Beszéljen a természettudományi vizsgájukra készülő középiskolás diákokkal, és valószínűleg két dolgot fog hallani: hogy félnek a fizikától, és viszonylag jól érzik magukat a biológiában. Furcsa módon ez ellentétes a legtöbb kutató nézetével.

Beszéljen a természettudományi vizsgájukra készülő középiskolás diákokkal, és valószínűleg két dolgot fog hallani: hogy félnek a fizikától és viszonylag jól érzik magukat a biológiában. Furcsa módon ez ellentétes a legtöbb kutató nézetével. A tudományos kedvelők szerint a fizika könnyű. Egyszerűsége abból adódik, hogy kristályos elméleteket képes létrehozni, amelyek nagy előrejelzéssel rendelkeznek, a szubatomi részecskék létezésétől kezdve egészen a fény hajlításáig a csillagok körül. A biológiát viszont sokkal nehezebb elegáns tételekbe és matematikai egyenletekbe bontani. Emiatt néhány jeles gondolkodónak van érvelt hogy a sejteket és az erdőket nehezebb megérteni, mint a távoli és nehezen megfigyelhető fekete lyukakat.

De talán nincs olyan, hogy könnyű vagy kemény fegyelem. Talán csak könnyű és nehéz kérdések vannak. Csak a biológia Úgy tűnik, olyan nehéz, mert nagyon nehéz kérdések összessége határozta meg. Csak a fizika Úgy tűnik, könnyű, mert a mélyen belátó gondolkodók évszázados erőfeszítései megválaszolható kérdéseket hoztak létre.

Ami a biológiát ironikus módon teszi annyira kihívássá, az a közelségünk. Kérdezd meg magadtól: kit „könnyebb” megérteni - romantikus szerelmet vagy munkatársat? A biológiával - valamint a pszichológiával és a társadalomtudománnyal - való intimitásunk arra késztetett minket, hogy ezeket a jelenségeket már a kezében lévő mély ismeretekkel kérdezzük ki. Nagyon részletes kérdéseket teszünk fel, majd meglepődünk a rejtélyesnek tűnő vagy ellentmondásos válaszokon.

Az erdőn sétálva egy juharfán megfigyelhetjük a lomb szokatlan formáit. Ez arra késztethet bennünket, hogy elgondolkodjunk azon, vajon miért van a levelek karéja, miért ősszel vöröslenek, milyen rovarok élnek a levélalomban, és hogyan bomlanak le és táplálják a talajt. Ezek a kérdések megtévesztően összetettek, annak ellenére, hogy milyen természetességgel kérdezzük őket. Ezzel szemben a tér hideg hatalmas vákuumja és a kvarkok láthatatlan aprósága annyira idegen tőlünk, hogy büszkék vagyunk - legalábbis kezdetben - a legegyszerűbbeket mondani ezekről az entitásokról, még csak annak bemutatására is, hogy léteznek.

Az intimitás néha lelassította megértésünket a fizikában is. A bolygók mozgásának kérdése az emberiség egyik legrégebbi rögeszméje, és sokféle mitológián megy keresztül. Fajunk önfelszívódásának köszönhetően azonban az epiciklusok régóta tartó elmélete helytelenül helyezte a Földet az Univerzum középpontjába - ez a hiba körülbelül 2,000 évig fennmaradt. Amikor a kérdést az erő, a tömeg és a gravitáció szempontjából elvonták a newtoni fizikában, a bolygó mozgása sokkal könnyebben megjósolható és megérthetővé vált.

