Dugo se vjerovalo da se život pokorava vlastitom skupu pravila. No budući da jednostavni sustavi pokazuju znakove prirodnog ponašanja, znanstvenici raspravljaju je li ta prividna složenost isključivo posljedica termodinamike.
Koja je razlika između fizike i biologije? Uzmi lopticu za golf i topovsku kuglu i baci ih s nagnjenog tornja u Pisi. Zakoni fizike omogućuju vam da tako precizno predvidite putanje njihovog pada da ne možete poželjeti najbolje.
Sada ponovite isti eksperiment, ali zamijenite topovsku golubicu.
Naravno, biološki sustavi ne podliježu zakonima fizike - ali, očito, potonji također nisu u mogućnosti predvidjeti svoje ponašanje. Biosustavi se razlikuju po tome što su svrhoviti u svrhu preživljavanja i reprodukcije. Može se reći da im je cilj - ili ono što filozofi tradicionalno nazivaju teleologija - taj koji vodi njihovo ponašanje.
Slično tome, na temelju stanja svemira u milijarditoj sekundi nakon Velikog praska, fizika nam sada omogućuje predviđanje kako naš svemir izgleda danas. Ali nitko ne misli da je pojava prvih primitivnih stanica na Zemlji predvidljivo dovela do pojave ljudske rase. Čini se da tijek evolucije ne diktiraju zakoni.
Teleologija i povijesno uvjetovanje biologije, prema evolucijskom biologu Ernstu Mayru, čine je jedinstvenom među znanostima. Obje ove osobine proizlaze možda iz jedinog zajedničkog vodećeg načela biologije - evolucije. Ima nasumičan i proizvoljan karakter, ali prirodna selekcija daje mu izgled namjere i svrhe. Životinje se privlače vodom ne pod utjecajem neke magnetske privlačnosti, već zbog instinkta, želje za preživljavanjem. Noge, između ostalog, služe da nas vode u vodu.
Mayr je tvrdio da ova svojstva čine biologiju izuzetnom znanošću - neovisnim zakonom. U međuvremenu, nedavni napredak u neuravnoteženoj fizici, teoriji složenih sustava i teoriji informacija dovode u pitanje ovo gledište.
Ako živa bića smatramo agentima koji obavljaju račune - prikupljanjem i pohranjivanjem informacija o nepredvidivom okruženju - njihove sposobnosti i ograničenja, poput reprodukcije, prilagodbe, aktivnosti, svrhe i smisla, mogu se shvatiti ne kao proizlaze iz evolucijske improvizacije, već kao neizbježne posljedice fizičkih zakona … Drugim riječima, čini se da jedna vrsta fizike podupire aktivnost bića i njihov razvoj u tom smjeru. Značenje i namjera - za koje se smatralo da su definirajuće karakteristike živih sustava - tada mogu prirodno proizlaziti iz zakona termodinamike i statističke mehanike.
Promotivni video:
Prošlog studenog fizičari, matematičari i računalni znanstvenici sastali su se s evolucijskim i molekularnim biolozima kako bi razgovarali - a ponekad i raspravljali - o tim idejama na seminaru u Institutu Santa Fe u Novom Meksiku, meki za znanstvenike koji rade na "Složeni sustavi". Postavljalo se sljedeće pitanje: koliko je posebna (ili ne) znanstvena disciplina biologija?
Nije iznenađujuće da su mišljenja podijeljena. Ali jedna misao zvučala je vrlo jasno: ako iza bioloških čimbenika i teleologije stoji određena fizika, onda se mora baviti istim konceptom koji je, čini se, postao središnji u samoj temeljnoj fizici: informacija.
Nered i demoni
Prvi pokušaji uvođenja informacija i namjera u zakone termodinamike napravljeni su sredinom 19. stoljeća, kada je škotski znanstvenik James Clerk Maxwell izumio statističku mehaniku. Maxwell je pokazao kako se uvođenjem ova dva sastojka činilo da je moguće učiniti stvari koje je termodinamika proglasila nemogućim.
Do tada je Maxwell već pokazao kako se mogu predvidjeti i pouzdani matematički odnosi između svojstava plina - tlaka, volumena i temperature - iz nasumičnih i nerazumljivih pokreta bezbrojnih molekula koji se grozničavo sudaraju pod utjecajem toplinske energije. Drugim riječima, termodinamika - nova znanost o toplinskom protoku, koja uključuje ogromna svojstva materije poput tlaka i temperature - rezultat je statističke mehanike na mikroskopskoj razini molekula i atoma.
