1

Gaute T. EinevollGaute T. EinevollUniversitetet for miljUniversitetet for miljøø-- og og biovitenskapbiovitenskap (UMB), (UMB), ÅÅss

Gaute.Einevoll@umb.no, 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