A fizikusok számára még mindig rengeteg nehéz kérdés merül fel. Ha a fizika hírnevét a következő napkitörés előrejelzésében rögzítené, amely megzavarhatja a Föld távközlését, akkor azt sokkal bonyolultabb és nehezebb tudományágnak tekintenék. Miért? Mivel a Nap felszínének dinamikáját előidéző ​​sok mechanizmus - az összes érintett gravitációs, elektromágneses, termikus és nukleáris folyamat - modellezése örökkévalóan trükkös. Ami a bolygó mozgását illeti, elég jó képet kaphatunk a bolygó pályájáról, ha felismerjük, hogy Napunk tömegessége lehetővé teszi számunkra, hogy figyelmen kívül hagyjuk más égitestek hatását. De ha valóban foglalkozni akarunk ezekkel a részletekkel, hamarosan rájövünk, hogy nem tudjuk pontosan megjósolni három azonos tömegű test mozgását. Hasonlóképpen, a káoszelmélettel megtudtuk, hogy csak durva találgatásokat tehetünk két ingának konkrét helyzetéről, amelyek mozgása összekapcsolódik. Azt azonban nem tudjuk biztosan megmondani, hol lesz bármelyik inga valaha.

Pa biológiától megkövetelt kérdések túl kemények. Hogyan menthetjük meg az emberi életet? Miért sötétebb ez a bluejay, mint a másik? De az, hogy többet követelünk a biológiától, még nem jelenti azt, hogy nem tehetünk fel valamivel könnyebb kérdéseket. Valójában a „könnyű” fizika felhasználása segíthet abban, hogy kitaláljuk talál azokat a kérdéseket. A fizikusok különösen jól keresik az átterjedő, nagy léptékű jelenségeket, amelyek több rendszerben is érvényesülnek, és amelyek valószínűleg egyszerű, közös mechanizmusok eredményei.

Vegyük az ötletet biológiai méretezés. Ez a koncepció korai megfigyelésekből fakad, miszerint az emlős anyagcseréje előre láthatóan és nemlineárisan függ a test méretétől a hatalmi törvény. A hatalmi törvény egy matematikai összefüggés, amely megmondja, mennyire változik egy tulajdonság, amikor a rendszer mérete nagyságrendekkel (vagyis egy bizonyos szám többszörösével, általában 10-rel) növekszik. Tehát, amikor egy lény testtömege 1,000-szeresére nő, a biológiai méretezés alapelvei pontosan megjósolják, hogy anyagcseréje 100-szorosára nő.

De hogyan alkalmazható ugyanaz a matematika olyan egyszerű dolgokra, mint a két objektum közötti gravitációs húzás és a különféle élőhelyeken zajló rendetlen folyamat? A fizikában a hatalmi törvények az összes skálán működő közös mechanizmusokra és szimmetriákra mutatnak. A biológiában a sajátunk kutatás - valamint hogy Geoffrey B West, James H Brown és Brian J Enquist munkatársai - azt mutatja, hogy a munka alapvető mechanizmusa az érhálózatok felépítése és áramlása. Kiderült, hogy az erek hajlamosak hatékonyan átfedni a testet és erőforrásokat juttatni a lény minden sejtjéhez, miközben csökkentik a szív megterhelését. Ez az egyszerű meglátás egyre növekvő számú sikeres elméletet hozott létre, amelyek az optimalizált biológiai szerkezet ötletét használják olyan jelenségek előrejelzésére, mint a fák egy erdőben, meddig kell alvás, a növekedési ütem a tumor, a legnagyobb és a legkisebb méretű baktériumokés a lehető legmagasabb fa bármilyen környezetben.

A biológia azonban felvetheti saját egyedi kérdéseit is. Például kollégáinkként Jessica Flack és a Krakauer Dávid a Santa Fe Intézet kimutatta, hogy az ágensek (például a főemlősök, az idegsejtek és a nyálkás penészgombák) információ-feldolgozási és döntéshozatali képességei egyedülálló típusú visszajelzésekhez, alkalmazkodóképességhez és okozati összefüggésekhez vezetnek, amelyek eltérnek a tisztán fizikai rendszerektől. Még várat magára, hogy a biológiai rendszerek további bonyolultsága magyarázható-e a fizika által inspirált perspektívák, például az információelmélet kibővítésével. Előfordulhat, hogy a biológia és általában a komplex rendszerek tanulmányozása egy nap leküzdhetetlenül nehéz kérdésekké fog haladni - vagy a kérdések ragyogó átdolgozása a jelenlegi kihívások kiküszöböléséhez vezet. Ez utat mutathat a könnyebb válaszokhoz, ahogy Charles Darwin tette az élet eredetével és sokféleségével kapcsolatos kérdések újrafogalmazásával a természetes kiválasztódás és variáció szempontjából.