Prema termodinamici, sposobnost izdvajanja korisnog rada iz energetskih resursa svemira neprestano se smanjuje. Centri energije se smanjuju, ugrušci topline postepeno nestaju. U bilo kojem fizičkom procesu, dio energije se neminovno rasipa u obliku beskorisne topline, izgubljene među nasumičnim pokretima molekula. Ta se slučajnost mjeri termodinamičkom količinom zvanom entropija - mjera poremećaja - koja neprestano raste. Ovo je drugi zakon termodinamike. Na kraju će se cijeli Svemir svesti na jednoličnu neredovitu smjesu: stanje ravnoteže u kojem je entropija maksimalna i nikada se ništa značajno neće dogoditi.
Da li stvarno čekamo takvu tmurnu sudbinu? Maxwell nije želio vjerovati i 1867. godine znanstvenik si je postavio zadatak da, kako je rekao, "probije rupu" u drugom zakonu. Njegov je cilj bio uzeti spremnik s plinom u kojem se molekule kreću proizvoljno, a zatim brze molekule odvojiti od sporih, čime se smanjuje entropija.
Zamislite mikroskopsko biće - fizičar William Thomson kasnije bi ga nazvao, umjesto Maxwellove ljutnje, demona - sposobnog vidjeti svaku pojedinu molekulu u posudi. Demon dijeli posudu u dva odjeljka, a na pregradama se nalaze klizna vrata. Svaki put kad vidi kako se jedna brza molekula približava vratima iz desnog odjeljka, otvara vrata kako bi ih ušla u lijevo. I svaki put kad se s lijeve strane polaka, "hladna" molekula približi vratima, pušta je i na drugu stranu. Na kraju ima posudu s odjeljkom za hladni plin s desne strane i vrući plin s lijeve strane: akumulator topline koji se može koristiti za posao.
To je moguće samo pod dva uvjeta. Prvo, demon ima više informacija nego mi: on može vidjeti sve molekule pojedinačno, a ne samo statistički prosjeke. I drugo, ima namjeru: plan odvajanja vrućeg od hladnog. Koristeći svoje znanje u određene svrhe, može osporiti zakone termodinamike.
Barem se tako činilo. Trebalo je stotinu godina da shvatimo zašto Maxwell-ov demon ne može stvarno poništiti drugi zakon i spriječiti njegov neumoljivi pomak prema kobnoj općoj ravnoteži. Razlog za to je dokaz duboke povezanosti termodinamike i obrade informacija - ili drugim riječima, računanja. Njemački i američki fizičar Rolf Landauer pokazao je da čak i ako demon može prikupiti informacije i (izbjegavajući trenje) pomaknuti vrata bez ikakvog trošenja energije, prije ili kasnije još će se računati. Budući da njegovo pamćenje, u kojem se pohranjuju podaci o svakom pokretu molekula, ne može biti neograničeno, morat će ga s vremena na vrijeme očistiti - tj. Izbrisati ono što je već vidio i pokrenuti sve iznova - kako bi mogao nastaviti akumulirati energiju. Ovaj čin uklanjanja informacija dolazi s neizbježnim troškovima: rasipa energiju i samim tim povećava entropiju. Svi argumenti protiv drugog zakona, koje je ponudio pametni demon, prekriženi su "Landauerovom granicom": konačnim troškom brisanja podataka (ili općenitije pretvaranja podataka iz jednog oblika u drugi).
Živi organizmi su pomalo slični Maxwell-ovom demonu. Dok će čaša puna kemikalija koje međusobno reagiraju na kraju potrošiti svoju energiju i upasti u dosadnu stajaču i ravnotežu, živi sustavi kolektivno su iz tri životne poretke kolektivno izlazili iz beživotnog stanja ravnoteže oko tri i pol milijarde godina. Akumuliraju energiju iz okoliša za održavanje ovog stanja neravnoteže, i to rade s "namjerom". Čak se i jednostavne bakterije kreću s "ciljem": do izvora topline i hrane. U svojoj knjizi iz 1944. Što je život? fizičar Erwin Schrödinger izrazio je tu ideju rekavši da se živi organizmi hrane "negativnom entropijom".
