Wenn Sie ein Limit erreichen, lernen Sie, verschiedene Fragen zu stellen

Wenn Sie ein Limit erreichen, lernen Sie, verschiedene Fragen zu stellen

Sprechen Sie mit Schülern, die sich auf ihre naturwissenschaftlichen Prüfungen vorbereiten, und Sie werden wahrscheinlich zwei Dinge hören: dass sie Angst vor Physik haben und sich relativ gut mit Biologie auskennen. Seltsamerweise widerspricht dies der Ansicht der meisten Forscher.

Sprechen Sie mit Schülern, die sich auf ihre naturwissenschaftlichen Prüfungen vorbereiten, und Sie werden wahrscheinlich zwei Dinge hören: dass sie Angst vor Physik haben und sich relativ gut mit Biologie auskennen. Seltsamerweise widerspricht dies der Ansicht der meisten Forscher. Der wissenschaftliche Zeitgeist ist, dass Physik einfach ist. Seine Einfachheit kommt von der Fähigkeit, kristalline Theorien zu erstellen, die stark vorhersagbar sind, von der Existenz subatomarer Teilchen bis hin zu der Art und Weise, wie sich Licht um Sterne krümmt. Auf der anderen Seite ist die Biologie viel schwieriger in elegante Sätze und mathematische Gleichungen aufzulösen. Aus diesem Grund haben einige bedeutende Denker argumentierte dass Zellen und Wälder schwerer zu verstehen sind als entfernte und schwer zu beobachtende Schwarze Löcher.

Aber vielleicht gibt es keine leichte oder harte Disziplin. Vielleicht gibt es nur einfache und schwierige Fragen. Nur Biologie scheint so schwer, weil es durch eine Reihe sehr schwieriger Fragen definiert wurde. Nur Physik scheint leicht, weil jahrhundertelange Bemühungen tief einsichtsvoller Denker eine Reihe beantwortbarer Fragen hervorgebracht haben.

Was die Biologie ironischerweise so herausfordert, ist unsere Nähe dazu. Fragen Sie sich: Wer ist "leichter" zu verstehen - ein romantischer Schwarm oder ein Arbeitskollege? Unsere Vertrautheit mit der Biologie - ebenso wie mit der Psychologie und den Sozialwissenschaften - hat uns dazu gebracht, diese Phänomene bereits mit tiefgreifendem Wissen zu hinterfragen. Wir stellen sehr detaillierte Fragen und dann sind wir überrascht von den scheinbar mysteriösen oder widersprüchlichen Antworten.

Bei einem Spaziergang durch den Wald können wir die ungewöhnlichen Formen des Laubs auf einem Ahornbaum beobachten. Das könnte uns dazu bringen, uns zu fragen, warum die Blätter Lappen haben, warum sie im Herbst rot werden, welche Insekten in der Laubstreu leben und wie sie sich zersetzen und den Boden ernähren. Diese Fragen sind trotz der Natürlichkeit, mit der wir sie stellen, täuschend komplex. Im Gegensatz dazu sind uns das kalte, gewaltige Vakuum des Weltraums und die unsichtbare Kleinheit der Quarks so fremd, dass wir - zumindest anfangs - stolz sind, die einfachsten Dinge über diese Wesen zu sagen, nur um zu zeigen, dass sie existieren.


Holen Sie sich das Neueste von InnerSelf


Intimität hat manchmal auch unser Verständnis in der Physik verlangsamt. Die Frage, wie sich die Planeten bewegen, ist eine der ältesten Obsessionen der Menschheit und durchläuft viele verschiedene Mythologien. Doch dank der Selbstabsorption unserer Spezies hat die lange Zeit gültige Theorie der Epizyklen fälschlicherweise die Erde in den Mittelpunkt des Universums gestellt - ein Fehler, der etwa 2,000 Jahre anhielt. Wenn die Frage in der Newtonschen Physik auf Fragen nach Kraft, Masse und Gravitation abstrahiert wurde, wurde die planetare Bewegung viel leichter vorherzusagen und zu verstehen.

