Когда вы попадаете в лимит, учитесь задавать разные вопросы

Когда вы попадаете в лимит, учитесь задавать разные вопросы

Поговорите со старшеклассниками, готовившимися к своим научным экзаменам, и вы, вероятно, услышите две вещи: они боятся физики и относительно удобны в биологии. Как ни странно, это противоречит мнению большинства исследователей.

Поговорите со старшеклассниками, готовившимися к своим научным экзаменам, и вы, вероятно, услышите две вещи: они боятся физики и относительно удобны в биологии. Как ни странно, это противоречит мнению большинства исследователей. Научный дух - это то, что физика проста. Его простота исходит из способности создавать кристаллические теории, которые сильно прогностичны, для всего, от существования субатомных частиц до того, как свет изгибается вокруг звезд. С другой стороны, биология гораздо сложнее переделать в элегантные теоремы и математические уравнения. По этой причине некоторые видные мыслители утверждал что клетки и леса сложнее понять, чем отдаленные и труднодоступные черные дыры.

Но, возможно, нет такой вещи, как легкая или жесткая дисциплина. Возможно, есть только легкие и трудные вопросы. Только биология кажется так сложно, потому что он был определен набором очень сложных вопросов. Только физика кажется легко, потому что многовековые усилия глубокомысленных мыслителей породили множество ответных вопросов.

Что делает биологию столь сложной, по иронии судьбы, нашей близостью к ней. Спросите себя: кто «легче» понять - романтическую давку или коллегу по работе? Наша близость с биологией, а также к психологии и социальной науке привела нас к тому, чтобы допросить эти явления с глубокими знаниями уже в руках. Мы задаем очень подробные вопросы, и тогда нас удивляют, казалось бы, загадочные или противоречивые ответы.

На прогулке по лесу мы можем наблюдать необычные формы листвы на кленовом дереве. Это может привести нас к удивлению, почему у листьев есть дольки, почему они становятся красными осенью, какие насекомые живут в листовом подстилке и как они разлагаются и питают почву. Эти вопросы обманчиво сложны, несмотря на естественность, с которой мы их спрашиваем. Напротив, холодный обширный вакуум пространства и неприемлемая малость кварков настолько чужды нам, что мы гордимся - по крайней мере, изначально - сказать простейшие вещи об этих сущностях, даже просто чтобы показать, что они существуют.

Интимность иногда замедлила наше понимание и в физике. Вопрос о том, как движутся планеты, является одной из самых старых навязчивых идей человечества и проходит через множество разных мифологий. Однако благодаря самопоглощению нашего вида давняя теория эпициклов неправильно помещала Землю в центр Вселенной - ошибка, которая сохранялась в течение 2,000 лет. Когда вопрос был абстрагирован с точки зрения силы, массы и силы тяжести в ньютоновской физике, планетарное движение стало намного легче предсказать и понять.

У физиков все еще есть много трудных вопросов. Если бы физика подтвердила свою репутацию в прогнозировании следующей солнечной вспышки, которая могла бы помешать телекоммуникациям на Земле, это будет рассматриваться как гораздо более сложная и сложная дисциплина. Зачем? Поскольку моделирование многих механизмов, которые производят динамику поверхности Солнца - все вовлеченные гравитационные, электромагнитные, тепловые и ядерные процессы - дьявольски сложно. Что касается движения планет, мы можем получить достаточно хорошую картину траектории планеты, признав, что массивность нашего Солнца позволяет нам игнорировать влияние других небесных тел. Но если бы мы действительно хотели следить за этими деталями, мы скоро обнаружили, что мы не можем точно предсказать движение трех тел равной массы. Аналогично, с теорией хаоса, мы узнали, что мы можем сделать лишь грубые предположения о конкретной позиции двух маятников, движение которых связано вместе. Однако мы не можем с уверенностью сказать, где будет либо маятник.

Pвозможно, вопросы, которые мы требовали от биологии, слишком сложны. Как мы сохраняем индивидуальную человеческую жизнь? Почему эта голубая фигура немного темнее другой? Но только потому, что мы требуем больше от биологии, это не значит, что мы не можем задавать несколько более легкие вопросы. Фактически, опираясь на «легкую» физику, мы можем выяснить, как находить эти вопросы. Физики особенно хороши в поиске широко распространенных широкомасштабных явлений, которые применяются во многих системах и, вероятно, являются результатом простых общих механизмов.

Возьмите идею биологическое масштабирование, Эта концепция связана с ранними наблюдениями о том, что скорость метаболизма млекопитающих зависит от прогнозируемого и нелинейного по размеру тела с помощью сила закона, Закон мощности - это математическое соотношение, которое говорит нам, как изменяется функция, поскольку размер системы увеличивается на порядки (т. Е. Кратно некоторому числу, обычно 10). Поэтому, когда масса тела существа увеличивается на 1,000-fold, принципы биологического масштабирования точно предсказывают, что его скорость метаболизма увеличится на 100-fold.

