IB輔導(dǎo)：IB物理和生物哪個(gè)難？

 

　　如果你和正在準(zhǔn)備理科考試的中學(xué)生交談，他們會(huì)這樣說(shuō)：他們比較懼怕IB物理學(xué)而更容易接受IB生物學(xué)。但是科研人員往往持相反的觀點(diǎn)。他們一般認(rèn)為IB物理學(xué)是簡(jiǎn)單的，因?yàn)樵贗B物理學(xué)中可以提出很完善并且具有強(qiáng)大預(yù)言能力的理論。這些理論可以包羅萬(wàn)象，從微觀粒子的存在到光被恒星彎曲等等各種現(xiàn)象。但是，對(duì)于IB生物學(xué)來(lái)說(shuō)很難提出這樣優(yōu)美的理論和數(shù)學(xué)公式。因此，一些著名的思想家認(rèn)為細(xì)胞和叢林要比遙遠(yuǎn)的難以觀測(cè)的黑洞更加難理解。

IB物理和生物哪個(gè)難？

　　但是也許不存在簡(jiǎn)單或者困難的學(xué)科，只存在簡(jiǎn)單或者困難的問(wèn)題。IB生物學(xué)看起來(lái)這么困難是因?yàn)樗梢幌盗蟹浅＠щy的問(wèn)題構(gòu)成。IB物理學(xué)看起來(lái)簡(jiǎn)單是因?yàn)榻?jīng)過(guò)大批天才的思想家的努力，IB物理學(xué)中的問(wèn)題已經(jīng)變成一系列可回答的問(wèn)題。

　　有意思的是，正是我們和IB生物學(xué)的緊密聯(lián)系使得IB生物學(xué)如此具有挑戰(zhàn)性。你可以問(wèn)問(wèn)自己：你的戀愛(ài)對(duì)象和同事相比，誰(shuí)更容易理解？我們與IB生物學(xué)以及心理學(xué)和社會(huì)科學(xué)的密切關(guān)系，使我們能夠用已有的深刻認(rèn)識(shí)來(lái)探討這些現(xiàn)象。因此我們會(huì)問(wèn)非常細(xì)節(jié)的問(wèn)題，然后就會(huì)驚訝于一些看似神秘或矛盾的答案。

　　在森林里散步時(shí)，我們可以看到形狀奇特的楓葉。這可能會(huì)讓我們想知道為什么楓葉會(huì)有裂葉，為什么它們?cè)谇锾鞎?huì)變紅，落葉里生活著哪些昆蟲(chóng)，它們是如何分解又如何滋養(yǎng)土壤。盡管我們問(wèn)這些問(wèn)題很自然，但它們卻很復(fù)雜。相比之下，太空中大范圍冰冷的真空和肉眼無(wú)法看到的小夸克對(duì)我們來(lái)說(shuō)是如此陌生，以至于在最開(kāi)始，只要能證明他們的存在就足以讓我們感到自豪。

　　過(guò)度的熟悉有時(shí)也會(huì)妨礙我們對(duì)IB物理學(xué)的理解。行星如何運(yùn)動(dòng)是人類(lèi)最古老的困擾之一，這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在許多不同的神話中。然而，由于人類(lèi)的堅(jiān)持，長(zhǎng)期以來(lái)，本輪說(shuō)錯(cuò)誤地將地球置于宇宙的中心——這一錯(cuò)誤持續(xù)了大約2000年。直到這個(gè)問(wèn)題在牛頓的學(xué)說(shuō)中被抽象為關(guān)于力、質(zhì)量和引力的問(wèn)題時(shí)，行星的運(yùn)動(dòng)才變得容易預(yù)測(cè)和理解。

