Quando raggiungi un limite, impara a fare domande diverse

Quando raggiungi un limite, impara a fare domande diverse

Parla agli studenti delle scuole superiori che si preparano per i loro esami di scienze e probabilmente sentirai due cose: che hanno paura della fisica e sono relativamente a loro agio con la biologia. Stranamente, questo è contrario alla visione della maggior parte dei ricercatori.

Parla agli studenti delle scuole superiori che si preparano per i loro esami di scienze e probabilmente sentirai due cose: che hanno paura della fisica e sono relativamente a loro agio con la biologia. Stranamente, questo è contrario alla visione della maggior parte dei ricercatori. Lo zeitgeist scientifico è che la fisica è facile. La sua semplicità deriva dalla capacità di creare teorie cristalline che sono potentemente predittive, per ogni cosa, dall'esistenza di particelle subatomiche a come la luce si piega intorno alle stelle. La biologia, d'altra parte, è molto più difficile da distillare in eleganti teoremi ed equazioni matematiche. Per questo motivo, alcuni pensatori eminenti hanno sostenuto che le celle e le foreste sono più difficili da capire rispetto ai buchi neri distanti e difficili da osservare.

Ma forse non esiste una disciplina facile o difficile. Forse ci sono solo domande facili e difficili. Solo biologia sembra così difficile perché è stato definito da una serie di domande molto difficili. Solo fisica sembra facile perché secoli di sforzi da parte di pensatori profondamente perspicaci hanno prodotto una serie di domande comprensibili.

Ciò che rende la biologia così difficile, ironia della sorte, è la nostra vicinanza ad esso. Chiediti: chi è "più facile" da capire - una cotta romantica o un collega di lavoro? La nostra intimità con la biologia - oltre che con la psicologia e le scienze sociali - ci ha portato a interrogare questi fenomeni con una conoscenza profonda già in mano. Facciamo domande molto dettagliate e quindi siamo sorpresi dalle risposte apparentemente misteriose o contraddittorie.

Durante una passeggiata attraverso la foresta, potremmo osservare le forme insolite del fogliame su un albero di acero. Questo potrebbe indurci a chiederci perché le foglie hanno i lobi, perché diventano rossi in autunno, quali insetti vivono nella lettiera delle foglie e come si decompongono e nutrono il terreno. Queste domande sono ingannevolmente complesse, nonostante la naturalezza con cui le chiediamo. Al contrario, il freddo vasto vuoto dello spazio e l'invisibile piccolezza dei quark ci sono così estranei che siamo orgogliosi - almeno inizialmente - di dire le cose più semplici su queste entità, anche solo per dimostrare che esse esistono.


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L'intimità ha talvolta rallentato la nostra comprensione anche in fisica. La domanda su come si muovono i pianeti è una delle ossessioni più antiche dell'umanità e attraversa molte mitologie diverse. Eppure grazie all'autoassorbimento della nostra specie, la vecchia teoria degli epicicli collocava erroneamente la Terra al centro dell'Universo, un errore che persisteva per circa 2,000 anni. Quando la questione era astratta in materia di forza, massa e gravità nella fisica newtoniana, il moto planetario divenne molto più facile da prevedere e capire.

Ci sono ancora molte domande difficili da risolvere per i fisici. Se la fisica vincesse la sua reputazione nel predire il prossimo brillamento solare che potrebbe interferire con le telecomunicazioni sulla Terra, sarebbe considerata una disciplina molto più complicata e difficile. Perché? Perché modellare i molti meccanismi che producono la dinamica della superficie del Sole - tutti i processi gravitazionali, elettromagnetici, termici e nucleari coinvolti - è diabolicamente difficile. Per quanto riguarda il moto planetario, possiamo ottenere un'immagine abbastanza buona della traiettoria di un pianeta riconoscendo che la massa del nostro sole ci consente di ignorare l'influenza di altri corpi celesti. Ma se volessimo davvero occuparci di questi dettagli, presto scopriremmo che non possiamo prevedere con precisione il movimento di tre corpi di uguale massa. Allo stesso modo, con la teoria del caos, abbiamo imparato che possiamo fare solo ipotesi approssimative sulla posizione specifica di due pendoli il cui movimento è accoppiato. Tuttavia, non possiamo dire con certezza dove mai il pendolo sarà.

Pforse le domande che abbiamo chiesto alla biologia sono troppo difficili. Come possiamo salvare una vita umana individuale? Perché questo bluejay è leggermente più scuro dell'altro? Ma solo perché chiediamo di più dalla biologia non significa che non possiamo porre domande leggermente più semplici. In effetti, attingere alla fisica "facile" può aiutarci a capire come Find quelle domande. I fisici sono particolarmente bravi a cercare fenomeni pervasivi su larga scala che si applicano a più sistemi e che sono probabilmente il risultato di meccanismi semplici e condivisi.

Prendi l'idea di ridimensionamento biologico. Questo concetto deriva dalle prime osservazioni che il tasso metabolico di un mammifero dipende prevedibilmente e non linearmente dalle dimensioni del corpo attraverso a legge di potenza. Una legge di potenza è una relazione matematica che ci dice quanto cambia una caratteristica quando la dimensione del sistema aumenta di ordini di grandezza (cioè di multipli di un certo numero, di solito 10). Quindi, quando la massa corporea di una creatura aumenta di 1,000-fold, i principi del ridimensionamento biologico predicono con precisione che il suo tasso metabolico aumenterà 100-fold.

