あなたが限界に達すると、別の質問をすることを学ぶ

あなたが限界に達すると、別の質問をすることを学ぶ

科学試験の準備をしている高校生と話すと、おそらく物理学を怖がって生物学には比較的慣れているという2つのことが聞こえるでしょう。 不思議なことに、これはほとんどの研究者の見解に反する。

科学試験の準備をしている高校生と話すと、おそらく物理学を怖がって生物学には比較的慣れているという2つのことが聞こえるでしょう。 不思議なことに、これはほとんどの研究者の見解に反する。 科学的な精神科医は、物理学は簡単だということです。 そのシンプルさは、原子核の存在から光が星の周りでどのように曲がるかのすべてのために、強力に予測的な結晶理論を作り出す能力から来ています。 一方、生物学は、エレガントな定理や数学的方程式に掘り下げることはずっと難しい。 このため、著名な思想家の中には、 主張した 遠くて観察が困難なブラックホールよりも細胞や森林を理解することは難しいということです。

しかし、おそらく、簡単なやりとりのようなものはありません。 多分簡単で難しい質問があるだけかもしれません。 生物学のみ と思われる それは非常に難しい質問のセットによって定義されているので、とても難しいです。 物理学のみ と思われる 深く洞察力のある思想家による何世紀もの努力が、一連の答えることのできる質問を生み出したためです。

皮肉なことに、生物学を非常に挑戦的にするのは、私たちがそれに近いことです。 自分自身に質問してください。誰が理解しやすいのですか?ロマンチックな怒りや仕事の同僚? 生物学や心理学や社会科学との親密さは、すでにわかっている深い知識でこれらの現象を調べるようになった。 私たちは非常に詳細な質問をして、一見不思議で矛盾した答えに驚いています。

森を散歩して、私たちはメープルツリーの葉の珍しい形を観察するかもしれません。 なぜそれが葉に葉があるのか​​、秋には赤に変わるのか、葉のごみにはどんな昆虫が生息するのか、どのように土壌を分解して餌を与えるのだろうか。 これらの質問は、私たちがそれらに求める自然さにもかかわらず、信じられないほど複雑です。 これとは対照的に、宇宙の冷たい広大な宇宙とクオークの捉えることのできない小さなものは、私たちにとって非常に異質なものであり、少なくとも最初はこれらの存在について最も簡単なことを言い、それが存在することを示すことさえ誇りに思います。

親密さは、時には物理学における私たちの理解も遅らせた。 惑星がどのように動くのかという疑問は、人類の最古の執念の一つであり、さまざまな神話を駆使しています。 しかし、私たちの種の自己吸収のおかげで、長周期のエピサイクリングの理論は、地球を宇宙の中心に間違って置いていました.2,000年頃の間違いでした。 問題がニュートン物理学の力、質量、重力の問題に抽象化されたとき、惑星の動きはより簡単に予測され、理解されました。

物理学者が困惑するのはまだまだ難問です。 物理学が地球上の電気通信を妨げる可能性のある次の太陽フレアを予測するという評判を固めた場合、それははるかに複雑で難しい規律と見なされます。 どうして? 太陽の表面のダイナミックスを生成する多くのメカニズム(重力、電磁気、熱および核プロセスのすべて)をモデリングすることは、大変難しいことです。 惑星の動きについては、太陽の質量が他の天体の影響を無視できるということを認識することによって、惑星の軌道の十分な画像を得ることができます。 しかし、我々が本当にこれらの詳細に関わりたいと思えば、私たちはすぐに、3つの等しい質量の物体の動きを正確に予測することができないことを知ります。 同様に、カオス理論では、運動が結合している2つの振り子の特定の位置について、おおまかな推測しかできないことを学びました。 しかし、どちらの振り子がどこになるのか確実に言うことはできません。

P私たちが生物学に対して求めている質問は、あまりにも難しいかもしれません。 人間の人生をどのように救うのですか? なぜこのブルージェイはもう少し暗いのですか? しかし、私たちが生物学からもっと多くを求めているということは、やや簡単な質問をすることはできません。 実際、「簡単な」物理学を使って描くことは、 find それらの質問。 物理学者は、複数のシステムにわたって適用され、シンプルで共有されたメカニズムの結果である可能性が高い、普及した大規模な現象を探すことに特に優れています。

のアイデアを取る 生物学的スケーリング。 この概念は、哺乳動物の代謝速度が、体の大きさに予測可能かつ非線形的に依存するという初期の観察から生じる 電力法則。 べき乗則は、システムのサイズが桁違いに増加する(つまり、特定の数の倍数、通常は10)に応じて、機能がどれだけ変化するかを示す数学的関係です。 したがって、生物の体重が1,000倍増加すると、生物学的スケーリングの原則は、その代謝率が100倍に増加することを正確に予測します。

