Lorsque vous atteignez une limite, apprenez à poser différentes questions

Lorsque vous atteignez une limite, apprenez à poser différentes questions

Parlez aux élèves du secondaire qui se préparent à leurs examens de sciences. Vous entendrez probablement deux choses: ils ont peur de la physique et sont relativement à l'aise avec la biologie. Curieusement, cela est contraire à l'opinion de la plupart des chercheurs.

Parlez aux élèves du secondaire qui se préparent à leurs examens de sciences. Vous entendrez probablement deux choses: ils ont peur de la physique et sont relativement à l'aise avec la biologie. Curieusement, cela est contraire à l'opinion de la plupart des chercheurs. L'esprit scientifique est que la physique est facile. Sa simplicité découle de sa capacité à créer des théories cristallines puissamment prédictives, allant de l’existence de particules subatomiques à la courbure de la lumière autour des étoiles. La biologie, en revanche, est beaucoup plus difficile à décomposer en élégants théorèmes et équations mathématiques. Pour cette raison, certains penseurs éminents ont argumenté que les cellules et les forêts sont plus difficiles à comprendre que les trous noirs distants et difficiles à observer.

Mais peut-être n'y a-t-il pas une discipline facile ou difficile. Peut-être n'y a-t-il que des questions faciles et difficiles. Biologie seulement semble si difficile car il a été défini par un ensemble de questions très difficiles. Physique seulement semble facile parce que des siècles d'efforts de la part de penseurs profondément perspicaces ont produit un ensemble de questions susceptibles de réponse.

Ironiquement, ce qui rend la biologie si difficile, c’est notre proximité. Demandez-vous: qui est 'plus facile à comprendre - un béguin romantique ou un collègue de travail? Notre intimité avec la biologie - ainsi qu'avec la psychologie et les sciences sociales - nous a amenés à interroger ces phénomènes avec une connaissance approfondie déjà en main. Nous posons des questions très détaillées, puis nous sommes surpris par les réponses apparemment mystérieuses ou contradictoires.

Lors d'une promenade dans la forêt, nous pourrions observer les formes inhabituelles du feuillage sur un érable. Cela peut nous amener à nous demander pourquoi les feuilles ont des lobes, pourquoi elles deviennent rouges en automne, quels insectes vivent dans la litière de feuilles et comment ils se décomposent et nourrissent le sol. Ces questions sont d'une complexité trompeuse, malgré le naturel avec lequel nous les posons. En revanche, le vaste vide froid de l’espace et l’incroyable petitesse des quarks nous sont si étrangers que nous sommes fiers - du moins au début - de dire les choses les plus simples sur ces entités, même pour montrer qu’elles existent.

L'intimité a parfois ralenti notre compréhension de la physique. La question du mouvement des planètes est l’une des plus anciennes obsessions de l’humanité et traverse de nombreuses mythologies. Cependant, grâce à l'absorption de soi de notre espèce, la longue théorie des épicycles plaçait à tort la Terre au centre de l'Univers - une erreur qui perdura pendant des années 2,000. Lorsque la question fut résumée aux questions de force, de masse et de gravité dans la physique newtonienne, le mouvement des planètes devint beaucoup plus facile à prévoir et à comprendre.

Les physiciens ont encore de nombreuses questions difficiles à résoudre. Si la physique fondait sa réputation sur la prédiction de la prochaine éruption solaire susceptible d'interférer avec les télécommunications sur Terre, cela serait considéré comme une discipline beaucoup plus complexe et difficile. Pourquoi? Parce que modéliser les nombreux mécanismes qui produisent la dynamique de la surface du Soleil - tous les processus gravitationnels, électromagnétiques, thermiques et nucléaires impliqués - est terriblement délicat. En ce qui concerne le mouvement planétaire, nous pouvons obtenir une image assez bonne de la trajectoire d’une planète en reconnaissant que la massivité de notre Soleil nous permet d’ignorer l’influence des autres corps célestes. Mais si nous voulions vraiment nous occuper de ces détails, nous découvririons bientôt que nous ne pouvons pas prédire avec précision le mouvement de trois corps de masse égale. De même, avec la théorie du chaos, nous avons appris que nous ne pouvons que deviner de manière approximative la position spécifique de deux pendules dont le mouvement est couplé. Cependant, nous ne pouvons pas dire avec certitude où sera l'un ou l'autre pendule.

PLes questions que nous avons posées à la biologie sont peut-être trop difficiles. Comment sauver une vie humaine individuelle? Pourquoi ce bluejay est-il légèrement plus foncé que l'autre? Mais ce n’est pas parce que nous demandons plus de biologie que nous ne pouvons pas poser de questions un peu plus faciles. En fait, s’appuyer sur une physique «facile» peut nous aider à comprendre comment trouver ces questions. Les physiciens sont particulièrement doués pour rechercher des phénomènes omniprésents, généralisés, applicables à de multiples systèmes et susceptibles de résulter de mécanismes simples et partagés.

Prenons l'idée de mise à l'échelle biologique. Ce concept découle des premières observations selon lesquelles le taux métabolique d'un mammifère dépend de manière prévisible et non linéaire de la taille du corps via un loi de puissance. Une loi de puissance est une relation mathématique qui indique à quel point une caractéristique change lorsque la taille du système augmente d'un ordre de grandeur à l'autre (c'est-à-dire, par multiples d'un certain nombre, généralement 10). Ainsi, lorsque la masse corporelle d'une créature augmente d'un facteur 1,000, les principes de la mise à l'échelle biologique permettent de prédire avec précision que son taux métabolique augmentera le facteur 100.