Für Physiker gibt es noch viele schwierige Fragen. Wenn die Physik ihren Ruf auf die Vorhersage der nächsten Sonneneruption stützte, die die Telekommunikation auf der Erde stören könnte, würde dies als eine viel kompliziertere und schwierigere Disziplin angesehen werden. Warum? Denn die Modellierung der vielen Mechanismen, die die Dynamik der Sonnenoberfläche erzeugen - all die gravitativen, elektromagnetischen, thermischen und nuklearen Prozesse - ist teuflisch schwierig. Was die Planetenbewegung betrifft, können wir ein gutes Bild von der Flugbahn eines Planeten bekommen, indem wir erkennen, dass die Massivität unserer Sonne uns erlaubt, den Einfluss anderer Himmelskörper zu ignorieren. Aber wenn wir wirklich auf diese Details eingehen wollten, würden wir bald feststellen, dass wir die Bewegung von drei Körpern gleicher Masse nicht genau vorhersagen können. Ähnlich haben wir mit der Chaostheorie gelernt, dass wir nur grobe Vermutungen über die spezifische Position zweier Pendel machen können, deren Bewegung miteinander gekoppelt ist. Wir können jedoch nicht mit Sicherheit sagen, wo ein Pendel jemals sein wird.

PVielleicht sind die Fragen, die wir an die Biologie gestellt haben, einfach zu schwer. Wie retten wir ein individuelles Menschenleben? Warum ist dieser Bluejay etwas dunkler als der andere? Aber nur weil wir mehr von der Biologie verlangen, bedeutet das nicht, dass wir nicht einfachere Fragen stellen können. In der Tat kann uns die Verwendung von "einfacher" Physik helfen, herauszufinden, wie finden diese Fragen. Physiker sind besonders gut darin, nach weit reichenden, großräumigen Phänomenen zu suchen, die für mehrere Systeme gelten und die wahrscheinlich das Ergebnis einfacher, gemeinsamer Mechanismen sind.

Nimm die Idee von biologische Skalierung. Dieses Konzept stammt aus früheren Beobachtungen, dass die Stoffwechselrate eines Säugetiers vorhersehbar und nichtlinear über die Körpergröße abhängt Machtgesetz. Ein Potenzgesetz ist eine mathematische Beziehung, die uns sagt, wie stark sich ein Merkmal ändert, wenn die Größe des Systems um Größenordnungen zunimmt (dh um ein Vielfaches einer bestimmten Zahl, normalerweise 10). Wenn also die Körpermasse einer Kreatur 1,000-fach ansteigt, sagen die Prinzipien der biologischen Skalierung genau voraus, dass ihre Stoffwechselrate 100-fach ansteigt.

Aber wie kann dieselbe Mathematik auf etwas so Einfaches wie die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten und den unordentlichen Prozess der Speziation in verschiedenen Lebensräumen angewendet werden? In der Physik weisen Potenzgesetze auf gemeinsame Mechanismen und Symmetrien hin, die über alle Skalen hinweg funktionieren. In der Biologie unser eigenes Forschung - ebenso gut wie dass von Geoffrey B. West, James H. Brown und Brian J. Enquist - zeigt, dass der grundlegende Mechanismus bei der Arbeit die Struktur und der Fluss von vaskulären Netzwerken ist. Es stellt sich heraus, dass Blutgefäße dazu neigen, den Körper effizient zu überspannen und Ressourcen für alle Zellen einer Kreatur bereitzustellen, während sie gleichzeitig die Belastung für das Herz reduzieren. Diese einfache Erkenntnis hat eine wachsende Anzahl erfolgreicher Theorien hervorgebracht, die die Idee einer optimierten biologischen Struktur nutzen, um Phänomene wie die Verteilung von Bäume in einem Waldwie lange wir brauchen schlafen, die Wachstumsrate von a Tumor, der größte und kleinste Größen von Bakterien, und der höchste mögliche Baum in jeder Umgebung.

Aber auch die Biologie kann eigene Fragen aufwerfen. Zum Beispiel als unsere Kollegen Jessica Flack und David Krakauer am Santa Fe Institute haben gezeigt, dass die Informationsverarbeitungs- und Entscheidungsfähigkeiten von Agenten (wie Primaten, Neuronen und Schleimpilzen) zu einzigartigen Arten von Feedback, Anpassungsfähigkeit und Verursachung führen, die sich von rein physikalischen Systemen unterscheiden. Es bleibt abzuwarten, ob die zusätzlichen Komplexitäten biologischer Systeme durch die Erweiterung physikalisch inspirierter Perspektiven wie der Informationstheorie erklärt werden können. Es könnte sein, dass das Studium der Biologie und komplexer Systeme im Allgemeinen eines Tages zu unüberwindbar schwierigen Fragen voranschreitet - oder dass eine brillante Neufassung der Fragen zur Beseitigung der aktuellen Herausforderungen führen wird. Dies könnte einen Weg zu leichteren Antworten zeigen, wie Charles Darwin durch die Neuformulierung von Fragen über die Ursprünge und die Vielfalt des Lebens in Bezug auf natürliche Selektion und Variation.

