Το τέλος της Θεωρητικής Φυσικής όπως τη γνωρίζουμε
Η θεωρητική φυσική έχει τη φήμη ότι είναι πολύπλοκη. Διαφωνώ. Το ότι μπορούμε να καταγράψουμε τους φυσικούς νόμους σε μαθηματική μορφή σημαίνει ότι οι νόμοι με τους οποίους ασχολούμαστε είναι απλοί — πολύ πιο απλοί από αυτούς άλλων επιστημονικών κλάδων.
Δυστυχώς, η επίλυση αυτών των εξισώσεων συχνά δεν είναι τόσο απλή. Για παράδειγμα, έχουμε μια τέλεια θεωρία που περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και γκλουόνια, αλλά κανείς δεν μπορεί να υπολογίσει πώς ενώνονται για να δημιουργήσουν ένα πρωτόνιο. Οι εξισώσεις απλά δεν μπορούν να λυθούν με καμία γνωστή μέθοδο. Ομοίως, μια συγχώνευση μαύρων τρυπών ή ακόμα και η ροή ενός ορεινού ρεύματος μπορεί να περιγραφεί με απατηλά απλούς όρους, αλλά είναι τρομερά δύσκολο να πούμε τι πρόκειται να συμβεί σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη περίπτωση.
Φυσικά, πιέζουμε ακατάπαυστα τα όρια, αναζητώντας νέες μαθηματικές στρατηγικές. Όμως, τα τελευταία χρόνια, μεγάλο μέρος της ώθησης δεν προέρχεται από πιο εξελιγμένα μαθηματικά αλλά από μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ.
Όταν το πρώτο λογισμικό μαθηματικών έγινε διαθέσιμο τη δεκαετία του 1980, δεν έκανε πολλά περισσότερα από το να εξοικονομήσει κάποιον μια αναζήτηση μέσω τεράστιων εκτυπωμένων λιστών με λυμένα ολοκληρώματα. Αλλά μόλις οι φυσικοί είχαν υπολογιστές στα χέρια τους, συνειδητοποίησαν ότι δεν έπρεπε πλέον να λύνουν τα ολοκληρώματα εξαρχής, μπορούσαν απλώς να σχεδιάσουν τη λύση.
Στη δεκαετία του 1990, πολλοί φυσικοί αντιτάχθηκαν σε αυτήν την προσέγγιση «απλά σχεδίασε το». Πολλοί δεν είχαν εκπαιδευτεί στην ανάλυση υπολογιστών και μερικές φορές δεν μπορούσαν να ξεχωρίσουν τα φυσικά αποτελέσματα από τα τεχνουργήματα κωδικοποίησης. Ίσως αυτός είναι ο λόγος που θυμάμαι πολλά σεμινάρια στα οποία ένα αποτέλεσμα υποβαθμίστηκε ως «απλώς αριθμητικό». Όμως, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, αυτή η στάση έχει αλλάξει σημαντικά, κυρίως χάρη σε μια νέα γενιά φυσικών για τους οποίους η κωδικοποίηση είναι μια φυσική επέκταση των μαθηματικών τους δεξιοτήτων.
Αντίστοιχα, η θεωρητική φυσική έχει τώρα πολλούς υποεπιστημονικούς κλάδους αφιερωμένους σε προσομοιώσεις ηλεκτρονικών συστημάτων πραγματικού κόσμου, μελέτες που απλώς δεν θα ήταν δυνατές με άλλο τρόπο. Οι προσομοιώσεις υπολογιστών είναι αυτό που χρησιμοποιούμε τώρα για να μελετήσουμε το σχηματισμό γαλαξιών και υπεργαλαξιακών δομών, να υπολογίσουμε τις μάζες των σωματιδίων που αποτελούνται από πολλά κουάρκ, να ανακαλύψουμε τι συμβαίνει στη σύγκρουση μεγάλων ατομικών πυρήνων και να κατανοήσουμε τους ηλιακούς κύκλους. για να αναφέρουμε μόνο μερικούς τομείς έρευνας που βασίζονται κυρίως σε υπολογιστή.
Το επόμενο βήμα αυτής της στροφής από την αμιγώς μαθηματική μοντελοποίηση είναι ήδη καθ' οδόν:Οι φυσικοί πλέον σχεδιάζουν εργαστηριακά συστήματα που αντικαθιστούν άλλα συστήματα που θέλουν να κατανοήσουν καλύτερα. Παρατηρούν το προσομοιωμένο σύστημα στο εργαστήριο για να βγάλουν συμπεράσματα και να κάνουν προβλέψεις για το σύστημα που αντιπροσωπεύει.
Το καλύτερο παράδειγμα μπορεί να είναι η ερευνητική περιοχή που ονομάζεται "κβαντικές προσομοιώσεις". Αυτά είναι συστήματα που αποτελούνται από αλληλεπιδρώντα, σύνθετα αντικείμενα, όπως σύννεφα ατόμων. Οι φυσικοί χειρίζονται τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των αντικειμένων, έτσι ώστε το σύστημα να μοιάζει με μια αλληλεπίδραση μεταξύ πιο θεμελιωδών σωματιδίων. Για παράδειγμα, στην κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα για να προσομοιώσουν άτομα και στη συνέχεια μελετούν πώς αυτά τα τεχνητά άτομα αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια. Ή σε ένα εργαστήριο στο Μόναχο, οι φυσικοί χρησιμοποιούν ένα υπερρευστό από εξαιρετικά ψυχρά άτομα για να διευθετήσουν τη συζήτηση σχετικά με το εάν σωματίδια τύπου Higgs μπορούν να υπάρχουν σε δύο διαστάσεις του διαστήματος (η απάντηση είναι ναι).
