Miller Experiments and a Decay Experiment with Lego(TM) Bricks

Miller-Experimente und ein Zerfalls-Experiment mit Lego(TM)-Steinen

Ingo Althöfer; updated on June 15, 2013


First of all a clarification: "LEGO" is a trademark of LEGO Juris A/S in Billund, Denmark. This website is neither sponsored nor authorized nor supported by LEGO Juris. I got my first Lego bricks back in 1965 when I was four years old. I still love these wonderful and stimulating toys.
Gleich zu Beginn eine Klarstellung: "LEGO" ist eine Marke von LEGO Juris A/S in Billund, Däemark. Diese Webseite ist weder gesponsert noch autorisiert noch von LEGO Juris unterstützt. Meinen ersten Legokasten bekam ich als Vierjähriger im verregneten Sommerurlaub 1965. Ich liebe dieses wunderbare und stimulierende Spielzeug immer noch.

In May 2013, I fiddled around with LEGO bricks. I took 96 bricks of size 4x1, 100 bricks of size 2x1, and put them in a plastic box - 196 disconnected pieces altogether.
Im Mai 2013 probierte ich mal wieder etwas mit LEGO-Steinen aus. Ich nahm 96 Steine vom Typ 4x1, 100 Steine vom Typ 2x1, und schüttete sie zusammen in eine Plastik-Schachtel - insgesamt 196 nicht verbundene Steine.




With my hands, I stirred the content for 60 seconds. After this, some of the bricks had become wedged together randomly! I felt like an observer of the famous Miller experiment which had been testing for the occurrence of chemical origins of life.
Mit meinen Händen rührte ich den Inhalt 60 Sekunden lang um. Danach hatten sich einige der Steine zufällig zu kleinen Komplexen zusammengeklemmt! Ich fühlte mich wie ein Beobachter des berühmten Experiments von Stanley Miller(1953), zu den chemischen Ursprüngen des irdischen Lebens.

Immediately I made some more runs: disintegrating the bricks, putting them in the plastic box, stirring with both my hands for 60 seconds, identifying "complexes".
Sofort machte ich weitere Läufe: Steine wieder auseinander nehmen, zurück in die Plastik-Schachtel, 60 Sekunden mit den Händen umrühren, neue Komplexe identifizieren.




At this point my wife complained about the noise. So, I took the equipment and moved from our living room to the bed room. Therefore the "new" color of the carpet.
An dem Punkt beschwerte sich meine Frau über den Rührlärm. So nahm ich den ganzen Kram und zog vom Wohnzimmer ins Schlafzimmer um. Deshalb die "neue" Farbe des Teppichs.





Lego bricks have different degrees of "Klemmkraft". (In the international Lego builder scene also this German term is used. A proper translation to English is "clutch power".) In particular, in average the lower side of a 1x2-brick has more "local" Klemmkraft than the lower side of a 1x4-brick. Therefore, it is not a surprise that in the examples with 1x4 and 1x2-pieces 1x4-bricks are more often wedged from below. (Klemmkraft seems to be most decisive at the bottleneck moment when two bricks are wedged. Once they have formed a complex they will typically stay in this configuration for a long time.)
Lego-Steine haben verschiedene Grade von "Klemmkraft". (Auch in der internationalen Lego-Bau-Szene wird dieser Ausdruck aus dem Deutschen benutzt.) Insbesondere hat im Durchschnitt die untere Seite eines 1x2-Steins mehr "lokale" Klemmkraft als die untere Seite eines 1x4-Steins. Deshalb ist es auch keine Überraschung, dass in den Beispielen mit 1x2- und 1x4-Steinen 1x4-Steine öfter mit ihrer unteren Seite angeklemmt sind. (Die Überwindung der Klemmkraft im Moment der Komplex-Bildung scheint der Flaschenhals zu sein. Bilden die Steine erst einmal einen Komplex, gehen sie nicht so leicht wieder auseinander.)




