Wanneer je een limiet bereikt, leer je om andere vragen te stellen

Wanneer je een limiet bereikt, leer je om andere vragen te stellen

Praat met middelbare scholieren die zich voorbereiden op hun wetenschappelijke examens, en je zult waarschijnlijk twee dingen horen: dat ze bang zijn voor fysica en relatief comfortabel zijn met biologie. Vreemd genoeg is dit in tegenspraak met de mening van de meeste onderzoekers.

Praat met middelbare scholieren die zich voorbereiden op hun wetenschappelijke examens, en je zult waarschijnlijk twee dingen horen: dat ze bang zijn voor fysica en relatief comfortabel zijn met biologie. Vreemd genoeg is dit in tegenspraak met de mening van de meeste onderzoekers. De wetenschappelijke tijdsgeest is dat natuurkunde gemakkelijk is. De eenvoud komt van een vermogen om kristallijnen theorieën te creëren die krachtig voorspellend zijn, voor alles van het bestaan ​​van subatomaire deeltjes tot hoe licht zich rond sterren buigt. Biologie daarentegen is veel moeilijker te destilleren in elegante stellingen en wiskundige vergelijkingen. Om deze reden hebben sommige eminente denkers betoogde dat cellen en bossen moeilijker te begrijpen zijn dan verre en moeilijk waarneembare zwarte gaten.

Maar misschien bestaat er niet zoiets als een gemakkelijke of harde discipline. Misschien zijn er alleen eenvoudige en moeilijke vragen. Alleen biologie lijkt zo moeilijk omdat het is gedefinieerd door een reeks zeer moeilijke vragen. Alleen natuurkunde lijkt makkelijk omdat eeuwenlange inspanningen door diepzinnige denkers een reeks van te beantwoorden vragen hebben opgeleverd.

Wat de biologie zo uitdagend maakt, ironisch genoeg, is onze nabijheid. Vraag jezelf af: wie is 'makkelijker' te begrijpen - een romantische verliefdheid of een collega in je werk? Onze intimiteit met de biologie - en ook met de psychologie en sociale wetenschappen - heeft ons ertoe gebracht om deze verschijnselen te ondervragen met diepgaande kennis die al in handen is. We stellen zeer gedetailleerde vragen, en dan zijn we verrast door de schijnbaar mysterieuze of tegenstrijdige antwoorden.

Tijdens een wandeling door het bos kunnen we de ongewone vormen van het gebladerte op een esdoorn observeren. Dat kan ertoe leiden dat we ons afvragen waarom de bladeren lobben hebben, waarom ze rood worden in de herfst, welke insecten in het bladafval leven en hoe ze de grond ontbinden en voeden. Deze vragen zijn bedrieglijk ingewikkeld, ondanks de vanzelfsprekendheid waarmee we ze vragen. Daarentegen zijn het koude enorme vacuüm van de ruimte en de onzichtbare kleinheid van quarks zo vreemd voor ons dat we trots zijn - althans in eerste instantie - om de eenvoudigste dingen over deze entiteiten te zeggen, zelfs alleen om te laten zien dat ze bestaan.


Haal het laatste uit InnerSelf


Intimiteit heeft ons begrip in de natuurkunde soms ook vertraagd. De vraag hoe de planeten bewegen is een van de oudste obsessies van de mensheid en loopt door vele verschillende mythologieën. Maar dankzij de zelfabsorptie van onze soort, plaatste de jarenlange theorie van epicycli ten onrechte de aarde in het centrum van het universum - een fout die bleef bestaan ​​gedurende ongeveer 2,000-jaren. Toen de vraag werd geabstraheerd tot zaken van kracht, massa en zwaartekracht in de Newtoniaanse fysica, werd planetaire beweging veel gemakkelijker te voorspellen en te begrijpen.