　　對(duì)于IB物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，仍然有許多問(wèn)題難以回答。如果IB物理學(xué)打算致力于預(yù)測(cè)何時(shí)出現(xiàn)下一次可以影響地球通訊的太陽(yáng)耀斑上，那么它將被視為一門(mén)更加復(fù)雜和困難的學(xué)科。為什么？因?yàn)橐雽?duì)太陽(yáng)表面的動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行建?！ㄋ械囊?、電磁、熱和核反應(yīng)過(guò)程——是極其棘手的。至于行星的運(yùn)動(dòng)，我們可以通過(guò)忽略其他天體的影響，從而對(duì)行星的軌道給出一個(gè)足夠好的描述。但是如果真的想研究其中的細(xì)節(jié)，我們很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)我們甚至不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)三個(gè)質(zhì)量相等的星體的運(yùn)動(dòng)。同樣地，在混沌理論中，我們知道我們只能粗略估測(cè)兩個(gè)耦合在一起時(shí)的鐘擺的位置，不能確切的說(shuō)出每個(gè)鐘擺究竟在哪里。

IB物理

　　也許我們對(duì)IB生物學(xué)提出的問(wèn)題太難了。我們?nèi)绾尾拍苷纫粋€(gè)人的生命？為什么這個(gè)藍(lán)罐鳥(niǎo)比另一個(gè)顏色稍微暗一點(diǎn)？但并不是因?yàn)槲覀儗?duì)IB生物學(xué)的要求更高，就意味著我們不能提出稍微簡(jiǎn)單一點(diǎn)的問(wèn)題。事實(shí)上，利用“簡(jiǎn)單”的IB物理學(xué)可以幫助我們找到這些問(wèn)題的答案。IB物理學(xué)家特別擅長(zhǎng)尋找普遍的、大范圍的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象存在于多種系統(tǒng)中，并且可以被相同的機(jī)制解釋。

　　以IB生物尺度的概念為例。這個(gè)概念來(lái)自于早期的觀察，哺乳動(dòng)物的代謝率與體型呈現(xiàn)非線性關(guān)系并且可以通過(guò)冪率進(jìn)行預(yù)測(cè)。冪律是一種數(shù)學(xué)關(guān)系，它告訴我們當(dāng)系統(tǒng)的大小增加時(shí)(即以某個(gè)數(shù)的倍數(shù)，通常是10的倍數(shù))，我們關(guān)心的特征會(huì)發(fā)生多大的變化。因此，當(dāng)一個(gè)IB生物的體重增加1000倍時(shí)，IB生物尺度的原理準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它的代謝率將增加100倍。

　　但是，同樣的數(shù)學(xué)原理怎么能應(yīng)用到像兩個(gè)物體之間的引力這樣簡(jiǎn)單的情形和不同棲息地物種形成的混亂過(guò)程中？在IB物理學(xué)中，冪律指的是在所有尺度上運(yùn)行的相同的機(jī)制和對(duì)稱(chēng)性。在IB生物學(xué)上，我們自己的研究——以及韋斯特、布朗和恩奎斯特的研究——表明起作用的基本機(jī)制是血管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)。事實(shí)證明，血管往往能有效地跨越身體，將資源輸送給IB生物的所有細(xì)胞，同時(shí)減輕心臟的壓力。這個(gè)簡(jiǎn)單的看法衍生出越來(lái)越多成功的理論，它們使用一個(gè)優(yōu)化IB生物結(jié)構(gòu)的概念來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)象，比如大樹(shù)在森林中如何分布，我們需要多長(zhǎng)時(shí)間的睡眠，腫瘤的增長(zhǎng)速度，細(xì)菌的最大和最小尺寸，樹(shù)的最大高度。