Wenn Sie an eine Grenze stoßen, lernen Sie, verschiedene Fragen zu stellen: Die Komplexität von Systemen, die entlang zweier Achsen gemessen werden
Die Komplexität von Systemen, die entlang zweier Achsen gemessen werden: 1) die für die wissenschaftliche Beschreibung erforderlichen Details und Genauigkeiten; 2) die Anzahl der Mechanismen, die in einem bestimmten Phänomen kombiniert sind. Die schwierigsten Wissenschaften stellen detaillierte Fragen über Systeme, die aus vielen Mechanismen bestehen.

In seiner Artikel "More is Different" (1972), der Physiker Philip Anderson, hob die Gefahren hervor, mit denen versucht wurde, alles auf die mikroskopisch kleinste Ebene zu reduzieren. Er konzentrierte sich stattdessen auf Sprünge in der Komplexität, die auf verschiedenen Maßstäben von Naturphänomenen auftreten - etwa von der Quantenmechanik zur Chemie. Die Leser übersehen jedoch oft sein Argument, dass effektive Theorien auf Bausteinen beruhen sollten, die die zugrunde liegenden Mechanismen eines Systems erklären - selbst wenn diese Bausteine ​​relativ große oder mittelgroße Einheiten sind.

Ausgehend von dieser letzten Perspektive argumentieren wir, dass wir Ich weiß es nicht wenn schwarze Löcher einfacher sind als Wälder. Wir kann nicht bis wir eine allgemein wirksame Theorie haben, die die Existenz von Wäldern erklärt oder bis wir die detaillierteste Dynamik des Zusammenbruchs und der Verdunstung von Schwarzen Löchern beobachten können. Eine Aussage zur relativen Komplexität kann nicht gemacht werden, ohne die Art von Fragen, die wir für jedes System stellen, genau zu definieren. Es gibt wahrscheinlich bestimmte Arten von Anfragen, bei denen unser Wissen einen harten Rand erreicht, aber häufiger handelt es sich um Fragen, die wir stellen, als über die Systeme selbst.

Also Physik kann sei schwer und Biologie kann sei einfach. Der Schwierigkeitsgrad hängt mehr davon ab, welche Fragen gestellt werden als auf dem Feld.

In der Wissenschaft der komplexen Systeme werden oft große Fortschritte an der Schnittstelle zwischen diesen beiden Perspektiven gemacht. Ein Weg vorwärts ist, zuerst die einfachen Fragen zu lösen und dann unsere Antworten zu verwenden, um zu versuchen, Prinzipien zu finden, die hilfreich sind, wenn es um detailliertere Fragen und Theorien geht. Es ist möglich, dass wir, wenn wir mit den einfachen Fragen beginnen, langsam zu den harten "aufbauen" können.

Oder, in der entgegengesetzten Richtung, könnte die Beobachtung der seltsamen Ähnlichkeit der Phänomene über die Disziplinen hinweg dazu führen, dass wir nach brandneuen Mechanismen und Prinzipien suchen. Dies wird manchmal eine weniger detaillierte, abstraktere Perspektive erfordern - was unser Kollege John Miller in seinem Buch diskutiert, zitiert den Nobelpreisträger Physiker Murray Gell-Mann Ein grober Blick auf das Ganze (2016). Diese primitiven Blicke - gezwungen durch die Abgelegenheit der Physik und durch die Intimität der Biologie verdeckt - sollten in den kommenden Jahren zu vielen tieferen Einsichten und Vereinfachungen in der Wissenschaft führen.

Über den Autor

Chris Kempes ist Professor am Santa Fe Institute und arbeitet an der Schnittstelle von Physik, Biologie und Geowissenschaften.

Van Savage ist Professor für Ökologie, Evolutionsbiologie und Biomathematik an der Universität von Kalifornien, Los Angeles.

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht unter Äon und wurde unter Creative Commons veröffentlicht. Veröffentlicht in Zusammenarbeit mit dem Santa Fe Institute, einem strategischen Partner von Aeon.Aeon Zähler - nicht entfernen

Bücher zum Thema

{amazonWS: searchindex = Bücher; Stichworte = Innovationen zur Problemlösung; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

Folge InnerSelf weiter

facebook-icontwitter-iconRSS-Symbol

Holen Sie sich das Neueste per E-Mail

{Emailcloak = off}

Richtige 2 Ad Adsterra