Ma come può la stessa matematica applicare a qualcosa di così semplice come l'attrazione gravitazionale tra due oggetti e il processo disordinato di speciazione attraverso habitat diversi? In fisica, le leggi di potenza indicano meccanismi e simmetrie condivisi che operano su tutte le scale. In biologia, la nostra ricerca - così come quella di Geoffrey B West, James H Brown e Brian J Enquist - mostra che il meccanismo fondamentale al lavoro è la struttura e il flusso delle reti vascolari. Si scopre che i vasi sanguigni tendono a estendere in modo efficiente il corpo e fornire risorse a tutte le cellule di una creatura, riducendo allo stesso tempo lo sforzo sul cuore. Questa semplice intuizione ha dato vita a un numero crescente di teorie di successo che utilizzano l'idea di una struttura biologica ottimizzata per prevedere fenomeni come la distribuzione di alberi in una foresta, quanto tempo abbiamo bisogno di sonno, il tasso di crescita di a tumore, il più grande e il più piccolo dimensioni dei batteri e l'albero più alto possibile in qualsiasi ambiente.

Tuttavia, la biologia può anche dare origine a domande uniche. Ad esempio, come i nostri colleghi Jessica Flack e David Krakauer al Santa Fe Institute hanno dimostrato che le capacità di elaborazione delle informazioni e di presa decisionale degli agenti (come primati, neuroni e muffe melmose) portano a tipi unici di feedback, adattabilità e causalità che differiscono dai sistemi puramente fisici. Resta da vedere se le complessità aggiuntive dei sistemi biologici possono essere spiegate espandendosi su prospettive ispirate alla fisica come la teoria dell'informazione. Potrebbe essere che lo studio della biologia e dei sistemi complessi in generale progredirà un giorno in domande insormontabili e difficili - o che una brillante rifusione delle domande porterà all'eliminazione delle sfide attuali. Questo potrebbe mostrare un percorso verso risposte più semplici, come fece Charles Darwin riformulando domande sulle origini e sulla diversità della vita in termini di selezione naturale e variazione.

e quando raggiungi un limite impara a fare domande diverse: la complessità dei sistemi misurati lungo due assi
La complessità dei sistemi misurati lungo due assi: 1) il dettaglio e la precisione richiesti dalla descrizione scientifica; 2) il numero di meccanismi combinati in un particolare fenomeno. Le scienze più dure fanno domande dettagliate sui sistemi che sono composti da molti meccanismi.

Nella sua articolo 'More Is Different' (1972), il fisico Philip Anderson ha evidenziato i pericoli del tentativo di ridurre tutto al livello più microscopico. Si concentrò invece sui salti di complessità che si verificano a varie scale di fenomeni naturali - come passare dalla meccanica quantistica alla chimica. Tuttavia, i lettori spesso trascurano la sua tesi secondo cui le teorie efficaci dovrebbero basarsi su elementi costitutivi che spiegano i meccanismi sottostanti di un sistema, anche se tali elementi costitutivi sono entità relativamente grandi o di medie dimensioni.

Basandoci su quest'ultima prospettiva, la nostra argomentazione è che noi non lo so se i buchi neri sono più semplici delle foreste. Noi non può Sappi, finché non abbiamo una teoria generale efficace che spiega l'esistenza delle foreste o finché non possiamo osservare la dinamica più dettagliata del collasso dei buchi neri e dell'evaporazione. Una dichiarazione di relativa complessità non può essere formulata senza definire a fondo il tipo di domande che stiamo chiedendo per ciascun sistema. Ci sono probabilmente alcuni tipi di richieste in cui la nostra conoscenza colpirà duramente, ma più spesso si tratta di domande che poniamo piuttosto che dei sistemi stessi.

Quindi fisica può essere duro, e la biologia può essere facile. Il grado di difficoltà dipende più dalle domande che vengono poste che dal campo.

All'interno della scienza dei sistemi complessi, spesso vengono fatti grandi progressi nell'interfaccia tra queste due prospettive. Un passo avanti è quello di risolvere prima le domande facili, e poi usare le nostre risposte per cercare di trovare dei principi che sono utili quando si tratta di domande e teorie più dettagliate. È possibile che iniziando con le domande facili, possiamo lentamente "accumulare" quelle difficili.

Oppure, nella direzione opposta, osservare la strana somiglianza tra i fenomeni attraverso le discipline potrebbe spingerci a cercare nuovi meccanismi e principi. Ciò a volte richiederà una prospettiva meno dettagliata e più astratta - ciò che il nostro collega John Miller, citando il fisico premio Nobel Murray Gell-Mann, discute nel suo libro Uno sguardo crudo al tutto (2016). Questi sguardi grezzi - costretti dalla lontananza della fisica e oscurati dall'intimità della biologia - dovrebbero produrre molte più profonde intuizioni e semplificazioni scientifiche negli anni a venire.

Circa l'autore

Chris Kempes è un professore al Santa Fe Institute, che lavora all'incrocio tra fisica, biologia e scienze della terra.

Van Savage è professore di ecologia, biologia evoluzionistica e biomatematica all'Università della California, a Los Angeles.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su Eone ed è stato ripubblicato sotto Creative Commons. Pubblicato in associazione con il Santa Fe Institute, un partner strategico di Aeon.Contatore Aeon: non rimuovere

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