biologi, kjemi, fysikk – samme sak, ulik tilnærming? · atom liv umb [1026m] [10-18m] 7 status...
TRANSCRIPT
1
Gaute T. EinevollGaute T. EinevollUniversitetet for miljUniversitetet for miljøø-- og og biovitenskapbiovitenskap (UMB), (UMB), ÅÅss
[email protected], http://arken.umb.no/~gautei
Biologi, kjemi, fysikk Biologi, kjemi, fysikk ––samme sak, ulik tilnsamme sak, ulik tilnæærming?rming?
Faglig-pedagogisk dag, UMB, 05.01.09
2
• Bok nr. 24 i Universitetsforlagets ”hva er”-serie
• ”Naturens kode”, Gyldendal Akademisk, 2005
3
Naturvitenskapens Naturvitenskapens erkjennelsesromerkjennelsesrom
4
Fysikkens Fysikkens erkjennelsesromerkjennelsesromNaturvitenskapens Naturvitenskapens erkjennelsesromerkjennelsesrom for 100 for 100 åår sidenr siden
5
Large Large HadronHadronColliderCollider(LHC)(LHC)
Naturvitenskapens Naturvitenskapens erkjennelsesromerkjennelsesrom
6
Naturvitenskap per år 2000
• Naturfagene biologibiologi, fysikkfysikk, , geologigeologi, , kjemikjemi, medisinmedisin har smeltet sammen
makro-kosmos
mikro-kosmos
kompleksitet
MA
TEM
ATI
SKE
NA
TURL
OVE
R
ATOMliv
UMB[1026m]
[10-18m]
7
Status av Status av ””forstforstååelseelse”” per per åår 2000r 2000
År 1900
Hvordan koder DNA for et dyr/en plante?Hvordan tenker vi?
KOMPLEKSITET
UMB
8
””HvorforHvorfor””--kjedekjede
9
FYSIKK KJEMI BIOLOGI
1900
1925
hFYSIKK
KJEMI
BIOLOGI
2000 1953
ÉÉn felles naturvitenskapn felles naturvitenskap
STANDARD-TEORIEN I
PARTIKKEL-FYSIKK
EINSTEIN’S GENERELLE
RELATIVITETS-TEORI
STRENGTEORI (??)Large Large HadronHadronColliderCollider (LHC)(LHC)
?
10
makro-kosmos
mikro-kosmos
kompleksitetATOM
liv
[1026m]
[10-18m]
BIOLOGIBIOLOGI
KJEMIKJEMI
FYSIKK(?)FYSIKK(?)
11
Hva er fysikk?Hva er fysikk?
Alternativ 1:Fysikk er læren om stoff og krefter
Alternativ 2:Fysikk er det som fysikere gjør!
NÅ OGSÅ:
Alternativ 3:Fysikk er forskning på naturen med tanke
på utvikling av matematiske modeller
12
Galileo Galilei(1564-1642):”Matematikk er naturens språk”
13
Isaac Newton (1643-1727):
• fant den første matematiske loven for en fysisk kraft[gravitasjonskraften]
• fant også den første mekanikken [hvordan beveger legemer seg når det virker krefter på dem]
14
KRAFT
Strukturen til Strukturen til ””naturens matematisk kodenaturens matematisk kode””
MEKANIKK
• Gravitasjonskraft• Elektromagnetisk kraft• Sterk kjernekraft• Svak kjernekraft
• Klassisk mekanikk(Newton) [til ”vanlig” bruk]• Relativistisk mekanikk(Einstein) [når ting går fort]• Kvantemekanikk[når ting er små]• Relativistisk kvante-mekanikk[når ting er små og raske]
15
• 100 år siden: Ingen anelse av hva atomer består av• Nå:
- Atomer svært godt forstått- Atomære systemer kan skreddersys;
Ingeniører har 100 forskjellige ”legoklosser”å lage ”duppeditter” med
Xenon-atomer pånikkel-overflate
Verden bestVerden beståår av atomerr av atomer
16
Periodisk systemPeriodisk system
• Omtrent 100 forskjellige atomtyper (”grunnstoffer”)
Ernest O. Lawrence
Grunnstoff 103: Lawrencium
171/50 millimeter
Einstein Einstein ””oppdageroppdager”” atomer (1905)atomer (1905)
• ”Brownske”bevegelser
18
Atomer på overflaten av en silisumkrystall
19
• Utviklet for atomer; beskriver (i prinsipp) ogsåmolekyler, metaller, planter, dyr …
• Knyttet kjemi og fysikk sammen
• Utviklet 1924-28 i miljøet ”rundt”Niels Bohr i København [blant annet]
• Matematisk beskrivelse (som brukes i dag):
Schrödingerligningen, 1925
Kvantemekanikk Kvantemekanikk –– teorien for atomerteorien for atomer
20
•I dag: Standardmodellen forklarer (nesten) alle eksperimentelle observasjoner
Menneskehetens største kulturelle prestasjon !?
