想する人は極めて多い。割り算の意味を自然に拡張すると1/0=0/0=z/0　となる、関数y=1/xの原点における値がゼロであると結果を表現するのであるが、これらは信じられない、このような結果はダメだと始めから拒否する理由である。
先ずは、ゼロでは割れない、割ったことがない、は全ての人の経験で、ゼロの記録Brahmagupta(598– 668?)　以来の定説である。しかも、ゼロ除算について天才、オイラーの1/0を無限大とする間違いや、不可能性についてはライプニッツ、ハルナックなどの言明があり、厳格な近代数学において確立した定説である。さらに、ゼロ除算についてはアインシュタインが最も深く受け止めていたと言える：（George Gamow (1904-1968) Russian-born American nuclear physicist and cosmologist remarked that "it is well known to students of high school algebra" that division by zero is not valid; and Einstein admitted it as {\bf the biggest blunder of his life} ：Gamow, G., My World Line (Viking, New York). p 44, 1970.）。
一様に思われるのは、割り算は掛け算の逆であり、直ぐに不可能性が証明されてしまうことである。ところが、上記道脇親娘は　割り算と掛け算は別であり、割り算は、等分の考えから、掛け算ではなく、引き算の繰り返し、除算で定義されるという、考えで、このような発想から良き理解に達したと言える。
ゼロで割ったためしがないので、ゼロ除算は興味も、関心もないと言明される人も多い。
また、割り算の（分数の）拡張として得られた。この意味は結構難しく、何と、1/0=0/0=z/0　の正確な意味は分からないというのが　真実である。論文ではこの辺の記述は大事なので、注意して書いているが　真面目に論文を読む者は多いとは言えないないから、とんでもない誤解をして、矛盾だと言ってきている。1/0=0/0=z/0　らが、普通の分数のように掛け算に結びつけると矛盾は直ぐに得られてしまう。したがって、定義された経緯、意味を正確に理解するのが　大事である。数学では、定義をしっかりさせる事は基本である。―　ゼロ除算について、情熱をかけて研究している者で、ゼロ除算の定義をしっかりさせないで混乱している者が多い。
次に関数y=1/xの原点における値がゼロである　は　実は定義であるが、それについて、面白い見解は世に多い。アリストテレス（Aristotelēs、前384年 - 前322年3月7日）の世界観の強い影響である。ゼロ除算の歴史を詳しく調べている研究者の意見では、ゼロ除算を初めて考えたのはアリストテレスで真空、ゼロの比を考え、それは考えられないとしているという。ゼロ除算の不可能性を述べ、アリストテレスは　真空、ゼロと無限の存在を嫌い、物理的な世界は連続であると考えたという。西欧では　アリストテレスの影響は大きく、聖書にも反映し、ゼロ除算ばかりではなく、ゼロ自身も受け入れるのに１０００年以上もかかったという、歴史解説書がある。ゼロ除算について、始めから国際的に議論しているが、ゼロ除算について異様な様子の背景にはこのようなところにあると考えられる。関数y=1/xの原点における値が無限に行くと考えるのは自然であるが、それがx=0で突然ゼロであるという、強力な不連続性が、感覚的に受け入れられない状況である。解析学における基本概念は　極限の概念であり、連続性の概念である。ゼロ除算は新規な現象であり、なかなか受け入れられない。
ゼロ除算について初期から交流、意見を交わしてきた２０年来の友人との交流から、極めて基本的な誤解がある事が、２年半を越えて判明した。勿論、繰り返して述べてきたことである。ゼロ除算の運用、応用についての注意である。
具体例で注意したい。例えば簡単な関数 y=x/(x -1) において x=1　の値は　形式的にそれを代入して 1/0=0　と考えがちであるが、そのような考えは良くなく、y = 1 + 1/(x -1)　からx=1　の値は1であると考える。関数にゼロ除算を適用するときは注意が必要で、ゼロ除算算法に従う必要があるということである。分子がゼロでなくて、分母がゼロである場合でも意味のある広い世界が現れてきた。現在、ゼロ除算算法は広い分野で意味のある算法を提起しているが、詳しい解説はここでは述べないことにしたい。注意だけを指摘して置きたい。
ゼロ除算は　アリストテレス以来、あるいは西暦６２８年インドにおけるゼロの記録と、算術の確立以来、またアインシュタインの人生最大の懸案の問題とされてきた、ゼロで割る問題　ゼロ除算は、本質的に新しい局面を迎え、数学における基礎的な部分の欠落が明瞭になってきた。ここ７０年を越えても教科書や学術書における数学の基礎的な部分の変更は　かつて無かった事である。と述べ、大きな数学の改革を提案している：
再生核研究所声明312（2016.07.14）　ゼロ除算による　平成の数学改革を提案する

以　上
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