Er zijn nog steeds veel moeilijke vragen voor natuurkundigen om overheen puzzelen. Als de natuurkunde zijn reputatie vastlegde bij het voorspellen van de volgende zonnevlam die de telecommunicatie op aarde zou kunnen verstoren, zou dit als een veel gecompliceerdere en moeilijkere discipline worden beschouwd. Waarom? Omdat het modelleren van de vele mechanismen die de dynamiek van het oppervlak van de zon produceren - alle zwaartekracht, elektromagnetische, thermische en nucleaire processen die ermee te maken hebben - duivels lastig is. Wat betreft planetaire beweging, we kunnen een goed genoeg beeld krijgen van het pad van een planeet door te erkennen dat de massaliteit van onze zon ons in staat stelt de invloed van andere hemellichamen te negeren. Maar als we echt op deze details zouden willen letten, zouden we snel merken dat we de beweging van drie lichamen met gelijke massa niet precies kunnen voorspellen. Evenzo hebben we met de chaostheorie geleerd dat we slechts ruwe schattingen kunnen maken over de specifieke positie van twee slingers waarvan de beweging aan elkaar gekoppeld is. We kunnen echter niet met zekerheid zeggen waar een slinger ooit zal zijn.

PMisschien zijn de vragen die we van de biologie hebben geëist gewoon te moeilijk. Hoe kunnen we een individueel mensenleven redden? Waarom is deze bluejay iets donkerder dan de andere? Maar alleen omdat we meer van biologie eisen, betekent niet dat we geen iets eenvoudiger vragen kunnen stellen. Sterker nog, het gebruik van 'eenvoudige' natuurkunde kan ons helpen erachter te komen hoe vinden die vragen. Natuurkundigen zijn met name goed in het zoeken naar doordringende, grootschalige verschijnselen die van toepassing zijn op meerdere systemen en die waarschijnlijk het resultaat zijn van eenvoudige, gedeelde mechanismen.

Neem het idee van biologische schaling. Dit concept komt voort uit vroege waarnemingen dat de stofwisseling van een zoogdier voorspelbaar en niet-lineair afhankelijk is van de lichaamsgrootte via a machtswet. Een machtswet is een wiskundige relatie die ons vertelt hoeveel een functie verandert naarmate de grootte van het systeem toeneemt met ordes van grootte (dat wil zeggen, met veelvouden van een bepaald aantal, meestal 10). Dus als de lichaamsmassa van een wezen toeneemt met 1,000-vouw, voorspellen de principes van biologische schaling nauwkeurig dat de metabolische snelheid 100-voudig zal toenemen.

Maar hoe kan dezelfde wiskunde van toepassing zijn op zoiets eenvoudigs als de aantrekkingskracht tussen twee objecten en het rommelige proces van speciatie over verschillende habitats? In de natuurkunde wijzen machtswetten op gedeelde mechanismen en symmetrieën die op alle schalen werken. In de biologie, de onze onderzoek - net zoals dat van Geoffrey B West, James H Brown en Brian J Enquist - laat zien dat het fundamentele mechanisme aan het werk de structuur en doorstroming van vasculaire netwerken is. Het blijkt dat bloedvaten de neiging hebben om efficiënt het lichaam te overspannen en middelen aan alle cellen van een schepsel af te leveren terwijl ze de belasting van het hart verminderen. Dit eenvoudige inzicht heeft geleid tot de geboorte van een groeiend aantal succesvolle theorieën die het idee van een geoptimaliseerde biologische structuur gebruiken om verschijnselen als de verspreiding van bomen in een bos, hoe lang moeten we nog doen slaap, de groeisnelheid van een tumor, de grootste en de kleinste grootte van bacteriënbeheren en de langst mogelijke boom in elke omgeving.

Biologie kan echter ook zijn eigen unieke vragen oproepen. Bijvoorbeeld als onze collega's Jessica Flack en David Krakauer bij het Santa Fe Institute hebben aangetoond dat de informatieverwerkings- en beslissingsmogelijkheden van agenten (zoals primaten, neuronen en slijmzwammen) leiden tot unieke vormen van feedback, aanpassingsvermogen en oorzakelijkheid die verschillen van puur fysieke systemen. Het valt nog te bezien of de extra complexiteit van biologische systemen kan worden verklaard door uit te breiden op door de fysica geïnspireerde perspectieven zoals de informatietheorie. Het kan zijn dat de studie van biologie en complexe systemen in het algemeen op een dag zal evolueren naar onoverkomelijk harde vragen - of dat een briljante herschikking van de vragen zal leiden tot het elimineren van de huidige uitdagingen. Dit zou een pad naar gemakkelijkere antwoorden kunnen laten zien, zoals Charles Darwin deed door vragen over de oorsprong en diversiteit van het leven te herformuleren in termen van natuurlijke selectie en variatie.

