Mendelejew lehrte uns die Fähigkeit, tiefgründig nachzudenken, um Erklärungen zu finden

Black-Box-Ansätze erfreuen sich in den Bereichen KI, maschinelles Lernen und Computational Data Science immer größerer Beliebtheit. Mit Blackbox meine ich rechnerische Ansätze, die Vorhersagen treffen, ohne ihre Begründung zu erläutern. Beispielsweise bieten der beliebte ChatGPT und der bedrohliche Bing-Chatbot Informationen und amüsante Gespräche, aber wir wissen nicht, warum sie die Antworten wählen, die sie wählen.

Ebenso sind Deep Learning und neuronale Netze Rechenwerkzeuge, die aussagekräftige Vorhersagen treffen, ohne den Mechanismus oder die Begründung ihrer Vorhersagen preiszugeben. Allerdings verlieren wir etwas Wichtiges, wenn wir diese Tools verwenden – die Erklärung dafür, warum . Die Geschichte von Mendelejew ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, warum dies wichtig ist.

Die Suche nach den Grundelementen

Seit Jahrtausenden versucht der Mensch, die Stoffe zu verstehen, aus denen die Welt besteht. Seit der Antike spekulierten Philosophen über die grundlegende Zusammensetzung der Materie, doch es war schwierig, bei diesem Problem Fortschritte zu erzielen. Frühe griechische Philosophen vermuteten, dass Wasser möglicherweise die grundlegende Grundlage der Welt sei, da Wasser reichlich vorhanden ist und seine Form von fest über flüssig in dampfförmig ändern kann.

Andere Philosophen vermuteten, dass die Luft von grundlegender Bedeutung sein könnte, da Luft Wolken, Wirbelstürme und Wasserdampf bildet und sich überall um uns herum befindet.

Ähnliche Argumente wurden für Feuer und Erde vorgebracht.

Der Philosoph Aristoteles integrierte diese Ideen und schlug vor, dass diese vier Substanzen die vier Grundelemente seien, aus denen die materielle Welt besteht. Diese Idee herrschte über Jahrtausende hinweg und die meisten Menschen glaubten, dass die vier Grundelemente der Materie tatsächlich Wasser, Luft, Erde und Feuer seien. Diese faszinierende Hypothese ist in der Belletristik, in Fernsehsendungen, in pseudowissenschaftlichen Kreisen und in der Populärkultur auch heute noch seltsam beliebt.

Die vier Elemente können nicht alle Materie erklären

Ein bilderstürmerischer Forscher und Arzt namens Paracelsus leitete den Prozess ein, der zur Entschlüsselung dieser Hypothese und zur modernen Suche nach den grundlegenden chemischen Elementen führte, was zur Geburt eines neuen Wissenschaftsgebiets führte. Paracelsus war der erste, der den Begriff Chemie verwendete , um sich auf Bemühungen zu beziehen, reine Versionen natürlicher Elemente herzustellen.

Robert Boyle, der oft als Vater der modernen Chemie angesehen wird, veröffentlichte 1661 sein Buch „ The Skeptical Chymist“ , in dem er sich gegen die vorherrschende Ansicht aussprach, dass die berühmten vier „Elemente“ Luft, Feuer, Wasser und Erde die Grundlage von allem seien Gegenstand. Er stellte fest, dass viele Experimente zeigten, dass es mehr als vier Grundelemente der Materie geben müsse und dass einige Stoffe, wie zum Beispiel Gold, für sich genommen reine Elemente zu sein schienen, da sie nicht weiter in diese vier „Stoffe“ zerlegt werden könnten “.

Boyle argumentierte, dass die Identität von Elementen experimentell und nicht durch Theoriebildung in Ermangelung von Daten bestimmt werden müsse, wobei Elemente als Substanzen definiert würden, die nicht in einfachere Substanzen zerlegt werden könnten.

