اگر با دانشجویان دبیرستانی که برای امتحان‌های علمی خود آماده می‌شوند، صحبت کنید؛ احتمالا در رابطه با دو موضوع مختلف خواهید شنید: اینکه آن‌ها از فیزیک می‌ترسند ولی با درس زیست شناسی نسبتا راحت‌تر هستند. به طور عجیبی، این موضوع مغایر با دیدگاه اکثر محققان است. مطابق با ذهنیت علمی، فیزیک باید آسان باشد. سادگی آن به علت وجود توانایی ایجاد نظریه‌های واضحی است که به طور قدرتمندی می‌توان آن‌ها را پیش بینی کرد، نظریه‌هایی از قبیل وجود ذرات زیراتمی تا چگونگی خم شدن نور در اطراف ستارگان. از سوی دیگر، بسیار سخت است که مسائل زیست شناسی را به قضایای ظریف و معادلات ریاضی تبدیل کرد. به همین دلیل، برخی از متفکران برجسته روی این موضوع که مطالعه و فهمیدن مسائل مربوط به سلول‌ها و جنگل‌ها نسبت به فهمیدن سیاه‌چاله‌های دور که به سختی قابل مشاهده هستند،باید دشوارتر باشد، بحث می‌کنند.
اما شاید چنین چیزی، به عنوان یک نظم و ترتیب ساده یا سخت وجود نداشته باشد. شاید فقط سوالاتی وجود دارند سخت یا آسانند. زیست شناسی تنها به این علت بسیار سخت به نظر می‌رسد که توسط مجموعه ای از سوالات بسیار سخت تعریف شده است و فیزیک ساده تر به نظر می‌رسد، زیرا قرن‌ها تلاش متفکران با بصیرتی، مجموعه ای از سوالات قابل پاسخگویی را ارائه می‌دهد.
مسئله‌ای که علم زیست شناسی را چالش برانگیز می‌کند، نزدیک بودن ما به آن است. از خودتان بپرسید: درک کردن چه کسی “ساده‌تر” است؟ شخصی که با او رابطه عاشقانه ای دارید یا یک همکار کاری؟ نزدیکی ما به علم زیست شناسی – و همچنین به روانشناسی و علوم اجتماعی – ما را به تحقیق در مورد این پدیده با استفاده از دانش عمیق که در حال حاضر وجود دارد، می‌کند. ما سوالات پر از جزئیاتی را مطرح می‌کنیم و سپس از پاسخ‌های ظاهرا مرموز یا متناقض شگفت زده می‌شویم.
در زمان راه رفتن در یک مسیر جنگلی، ممکن است شکل‌های غیر معمول شاخ و برگ‌های یک درخت افرا را مشاهده کنیم. این ممکن است ما را به تعجب وا دارد که چرا برگ‌ها گوشه دارند، چرا در پاییز تغییر رنگ داده و قرمز می‌شوند، چه حشراتی در بستر برگ زندگی می‌کنند و آن‌ها چگونه تجزیه شده و باعث تغذیه خاک می‌شوند. با وجود طبیعی بودن چیزهایی که از این سوال‌ها می‌خواهیم، این سوالات بسیار گمراه کننده هستند. در مقابل، خلاء وسیع و سرد موجود در فضا و یا کوچک بودن غیر قابل مشاهده‌ی کوارک‌ها، برای ما بسیار عجیب و غریب هستند. به این علت ما با بیان ساده‌ترین چیزها در مورد این موجودات – حداقل در ابتدا – حتی با نشان دادن وجود آن‌ها، به خود می‌بالیم.
صمیمیت و نزدیکی ما به فیزیک نیز گاهی اوقات، درک ما را نسبت به آن کم کرده است. این سوال که چگونه سیارات حرکت می‌کنند، یکی از قدیمی ترین افکار دائمی بشریت است و از طریق بسیاری از داستان‌های اساطیری مختلف حاصل می‌شود. با این حال، با توجه به ویژگی خود جاذبه گونه‌ی ما، نظریه‌ی به مدت‌های طولانی، زمین را به طور اشتباهی در مرکز جهان قرار داد. این اشتباهی بود که حدود ۲۰۰۰ سال ادامه داشت و روی درستی آن پافشاری می‌شد. هنگامی که این سوال با توجه به مفهوم نیرو، جرم و گرانش در فیزیک نیوتنی، خلاصه شد؛ حرکت سیاره ای بسیار پیش پا افتاده شده و درک آن نیز آسان گردید.