Αυτές οι προσομοιώσεις δεν είναι χρήσιμες μόνο για να ξεπεραστούν τα μαθηματικά εμπόδια σε θεωρίες που ήδη γνωρίζουμε. Μπορούμε επίσης να τις χρησιμοποιήσουμε για να διερευνήσουμε τις συνέπειες νέων θεωριών που δεν έχουν μελετηθεί στο παρελθόν και των οποίων τη συνάφεια δεν γνωρίζουμε ακόμη.
Αυτό είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον όταν πρόκειται για την κβαντική συμπεριφορά του ίδιου του χώρου και του χρόνου - μια περιοχή όπου δεν έχουμε ακόμα μια καλή θεωρία. Σε ένα πρόσφατο πείραμα, για παράδειγμα, ο Raymond Laflamme, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Κβαντικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Waterloo στο Οντάριο του Καναδά, και η ομάδα του χρησιμοποίησαν μια κβαντική προσομοίωση για να μελετήσουν τα λεγόμενα δίκτυα σπιν, δομές που, σε ορισμένες θεωρίες , αποτελούν τον θεμελιώδη ιστό του χωροχρόνου. Και ο Gia Dvali, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, έχει προτείνει έναν τρόπο προσομοίωσης της επεξεργασίας πληροφοριών των μαύρων οπών με υπερψυχρά αέρια ατόμων.
Μια παρόμοια ιδέα επιδιώκεται στο πεδίο της αναλογικής βαρύτητας, όπου οι φυσικοί χρησιμοποιούν ρευστά για να μιμηθούν τη συμπεριφορά των σωματιδίων στα βαρυτικά πεδία. Οι χωρόχρονοι της μαύρης τρύπας έχουν προσελκύσει το μεγαλύτερο μέρος της προσοχής, όπως και ο (ακόμη κάπως αμφιλεγόμενος) ισχυρισμός του Jeff Steinhauer ότι μέτρησε την ακτινοβολία Hawking σε ένα ανάλογο της μαύρης τρύπας. Αλλά οι ερευνητές έχουν επίσης μελετήσει την ταχεία διαστολή του πρώιμου σύμπαντος, που ονομάζεται «φούσκωμα», με ρευστά ανάλογα για τη βαρύτητα.
Επιπρόσθετα, οι φυσικοί έχουν μελετήσει υποθετικά θεμελιώδη σωματίδια παρατηρώντας stand-ins που ονομάζονται οιονεί σωματίδια. Αυτά τα οιονεί σωματίδια συμπεριφέρονται σαν θεμελιώδη σωματίδια, αλλά προκύπτουν από τη συλλογική κίνηση πολλών άλλων σωματιδίων. Η κατανόηση των ιδιοτήτων τους μάς επιτρέπει να μάθουμε περισσότερα για τη συμπεριφορά τους και, ως εκ τούτου, μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να βρούμε τρόπους για να παρατηρήσουμε το πραγματικό πράγμα.
Αυτή η γραμμή έρευνας εγείρει μερικά μεγάλα ερωτήματα. Πρώτα απ 'όλα, εάν μπορούμε να προσομοιώσουμε αυτό που τώρα πιστεύουμε ότι είναι θεμελιώδες χρησιμοποιώντας σύνθετα οιονεί σωματίδια, τότε ίσως αυτό που θεωρούμε επί του παρόντος ως θεμελιώδες - χώρος και χρόνος και τα 25 σωματίδια που συνθέτουν το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων - είναι κατασκευασμένο μιας υποκείμενης δομής, επίσης. Οι κβαντικές προσομοιώσεις μας κάνουν επίσης να αναρωτιόμαστε τι σημαίνει να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά ενός συστήματος για αρχή. Η παρατήρηση, η μέτρηση και η πραγματοποίηση μιας πρόβλεψης με τη χρήση μιας απλοποιημένης έκδοσης ενός συστήματος ισοδυναμεί με εξήγηση;
Αλλά για μένα, η πιο ενδιαφέρουσα πτυχή αυτής της εξέλιξης είναι ότι αλλάζει τελικά τον τρόπο με τον οποίο κάνουμε φυσική. Με τις κβαντικές προσομοιώσεις, το μαθηματικό μοντέλο είναι δευτερεύουσας σημασίας. Επί του παρόντος χρησιμοποιούμε τα μαθηματικά για να προσδιορίσουμε ένα κατάλληλο σύστημα επειδή τα μαθηματικά μας λένε ποιες ιδιότητες πρέπει να αναζητήσουμε. Αλλά αυτό δεν είναι, αυστηρά μιλώντας, απαραίτητο. Ίσως, με την πάροδο του χρόνου, οι πειραματιστές απλώς θα μάθουν ποιο σύστημα αντιστοιχεί σε ποιο άλλο σύστημα, όπως έχουν μάθει ποιο σύστημα αντιστοιχίζεται σε ποια μαθηματικά. Ίσως μια μέρα, αντί να κάνουμε υπολογισμούς, θα χρησιμοποιήσουμε απλώς παρατηρήσεις απλοποιημένων συστημάτων για να κάνουμε προβλέψεις.
Επί του παρόντος, είμαι βέβαιος ότι οι περισσότεροι από τους συναδέλφους μου θα ήταν τρομοκρατημένοι από αυτό το μελλοντικό όραμα. Αλλά κατά τη γνώμη μου, η κατασκευή ενός απλοποιημένου μοντέλου ενός συστήματος στο εργαστήριο δεν είναι εννοιολογικά τόσο διαφορετική από αυτό που έκαναν οι φυσικοί εδώ και αιώνες:καταγράφοντας απλουστευμένα μοντέλα φυσικών συστημάτων στη γλώσσα των μαθηματικών.