So viele Elemente

Als eine verwirrende Anzahl reiner Elemente entdeckt wurde, fragten sich Chemiker, warum es so viele gab und wie sie organisiert werden könnten. Ein russischer Chemiker, Dmitri Mendelejew, hatte Mühe, ein umfassendes Chemielehrbuch mit dem Titel „Die Prinzipien der Chemie“ zu schreiben . Er versuchte zusammenzufassen, was über jedes der 63 entdeckten Elemente bekannt war, vom einfachen Wasserstoff bis hin zu Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, aus denen die meisten lebenden Materien bestehen.

Mendelejews mechanistischer Durchbruch

Während Mendelejew darüber nachdachte, wie er die gesammelten Daten zu jedem dieser Elemente darstellen könnte, analysierte er die Ähnlichkeiten in ihren Eigenschaften, um sie in Familien verwandter Elemente einteilen zu können. Als er die Liste der Elemente in der Reihenfolge ihres zunehmenden Atomgewichts untersuchte, bemerkte er, dass ihre Eigenschaften ein sich wiederholendes Muster aufwiesen, was ihn dazu veranlasste, die Elemente in Form einer Tabelle anzuordnen, damit das periodische Muster deutlich erkennbar war jede Zeile und Spalte.

Die Geschichte ist etwas verwirrt darüber, was als nächstes geschah: Mendelejew war entweder krankheitsbedingt oder hatte zunächst kein Verständnis für die Auswirkungen seines Organisationsplans und bat seinen Freund Nikolai Menschutkin, seinen Tisch für ihn auf einer Tagung der Russischen Chemischen Gesellschaft vorzustellen. Wie auch immer, als Mendelejew in den kommenden Monaten seine Organisation der Elemente näher erläuterte, entwickelte er eine wachsende Wertschätzung dafür, dass seine regelmäßigen Vorträge es ihm ermöglichten, die Existenz neuer Elemente vorherzusagen, einschließlich derjenigen, die als Aluminium, Silizium und Bor bekannt wurden. Als diese Elemente entdeckt wurden und die von ihm vorhergesagten Eigenschaften hatten, begrüßte die Chemiegemeinschaft Mendelejews Periodensystem der Elemente als einen tiefgreifenden Durchbruch beim Verständnis der Bausteine ​​der materiellen Welt.

Wie Richard Morris in „ The Last Sorcerers“ feststellte : „Es war Mendeleev, der das periodische Gesetz entdeckte, ein Prinzip, das die Periodizitäten beschreibt, die in den Eigenschaften der chemischen Elemente beobachtet werden.“ Dies ermöglichte es ihm, die Existenz noch unentdeckter Elemente vorherzusagen, Atomgewichte vorherzusagen und auch deren chemische und physikalische Eigenschaften zu beschreiben.“ Diese Entdeckung hallt heute in der gesamten Chemie und Biologie nach, und ihre Auswirkungen können nicht genug betont werden.

Das Periodensystem der Elemente bietet uns eine Art Netflix-Bewertungssystem für Elemente und lehrt uns, dass Helium, Neon und Argon aufgrund ihrer Position in der Spalte ganz rechts der Tabelle unreaktive Edelgase sind. Oder dass Natrium und Lithium ähnliche Salze bilden, weil sie zusammen in der Spalte ganz links der Tabelle zu finden sind.

Könnten chatGTP oder Microsoft Bing das Periodensystem entdeckt haben?

Was wäre, wenn Mendeleev chatGPT, Microsoft Bing oder ein Deep-Learning-Netzwerk verwendet hätte, um die Eigenschaften von Elementen vorherzusagen? Sicherlich hätte er fantastischen Erfolg gehabt, aber ohne zu wissen warum. Er hätte den grundlegenden Grund für die Beziehungen zwischen den Elementen – ihre zugrunde liegende Atomstruktur – nicht entschlüsselt. Wir hätten kein Periodensystem.

KI ist mächtig, aber wir brauchen auch Mechanismen und Erklärungen, um unser grundlegendes Wissen über die Welt zu erweitern.