هنوز هم مسائل سخت زیادی وجود دارند تا فیزیک‌دانان آن‌ها را حل کنند. اگر اعتبار فیزیک به پیش بینی جرقه‌ی خورشیدی بعدی‌ای بود که می توانست ارتباطات مخابراتی را در سطح زمین مختل کند؛ آن را به عنوان نظم پیچیده‌تر و سخت‌تری قبول می‌کردیم. چرا؟ زیرا مدل سازی بسیاری از مکانیسم‌هایی که موجب ایجاد دینامیک‌های سطح خورشید می‌شوند – که شامل تمام فرآیندهای گرانشی، الکترومغناطیسی، حرارتی و هسته‌ای می‌شود – به طرز مرموزی پیچیده است. همانند حرکات سیاره‌ای، با دانستن این که جرم زیاد خورشید این اجازه را به ما می‌دهد که تاثیر سایر اجرام آسمانی را نادیده بگیریم، می‌توانیم تصویر به اندازه کافی خوبی از مسیر یک سیاره به دست آوریم. اما اگر واقعا بخواهیم که به چنین جزئیاتی بپردازیم، به زودی متوجه خواهیم شد که قادر به پیش بینی دقیق حرکت سه جسم با جرم یکسان نیستیم. به طور مشابهی، طبق نظریه‌ی آشوب یاد گرفتیم که ما فقط می‌توانیم حدس‌های تقریبی نسبت به موقعیت خاص دو آونگ که حرکت آن‌ها با یکدیگر جفت شده است، ایجاد کنیم و هرگز نمی‌توانیم با اطمینان بگوییم که هر کدام از این آونگ‌ها کجا خواهند بود.
تفاوت های بین این دو علم:
شاید سوالاتی که ما در زیست شناسی مطرح کرده‌ایم، خیلی سخت است. چگونه زندگی یک انسان را نجات دهیم؟ چرا یک نوع خاصی از زاغ کمی تیره‌تر از دیگری است؟ اما تنها به این علت که در زیست شناسی سوالات زیادی مطرح می‌کنیم، به این معنا نیست که ما نمی توانیم سوالات آسان‌تری نیز بپرسیم. در حقیقت، طرح فیزیک “آسان” می‌تواند به ما در تشخیص این که چگونه این سوالات را پیدا کنیم، کمک کند. به ویژه در جستجوی پدیده‌های فراگیر و گسترده‌ای بسیار خوب هستند که بر سیستم‌های مختلف اعمال می‌شوند و احتمالا نتیجه مکانیسمی ساده و مشترکی دارند.
ایده مقیاس گذاری زیستی را بیاموزید. این مفهوم ناشی از مشاهدات اولیه‌ای است که نشان می‌دهد میزان متابولیسم پستانداران به طور قابل پیش بینی و غیرخطی (به صورت توانی) به اندازه بدن آن‌ها بستگی دارد. قانون توانی یک رابطه ریاضی است که مشخص می‌کند به ازای تغییر سیستم از مرتبه‌ی بزرگی‌اش، ویژگی مورد نظر چقدر تغییر می‌کند. به طوری که اندازه سیستم از مرتبه بزرگی آن (به صورت ضرایب یک عدد مشخص، معمولا ۱۰) افزایش می یابد. بنابراین وقتی یک جرم بدن یک موجود به اندازه‌ی ۱۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد، اصول مقیاس زیستی دقیقا پیش بینی می‌کند که میزان متابولیسم آن ۱۰۰ برابر می‌شود.
اما چگونه می‌توان همان ریاضیات را به مسئله‌ی ساده‌ای همانند کشش گرانشی بین دو شیء و روند متلاطم از گونه‌های مختلف در زیستگاه‌های متنوع اعمال کرد؟ در فیزیک، قانون توانی به مکانیزم‌های مشترک و تقارن‌هایی که در همه مقیاس‌ها عمل می‌کنند، اشاره می‌کند. در زیست شناسی، تحقیقات خودمان – و همچنین جفری بی وست (Geoffrey B West)، جیمز براون (James H Brown) و بریان انکویست (Brian J Enquist) – نشان می‌دهد که ساز و کار اساسی در کار، ساختار و جریان شبکه‌های عروقی است. به نظر می‌رسد که رگ‌های خونی به طور موثری کل بدن را پوشش دهند و مواد لازم را به همه سلول‌های موجود در بدن برسانند در حالی که فشار وارد بر قلب را کاهش می‌دهند. این نگرش ساده، یک مجموعه رو به رشد از نظریه‌های موفق را به وجود آورده است که از ایده ساختار بیولوژیکی بهینه سازی شده برای پیش بینی پدیده‌هایی مانند توزیع درختان در جنگل، مدت زمان لازم برای خواب، سرعت رشد تومور، بزرگترین و کوچکترین اندازه باکتری‌ها و بلندترین درخت ممکن در هر محیط است.
