Biologi, kjemi, fysikk samme sak, ulik tilnærming?

Størrelse: px

Begynne med side:

Download "Biologi, kjemi, fysikk samme sak, ulik tilnærming?"

Mia Amundsen
7 år siden
Visninger:

1 Faglig-pedagogisk dag, UMB, Biologi, kjemi, fysikk samme sak, ulik tilnærming? Gaute T. Einevoll Universitetet for miljø- og biovitenskap (UMB), Ås 1

2 Bok nr. 24 i Universitetsforlagets hva er -serie Naturens kode, Gyldendal Akademisk,

3 Naturvitenskapens erkjennelsesrom 3

4 Naturvitenskapens Fysikkens erkjennelsesrom erkjennelsesrom for 100 år r siden 4

5 Naturvitenskapens erkjennelsesrom Large Hadron Collider (LHC) 5

6 Naturvitenskap per år 2000 UMB ATOM MATEMATISKE NATURLOVER kompleksitet liv [10 26 m] makrokosmos mikrokosmos [10-18 m] Naturfagene biologi, fysikk, geologi, kjemi, medisin har smeltet sammen 6

7 Status av forståelse per år r 2000 Hvordan koder DNA for et dyr/en plante? Hvordan tenker vi? KOMPLEKSITET År 1900 UMB 7

8 Hvorfor -kjede 8

9 Én n felles naturvitenskap BIOLOGI FYSIKK KJEMI BIOLOGI FYSIKK KJEMI 1925 h Large Hadron Collider (LHC)? STANDARD- TEORIEN I PARTIKKEL- FYSIKK EINSTEIN S GENERELLE RELATIVITETS- TEORI STRENGTEORI (??) 9

10 FYSIKK(?) BIOLOGI KJEMI ATOM kompleksitet liv [10 26 m] makrokosmos mikrokosmos [10-18 m] 10

11 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 11

12 Galileo Galilei ( ): Matematikk er naturens språk 12

13 Isaac Newton ( ): 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] 13

14 Strukturen til naturens matematisk kode KRAFT Gravitasjonskraft Elektromagnetisk kraft Sterk kjernekraft Svak kjernekraft MEKANIKK Klassisk mekanikk (Newton) [til vanlig bruk] Relativistisk mekanikk (Einstein) [når ting går fort] Kvantemekanikk [når ting er små] Relativistisk kvantemekanikk [når ting er små og raske] 14

15 Verden består r av atomer 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 på nikkel-overflate 15

16 Periodisk system Omtrent 100 forskjellige atomtyper ( grunnstoffer ) Grunnstoff 103: Lawrencium Ernest O. Lawrence 16

17 Einstein oppdager atomer (1905) Brownske bevegelser 1/50 millimeter 17

18 Atomer på overflaten av en silisumkrystall 18

19 Kvantemekanikk teorien for atomer Utviklet i miljøet rundt Niels Bohr i København [blant annet] Matematisk beskrivelse (som brukes i dag): Schrödingerligningen, 1925 Utviklet for atomer; beskriver (i prinsipp) også molekyler, metaller, planter, dyr Knyttet kjemi og fysikk sammen 19

20 Forskningfront 1: Mikrokosmos I dag: Standardmodellen forklarer (nesten) alle eksperimentelle observasjoner + 3 fundamentale krefter Menneskehetens største kulturelle prestasjon!? 20

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 supersymmetriske partikler? Finnes det én urkraft? Består naturen av ørsmå strenger? 21

22 Forskningsfront 2: Makrokosmos ( fysikkens skapelsesberetning ) 96% av energien i universet er mørk materie og mørk masse. Hva er dette? 22

23 Forskningsfront 3: Fler er annerledes En gass kan beskrives på to detaljnivå: (i) mikroskopisk (molekylmasse, fart, posisjon, ); Newtons mekanikk, ~10 23 variable (ii) makroskopisk (trykk, temperatur, volum, ); termodynamikk, ~5 variable Umulig å gjøre numeriske beregninger med ~10 23 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 23 Ludwig Boltzmann

24 Kompleksitet Naturen fremviser mange kompliserte mønstre Hvem/hva er arkitekten? 24

25 Enkle regler kan være nok! 25

26 Atomet naturens legoklosser Nanoteknologi: Ingeniører har ~100 forskjellige legoklosser å lage duppeditter med Enormt mange muligheter: kombinatorisk store tall [ måter å ordne de 52 kortene i en kortstokk på!] Nå: noen titalls millioner molekyler beskrevet i forskningslitteraturen 26

27 Eksempel: Kvanteteorien for faste stoffer 1947: Første transistor (i germanium) 1958: Integrert krets i silisium (åpnet for billig masseprodusering) 27

28 Moores lov Gordon Moore (1965): Antall transistorer per cm 2 på en silisiumbrikke vil dobles hvert år ( Riktig svar: 18 måneder) 28

29 Strukturelle materialer meter millimeter mikrometer nanometer 29

30 Liv og bevissthet 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? 30

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)! 31

32 Matematisk modellsimulering av generering av aksjonspotensialer i pyramidalnervecelle tatt fra synshjernebarken i katt Fra hjemmesiden til Alain Destexhe 32 [

33 Bok: Critical problems in physics KOMPLEKSITET SAMMENFILT. MAKROKOSMOS MIKROKOSMOS INNHOLD 1. Introduction 2. Non-equilibrium physics 3. Dynamics, computation and neurobiology 4. Emergence and evolution of patterns 5. High-temperature superconductors 6. The on-going revolution in medical imaging 7. Cosmological challenges for the 21st century 8. Gravitation and experiment 9. Gravitational waves 10. Neutrino oscillations 11. The Tevatron 12. High energy colliders 13. Vistas in theoretical physics 14. The future of particle physics as a natural science 33

34 Avbildning av hjerneaktivitet Hjernestruktur: MRI Hjerneaktivitet: MEG/ EEG elektrisk akt. PET metabolsk akt. fmri hemodynamikk 34

35 Einsteins hjerne Normal hjerne Einsteins hjerne 35

36 End of Science 36

37 Datakverning 37

38 SLUTT 38

Like dokumenter

Landskonferansen om fysikkundervisning, Gol, 11.8.08. Hva er fysikk? Fysikk som fag og forskningsfelt i det 21. århundre. Gaute T.

Landskonferansen om fysikkundervisning, Gol, 11.8.08 Hva er fysikk? Fysikk som fag og forskningsfelt i det 21. århundre Gaute T. Einevoll Universitetet for miljø- og biovitenskap (UMB), Ås Gaute.Einevoll@umb.no,