Нейробиологи заглянули в мозг современных физиков в поисках темной материи

Стремясь описать поведение материи и энергии во всех масштабах пространства и времени, современные физики погружаются в невидимые и неинтуитивные субатомные, квантовые или космологические области. Но как их мозг справляется с абстрактными концепциями, которые невозможно увидеть и ощутить?

Чтобы это выяснить, ученые из департамента психологии Университета Карнеги — Меллон изучили активность мозга 10 своих коллег с физического факультета. В процессе эксперимента физиков просили думать об основных свойствах одной из 45 абстрактных физических концепций, связанных с материей и энергией. В список вошли как понятия из классической физики — такие как «скорость», «электрическое поле» или «прецессия», так и постклассические концепции — «бозон», «античастица», «квазар» и другие.

Работу мозга испытуемых фиксировали при помощи функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) — метода, который позволяет косвенно судить об уровне активности различных регионов. Сравнивая паттерны активации, полученные для разных концепций, исследователи выяснили, как мозг организует абстрактные научные понятия.

Ученые выявили четыре основных фактора, определяющие профиль активации мозга, связанный с определенной концепций. Во-первых, ее измеримость или неизмеримость: сигнал фМРТ для ускорения, крутящего момента, частоты или длины волны (измеримые понятия) сильнее всего отличается от сигнала для темной материи, дуальности, космологии и мультивселенной (неизмеримые). Во-вторых, сложность математической формулировки понятия: по этому показателю коммутатор, лагранжиан и гамильтониан сильно превосходят звуковые волны или квазары, для описания и интуитивного понимания которых формулы не строго необходимы.

В-третьих, связанность с повторяющимися систематическими изменениями, характерная, например, для концепций волновой функции, света, радиоволн, гамма-лучей и когерентности. Наконец, еще один фактор, определяющий паттерн активации для определенного понятия, — его принадлежность к классической физике. Оказалась также важна длина слова, обозначающего концепцию.

Обнаруженные факторы ученые использовали для предсказания активности мозга, связанной с определенным понятием. Для этого независимую группу экспертов попросили присвоить каждому понятию оценки от 1 до 7 по каждому из факторов, которые затем использовали для построения модели. Точность предсказания составила 69-70%, что значимо выше 50% — уровня точности, который означал бы, что модель выдает случайный результат.

Интересно, что представление в мозге одних и тех же концепций было очень похоже у разных испытуемых, хотя они обучались в разных университетах, выросли в разных культурах и говорили на разных языках.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале npj Science of Learning.