Prema Schrödingeru, oni to postižu prikupljanjem i pohranjivanjem informacija. Neki od tih podataka kodirani su u njihovim genima i prenose se s generacije na generaciju: skup uputa za prikupljanje negativne entropije. Schrödinger nije znao gdje su informacije pohranjene ili kako se kodiraju, ali intuicija mu je nagovijestila da je to zabilježeno onim što je on definirao kao "aperiodni kristal", a ova je ideja poslužila kao inspiracija za Francis Crick, fizičara u njegovoj glavnoj specijalnosti i James Watson, koji je 1953. shvatio kako se genetske informacije mogu kodirati u molekularnu strukturu molekule DNA.
Dakle, genom je barem djelomično zapis korisnog znanja koji je omogućio da su preci organizma - već u dalekoj prošlosti - preživjeli na našem planetu. Prema Davidu Wolpertu, matematičaru i fizičaru iz Instituta Santa Fe koji je sponzorirao nedavnu radionicu, i njegovom kolegi Artemiyu Kolchinskyju, ključ je u tome što dobro prilagođeni organizmi uspostavljaju vezu s tim okruženjem. Ako je zajamčeno da će bakterija plivati lijevo ili desno kada postoji izvor hrane u tom smjeru, ona će se bolje prilagoditi i razvijat će se uspješnije od one koja pliva u proizvoljnim smjerovima i zato hranu pronalazi samo slučajno. Povezanost stanja organizma i stanja okoliša podrazumijeva razmjenu općih podataka. Volpert i Kolchinski tvrdeda upravo te informacije pomažu tijelu da izbjegne ravnotežu - jer, poput Maxwellovog demona, može prilagoditi svoje ponašanje tako da izvlači rad iz nesavršenosti okoline. Da nije dobio ove informacije, tijelo bi postupno dolazilo u stanje ravnoteže, odnosno u smrt.
S ove točke gledišta život se može promatrati kao računski proces koji ima za cilj optimizirati pohranu i korištenje značajnih informacija. I život je, kako se ispostavilo, u tome vrlo uspješan. Rješenje Landauera za Maxwell demonsku slagalicu postavilo je apsolutno donju granicu za količinu energije koja zahtijeva konačni računalni sustav memorije, naime trošak energije zaborava. Danas su najbolja računala neuporedivo rasipnija: oni obično troše i troše milijun puta više energije. Međutim, kako kaže Wolpert, "po najkonzervativnijim procjenama, termodinamička učinkovitost cjelokupnog računačkog procesa koji izvodi stanica je samo oko 10 puta veća od Landauerove granice".
Implikacija je da se "prirodni odabir izuzetno brine za minimiziranje termodinamičkih troškova računanja. Dat će sve od sebe da smanji ukupni broj računanja koja stanica mora obaviti. " Drugim riječima, čini se da biologija (s mogućom iznimkom nas samih) poduzima proaktivne korake kako bi se izbjeglo mučenje sa preživljavanjem. Ovo pitanje troškova i koristi izračuna vlastitog puta organizma u životu, kaže, do sada je uglavnom zanemareno u biologiji.
Neživi darvinizam
Tako se živi organizmi mogu promatrati kao predmeti koji se pomoću informacija prilagođavaju okolišu, apsorbiraju energiju i na taj način odstupaju od ravnoteže. Naravno, ovo je vrlo važna izjava. Ali primijetite da to ne govori ništa o genima i evoluciji, o kojima su mnogi biolozi, uključujući Mayer, pretpostavili da biološke namjere i ciljevi ovise.
Koliko nas takva ideja može odvesti? Geni polirani prirodnom selekcijom nesumnjivo su središnji u biologiji. Ali može li biti da je evolucija prirodnim odabirom samo poseban općenitiji slučaj s obzirom na funkciju i prividnu svrhu koja postoji u čisto fizičkom svemiru? Sve počinje izgledati ovako.
Prilagođavanje se dugo gledalo kao zaštitni znak darwinijske evolucije. U međuvremenu, Jeremy England s Tehnološkog instituta u Massachusettsu tvrdi da se prilagođavanje okolišu može dogoditi čak i u složenim neživim sustavima.
