當你達到極限時,學會提出不同的問題

當你達到極限時,學會提出不同的問題

和準備科學考試的高中生交談,你可能會聽到兩件事:他們害怕物理學,而且對生物學比較滿意。 奇怪的是,這與大多數研究人員的觀點相反。

和準備科學考試的高中生交談,你可能會聽到兩件事:他們害怕物理學,而且對生物學比較滿意。 奇怪的是,這與大多數研究人員的觀點相反。 科學的時代精神是物理學很容易。 它的簡單性來自於創造有力預測的晶體理論的能力,從亞原子粒子的存在到光在恆星周圍的彎曲。 另一方面,生物學更難以提煉出優雅的定理和數學方程式。 出於這個原因,一些著名的思想家都有 爭論 細胞和森林比遙遠和難以觀察的黑洞更難理解。

但也許沒有簡單或嚴格的紀律。 也許只有簡單而難以解決的問題。 僅限生物學 似乎 這麼難,因為它是由一系列非常難的問題定義的。 僅限物理學 似乎 很容易,因為深刻洞察力的思想家經過幾個世紀的努力已經產生了一系列可回答的問題。

具有諷刺意味的是,生物學如此具有挑戰性的是我們對它的接近程度。 問問自己:誰更容易理解 - 浪漫迷戀還是工作同事? 我們與生物學以及心理學和社會科學的親密關係使我們已經掌握了深刻的知識來質疑這些現象。 我們問非常詳細的問題,然後我們對看似神秘或矛盾的答案感到驚訝。

在森林中散步時,我們可能會觀察到楓樹上不尋常的樹葉形狀。 這可能會讓我們想知道為什麼葉子有裂片,為什麼它們在秋天變紅,什麼昆蟲生活在落葉中,以及它們如何分解和餵養土壤。 儘管我們提出這些問題的自然性,但這些問題看似複雜。 相比之下,冷空間的巨大空間和誇張的不可思議的小空間對我們來說是如此陌生,以至於我們很自豪 - 至少在最初階段 - 說出這些實體最簡單的事情,甚至只是為了證明它們存在。

親密關係有時也減緩了我們對物理學的理解。 行星如何移動的問題是人類最古老的痴迷之一,貫穿了許多不同的神話。 然而,由於我們物種的自我吸收,長期的本輪理論錯誤地將地球置於宇宙的中心 - 這個錯誤在2,000年左右持續存在。 當問題被抽象為牛頓物理學中的力,質量和引力問題時,行星運動變得更容易預測和理解。

對於物理學家來說,仍有許多難題可以解決。 如果物理學在預測下一個可能干擾地球電信的太陽耀斑方面的聲譽,它將被視為一個更加複雜和困難的學科。 為什麼? 因為模擬產生太陽表面動力學的許多機制 - 所涉及的所有引力,電磁,熱和核過程 - 都是非常棘手的。 至於行星運動,我們可以通過認識到太陽的巨大質量讓我們忽略其他天體的影響,來獲得足夠好的行星軌跡圖。 但如果我們真的想要了解這些細節,我們很快就會發現,我們無法準確預測三個質量相等的物體的運動。 同樣,對於混沌理論,我們了解到我們只能粗略猜測兩個擺動的特定位置,這兩個擺的運動是耦合在一起的。 但是,我們不能肯定地說任何一個鐘擺都在哪裡。

P也許我們對生物學所要求的問題太難了。 我們如何拯救個人生命? 為什麼這個藍鳥比另一個稍暗? 但僅僅因為我們對生物學的要求更高並不意味著我們不能提出稍微容易的問題。 事實上,借鑒“簡單”的物理學可以幫助我們弄清楚如何 那些問題。 物理學家特別擅長尋找適用於多個系統的普遍,大規模現象,這可能是簡單共享機制的結果。

採取的想法 生物縮放。 這個概念源於早期的觀察結果,即哺乳動物的代謝率可以通過一種可預測和非線性的方式取決於體型 權力法。 冪律是一種數學關係,告訴我們隨著系統的大小增加數量級(即,通過一定數量的倍數,通常為10),一個特徵會有多大變化。 因此,當一個生物的體重增加1,000倍時,生物縮放的原理準確地預測其代謝率將增加100倍。