When stirring the bricks I held my hands like this to maximise the contact surface.
Beim Rühren der Steine habe ich meine Hände wie im Bild gehalten, um eine möglichst grosse Kontaktfläche zu haben.

Then I executed a few more runs without the hands: disintegrating the bricks, putting them in the plastic box, closing the box with a plastic cover, shaking for 60 seconds, opening the box, identifying complexes. The main finding: There were still a few nontrivial complexes, but far less than in the hand-driven runs.
Dann habe ich auch ein paar Durchgänge ohne die Hände gemacht: Steine auseinander nehmen, Steine wieder in die Plastik-Schachtel, Schachtel mit dem Plastikdeckel schliessen, 60 Sekunden lang schütteln, Box öffnen, Komplexe identifizieren. Haupterkenntnis: Es gab auch hier einige nichttriviale Komplexe, aber deutlich weniger als bei den handgerührten Serien.





A third run without hands resulted in no complexes at all.
Ein dritter Lauf ganz ohne Rührhände ergab überhaupt keine Komplexe.



Not successful was a run with many 1x2 bricks in a narrow Ouzo bottle. After a long and heavy shaking session not a single nontrivial complex had built.
Nicht erfolgreich war ein Versuch mit vielen 1x2-Steinen in einer engen Ouzo-Flasche. Trotz intensiven Schüttelns hatte sich kein einziger nichttrivialer Komplex gebildet.


Why did I execute the Lego-Miller Experiment?

Wie kam ich dazu, diese Lego-Miller-Experimente zu machen?



It was by chance. I had done some testing with Lego bricks in water. It turned out that it was not trivial to dry them afterwards: I shook them in a towel and placed them in the afternoon sun for half an hour. But still, there were little water drops left inside of the bricks. To accelerate their evaporation I put the bricks in the box and did the stirring. Then my eyes fell on the complexes.
Es war Zufall. Ich hatte etwas mit Lego-Steinen unter Wasser probiert. Danach stellte sich heraus, dass das Trocknen der Steine eine nichttriviale Aufgabe ist. Ich schüttelte sie in einem Handtuch und legte sie für eine halbe Stunde in die Nachmittags-Sonne. Aber auch dann waren immer noch kleine Wassertropfen in den Hohlräumen. Um ihr Verdunsten zu beschleunigen, steckte ich die Steine in die Schachtel und rührte um. Dann glaubte ich nicht recht zu gucken, als meine Äuglein die Komplexe sahen.

Only in the evening, a web search taught me that Stanley Miller's article was published in "Science" on May 15, 1953 (Volume 117 (3046), p. 528–529). So, I had missed the 60th anniversary by only four days!
Erst später am Abend zeigte eine Websuche, dass Stanley Millers Artikel am 15. Mai 1953 in "Science" erschienen war (Band 117 (3046), S. 528–529). Ich hatte also den 60. Jahrestag nur um vier Tage verpasst!


An old Washing Powder Barrel with mixed Lego Bricks

Eine alte Ariel-Tonne mit gemischtem Lego-Inhalt



This time I took a barrel full with old Lego bricks, from the 1960's and the early 1970's.
Dieses Mal nahm ich eine alte Ariel-Tonne, voll mit Lego-Steinen aus den 1960er und frühen 1970er Jahren.


One more photo: barrel and to the right the disconnected bricks. You see many white plates of sizes 2x8, 4x8, 6x8.
Noch ein Bild: die Tonne und rechts daneben die nicht verbundenen Steine. Man erkennt viele weisse Platten in den Grössen 2x8, 4x8, 6x8.

