När du träffar en gräns, lär du att fråga olika frågor

När du träffar en gräns, lär du att fråga olika frågor

Prata med gymnasieelever förbereda sina vetenskapliga tentor, och du kommer noga att höra två saker: att de är rädda för fysik, och relativt bekväm med biologi. Det är märkligt att detta strider mot de flesta forskares uppfattning.

Prata med gymnasieelever förbereda sina vetenskapliga tentor, och du kommer noga att höra två saker: att de är rädda för fysik, och relativt bekväm med biologi. Det är märkligt att detta strider mot de flesta forskares uppfattning. Den vetenskapliga zeitgeisten är att fysiken är lätt. Dess enkelhet kommer från en förmåga att skapa kristallina teorier som är kraftfullt prediktiva, allt från existensen av subatomära partiklar till hur lätt böjer sig runt stjärnorna. Biologi är å andra sidan mycket svårare att destillera i eleganta teorem och matematiska ekvationer. Av denna anledning har några framstående tänkare argued att celler och skogar är svårare att förstå än avlägsna och svåra att observera svarta hål.

Men kanske finns det ingen sådan sak som en enkel eller svår disciplin. Kanske finns det bara enkla och svåra frågor. Endast biologi verkar så svårt eftersom det har definierats av en rad mycket svåra frågor. Endast fysik verkar lätt eftersom århundraden av ansträngningar från djupt insiktsfulla tänkare har skapat en uppsättning svarbara frågor.

Vad som gör biologin så utmanande, ironiskt nog, är vår närhet till den. Fråga dig själv: vem är "lättare" att förstå - en romantisk förälskelse eller en arbetskollega? Vårt intimitet med biologi - såväl som psykologi och samhällsvetenskap - har lett oss att förhöra dessa fenomen med djup kunskap redan i hand. Vi frågar mycket detaljerade frågor, och då är vi överraskad av de till synes mystiska eller motsägelsefulla svaren.

På en promenad genom skogen kan vi observera de ovanliga formerna av lövverket på ett lönnträd. Det kan leda oss till att undra varför löven har lober, varför de blir röda på hösten, vilka insekter bor i bladskrädet och hur de sönderdelas och matar jorden. Dessa frågor är bedrägligt komplexa, trots den naturlighet som vi ber dem. Däremot är det kalla, stora vakuumet av rymden och den osynliga kvarkens litenhet så främmande för oss att vi är stolta - åtminstone initialt - att säga de enklaste sakerna om dessa enheter, även för att visa att de existerar.

Intimitet har ibland bromsat vår förståelse i fysiken också. Frågan om hur planetarna rör sig är en av mänsklighetens äldsta obsessions och går igenom många olika mytologier. Men tack vare vår arts självabsorption placerade den långvariga teorin om epicycles felaktigt jorden i universums centrum - ett misstag som kvarstod under omkring 2,000-åren. När frågan var abstraherad till frågor av kraft, massa och gravitation i newtonsk fysik blev planetarisk rörelse mycket lättare att förutsäga och förstå.

Det finns fortfarande massor av svåra frågor för fysiker att pussla över. Om fysiken fastnade sitt rykte på att förutsäga nästa solflamma som skulle kunna störa telekommunikationen på jorden, skulle den ses som en mycket mer komplicerad och svår disciplin. Varför? Eftersom modellering av de många mekanismer som producerar solens yta - alla involverade gravitations-, elektromagnetiska, termiska och kärnkraftsprocesser - är fiendisht knepiga. När det gäller planetarisk rörelse kan vi få en noggrann bild av en planetens bana genom att erkänna att vår Suns massivitet tillåter oss att ignorera andra himmelska kroppers inflytande. Men om vi verkligen ville delta i dessa detaljer, skulle vi snart upptäcka att vi inte precis kan förutsäga rörelsen av tre kroppar med lika stor massa. På samma sätt lär vi med kaoteteori att vi bara kan göra grova gissningar om den specifika positionen hos två pendlar vars rörelse är kopplad ihop. Vi kan dock inte med säkerhet säga vardera pendeln kommer någonsin att vara.

Pkanske är frågorna som vi har krävt av biologi alltför svårt. Hur räddar vi ett individuellt mänskligt liv? Varför är den här blåjayen något mörkare än den andra? Men bara för att vi kräver mer från biologi betyder det inte att vi inte kan ställa något enklare frågor. Faktum är att det kan hjälpa oss att räkna ut hur det är att dra på "lätt" fysik finna dessa frågor. Fysiker är särskilt bra på att leta efter genomgripande, storskaliga fenomen som gäller över flera system och som sannolikt är resultatet av enkla, delade mekanismer.

Tänk på biologisk skalning. Detta koncept härrör från tidiga observationer som ett däggdjurs metaboliska hastighet beror förutsägbart och olinjärt på kroppsstorlek via a makt lag. En energilag är ett matematiskt förhållande som berättar hur mycket en funktion ändras, eftersom systemets storlek ökar med storleksordningar (det vill säga med multiplar av ett visst tal, vanligtvis 10). Så när en varels kroppsmassa ökar med 1,000-vikten, förutsäger principerna för biologisk skalning exakt att dess metaboliska hastighet kommer att öka 100-vikten.