Prilagodba ovdje ima konkretnije značenje od uobičajenog darvinističkog viđenja da je organizam dobro opremljen sredstvima za preživljavanje. U darvinjskoj teoriji postoji jedan ulov: mi samo možemo unatrag definirati dobro prilagođeni organizam. "Najjači" su oni koji su bolje prilagođeni za preživljavanje i razmnožavanje, ali ne možemo predvidjeti što određeni fitnes zahtijeva. Kitovi i plankton dobro su prilagođeni morskom životu, ali na takav način da među njima gotovo ništa nije jasno.
Engleska definicija "prilagodbe" bliža je Schrödingerovoj i, zapravo, Maxwellu: dobro prilagođen objekt može učinkovito apsorbirati energiju iz nepredvidivog, promjenjivog okruženja - poput osobe koja je sposobna stajati na nogama tijekom prevrtanja broda, kad svi ostali padnu, jer bolje se prilagođava vibracijama palube. Koristeći koncepte i metode statističke mehanike u ne ravnotežnom okruženju, Engleska i kolege tvrde da su upravo ovi dobro prilagođeni sustavi koji apsorbiraju i raspršuju energiju okoliša, stvarajući entropiju u procesu.
Engleska kaže da složeni sustavi teže ulaze u ta dobro prilagođena stanja iznenađujuće lakoćom: "Termički vibrirajuća materija često se može spontano urušiti u oblike koji apsorbiraju rad iz vremenski različitog okruženja."
Ništa u ovom procesu ne uključuje postupno prilagođavanje okolišu kroz darvinjske mehanizme reprodukcije, mutacije i nasljeđivanja osobina. Uopće nema replikacije. "To jest, kad fizički zabilježimo podrijetlo nekih naoko prilagođenih struktura, vidimo da oni ne moraju imati roditelje u uobičajenom biološkom smislu - a ti nalazi se čine nevjerojatno uzbudljivim", kaže Engleska. "Evolucijsko prilagođavanje može se objasniti termodinamikom, čak i u onim znatiželjnim slučajevima kada nema samoprepisivača i Darwinova se logika raspada." Ako je, naravno, dotični sustav složen, fleksibilan i dovoljno osjetljiv da reagira na promjene u okolini.
Međutim, ne postoji sukob između fizičke i darvinističke prilagodbe. U stvari, potonji se može smatrati posebnim slučajem prvog. Ako je prisutna replikacija, tada prirodna selekcija postaje put kojim sustavi stječu sposobnost apsorbiranja rada - negativne Schrödingerove entropije - iz okoliša. Mehanizam samoreprodukcije, u stvari, posebno je dobar za stabiliziranje složenih sustava, te stoga ne čudi što upravo to biologija koristi. Ali u neživom svijetu, gdje se obično ne događa replikacija, dobro prilagođene disipativne strukture imaju tendenciju da su visoko organizirane strukture, poput valovitih slojeva pijeska i dina koje kristaliziraju iz povremenog plesa pijeska i vjetra. S ove točke gledišta,Darwinovska evolucija može se promatrati kao konkretan primjer općenitijeg fizičkog principa koji upravlja neravnotežnim sustavima.
Mehanizmi predviđanja
To razumijevanje složenih struktura koje se prilagođavaju promjenjivom okruženju omogućuje nam i donijeti zaključke o tome kako te strukture pohranjuju informacije. Ukratko, budući da su takve strukture - žive ili ne - prisiljene učinkovito koristiti raspoloživu energiju, one će najvjerovatnije postati „mehanizmi predviđanja“.
Činjenica da biološki sustavi mijenjaju svoje stanje kao odgovor na neku vrstu kontrolnog signala iz vanjskog okruženja možda je glavna karakteristika života. Nešto se dogodi - odgovorite na to. Biljke se privlače na svjetlost ili stvaraju toksine reakcijom na patogene. Ti su okolišni signali obično nepredvidivi, ali živi sustavi uče iz vlastitog iskustva, prikupljajući informacije o svom okolišu i koristeći ih za oblikovanje svog ponašanja u budućnosti. (Geni, prema ovom pogledu, daju vam najosnovnije elemente opće namjene koji vam trebaju.)