Als u een limiet bereikt, leert u verschillende vragen te stellen: de complexiteit van systemen gemeten langs twee assen
De complexiteit van systemen gemeten langs twee assen: 1) het detail en de nauwkeurigheid vereist van de wetenschappelijke beschrijving; 2) het aantal mechanismen dat wordt gecombineerd in een bepaald fenomeen. De moeilijkste wetenschappen stellen gedetailleerde vragen over systemen die uit vele mechanismen bestaan.

In zijn artikel 'More Is Different' (1972), benadrukte de natuurkundige Philip Anderson de gevaren van pogingen om alles tot het meest microscopische niveau terug te brengen. Hij concentreerde zich in plaats daarvan op sprongen in complexiteit die zich voordoen op verschillende schalen van natuurlijke verschijnselen - zoals de overgang van kwantummechanica naar chemie. Lezers negeren echter vaak zijn argument dat effectieve theorieën moeten berusten op bouwstenen die de onderliggende mechanismen van een systeem verklaren - zelfs als die bouwstenen relatief grote of middelgrote entiteiten zijn.

Voortbouwend op dit laatste perspectief, is onze redenering dat wij weet het niet als zwarte gaten eenvoudiger zijn dan bossen. Wij kan niet weet, totdat we een algemene effectieve theorie hebben die het bestaan ​​van bossen verklaart of totdat we de meest gedetailleerde dynamiek van instorting en verdamping van zwart gat kunnen observeren. Een verklaring van relatieve complexiteit kan niet worden gemaakt zonder het soort vragen dat we vragen voor elk systeem grondig te definiëren. Er zijn waarschijnlijk bepaalde soorten vragen waarbij onze kennis hard zal werken, maar vaker gaat het om vragen die we stellen dan om de systemen zelf.

Dus natuurkunde kunnen wees hard en biologie kunnen wees makkelijk. De moeilijkheidsgraad hangt meer af van wat vragen worden gesteld dan op het veld.

Binnen de complexe systeemwetenschap worden vaak grote vorderingen gemaakt op het raakvlak tussen deze twee perspectieven. Eén pad voorwaarts is om de eenvoudige vragen eerst op te lossen en vervolgens onze antwoorden te gebruiken om te proberen principes te vinden die nuttig zijn als het gaat om meer gedetailleerde vragen en theorieën. Het is mogelijk dat we, te beginnen met de eenvoudige vragen, langzaam kunnen 'opbouwen' tot de harde.

Of, in de tegenovergestelde richting, het observeren van de vreemde gelijkenis van verschijnselen over verschillende disciplines kan ons neigen naar splinternieuwe mechanismen en principes te zoeken. Dit vraagt ​​soms om een ​​minder gedetailleerd, meer abstract perspectief - wat onze collega John Miller, die de Nobelprijswinnend natuurkundige Murray Gell-Mann citeert, in zijn boek bespreekt Een ruwe blik op het geheel (2016). Deze ruwe looks - gedwongen door de ultraperifere ligging van de natuurkunde en verduisterd door de intimiteit van de biologie - zouden de komende jaren veel diepere inzichten en vereenvoudigingen in de wetenschap moeten opleveren.

Over de auteur

Chris Kempes is een professor aan het Santa Fe Institute, werkzaam op het snijvlak van natuurkunde, biologie en aardwetenschappen.

Van Savage is professor in ecologie, evolutionaire biologie en biomathematica aan de Universiteit van Californië, Los Angeles.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op eeuwigheid en is opnieuw gepubliceerd onder Creative Commons. Gepubliceerd in samenwerking met het Santa Fe Institute, een Aeon Strategic Partner.Aeon-teller - niet verwijderen

Verwante Boeken

{amazonWS: searchindex = Boeken; trefwoorden = probleemoplossende innovaties; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

volg InnerSelf op

facebook-icontwitter-iconrss-icoon

Ontvang de nieuwste via e-mail

{Emailcloak = off}

Rechts 2 Ad Adsterra