Now I did the following. With my hands I stirred in the barrel, then took the upmost two handfulls of bricks (randomly) out and sorted them by single bricks and complexes. Then again: stirring, upmost bricks out, sorting ..., until the barrel was completely empty. Finally taking a photo of all complexes and maybe more detail photos of selected complexes. Then I dissolved all complexes and put the bricks back into the barrel. Altogether, such a run took about five minutes.
Jetzt machte ich das Folgende. Mit meinen Händen rührte ich in der Tonne um, nahm dann die obersten zwei Handvoll von Steinen (zufällig) heraus und sortierte sie nach Einzelsteinen und Komplexen. Und im gleichen Zyklus weiter: Rühren, oberste Steine heraus, Sortieren, ..., bis schliesslich die Tonne komplett leer war. Am Ende ein Foto aller gefundenen Komplexe und eventuell weitere Detail-Fotos von ausgewählten Komplexen. Danach Lösen aller Teile und Zurückfüllen in die Tonne. So ein Durchgang dauerte insgesamt etwa fünf Minuten.



From Run 1 - vom ersten Durchgang.



From Run 2 - vom zweiten Durchgang.



From Run 4. The complex within the white frame consists of three parts: One tiny 1x1-plate in blue is on the other side of the white plate.
Vom vierten Durchgang. Der eingerahmte Komplex besteht aus drei Teilen: ein kleines 1x1-Plättchen sitzt auf der Unterseite der weissen Platte.

Runs 3 and 5 were different. There was no stirring. I simply filled all the bricks from the carpet into the barrel with both hands and then looked which complexes had resulted from this innocent action.
Die Läufe 3 und 5 waren anders, ganz ohne Umrühren. Ich füllte einfach alle Lego-Steine mit beiden Händen vom Teppich in die Tonne. Dann schaute ich, welche Komplexe sich bei dieser unschuldigen Aktion gebildet hatten.


All complexes after Run 3 - alle Komplexe nach Lauf 3.



After Run 5 - nach Lauf 5.



With a set of 38 + 48 "fat" bricks (of sizes 2x4 and 2x2) I made a series of 13 successive rounds. Each round consisted of three steps: 60 seconds of stirring, identification of the complexes, return of all complexes (without disintegration!) and all single bricks into the box.
Mit 38 plus 48 "fetten" Steinen (Grössen 2x4 und 2x2) machte ich eine Serie von 13 aufeinander folgenden Runden. Jede Runde hatte den gleichen dreiteiligen Aufbau: 60 Sekunden Rühren, Komplexe identifizieren, alle Komplexe (ohne Auseinandernehmen!) und Einzelsteine zurück in die Schachtel.


The set of 38 + 48 fat bricks. Here come pictures of all nontrivial complexes after each round, together with a comment from time to time. Unstable configurations are marked by a white frame.
Die ganzen 38 + 48 Steine vor dem Start. Es folgen jetzt Fotos von allen nichttrivialen Komplexen nach jeder Runde, manchmal mit einem Kommentar versehen. Unstabile Konfigurationen sind weiss eingerahmt.


After round 1. Several rounds later you may realize which complex I call "Coelacanth".
Nach Runde 1. Etliche Runden später mag klar werden, welchen der Komplexe ich als "Quastenflosser" bezeichnet habe.


After round 2. The yellow greyhound in the lower center is rather unstable, too.
Nach Runde 2. Der gelbe Windhund unten in der Mitte ist auch ziemlich unstabil.


After round 3.


After round 4.


After round 5.


After round 6.


After round 7.


After round 8. Do you like the duck in the lower left corner? Watch out for it in the next generation.
Nach Runde 8. Gefällt Ihnen die Ente links unten in der Ecke? Schauen Sie, was in der nächsten Generation mit ihr passiert.


After round 9. The duck has been slaughtered. Sorry.
Nach Runde 9. Die Ente ward geschlachtet. Tja, Pech gehabt.


After round 10.


After round 11.


After round 12. I like the 3d-worm below the Coelacanth.
Nach Runde 12. Mir gefällt der 3-dimensionale Wurm unter dem Quastenflosser.


After round 13. Here my series ended. People with much time and enough Lego bricks may set up the current position and prolong the sequence with their own stirring.
Nach Runde 13. Hier endet meine Serie. Leute mit viel Zeit und genug Lego-Steinen mögen die aktuelle Situation bauen und von da an die Folge mit ihrem eigenen Rühren fortsetzen.

