Når du treffer en grense, lær å spørre forskjellige spørsmål

Når du treffer en grense, lær å spørre forskjellige spørsmål

Snakk med videregående studenter som forbereder sine vitenskapelige eksamener, og du vil nok høre to ting: at de er redd for fysikk, og relativt komfortabel med biologi. Merkelig er dette i strid med syn på de fleste forskere.

Snakk med videregående studenter som forbereder sine vitenskapelige eksamener, og du vil nok høre to ting: at de er redd for fysikk, og relativt komfortabel med biologi. Merkelig er dette i strid med syn på de fleste forskere. Den vitenskapelige seitgeist er at fysikk er lett. Dens enkelhet kommer fra en evne til å skape krystallinske teorier som er kraftig forutsigbare, for alt fra eksistensen av subatomære partikler til hvordan lyset bøyer seg rundt stjerner. Biologi, derimot, er mye vanskeligere å destillere seg i elegante teoremer og matematiske ligninger. Av denne grunn har noen fremtredende tenkere argumentert at celler og skoger er vanskeligere å forstå enn fjernt og vanskelig å observere svarte hull.

Men kanskje er det ikke noe som en lett eller hard disiplin. Kanskje det er bare enkle og harde spørsmål. Kun biologi synes så vanskelig fordi det har blitt definert av et sett med svært vanskelige spørsmål. Kun fysikk synes lett fordi århundrer med innsats av dypt innsiktige tenkere har produsert et sett med ansvarlige spørsmål.

Hva gjør biologi så utfordrende, ironisk nok, er vår nærhet til det. Spør deg selv: hvem er "lettere" å forstå - en romantisk forelskelse eller en arbeidskollega? Vår intimitet med biologi - i tillegg til psykologi og samfunnsvitenskap - har ført oss til å forhøre disse fenomenene med dyp kunnskap allerede i hånden. Vi stiller svært detaljerte spørsmål, og vi er overrasket over de tilsynelatende mystiske eller motstridende svarene.

På en tur gjennom skogen kan vi observere de uvanlige formene av løvet på et lønnetre. Det kan føre oss til å lure på hvorfor bladene har lobes, hvorfor de blir røde på høsten, hvilke insekter lever i bladet søppel, og hvordan de nedbrytes og mate jorden. Disse spørsmålene er villedende komplekse, til tross for naturen som vi ber dem om. Derimot er det kaldt store vakuumet av rom og den uutslettelige lille kvarken så fremmed for oss at vi er stolte - i hvert fall i utgangspunktet - å si de enkleste ting om disse enhetene, selv for bare å vise at de eksisterer.

Intimitet har noen ganger redusert vår forståelse i fysikk også. Spørsmålet om hvordan planeter flytter er en av menneskets eldste obsessions, og går gjennom mange forskjellige mytologier. Likevel, takket være vår artes selvabsorpsjon, plasserte den langvarige teorien om epicycles feilaktig jorda i sentrum av universet - en feil som vedvarte i rundt 2,000 år. Når spørsmålet ble abstrahert til saker av kraft, masse og tyngdekraft i newtonsk fysikk, ble planetarisk bevegelse mye lettere å forutsi og forstå.

Det er fortsatt mange harde spørsmål for fysikere å pusse over. Hvis fysikken fastslår sitt rykte på å forutse neste sollys som kan forstyrre telekommunikasjon på jorden, vil det bli sett på som en mye mer komplisert og vanskelig disiplin. Hvorfor? Fordi modellering av de mange mekanismene som produserer dynamikken til solens overflate - er alle involverte gravitasjons-, elektromagnetiske, termiske og nukleare prosesser involvert - voldsomt vanskelig. Når det gjelder planetarisk bevegelse, kan vi få et godt nok bilde av en planets bane ved å erkjenne at massen av vår Sun gjør det mulig for oss å ignorere påvirkning fra andre himmellegemer. Men hvis vi virkelig ønsket å delta på disse detaljene, vil vi snart finne ut at vi ikke nøyaktig kan forutsi bevegelsen av tre likestrømsmasser. På samme måte lærte vi med kaosteori at vi bare kan lage grove gjetninger om den spesifikke posisjonen til to pendler hvis bevegelse er koblet sammen. Vi kan imidlertid ikke si med sikkerhet hvor enten pendelen noen gang vil være.

Pkanskje de spørsmålene vi har krevd av biologi, er bare for harde. Hvordan redder vi et individuelt menneskeliv? Hvorfor er denne bluejay litt mørkere enn den andre? Men bare fordi vi krever mer fra biologi, betyr det ikke at vi ikke kan stille litt enklere spørsmål. Faktisk kan å tegne på "enkel" fysikk hjelpe oss å finne ut hvordan finne disse spørsmålene. Fysikere er spesielt gode på å lete etter omfattende, store fenomener som gjelder over flere systemer, og det er sannsynligvis resultatet av enkle, delte mekanismer.

Ta ideen om biologisk skalering. Dette konseptet stammer fra tidlige observasjoner at et pattedyrs metabolske hastighet avhenger forutsigbart og ikke-lineær på kroppsstørrelse via a kraft lov. En kraftlov er et matematisk forhold som forteller oss hvor mye en funksjon endres ettersom størrelsen på systemet øker med størrelsesordener (det vil si ved multipler av et bestemt antall, vanligvis 10). Så når en skapnings kroppsmasse øker med 1,000-fold, forutsetter prinsippene for biologisk skalering nøyaktig at dens metabolske hastighet vil øke 100-fold.