Men hur kan samma matematik tillämpas på någonting så enkelt som gravitationsdragen mellan två objekt och den röriga processen för speciering över olika livsmiljöer? I fysiken pekar kraftlagen på gemensamma mekanismer och symmetrier som fungerar över alla skalor. I biologi, vår egen forskning - såväl som den där av Geoffrey B West, James H Brown och Brian J Enquist - visar att den grundläggande mekanismen på jobbet är strukturen och flödet av kärlnät. Det visar sig att blodkärl tenderar att effektivt spänna över kroppen och leverera resurser till alla kreaturens celler samtidigt som belastningen på hjärtat minskas. Denna enkla insikt har fött ett växande parti framgångsrika teorier som använder idén om en optimerad biologisk struktur för att förutsäga fenomen som fördelningen av träd i en skog, hur länge vi behöver sova, tillväxten av a tumör, den största och minsta storlekar av bakterieroch det högsta möjliga trädet i vilken miljö som helst.

Men biologi kan också ge upphov till sina egna unika frågor. Till exempel, som våra kollegor Jessica Flack och David Krakauer vid Santa Fe-institutet har visat att informationens bearbetnings- och beslutsfattande förmåga hos agenter (såsom primater, neuroner och slimformar) leder till unika typer av feedback, anpassningsförmåga och orsakssamband som skiljer sig från rent fysiska system. Det återstår att se om de ytterligare komplexiteterna hos biologiska system kan förklaras genom att expandera på fysikinspirerade perspektiv, såsom informationsteori. Det kan vara att studien av biologi och komplexa system i allmänhet kommer att utvecklas en dag till oöverstigliga svåra frågor - eller att en strålande omarbetning av frågorna kommer att leda till att nuvarande utmaningar elimineras. Detta kan visa en väg till enklare svar, som Charles Darwin gjorde genom att omformulera frågor om ursprung och mångfald i livet när det gäller naturligt urval och variation.

När du träffar en gräns lär du dig att ställa olika frågor: Systemets komplexitet mätt längs två axlar
Systemets komplexitet mätt längs två axlar: 1) den detalj och precision som krävs av den vetenskapliga beskrivningen; 2) antalet mekanismer kombineras i ett visst fenomen. De hårdaste vetenskaperna frågar detaljerade frågor om system som består av många mekanismer.

I sin Artikeln "Mer är annorlunda" (1972) markerade fysiker Philip Anderson farorna med att försöka minska allt till den mest mikroskopiska nivån. Han fokuserade istället på hopp i komplexitet som uppträder vid olika vågor av naturfenomen - som förflyttar sig från kvantmekanik till kemi. Men läsare överblickar ofta sitt argument att effektiva teorier borde vila på byggstenar som förklarar systemets underliggande mekanismer - även om dessa byggstenar är relativt stora eller medelstora.

På grund av detta senare perspektiv är vårt argument att vi vet inte om svarta hål är enklare än skogar. Vi kan inte vet, tills vi har en allmän effektiv teori som förklarar förekomsten av skogar eller tills vi kan observera den mest detaljerade dynamiken i svarthålets kollaps och avdunstning. Ett uttalande om relativ komplexitet kan inte göras utan att grundligt definiera vilken typ av frågor vi begär för varje system. Det finns förmodligen vissa typer av förfrågningar där vår kunskap kommer att slå en hård kant, men oftare handlar det om frågor vi ställer än om systemen själva.

Så fysik Kan vara svår och biologi Kan var enkel. Svårighetsgraden beror mer på vilka frågor som ställs än på fältet.

Inom komplexa systemvetenskap görs stora framsteg ofta vid gränssnittet mellan dessa två perspektiv. En väg framåt är att lösa de enkla frågorna först och använd sedan våra svar för att försöka hitta principer som är användbara när det gäller mer detaljerade frågor och teorier. Det är möjligt att genom att börja med de enkla frågorna kan vi långsamt "bygga upp" till de hårda.

Eller, i motsatt riktning, kan vi observera den märkliga likheten mellan fenomen på olika discipliner för att söka efter helt nya mekanismer och principer. Detta kommer ibland att kräva ett mindre detaljerat, mer abstrakt perspektiv - vad vår kollega John Miller talar om med Nobels prisvärdsmetiker Murray Gell-Mann diskuterar i sin bok En otrolig titt på helheten (2016). Dessa råa utseende - som tvingas av fysikens avlägsenhet och fördunkla av biologiens intimitet - bör ge många djupare insikter och förenklingar i vetenskapen under de kommande åren.

Om författaren

Chris Kempes är professor vid Santa Fe Institute, som arbetar vid skärningspunkten mellan fysik, biologi och jordvetenskap.

Van Savage är professor i ekologi, evolutionär biologi och biomatematik vid University of California, Los Angeles.

Denna artikel publicerades ursprungligen på aeon och har publicerats under Creative Commons. Publicerad i samarbete med Santa Fe Institute, en strategisk partner för Aeon.Aeon räknare - ta inte bort

relaterade böcker

{amazonWS: searchindex = Böcker; nyckelord = problemlösande innovationer; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}