Но как же одна математика применима к чему-то столь же простому, как гравитационное тяготение между двумя объектами и беспорядочный процесс видообразования в разных местах обитания? В физике законы силы указывают на общие механизмы и симметрии, которые действуют во всех масштабах. В биологии наши собственные исследование - так же как что Джеффри Б Уэст, Джеймс Х Браун и Брайан J Enquist - показывает, что основным механизмом в работе является структура и поток сосудистых сетей. Оказывается, кровеносные сосуды имеют тенденцию эффективно охватывать тело и доставлять ресурсы всем клеткам существа, одновременно уменьшая напряжение на сердце. Это простое понимание породило растущую партию успешных теорий, которые используют идею оптимизированной биологической структуры для прогнозирования явлений, таких как распределение деревья в лесу, как долго нам нужно спать, темпы роста опухоль, самый большой и наименьший размеры бактерийи самое высокое дерево в любой среде.

Однако биология может также порождать свои собственные уникальные вопросы. Например, как наши коллеги Джессика Флэк Дэвид Кракауэр в Институте Санта-Фе показали, что возможности обработки информации и принятия решений агентами (такими как приматы, нейроны и слизистые формы) приводят к уникальным типам обратной связи, адаптивности и причинности, которые отличаются от чисто физических систем. Остается увидеть, можно ли объяснить дополнительные сложности биологических систем расширением на основе физики перспектив, таких как теория информации. Возможно, что изучение биологии и сложных систем в целом в один прекрасный день достигнет непреодолимых трудностей - или что блестящая переработка вопросов приведет к устранению текущих проблем. Это может показать путь к более легким ответам, как это сделал Чарльз Дарвин, переформулировав вопросы о происхождении и многообразии жизни с точки зрения естественного отбора и вариаций.

Если вы нажмете предел, научитесь задавать разные вопросы: сложность систем, измеренных по двум осям
Сложность систем, измеренных по двум осям: 1), детали и точность, необходимые для научного описания; 2) количество механизмов, объединяемых в конкретном явлении. Самые сложные науки задают подробные вопросы о системах, которые состоят из многих механизмов.

В своем статью «Больше отличается» (1972), физик Филипп Андерсон подчеркнул опасность попыток сократить все до самого микроскопического уровня. Вместо этого он сосредоточился на скачках сложности, которые происходят в различных масштабах природных явлений - таких как переход от квантовой механики к химии. Тем не менее, читатели часто не замечают своего аргумента, что эффективные теории должны основываться на строительных блоках, которые объясняют основные механизмы системы - даже если эти строительные блоки являются относительно крупными или средними.

Основываясь на этой последней точке зрения, наш аргумент состоит в том, что мы не знаю если черные дыры проще лесов. Мы не может знайте, пока у нас не будет общей эффективной теории, объясняющей существование лесов или пока мы не сможем наблюдать наиболее подробную динамику коллапса и испарения черных дыр. Утверждение относительной сложности не может быть сделано без тщательного определения типа вопросов, которые мы задаем для каждой системы. Вероятно, есть определенные типы запросов, в которых наши знания сильно ударят, но чаще это касается вопросов, которые мы ставим, чем о самих системах.

Итак, физика Можно быть твердым, и биология Можно расслабьтесь. Степень трудности больше зависит от того, какие вопросы задают, чем на поле.

В рамках науки о сложных системах большие успехи часто возникают в интерфейсе между этими двумя перспективами. Один путь вперед - сначала решить простые вопросы, а затем использовать наши ответы, чтобы попытаться найти принципы, которые полезны, когда дело доходит до более подробных вопросов и теорий. Возможно, что, начав с простых вопросов, мы можем медленно «наращивать» до сложных.

Или, в противоположном направлении, наблюдение за странным сходством явлений по дисциплинам может побудить нас искать новые механизмы и принципы. Иногда это потребует менее детализированной, более абстрактной перспективы - то, что наш коллега Джон Миллер, цитируя Нобелевского лауреата-физика Мюррея Гелла-Манна, обсуждает в своей книге Грубый взгляд на целое (2016). Эти грубые взгляды, вызванные удалённостью физики и скрытые близостью к биологии, должны дать гораздо больше глубоких прозрений и упрощений в науке в последующие годы.

Об авторе

Крис Кемпес - профессор Института Санта-Фе, работающий на пересечении физики, биологии и наук о Земле.

Ван Сэвидж является профессором по экологии, эволюционной биологии и биоматематике в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

Эта статья была первоначально опубликована в геологический период и был переиздан в Creative Commons. Опубликовано в сотрудничестве с Институтом Санта-Фе, стратегическим партнером Aeon.Aeon counter - не удалять

Книги по этой теме

{amazonWS: searchindex = Книги; ключевые слова = инновации в решении проблем; maxresults = 3}

enafarZH-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

Следуйте за InnerSelf

facebook-значокTwitter-значокНовости-значок

Получить последнее по электронной почте

{Emailcloak = выкл}

ВНУТРЕННИЕ ГОЛОСЫ

САМОЕ ЧИТАЕМОЕ