گرچه زیست شناسی می‌تواند به سوالات منحصر به فرد خود منجر شود. به عنوان مثال، همان گونه که همکاران ما جسیکا فلاک (Jessica Flack) و دیوید کراکور (David Krakauer) در موسسه سانتا فه (Santa Fe Institute) نشان داده اند که قابلیت پردازش اطلاعات و توانایی تصمیم گیری عوامل (از قبیل پستانداران، نورون‌ها و کپک‌های لجن) منجر به انواع بازخورد منحصر به فردی، قابلیت وفق پذیری و علیت، که از سیستم های منحصرا فیزیکی متفاوت است.این که پیچیدگی‌های اضافی سیستم‌های بیولوژیکی و پیچیده را می‌توان با گسترش دیدگاه‌های فیزیکی نظیر نظریه اطلاعات توضیح داد، هنوز دیده می شود. ممکن است که روزی، مطالعه زیست شناسی و سیستم های پیچیده به طور کلی به سوالات سخت و سنگین ارتقا پیدا کند؛ یا این که بازنویسی زیرکانه این سوالات، منجر به از بین بردن چالش‌های فعلی شود. این ممکن است مسیری را برای پاسخ‌های آسان‌تر نشان دهد، چرا که چارلز داروین (Charles Darwin) با فرمول بندی مجدد سوالات در مورد منشاها و تنوع زندگی از نظر انتخاب طبیعی و دگرگونی به دست آورد.
فیلیپ آندرسون (Philip Anderson) فیزیکدان، در مقاله خود با عنوان «بیشتر، متفاوت است» ( ۱۹۷۲ – More Is Different)، خطرات تلاش برای کاهش هر چیزی تا سطح میکروسکوپیی را برجسته کرده است. او در عوض به پیچیدگی‌هایی که در مقیاس‌های مختلف پدیده‌های طبیعی رخ می‌دهد، متمرکز شده است – مانند انتقال از مکانیک کوانتومی به شیمی. با این حال، خوانندگان اغلب استدلال او را نادیده می‌گیرند. استدلالی که بیان می‌کند نظریه‌های موثر باید روی بلوک‌های ساختمانی که مکانیسم‌های زیربنایی یک سیستم را توضیح می‌دهند،باشند. حتی اگر این بلوک‌های سازنده نسبتا بزرگ و یا از اندازه‌ی متوسط هستند.
بر اساس این دیدگاه دوم، بحث ما این است که ما نمی‌دانیم که سیاهچاله‌ها ساده‌تر از جنگل‌ها هستند یا نه؟ و تا زمانی که یک تئوری موثر کلی وجود داشته باشد که وجود جنگل‌ها را توضیح دهد یا این که دقیق ترین دینامیک فروپاشی و تبخیر سیاهچاله‌ها را مشخص کند، نمی‌توانیم پاسخی به این سوال بدهیم. هیچ نظری درباره پیچیدگی نسبی را نمی توان بدون تعریف دقیق از نوع سوالاتی که ما برای هر سیستم مطرح می کنیم، تعیین کرد. احتمالا نوع خاصی از سوالات وجود دارد که دانش ما به سختی به آن‌ها می‌رسد، اما اغلب در مورد سوالاتی است که ما نسبت به خود سیستم‌ها مطرح می‌کنیم.
بنابراین فیزیک می‌تواند سخت و زیست شناسی می‌تواند آسان باشد. درجه سختی بیشتر بستگی به سوالاتی دارد که در هر زمینه‌ای پرسیده می‌شود. در علم سیستم‌های پیچیده، پیشرفت‌های بزرگی اغلب در مرز بین این دو دیدگاه ایجاد می‌شود. یک مسیر رو به جلو، حل سوال‌های ساده در اولویت است. سپس استفاده از پاسخ هایمان در پیدا کردن اصولی است که در مورد سوالات و نظریه‌های دقیق‌تر مفید باشند. این ممکن است که با شروع از سوالات آسان، بتوانیم به آرامی به سطوح سخت‌تر برسیم. یا این که در جهت مخالف، مشاهده‌ی شباهت عجیب و غریب پدیده‌ها در میان رشته ها، ممکن است ما را به جستجو برای مکانیزم‌های جدید و اصولی برساند. گاهی اوقات یک دیدگاه کمتر دقیق و انتزاعی تقاضا خواهیم کرد – آنچه که همکار ما آقای جان میلر (John Miller)، به نقل از فیزیکدان برنده جایزه نوبل موری گلمن (Murray Gell-Mann)، در کتابش «نگاه ناپخته به مجموع» (A Crude Look at the Whole (2016)) بحث می کند. این نگرش‌های خام و ناپخته – به علت دور بودن علم فیزیک و ناشی از صمیمیت و آشنایی با علم زیست شناسی – باید منجر به دیدگاه‌های بسیار عمیق‌تر و تحولات و ساده سازی‌های علمی در سال‌های آینده شود.
منتشر شده در ارتباط با موسسه Santa Fe، یکی از دوستان استراتژیک http://Aeon.