しかし、同じ数学は、2つのオブジェクト間の重力引っ張りと多様な生息地の間の種の乱雑なプロセスのような単純なものにどのように適用できますか? 物理学では、法則はすべてのスケールで動作する共有メカニズムと対称性を指しています。 生物学では、私たち自身が 研究 - と同様 それ ジェフリー・B・ウェスト、ジェームス・H・ブラウン、ブライアン・J・エンキストの論文 - は、仕事における基本的なメカニズムは血管ネットワークの構造と流れであることを示しています。 血管は効率的に身体に広がり、心臓への負担を軽減しながら、すべての生き物の細胞に資源を提供する傾向があることが判明しました。 この単純な洞察は、最適化された生物学的構造のアイデアを用いて、 森の木、私たちがどれくらいの時間を必要とするか 眠る、成長率 腫瘍、最大と最小 細菌の大きさ、および 最も高い可能性のある木 どんな環境でも。

しかし、生物学は独自の疑問を生み出すこともあります。 たとえば、同僚として ジェシカフラック そして、 デビッドクラカウアー サンタフェ研究所では、エージェント(霊長類、ニューロン、粘液型など)の情報処理と意思決定能力が、純粋に物理的なシステムとは異なる独自のフィードバック、適応性、因果関係をもたらすことを示しています。 生物学的システムの追加的な複雑さが、情報理論のような物理学的な観点から拡大することで説明できるかどうかはまだ分かっていない。 生物学や複雑なシステムの研究は、一般的には懸命に困難な質問に突き進んでいるのかもしれません。あるいは、質問を鮮明に再現すると、現在の課題がなくなるでしょう。 これはチャールズ・ダーウィンが自然選択と多様性の観点から人生の起源と多様性に関する問題を再定式化したように、より簡単な答えへの道を示すかもしれない。

あなたが限界に達すると、異なる質問をすることを学ぶ:2軸に沿って測定されるシステムの複雑さ
2つの軸に沿って測定されるシステムの複雑さ:1)科学的記述に必要な詳細と精度。 2)特定の現象において結合されるメカニズムの数。 最も難しい科学は、多くの仕組みで構成されたシステムについて詳細な質問をします。

彼の 記事 物理学者のフィリップ・アンダーソン(Philip Anderson)は、「もっと違っている」(1972)は、すべてを最も微視的なレベルまで減らそうとする危険性を強調しました。 彼は代わりに、量子力学から化学に移行するなど、自然現象の様々なスケールで発生する複雑さの飛躍に焦点を当てました。 しかし、読者は、効果的な理論が、システムの基礎となるメカニズムを説明するビルディングブロック(たとえそれらのビルディングブロックが比較的大規模または中規模のエンティティであっても)に安住すべきであるという彼の主張をしばしば見落としている。

この後者の視点を踏まえて、我々の主張は、 知らない ブラックホールが森林より単純な場合 我々 することはできません 森林の存在を説明する一般的な効果的な理論があるまで、またはブラックホールの崩壊と蒸発の最も詳細なダイナミクスを観察するまで、私たちは知っています。 それぞれのシステムに求めている質問のタイプを徹底的に定義しなければ、相対的な複雑性に関する記述はできません。 おそらく、私たちの知識が強く打ちのめされる特定のタイプの問い合わせがありますが、それはシステム自体よりも私たちが抱いている疑問に関するものです。

だから物理学 できる 難しく、生物学である できる 簡単です。 難易度は、どの質問が現場よりも求められているかによります。

複雑なシステム科学の中で、これらの2つの視点の間には大きな進歩があることが多い。 一つ目の道は、最初に簡単な質問を解決し、私たちの答えを使って、より詳細な質問や理論に役立つ原則を見つけることです。 簡単な質問から始めれば、難しいものまでゆっくりと「構築」することが可能です。

あるいは、逆の方向で、学問間の現象の奇妙な類似性を観察することは、新しいメカニズムや原理を模索するように私たちを傾けてしまうかもしれません。 これは、より詳細ではなく、より抽象的な観点を必要とする場合があります。私たちの同僚John Miller氏は、ノーベル物理学者のMurray Gell-Mannを引用し、彼の本 全体を見渡す原点 (2016)。 物理学の遠隔性によって強制され、生物学の親密さによって不明瞭にされたこれらの粗い外見は、今後数年間に、より多くの深い洞察と科学の単純化をもたらすはずです。

著者について

Chris Kempesはサンタフェ研究所の教授で、物理学、生物学、地球科学の交点で働いています。

Van Savageは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の生態学、進化生物学、生物物理学の教授です。

この記事は、もともとに公開されました イオン クリエイティブ・コモンズのもとで再公開されています。 Aeon Strategic Partner、Santa Fe Instituteと共同で発行されました。イオンカウンター - 削除しない

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