Mendeleev ci ha insegnato il potere di pensare profondamente per trovare spiegazioni

Gli approcci black box sono sempre più diffusi nell'intelligenza artificiale, nell'apprendimento automatico e nella scienza dei dati computazionali. Per scatola nera intendo approcci computazionali che fanno previsioni senza spiegarne la logica. Ad esempio, il popolare chatGPT e il minaccioso chatbot di Bing forniscono informazioni e conversazioni divertenti, ma non sappiamo perché scelgono le risposte che scelgono.

Allo stesso modo, il deep learning e le reti neurali sono strumenti computazionali che fanno potenti previsioni senza rivelare il meccanismo o la logica delle loro previsioni. Tuttavia, perdiamo qualcosa di importante quando usiamo questi strumenti: la spiegazione del perché . La storia di Mendeleev fornisce un potente esempio del perché questo sia importante.

La ricerca degli elementi fondamentali

Per migliaia di anni, gli esseri umani hanno cercato di comprendere le sostanze che compongono il mondo. I filosofi hanno speculato fin dall'antichità sulla composizione fondamentale della materia, ma era difficile fare progressi su questo problema. I primi filosofi greci proposero che poiché l'acqua è abbondante e può cambiare forma da solido a liquido a vapore, forse l'acqua era la base fondamentale del mondo.

Altri filosofi hanno suggerito che potrebbe essere l'aria ad essere fondamentale, poiché l'aria forma nuvole, uragani e vapore acqueo ed è tutt'intorno a noi.

Argomenti simili sono stati fatti per il fuoco e la terra.

Il filosofo Aristotele ha integrato queste idee e ha proposto che queste quattro sostanze siano i quattro elementi fondamentali che compongono il mondo materiale. Per migliaia di anni questa idea ha dominato e la maggior parte delle persone credeva che i quattro elementi fondamentali della materia fossero davvero acqua, aria, terra e fuoco. Questa affascinante ipotesi rimane stranamente popolare nella fiction, negli spettacoli televisivi, nei circoli pseudoscientifici e nella cultura popolare anche oggi.

I quattro elementi non possono spiegare tutta la materia

Un ricercatore e medico iconoclasta di nome Paracelso iniziò il processo che portò al disfacimento di questa ipotesi e alla ricerca dell'era moderna degli elementi chimici fondamentali, portando alla nascita di un nuovo campo della scienza. Paracelso fu il primo a usare il termine chimica per riferirsi agli sforzi per creare versioni pure di elementi naturali.

Robert Boyle, spesso considerato il padre della chimica moderna, pubblicò il suo libro The Skeptical Chymist nel 1661, in cui si opponeva alla visione prevalente dei famosi quattro "elementi" di aria, fuoco, acqua e terra come base di tutti questione. Ha notato che molti esperimenti hanno dimostrato che dovevano esserci più di quattro elementi fondamentali della materia e che alcune sostanze, come l'oro, sembravano essere elementi puri di per sé, poiché non potevano essere ulteriormente scomposte in queste quattro "sostanze". ”.

Boyle ha sostenuto che l'identità degli elementi doveva essere determinata sperimentalmente piuttosto che teorizzando in assenza di dati, con gli elementi definiti come sostanze che non potevano essere scomposte in sostanze più semplici.

Tanti elementi

Quando è stato scoperto un numero sconcertante di elementi puri, i chimici si sono chiesti perché ce ne fossero così tanti e come potessero essere organizzati. Un chimico russo, Dmitri Mendeleev, stava lottando per scrivere un libro di testo di chimica completo, The Principles of Chemistry . Stava cercando di riassumere ciò che si sapeva su ciascuno dei 63 elementi che erano stati scoperti, dal semplice idrogeno al carbonio, all'ossigeno e all'azoto che costituiscono la maggior parte della materia vivente.

La svolta meccanicistica di Mendeleev

Nel pensare a come presentare i dati accumulati su ciascuno di questi elementi, Mendeleev ha analizzato le somiglianze nelle loro proprietà, in modo da poterli classificare in famiglie di elementi correlati. Mentre studiava l'elenco degli elementi in ordine di peso atomico crescente, notò che avevano uno schema ripetitivo nelle loro proprietà, che lo portò a organizzare gli elementi sotto forma di una tabella, in modo che lo schema periodico fosse evidente in ogni riga e colonna.

La storia è un po' confusa su ciò che accadde dopo: a causa di una malattia o per la mancanza di apprezzamento iniziale per l'impatto del suo schema organizzativo, Mendeleev chiese al suo amico Nikolai Menshutkin di presentargli il suo tavolo a una riunione della Russian Chemical Society. Ad ogni modo, mentre Mendeleev elaborava la sua organizzazione degli elementi nei mesi successivi, sviluppò un crescente apprezzamento per il fatto che la sua presentazione periodica gli permetteva di prevedere l'esistenza di nuovi elementi, inclusi quelli che divennero noti come alluminio, silicio e boro. Quando questi elementi furono scoperti e avevano le proprietà da lui predette, la comunità chimica abbracciò la Tavola periodica degli elementi di Mendeleev come un profondo passo avanti nella comprensione degli elementi costitutivi del mondo materiale.

Come ha notato Richard Morris in The Last Sorcerers , “È stato Mendeleev a scoprire la legge periodica, un principio che descrive le periodicità che si osservano nelle proprietà degli elementi chimici. Ciò gli ha permesso di prevedere l'esistenza di elementi non ancora scoperti, di prevedere i pesi atomici e di descrivere anche le loro proprietà chimiche e fisiche. Questa scoperta si riverbera oggi attraverso tutta la chimica e la biologia, e il suo impatto non può essere sopravvalutato.

La tavola periodica degli elementi ci offre una sorta di sistema di classificazione Netflix per gli elementi, insegnandoci che elio, neon e argon sono gas nobili non reattivi a causa della loro posizione nella colonna più a destra della tabella. O che sodio e litio fanno sali simili, perché si trovano insieme nella colonna più a sinistra della tabella.

ChatGTP o Microsoft Bing potrebbero aver scoperto la tavola periodica?

E se Mendeleev avesse utilizzato chatGPT, Microsoft Bing o una rete di deep learning per prevedere le proprietà degli elementi? Certo, avrebbe avuto un successo fantastico, ma senza sapere perché. Non avrebbe svelato la ragione fondamentale delle relazioni tra gli elementi: la loro sottostante struttura atomica. Non avremmo la tavola periodica.

L'intelligenza artificiale è potente, ma abbiamo anche bisogno di meccanismi e spiegazioni per far progredire la nostra conoscenza fondamentale del mondo.