Istina, ova prognoza nije nešto pomoćno. Prema studiji Susanne Still sa Sveučilišta na Havajima, Gavina Crooksa, bivšeg zaposlenika Nacionalnog laboratorija Lawrencea Berkeleyja u Kaliforniji, i njihovih kolega, čini se da je sposobnost predviđanja budućnosti presudna za bilo koji energetski učinkovit sustav nasumično promjenjivo okruženje.
Ipak i njezini kolege pokazuju da pohranjivanje podataka o prošlosti koji nisu vrijedni za predviđanje budućnosti dolazi s termodinamičkim troškovima. Da bi bio što učinkovitiji, sustav mora biti selektivan. Ako sve neselektivno zapamti, pretrpjet će velike gubitke energije. S druge strane, ako joj uopće ne budu pokušali pohraniti barem neke podatke o svom okruženju, morat će se cijelo vrijeme truditi kako bi se nosila s neočekivanim. "Termodinamički optimalan mehanizam trebao bi uravnotežiti pamćenje i predviđanje smanjujući nostalgiju - beskorisne informacije o prošlosti", kaže koautor David Sivak, trenutno na Sveučilištu Simon Fraser u Barnabyju, Britanska Kolumbija. Ukratko,mora naučiti skupljati značajne informacije - one koje su najvjerojatnije korisne za budući opstanak.
Moglo bi se očekivati da prirodna selekcija favorizira energetski učinkovite organizme. Ali čak i pojedinačni biomolekularni uređaji, poput pumpi i motora u našim stanicama, moraju nekako učiti iz prošlosti na važne načine kako bi predvidjeli budućnost. Ipak, rekao je da ovi uređaji moraju postići „implicitnu konstrukciju bogatog razumijevanja pojava s kojima su se susretali do tada, što bi im omogućilo predviđanje budućih događaja“.
Termodinamika smrti
Čak i ako su neke od ovih osnovnih značajki obrade informacija živim sustavima, u nedostatku evolucije ili replikacije, već rezultat neravnotežne termodinamike, može se pretpostaviti da evolucija mora pružiti složenije značajke - recimo, korištenje alata ili društvenu suradnju.
Ali ni na to ne biste trebali računati. Ova ponašanja, koja se obično smatraju isključivom domenom visoko razvijene evolucijske niše koja uključuje primate i ptice, mogu se simulirati pomoću jednostavnog modela interaktivnih čestica. Trik je u tome što sustavom upravlja ograničenje: djeluje na takav način da maksimizira količinu entropije (u ovom se slučaju određuje uzimajući u obzir različite moguće staze kojima bi čestice mogle proći) koje stvara tijekom određenog vremenskog razdoblja.
Maksimizacija entropije dugo se smatra značajkom neravnotežnih sustava. Ali sustav u ovom modelu pokorava se pravilu koje mu omogućuje da gurne entropiju do ograničenja kroz određeno vremensko razdoblje koje se proteže u budućnost. Drugim riječima, ona je u stanju predvidjeti. U osnovi, model uzima u obzir sve moguće staze čestica i prisiljava ih da slijede put koji proizvodi najviše entropije. Grubo govoreći, ovo je vrsta puta koja drži otvorenim najveći broj mogućnosti za kretanje čestica u budućnosti.
Može se reći da sustav čestica ima svojevrsnu želju za održavanjem slobode djelovanja i u budućnosti te da ta želja u svakom trenutku usmjeruje njegovo ponašanje. Istraživači koji su razvili ovaj model - Alexander Wissner-Gross sa Sveučilišta Harvard i Cameron Freer, matematičar sa Massachusetts Institute of Technology - nazivaju ga "uzročno entropskom silom". U računalnim simulacijama konfiguracija čestica u obliku diska koje se kreću u krugovima pod određenim uvjetima, ova sila proizvodi rezultate koji jezivo sugeriraju inteligenciju.
U jednom slučaju, veliki disk uspio je "upotrijebiti" mali disk za uklanjanje drugog malog diska iz uske cijevi - postupak sličan korištenju alata. Oslobađanjem diska povećala se entropija sustava. U drugom primjeru, dva diska u zasebnim ležištima sinkronizirali su svoje ponašanje kako bi spustili veći disk dolje tako da mogu komunicirati s njim, stvarajući izgled društvene suradnje.