A két tengely mentén mért rendszerek bonyolultsága: 1) a tudományos leíráshoz szükséges részletesség és pontosság; 2) egy adott jelenségben kombinált mechanizmusok száma. A legnehezebb tudományok részletes kérdéseket tesznek fel a sok mechanizmusból álló rendszerekkel kapcsolatban.

Rob Palkovitz, a Delaware Egyetem humán fejlődéssel és családtanulmányokkal foglalkozó professzora, „A nemi nevelés hatása a gyermekek jólétére: elmélet és kutatás alkalmazott perspektívából” című cikkben A „More Is Different” (1972) című könyvében Philip Anderson fizikus kiemelte annak veszélyét, hogy mindent megpróbálnak a mikroszkopikusabb szintre csökkenteni. Ehelyett a komplexitás ugrásaira koncentrált, amelyek a természeti jelenségek különböző skáláin fordulnak elő - például a kvantummechanikáról a kémia felé haladva. Az olvasók azonban gyakran figyelmen kívül hagyják azt az érvelését, miszerint a hatékony elméleteknek olyan építőelemeken kell nyugodniuk, amelyek megmagyarázzák a rendszer mögöttes mechanizmusait - még akkor is, ha ezek az építőelemek viszonylag nagy vagy közepes méretű entitások.

Ez utóbbi szempontra építve az az érvünk, hogy mi nem tudom ha a fekete lyukak egyszerűbbek, mint az erdők. Mi nem tud mindaddig, amíg nem rendelkezünk egy általános hatékony elmélettel, amely megmagyarázza az erdők létezését, vagy amíg nem tudjuk megfigyelni a fekete lyuk összeomlásának és párolgásának legrészletesebb dinamikáját. A viszonylagos bonyolultságot nem lehet megállapítani anélkül, hogy alaposan meghatároznánk az egyes rendszerekhez feltett kérdések típusát. Valószínűleg léteznek bizonyos típusú megkeresések, amelyekben a tudásunk keményen el fog kerülni, de gyakrabban ez a feltett kérdésekre vonatkozik, mint magukra a rendszerekre.

Tehát a fizika tud kemény és biológia tud lazán. A nehézség mértéke jobban függ attól, hogy milyen kérdéseket tesznek fel, mint a pályán.

A komplex rendszerszintű tudományon belül gyakran nagy előrelépések történnek a két szempont közötti határfelületen. Az egyik előrelépés az, hogy először a könnyű kérdéseket oldjuk meg, majd válaszaink segítségével megpróbálunk olyan elveket találni, amelyek hasznosak, ha részletesebb kérdésekre és elméletekre van szükség. Lehetséges, hogy az egyszerű kérdésekkel kezdve lassan „felépülhetünk” a nehéz kérdésekre.

Vagy éppen ellenkezőleg, a jelenségek furcsa hasonlóságának megfigyelése a tudományterületek között arra ösztönözhet minket, hogy vadonatúj mechanizmusokat és elveket keressünk. Ez néha kevésbé részletes, elvontabb perspektívát igényel - amit John Miller kollégánk Murray Gell-Mann Nobel-díjas fizikust idézve könyvében tárgyal Nyers tekintet az egészre (2016). Ezeknek a durva kinézetnek - amelyet a fizika távoli helyzete kényszerít, és eltakar a biológia intimitása -, az elkövetkező években még sok mélyebb betekintést és egyszerűsítést kell adnia a tudományban.

A szerzőről

Chris Kempes a Santa Fe Intézet professzora, a fizika, a biológia és a földtudomány metszéspontjában dolgozik.

Van Savage az ökológia, az evolúciós biológia és a biomatematika professzora a Kaliforniai Egyetemen, Los Angelesben.

Ezt a cikket eredetileg a következő címen tették közzé: mérhetetlen hosszú idő és újból közzétették a Creative Commons alatt. Megjelent a Santa Fe Intézettel, az Aeon stratégiai partnerével együtt.

Kapcsolódó könyvek

at InnerSelf Market és Amazon