Mais comment les mêmes mathématiques peuvent-elles s’appliquer à quelque chose d'aussi simple que l'attraction gravitationnelle entre deux objets et le processus désordonné de la spéciation dans divers habitats? En physique, les lois de puissance indiquent des mécanismes partagés et des symétries qui fonctionnent à toutes les échelles. En biologie, notre propre recherche - aussi bien que cette de Geoffrey West, James H Brown et Brian J. Enquist - montre que le mécanisme fondamental à l’œuvre est la structure et le flux des réseaux vasculaires. Il s'avère que les vaisseaux sanguins ont tendance à s'étendre efficacement sur le corps et à fournir des ressources à toutes les cellules d'une créature tout en réduisant la pression sur le cœur. Cette idée simple a donné naissance à un nombre croissant de théories réussies qui utilisent l’idée d’une structure biologique optimisée pour prédire des phénomènes tels que la distribution des arbres dans une forêt, combien de temps faut-il sommeil, le taux de croissance d'un tumeur, le plus grand et le plus petit tailles de bactéries, et le plus grand arbre possible dans n'importe quel environnement.

Cependant, la biologie peut aussi donner lieu à ses propres questions. Par exemple, comme nos collègues Jessica Flack David Krakauer à l'Institut Santa Fe ont montré que les capacités de traitement de l'information et de prise de décision d'agents (tels que les primates, les neurones et les moisissures visqueuses) conduisent à des types uniques de rétroaction, d'adaptabilité et de causalité différents des systèmes purement physiques. Il reste à voir si les complexités supplémentaires des systèmes biologiques peuvent être expliquées en développant des perspectives inspirées de la physique telles que la théorie de l'information. Il se peut que l’étude de la biologie et des systèmes complexes en général progresse un jour vers des questions insurmontables - ou qu’une brillante refonte de ces questions conduise à l’élimination des défis actuels. Cela pourrait montrer la voie à des réponses plus faciles, comme Charles Darwin l'a fait en reformulant des questions sur les origines et la diversité de la vie en termes de sélection et de variation naturelles.

Dès que vous atteignez une limite, apprenez à poser différentes questions: La complexité des systèmes mesurée selon deux axes
La complexité des systèmes mesurés selon deux axes: 1) le détail et la précision requis de la description scientifique; 2) le nombre de mécanismes combinés dans un phénomène particulier. Les sciences les plus difficiles posent des questions détaillées sur les systèmes composés de nombreux mécanismes.

Dans son article "More Is Different" (1972), le physicien Philip Anderson a souligné les dangers liés à la tentative de tout réduire au plus microscopique. Il s'est plutôt concentré sur les sauts de complexité qui se produisent à différentes échelles des phénomènes naturels - tels que le passage de la mécanique quantique à la chimie. Cependant, les lecteurs oublient souvent son argument selon lequel les théories efficaces devraient reposer sur des blocs de construction expliquant les mécanismes sous-jacents d’un système - même si ces blocs de construction sont des entités relativement grandes ou de taille moyenne.

Sur la base de cette dernière perspective, notre argument est que nous ne sais pas si les trous noirs sont plus simples que les forêts. nous ne peut pas savoir, jusqu’à ce que nous ayons une théorie générale efficace expliquant l’existence de forêts ou jusqu’à ce que nous puissions observer la dynamique la plus détaillée de l’effondrement et de l’évaporation des trous noirs. Une déclaration de complexité relative ne peut être faite sans une définition détaillée du type de questions que nous posons pour chaque système. Il y a probablement certains types d'enquêtes pour lesquels nos connaissances vont devenir extrêmement difficiles, mais le plus souvent, ce sont des questions que nous posons plutôt que des systèmes eux-mêmes.

Donc physique peuvent être dur, et la biologie peuvent être facile. Le degré de difficulté dépend davantage des questions posées que du terrain.

Au sein de la science des systèmes complexes, de grands progrès sont souvent réalisés à l’interface entre ces deux perspectives. Une solution consiste d'abord à résoudre les questions simples, puis à utiliser nos réponses pour essayer de trouver des principes utiles pour des questions et des théories plus détaillées. Il est possible qu'en commençant par les questions faciles, nous puissions lentement nous «développer» pour les plus difficiles.

Ou, dans le sens opposé, observer l'étrange similitude des phénomènes entre disciplines pourrait nous inciter à rechercher de nouveaux mécanismes et principes. Cela exigera parfois une perspective moins détaillée et plus abstraite - ce que notre collègue John Miller, citant le physicien primé au prix Nobel Murray Gell-Mann, discute dans son livre Un regard brut sur l'ensemble (2016). Ces regards rudimentaires - forcés par l'éloignement de la physique et obscurcis par l'intimité de la biologie - devraient donner lieu à beaucoup plus de réflexions profondes et de simplifications de la science dans les années à venir.

A propos de l'auteur

Chris Kempes est professeur à l'Institut de Santa Fe. Il travaille à l'intersection de la physique, de la biologie et des sciences de la Terre.

Van Savage est professeur d'écologie, de biologie évolutive et de biomathématique à l'Université de Californie à Los Angeles.

Cet article a été initialement publié sur Temps infini et a été republié sous Creative Commons. Publié en association avec le Santa Fe Institute, un partenaire stratégique d’Aeon.Compteur Aeon - ne pas enlever

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