Naravno, ovi jednostavni interaktivni agensi dobivaju unosan pogled u budućnost. Život, u pravilu, nema. Kakve to onda veze ima s biologijom? Odgovor nije jasan, iako Wissner-Gross kaže da trenutno radi na stvaranju "praktičnog, biološki uvjerljivog mehanizma uzročno-entropskih sila". Istovremeno, vjeruje da takav pristup pruža dodatne, korisne u praksi mogućnosti, nudeći brz pristup umjetnoj inteligenciji. "Prema mojim predviđanjima, kraći put ka njegovom postizanju je prvo otkriti takvo ponašanje, a zatim raditi u suprotnom smjeru, polazeći od fizičkih principa i ograničenja, umjesto da radim na osnovi specifičnih metoda proračuna ili predviđanja." on tvrdi. Drugim riječima, prvo pronađite sustav,tko radi ono što vi želite od nje i onda shvatite kako to radi.
Starenje se također tradicionalno gleda kao evolucijska osobina. Organizmi imaju životni vijek koji stvara mogućnosti za razmnožavanje, a istovremeno, kako kažu, izgledi za opstanak potomstva ne ometaju roditelje koji se previše približavaju u blizini i natječu se za resurse. Čini se da je to točno, ali Hildegard Meyer-Ortmanns, fizičarka sa sveučilišta Jacobs u Bremenu, Njemačka, vjeruje da je, u konačnici, starenje fizički, a ne biološki proces kojim upravlja termodinamika informacija.
Naravno, problem nije samo u trošenju. "Veliki dio mekog materijala od kojeg smo napravljeni obnavlja se prije nego što ostari", kaže Meyer-Ortmanns. Ali taj postupak obnove nije savršen. Termodinamika kopiranja podataka zahtijeva da postoji ravnoteža između preciznosti i energije. Tijelo ima ograničene resurse energije, pa će se s vremenom greške sigurno nakupiti. Tada je tijelo prisiljeno trošiti više i više energije kako bi ispravilo ove pogreške. Procesom obnove proizvedu se previše oštećene kopije da bi pravilno funkcionirale, nakon čega slijedi smrt.
Čini se da empirijski dokazi to potvrđuju. Odavno je poznato da će se kultivirane ljudske stanice vjerojatno reproducirati ne više od 40-60 puta (tzv. Hayflick-ova granica) prije nego što se taj proces zaustavi i započne starenje. I nedavne studije o očekivanom trajanju života ljudi sugeriraju da postoji osnovni razlog za činjenicu da većina ljudi ne može preživjeti stoljeće.
Prirodna je posljedica da ovaj prividni nagon za energetski učinkovitim organiziranim sustavima predviđanja nastaje u fluidnom, ne ravnotežnom okruženju. Mi smo takvi sustavi, kao i svi naši preci, sve do prve primitivne ćelije. I čini se da neravnotežna termodinamika govori da se upravo u tim okolnostima radi ono što je važno. Drugim riječima, pojava života na planeti poput planete Zemlje u ranoj fazi postojanja, s mnogim njenim izvorima energije, poput sunčeve svjetlosti i vulkanske aktivnosti, koji i dalje održavaju neravnotežu, počinje više izgledati kao malo vjerovatno, kao što mnogi znanstvenici vjeruju, ali praktički neizbježan. 2006. su se svađali Eric Smith i pokojni Harold Morowitz iz Instituta Santa Feda termodinamika nebalansiranih sustava čini pojavu organiziranih složenih sustava mnogo vjerojatnijom u prebiotskim uvjetima na Zemlji, daleko od ravnoteže nego što bi bilo da su izvorni kemijski sastojci samo sjedili i tiho kuhali u "malom toplom jezercu" (riječima Charlesa Darwina) …
Desetljeće nakon što je najava prvi put objavljena, istraživači su dodali više detalja i dublji uvid u fenomen. Kvalitete koje je Ernst Mayr smatrao temeljnim za biologiju - značenje i namjera - mogu nastati kao prirodna posljedica statistike i termodinamike. A ta opća svojstva mogu zauzvrat prirodno dovesti do neke prividnosti života.
Istodobno, astronomi nam pokazuju koliko se svjetova vrti oko drugih zvijezda u našoj Galaksiji: prema nekim procjenama, oni se nalaze u milijardama. Mnogi od njih su daleko od ravnoteže, a barem su neki slični Zemlji. I tamo se, naravno, primjenjuju ista pravila.
Philip Ball