古代の頭脳に新しいトリックを教える:現代の物理学者の考え方がわかる新研究

古代の頭脳に新しいトリックを教える健康

物理学は、空間と時間のあらゆるスケールの物理的世界における物質とエネルギーを理解するために、可能な限り最善の説明を見つけることを目指してきました。

現代の物理学は、私たちが宇宙を見る(見ない)方法に革命をもたらした複雑な概念やアイデアに満ちています。

物理学の世界の謎は、サブアトミック、量子、宇宙の領域を含む、直感的ではない見えない世界を掘り下げる物理学者によってますます明らかにされています。

しかし、高度な物理学者の脳は、経験できない世界を考えるというこの偉業をどのようにこなしているのでしょうか。

カーネギーメロン大学の研究者たちは、「npj: Science of Learning」に最近掲載された論文で、フェルミオンやダークマターなど、物質やエネルギーに関する抽象的な科学的概念に関連する脳活動を解読する方法を発見しました。

カーネギーメロン大学のRobert Mason上級研究員、Reinhard Schumacher物理学教授、ドナルド・ヘッブ心理学教授のMarcel Just氏は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を用いて脳活動を記録することにより、高度な物理学の概念に関する同大学の物理学教員の思考プロセスを調査しました。

この研究は、脳イメージングを用いた他の多くの神経科学研究とは異なり、高度な科学的概念が存在する「脳内の場所」を見つけることが目的ではありませんでした。

この研究の目的は、抽象度の高い科学的概念が脳の中でどのように整理されているかを調べることでした。

百科事典ではアルファベット順に、図書館ではデューイ十進分類法のように知識を整理しますが、物理学者の脳はどのように整理しているのでしょうか。

この研究では、物理学のさまざまな概念によって引き起こされる活性化パターンが、概念の特性の観点からグループ化できるかどうかを調べました。

その結果、物理学者の脳は、概念の大きさが測定可能なものと測定不可能なものに分類されていることが分かりました。

地球上のほとんどの人間は、適切な定規やスケール、レーダーガン1レーダーにより、投球されたボールや走行中の自動車の速度を測る、銃の形態をした器具。があれば、物理的なものはすべて測ることができます。

しかし、物理学者にとっては、ダークマター、ニュートリノ、多元宇宙など、その大きさが測定できない概念があります。

そして、物理学者の脳の中では、測定可能な概念と測定不可能な概念が別々に整理されているのです。

もちろん、物理学教授の脳内組織は、物理学生の脳内組織と似ている部分もありました。

光、電波、ガンマ線などは周期性がありますが、浮力や多元宇宙などの概念は周期性がありません。

しかし、このような脳の活性化の結果の解釈は、どのようにして評価できるのでしょうか?

研究チームは、それぞれの概念の活性化パターンの予測を生成する方法を見つけました。

しかし、ダークマターによって誘発される活性化は、どのようにして予測できるのでしょうか?

研究チームは、物理学の教員からなる独立したグループを募り、仮説に基づく組織化次元のそれぞれについて、各概念を1~7のスケールで評価してもらいました。

例えば、「二重性」のような概念は、測定不能(測定可能な大きさの尺度が低い)と評価される傾向にあります。

そして、計算モデルは、1つの概念を除くすべての概念の評価と活性化パターンの関係を求め、その関係を用いて、残された概念の活性化を予測しました。

このモデルの精度は平均して70%で、偶然の50%を大きく上回りました。

この結果は、基礎となる組織がよく理解されていることを示しています。

この手順は、ダークマターの概念に関連する活性化について、論文添付の図で示されている。

The neuroscience of advanced scientific concepts.

思考の創造性

20世紀初頭、ポストニュートン物理学者たちは、空間、時間、物質、エネルギー、素粒子などの理解を飛躍的に進めました。

この新しい概念は、彼らの知覚的な経験からではなく、人間の脳の生成能力から生まれたものです。

なぜそのようなことが可能だったのでしょうか?

人間の脳の神経細胞には、さまざまな特徴を持った多数の計算能力があり、経験によって、どの能力を他の脳領域と組み合わせてさまざまな可能な方法で使用し、特定の思考タスクを実行するかが決まります。

例えば、健康な脳は話し言葉の音を学習する準備ができていますが、乳幼児が特定の言語環境で経験を積むことで、どの言語のどの音素を学習するかが決まります。

文明の利器は、このような脳の機能を利用して、新しい技術や知識を開発してきました。

これらのことを可能にしているのは、人間の脳の適応性です。

私たちは、古代の脳を使って、新しい次元に沿って整理された新しい概念を考えることができます。

20世紀のポストニュートン物理学において重要な「新しい」物理学的次元の例として、古典物理学の概念(トルクや速度など)の「測定可能性」とは対照的な「測定不可能性」(ダークマターの特性など)が挙げられます。

この新しい次元は、テストを受けたすべての大学の物理学教授の脳に存在しています。

物理学の科学的進歩は、人間の脳の新しい能力によって築かれたのです。

もうひとつの印象的な発見は、物理学者の脳が概念をどのように表現するかについて、物理学者間で大きな共通性が見られたことです。

異なる大学、言語、文化で教育を受けた物理学者であっても、脳内表現には共通性が見られたのです。

これは、ある情報を処理するために自動的に働く脳のシステムが、本来、その処理に最も適したものであるからです。

例えば、テニスボールをキャッチするときには、膝や口や脇の下ではなく、閉じた手が自動的に活躍します。

同じように、物理学者が振動に関する情報を処理するときには、ダンスの動きや池の波紋など、通常はリズミカルな事象を処理する脳のシステムが活躍します。

そして、これこそが人を超えた共通性の源なのです。

ある概念を処理するために採用されるのは、誰もが同じ脳領域なのです。

文明の発展が繰り返してきたように、古代の脳に新しいトリックを教える秘訣は、人間の脳が本来持っている情報処理能力を利用して、創造的な考えを持つ人たちに新しい理解や発明をさせることにあります。

そして、その新しい概念を他の人に伝えることで、開発者が使っていたのと同じ脳の情報処理能力に根付かせるのです。

大量のコミュニケーションと教育によって、その進歩を全国民に広めることができます。

このように、科学技術や文明の発展は、地球上で最も強力な存在である人間の脳によって支えられているのです。

このプロジェクトは、米海軍研究局と米国立科学財団の資金援助を受けています。

Published by Carnegie Mellon University. Robert A. Mason et al., The neuroscience of advanced scientific concepts. npj Science of Learning, 2021; 6 (1) DOI: 10.1038/s41539-021-00107-6
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