+ 3 fundamentale krefter
ForskningfrontForskningfront 1: Mikrokosmos1: Mikrokosmos
21
• Standardmodellen forventet å være ufullstendig når mindre dimensjoner/ større energier studeres
• Large Hadron Collider(LHC) på CERN på lufta høsten 2008
VIKTIGE SPØRSMÅL:• Finner en ”Higgs-bosonet”?• Finner en ”super-symmetriske” partikler? • Finnes det én urkraft?• Består naturen av ørsmåstrenger?
22
Forskningsfront 2: Forskningsfront 2: Makrokosmos Makrokosmos ((””fysikkens fysikkens skapelsesberetningskapelsesberetning””))
• 96% av energien i universet er ”mørk materie” og ”mørk masse”. Hva er dette?
23
Forskningsfront 3: Forskningsfront 3: ””Fler er annerledesFler er annerledes””
• Umulig å gjøre numeriske beregninger med ~1023 variable!• Selv om vi kunne, ville det være umulig å forstå resultatene!• Tilnærmede makroskopiske modeller må til!
• For gasser er beskrivelsene på mikro- og makronivåer solid sammenkoblet: statistisk fysikk
Ludwig Boltzmann
• En gass kan beskrives på to detaljnivå: (i) mikroskopisk (molekylmasse, fart,
posisjon, …); Newtons mekanikk, ~1023 variable
(ii) makroskopisk (trykk, temperatur, volum, …); termodynamikk, ~5 variable
24
• Hvem/hva er arkitekten?
KompleksitetKompleksitet
• Naturen fremviser mange kompliserte mønstre
25
• Enkle regler kan være nok!
26
• Nanoteknologi: Ingeniører har ~100 forskjellige ”legoklosser” ålage ”duppeditter” med
Atomet Atomet –– naturens naturens legoklosserlegoklosser
• Enormt mange muligheter: ”kombinatorisk” store tall [100000000000000000000000000000000-000000000000000000000000000000000000 måter å ordne de 52 kortene i en kortstokk på!]
• Nå: noen titalls millioner molekyler beskrevet i forskningslitteraturen
27
• 1947: Første transistor (i germanium)
• 1958: Integrert krets i silisium(åpnet for billig masseprodusering)
Eksempel:Eksempel:Kvanteteorien forKvanteteorien forfaste stofferfaste stoffer
28
Moores lovMoores lov
• Gordon Moore (1965): Antall transistorer per cm2 påen silisiumbrikke vil dobles hvert år(”Riktig” svar: 18 måneder)
29
meter millimeter mikrometer nanometer
1
2
34 5
Strukturelle materialerStrukturelle materialer
30
• Viktig klasse av komplekse systemer: Levende systemer
1. Hvordan oppstod liv?
2. Hvordan koder DNA for utseende/oppførsel til en bakterie, et dyr eller en plante?
3. Hvordan tenker man?
4. Hvordan kan en gruppe atomer bli bevisst seg selv?
Liv og bevissthetLiv og bevissthet
31
Nevrobiologi/hjernen
• Interessant biologisk modellsystem (blant annet: ”direkte” kobling mellom gen og funksjon)
Gode matematiske modeller for signalbehandling i enkeltnerveceller er utviklet (også effekten av enkeltgener)!
32Fra hjemmesiden til Alain Destexhe[http://cns.iaf.cnrs-gif.fr/alain_movies.html]
Matematisk modellsimulering av generering av aksjonspotensialer i pyramidalnervecelle tatt fra synshjerne-barken i katt
33
1. Introduction2. Non-equilibrium physics3. Dynamics, computation and neurobiology4. Emergence and evolution of patterns5. High-temperature superconductors6. The on-going revolution in medical imaging7. Cosmological challenges for the 21st century8. Gravitation and experiment9. Gravitational waves10. Neutrino oscillations11. The Tevatron12. High energy colliders13. Vistas in theoretical physics14. The future of particle physics as a natural science
Bok:Bok:””CriticalCritical problems in problems in physicsphysics””
KOMPLEKSITET
SAMMENFILT.
MAKROKOSMOS
MIKROKOSMOS
INNHOLDINNHOLD
34
MRI
Avbildning av hjerneaktivitetAvbildning av hjerneaktivitet
•Hjernestruktur:
•Hjerneaktivitet:
fMRI
PET
MEG/ EEG
elektrisk akt.
metabolsk akt.
hemodynamikk
35
”Normal” hjerne Einsteins hjerne
Einsteins hjerne
36
End End ofof ScienceScience
37
””DatakverningDatakverning””
38
SLUTTSLUTT