但是,同樣的數學如何應用於兩個物體之間的引力和不同生境中物種形成的混亂過程之類的簡單事物? 在物理學中,冪律指向在所有尺度上運行的共享機制和對稱性。 在生物學,我們自己 研究 - 以及 Geoffrey B West,James H Brown和Brian J Enquist表明,工作的基本機制是血管網絡的結構和流動。 事實證明,血管傾向於有效地跨越身體並為所有生物細胞提供資源,同時減少對心臟的壓力。 這種簡單的洞察力催生了越來越多的成功理論,這些理論利用優化的生物結構的概念來預測諸如分佈等現象。 在森林裡的樹木,我們需要多長時間 睡覺,a。的增長率 ,最大和最小的 細菌的大小最高的樹 在任何環境中。

然而,生物學也可以產生自己獨特的問題。 例如,作為我們的同事 傑西卡弗拉克 - 大衛Krakauer 在Santa Fe研究所已經表明,代理人(如靈長類動物,神經元和粘液黴菌)的信息處理和決策能力導致了與純物理系統不同的獨特類型的反饋,適應性和因果關係。 生物系統的其他復雜性是否可以通過擴展物理學啟發的觀點(如信息理論)來解釋還有待觀察。 可能一般來說,生物學和復雜系統的研究有朝一日會進展到難以置信的難題 - 或者對問題的精彩重鑄將導致消除當前的挑戰。 正如查爾斯·達爾文(Charles Darwin)通過在自然選擇和變異方面重新闡述關於生命的起源和多樣性的問題所做的那樣,這可能顯示出更容易回答的途徑。

當你達到極限時學會提出不同的問題:沿兩個軸測量的系統的複雜性
系統的複雜性沿著兩個軸測量:1)科學描述所需的細節和精度; 2)在特定現像中組合的機制數量。 最難的科學問題是關於由許多機制組成的系統的詳細問題。

在他的 文章 “更多不同”(1972),物理學家菲利普安德森強調了試圖將一切都降低到最微觀水平的危險。 他專注於在不同尺度的自然現像中發生的複雜性跳躍 - 例如從量子力學轉向化學。 然而,讀者經常忽視他的論點,即有效的理論應該依賴於解釋系統潛在機制的構建塊 - 即使這些構件是相對大型或中型實體。

在後一種觀點的基礎上,我們的論點就是我們 不知道 如果黑洞比森林更簡單。 我們 不能 知道,直到我們有一個解釋森林存在的一般有效理論,或直到我們能夠觀察到最詳細的黑洞坍塌和蒸發動態。 如果沒有徹底定義我們為每個系統提出的問題類型,就無法做出相對複雜性的陳述。 可能存在某些類型的查詢,我們的知識將會遇到困難,但更常見的是我們提出的問題而不是系統本身。

物理學 能夠 很難,還有生物學 能夠 放輕鬆。 難度取決於所詢問的問題而不是現場。

在復雜系統科學中,通常在這兩種觀點之間的界面上取得了巨大進步。 前進的一條道路是首先解決簡單的問題,然後使用我們的答案,試著找到有關更詳細的問題和理論時有用的原則。 從簡單的問題開始,我們可以慢慢“積累”到困難的問題。

或者,在相反的方向上,觀察跨學科的現象的奇怪相似性可能會使我們傾向於尋找全新的機制和原則。 這有時需要一個不那麼詳細,更抽象的視角 - 我們的同事約翰·米勒引用諾貝爾獎獲獎物理學家默里·蓋爾曼的話,在他的書中討論了這一點。 粗略看待整體 (2016)。 這些粗糙的外表 - 由於物理學的偏僻而被迫被生物學的親密所掩蓋 - 應該在未來幾年中產生更多深刻的科學見解和簡化。

關於作者

Chris Kempes是Santa Fe Institute的教授,從事物理學,生物學和地球科學的交叉。

Van Savage是加州大學洛杉磯分校的生態學,進化生物學和生物數學教授。

本文最初發表於 永世 並已在知識共享下重新發布。 與Aeon戰略合作夥伴Santa Fe Institute合作出版。永旺櫃檯 - 不要刪除

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