Men hvordan kan samme matematikk gjelde for noe så enkelt som gravitasjonsspillet mellom to objekter og den rotete prosessen med spesiallisering på tvers av ulike habitater? I fysikk peker kraftlover på delte mekanismer og symmetrier som opererer på tvers av alle skalaer. I biologi, vår egen forskning - i tillegg til Det av Geoffrey B West, James H Brown og Brian J Enquist - viser at den grunnleggende mekanismen på jobb er strukturen og strømmen av vaskulære nettverk. Det viser seg at blodkar har en tendens til å effektivt spenne kroppen og levere ressurser til alle skapnings celler mens de reduserer belastningen på hjertet. Denne enkle innsikt har gitt en voksende rekke vellykkede teorier som bruker ideen om en optimalisert biologisk struktur for å forutsi fenomener som fordeling av trær i en skog, hvor lenge vi trenger sove, vekstraten av a svulst, den største og minste størrelser av bakterierog det høyest mulige treet i ethvert miljø.

Men biologi kan også gi opphav til sine egne unike spørsmål. For eksempel, som våre kolleger Jessica Flack og David Krakauer på Santa Fe-instituttet har vist at informasjons- og beslutningsprosessene til agenter (som primater, neuroner og slimformer) fører til unike typer tilbakemelding, tilpasningsevne og årsak som avviger fra rent fysiske systemer. Det gjenstår å se om de ekstra kompleksitetene i biologiske systemer kan forklares ved å utvide på fysikk-inspirerte perspektiver som informasjonsteori. Det kan være at studiet av biologi og komplekse systemer generelt vil utvikle seg en dag til uovervåkelig vanskelige spørsmål - eller at en strålende omarbeiding av spørsmålene vil føre til eliminering av dagens utfordringer. Dette kan vise en vei til enklere svar, som Charles Darwin gjorde ved å reformere spørsmål om livets opprinnelse og mangfold i form av naturlig utvalg og variasjon.

når du treffer en grense, lær å stille forskjellige spørsmål: Systemets kompleksitet målt langs to akser
Systemets kompleksitet målt langs to akser: 1) detalj og presisjon som kreves av den vitenskapelige beskrivelsen; 2) Antall mekanismer blir kombinert i et bestemt fenomen. De vanskeligste fagene spør detaljert spørsmål om systemer som består av mange mekanismer.

I sin Artikkel "Mer er annerledes" (1972), uthevet fysikeren Philip Anderson farene ved å forsøke å redusere alt til det mest mikroskopiske nivået. Han fokuserte i stedet på hopp i kompleksitet som forekommer i ulike skalaer av naturlige fenomener - for eksempel å flytte fra kvantemekanikk til kjemi. Men leserne overser ofte sitt argument om at effektive teorier skal hvile på byggeklosser som forklarer de underliggende mekanismene til et system - selv om disse byggeblokkene er relativt store eller mellomstore enheter.

På grunn av dette sistnevnte perspektiv er vårt argument at vi vet ikke hvis sorte hull er enklere enn skoger. Vi kan ikke vet, til vi har en generell effektiv teori som forklarer eksistensen av skoger eller til vi kan observere den mest detaljerte dynamikken i svarthulls sammenbrudd og fordampning. En erklæring om relativ kompleksitet kan ikke gjøres uten grundig å definere typen spørsmål vi ber om hvert system. Det er sannsynligvis visse typer henvendelser der vår kunnskap vil ramme en hard kant, men oftere handler det om spørsmål vi stiller enn om systemene selv.

Så fysikk kan vær hard og biologi kan være lett. Vanskelighetsgraden avhenger mer av hvilke spørsmål som blir spurt enn på feltet.

I komplekssystemvitenskap blir det ofte gjort store fremskritt i grensesnittet mellom disse to perspektiver. En vei fremover er å løse de enkle spørsmålene først, og bruk deretter våre svar til å prøve å finne prinsipper som er nyttige når det gjelder mer detaljerte spørsmål og teorier. Det er mulig at ved å starte med de enkle spørsmålene, kan vi sakte 'bygge opp' til de harde.

Eller, i motsatt retning, kan vi observere den merkelige likheten av fenomener på tvers av fagområder for å søke etter helt nye mekanismer og prinsipper. Dette vil noen ganger kreve et mindre detaljert og mer abstrakt perspektiv - hva vår kollega John Miller, som citerer Nobelprisvinners fysiker Murray Gell-Mann, diskuterer i sin bok En rå titt på helheten (2016). Disse urene utseende - tvunget av fysikkens avstand, og skjult av biologiens intimitet - burde gi mange mer dype innsikt og forenklinger i vitenskapen i årene som kommer.

Om forfatteren

Chris Kempes er professor ved Santa Fe Institute, som arbeider i krysset mellom fysikk, biologi og jordvitenskap.

Van Savage er professor i økologi, evolusjonær biologi og biomatematikk ved University of California, Los Angeles.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Aeon og har blitt publisert under Creative Commons. Publisert i tilknytning til Santa Fe Institute, en Aeon Strategic Partner.Aeon counter - ikke fjern

Relaterte bøker

{amazonWS: searchindex = Bøker; søkeord = problemløsende innovasjoner; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}