From the viewpoint of mathematics, the process is a time-discrete Markov Chain and has a limiting distribution. The second law of thermodynamics can be applied as long the situation is still far away from balance. In all 13 generations the portion of nontrivial complexes is increasing.
Mathematisch betrachtet ist der Prozess eine zeitdiskrete Markowkette mit existierender Limes-Verteilung. Der zweite thermodynamische Hauptsatz kann angewendet werden, solange die Situation noch weit vom Gleichgewicht weg ist. In allen 13 Generationen meiner Serie war die Zahl der nichttrivialen Komplexe ansteigend.


Lego-compatible Bricks from other Producers

Lego-kompatible Steine anderer Produzenten

There are some other companies who produce plastic bricks which are compatible with Lego. I made also some experiments with them, even in mixed settings where bricks from several companies were put in the same pot. The main finding: Bricks from different producers may be compatible, but they have different degrees of "Klemmkraft". For instance, when mixing Lego bricks with others which have more Klemmkraft then typically complexes result, where a Lego brick sits on top of the other brick.
Es gibt andere Produzenten von Plastik-Steinen, die mit Lego kompatibel sind. Ich habe auch mit ihnen einige Experimente gemacht, auch in Mischserien, wo Steine verschiedener Anbieter zusammen im gleichen Topf waren. Haupterkenntnis: Steine verschiedener Anbieter mögen kompatibel sein, aber sie haben verschieden viel Klemmkraft. Zum Beispiel hatte ich einmal Lego mit einem anderen Typ gemischt, der mehr Klemmkraft hatte. Das führte typischerweise zu Komplexen, bei denen ein Lego-Stein auf einem anderen Stein sass.



Decay Processes with Lego Bricks

Zerfalls-Prozesse mit Lego-Steinen


It is also possible to simulate decay processes with Lego bricks. You start with some brick complexes, put them in a closed pot and shake the pot for a certain time. Then you look into the pot. Typically some of the complexes are broken. In rare cases also new complexes might have been built, but this did not happen in my (few) decay experiments. Here are some pictures of a run where each complex was built from one 1x4-brick in green and another 1x4-brick in black, wedged together at only one pin.
Man kann mit Lego-Steinen auch Zerfallsprozesse simulieren. Dazu beginnt man mit Komplexen, wirft sie in einen geschlossenen Topf und schüttelt diesen eine gewisse Zeit lang. Typischerweise gehen dabei einige der Komplexe zu Bruch. In seltenen Fällen können sich natürlich auch neue Komplexe bilden, aber das passierte nicht in meinen (wenigen) Zerfalls-Experimenten. Hier sind ein paar Bilder der Läufe, bei denen jeder Komplex aus einem grünen und einem schwarzen 1x4-Stein bestand, die nur an einer Stelle aufeinander steckten.


The complexes with green brick in top.
Die Komplexe, bei denen Grün oben ist.


The complexes with black brick in top.
Die Komplexe mit Schwarz oben.


The result after one minute of modest shaking in a rather narrow pot. Four complexes have been broken.
Das Ergebnis nach einer Minute Schüttelns ohne allzu viel Druck, in einem ziemlich engen Topf. Vier Komplexe sind kaputt gegangen.

Unfortunately, my small number of Lego bricks (in the range of 10^2 instead of 10^20) does not allow to determine "smooth" half-times for decay processes. (The smoothness or non-smoothness of half-time rates may be used to get estimates for the number of complexes involved.)
Leider reicht meine kleine Zahl von Lego-Steinen (nur etwa 10-hoch-2 statt 10-hoch-20) nicht aus, um glatte Halbwerts-Zeiten der Zerfalls-Prozesse zu bestimmen. (Die Glattheit oder Nichtglattheit von Halbwerts-Zeiten könnte man auch benutzen, um die Anzahl der involvierten Komplexe abzuschätzen - wenn man sie nicht sowieso schon kennt.)



More content to be added. Also proposals and contributions by readers are welcome.
Nach und nach wird hier weiteres Material eingehängt. Auch Vorschläge und Beiträge von Lesern sind willkommen.



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