IB生物

　　然而，IB生物學(xué)也會(huì)產(chǎn)生自己獨(dú)特的問(wèn)題。例如，正如我們?cè)谑ミ_(dá)菲研究所的同事弗萊克和克拉考爾所表明的那樣，agent(如靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物、神經(jīng)元和黏菌)的信息處理和決策能力導(dǎo)致了不同于純粹IB物理系統(tǒng)的獨(dú)特的反饋類(lèi)型、適應(yīng)性和因果關(guān)系。IB生物系統(tǒng)的額外復(fù)雜性是否可以通過(guò)信息論等受IB物理學(xué)啟發(fā)的觀點(diǎn)來(lái)解釋還有待考察。也許IB生物學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)的研究總有一天會(huì)遇到不可逾越的困難——或者，對(duì)這些難題進(jìn)行巧妙重構(gòu)將解決當(dāng)前的挑戰(zhàn)。這可能會(huì)為找到更簡(jiǎn)單的答案提供一條道路，就像查爾斯·達(dá)爾文(CharlesDarwin)那樣，他從自然選擇和變異的角度，重新構(gòu)造了有關(guān)生命起源和多樣性的問(wèn)題。

　　系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

　　1)科學(xué)描述需要細(xì)節(jié)和精度;2)在一個(gè)特定的現(xiàn)象中，大量機(jī)制混合在一起。

　　IB物理學(xué)家菲利普·安德森(PhilipAnderson)在1972年發(fā)表的文章《多者異也(MoreIsDifferent)》中，強(qiáng)調(diào)了試圖將一切事物都還原為微觀層次的局限性。相反，他關(guān)注的是不同尺度下的自然現(xiàn)象的復(fù)雜性——比如從量子力學(xué)轉(zhuǎn)換到化學(xué)。然而，讀者經(jīng)常忽略他關(guān)于有效理論的觀點(diǎn)，他認(rèn)為有效理論應(yīng)該建立在可以解釋系統(tǒng)的基本原理的基石上，無(wú)論這塊基石是描述大尺度還是中尺度的現(xiàn)象。

　　根據(jù)后一種觀點(diǎn)，我們不知道黑洞是否比森林簡(jiǎn)單。我們不可能知道答案，除非我們有一個(gè)普遍有效的理論來(lái)解釋森林的存在，或者直到我們能夠觀察到黑洞坍縮和消失的最詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)。如果不徹底定義不同系統(tǒng)中不同問(wèn)題的類(lèi)型，就不可能做出關(guān)于相對(duì)復(fù)雜性的任何結(jié)論?？赡苡心承╊?lèi)型的問(wèn)題的答案在我們的認(rèn)知范圍以外，但這更多的是關(guān)于我們提出的問(wèn)題，而不是系統(tǒng)本身。

ib課程培訓(xùn)

　　所以IB物理學(xué)可以是困難的，IB生物學(xué)也可以是容易的。困難的程度更多地取決于所問(wèn)的問(wèn)題而不是取決于哪個(gè)領(lǐng)域。在復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)中，常用兩種方法進(jìn)行研究：一個(gè)方法是先解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然后用我們的結(jié)果來(lái)尋找一些基本原則，當(dāng)涉及到更詳細(xì)的問(wèn)題和理論時(shí)，這些原則往往是有用的。從簡(jiǎn)單的問(wèn)題開(kāi)始積累答案，之后可以慢慢地轉(zhuǎn)向到困難的問(wèn)題?；蛘?，在相反的方向上，考察不同學(xué)科中的現(xiàn)象之間奇怪的相似性，這可能會(huì)促使我們找到全新的機(jī)制和原則。我們的同事約翰·米勒(JohnMiller)引用諾貝爾獎(jiǎng)得主、IB物理學(xué)家默里·蓋爾曼(Murraygel-mann)的書(shū)《關(guān)于世界粗略的見(jiàn)解（ACrudeLookattheWhole）》中的話說(shuō)。這些粗糙的外表——被對(duì)IB物理學(xué)的陌生所掩蓋，被對(duì)IB生物學(xué)的熟悉所遮蔽——在未來(lái)的歲月里，應(yīng)該會(huì)給科學(xué)帶來(lái)更多深刻的見(jiàn)解和簡(jiǎn)化。