分享

理论物理的新方向

2018-09-03  昵称7360824   |  转藏
   

理论物理的新方向

(原标题 The End of Theoretical Physics As We Know It)

作者  Sabine Hossenfelder

译者  李冬生



译者评述

几天前看到这篇文章,边看边有要把它翻译过来的冲动,因为计算机模拟用于科学研究也引起过我的注意。我也认为这确实不同于以往,是做科学的一种新的样式和进路。

按这篇文章内容,以数学描述的自然法则是简单的,但应用于实际问题时的求解过程却极为困难,计算机模拟作为一种新的进路得以发展。有些场景下也只有运用计算机模拟进行研究。按作者的愿景,就是用设计和优化的计算机模拟系统去理解和预测实际的物理系统。我认同作者指出的这一核心转换,但除此以外,这一新的研究样式和进路与以往的科学相比,还应该有一些其它的重要不同。

尽管以往的物理学实验离不开相应的理论背景和理论解释,但理论与实验还是可分的。而在计算机模拟用于物理学研究时,模拟过程就是实验与理论相互修正和契合的过程,就是实验与理论纠缠的难以分离过程。

上述特点进一步带来的疑问就是,如何保证所获知识的确定性与可靠性。这就涉及西方科学的根本特点之一——公理化体系。在这样的体系中,由公理建立理论,由实验检验和修正理论。但是在计算机模拟的整个过程中,会相应带有类似中国古代算学那样的特点,就是不预设一个公理和理论,而是在推演的过程中求得问题解决。作者用了一个词plot,很难用一个汉语词汇贴切表达它,应该就是指的前述这个意思。这样的一个问题处理过程,可以作为一个范例,拓展到类似的系统和问题上。

前述两个与以往的不同,其实都属于科学哲学实践转向意义下所说的实践的涵义。

另外,从科学史、实验哲学、科学实践哲学等各自的研究视野来看,仪器在科学研究中都有着举足轻重的作用。计算机模拟中,计算机这一仪器除去具有以往的仪器那样的作用外,也带来了自己的独特之处。这就是,软件和算法不是作为以往意义上的工具,而是直接进入科学研究的内核。

作者指出的计算机模拟的一个特征非常关键,就是系统。以往科学的主要特征是构成论的和还原论的。而作者对计算机模拟的期待就是以系统去理解系统,以系统与系统的关系去说明世界,以一个系统的推演去预见另一个系统的演化。因此,从一开始研究的起点就是不应是“原子”个体,而是内含信息和关系的系统。尽管系统科学已经有了近一个世纪的发展,但对物理学而言,像作者所预见的这样重置物理学研究样式还是范式转换式的。

或许正是在这样的意义上,作者所用的标题是The End of Theoretical Physics As We Know It。如果说像我们以往所知晓的那样的物理学的终结可能还为时尚早,因为有物理学的目的所在。但是含有上述所列出的一些意义的计算机模拟所引向的新样式和新进路却很值得重视。因而译文换了一个标题以凸显这一新的方向。

作者萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)是法兰克福高等研究院(Frankfurt Institute for Advanced Studies)的理论物理学家,关注点并不在科学哲学。她虽然没有明确提示计算机模拟用于物理学研究的上述那些意义,但敏锐地意识到了物理学中这样一个值得重视的转换。因而译者愿将这一文章翻译过来,以便让更多读者看到。

李冬生  2018年8月31日


译文:

理论物理以复杂著称,而我不以为然。我们完全可以以数学形式写下自然法则,这意味着我们所处理的自然法则是简单的——比其它学科要简单。

不幸的是,实际上去解这些方程时并非如此简单。譬如,我们有完美优雅的理论描述夸克和胶子这样的基本粒子,但是没有人能计算出它们如何结合成一个质子,因为方程不能以任何已知的方法被解出。同样,黑洞的并合或山涧溪流的流动也能以貌似简单的形式去描绘,但要说清在实际情况下将会发生什么却是极其困难的。

当然,我们一直探寻新的数学策略排解这种限制。但是最近几年的更多推进并非复杂精致的数学,而是由于更强的计算机算力。

二十世纪八十年代第一个数学软件可用时,并没做太多的东西,主要是一些人用来搜索繁冗的列表而解决积分问题。而一旦物理学家有了信手拈来的计算机,就不再像当初那样局限在解决积分问题上,而是可以用来谋划出一些问题的解决方案。

到了九十年代,许多物理学家反对这种“只是谋求(just plot it)”的途径。由于许多人并没有计算机分析方面的训练,一些情况下他们不能从人工编码的东西中得出物理意义上的结果。大概正是如此,让我回想起在许多学术研讨会上,一个结果由于“仅是数值”而降格了。但在过去的二十年里这种看法有了明显转换,这尤其要感谢新一代物理学家,对于他们来说,编程是他们数学技能的自然延展。

相应地,理论物理现在有一些子领域正致力于对真实世界的计算机模拟而展开研究,这种研究用其它方式恰恰是不可能的。现在计算机模拟往往用在研究星系的形成和超星系的结构,计算一些夸克构成的基本粒子的质量,揭示原子核对撞会发生什么,理解太阳活动周期,以及少数能叫得出名字的主要依赖计算机的研究领域。

接下来的发展是脱离纯粹的数学建模,现在已经开始的是:物理学家们以用户设计的方式建立专门的实验室系统,用这种系统置换那些有待更好地去理解的系统。他们通过在实验室中观察模拟系统,去描绘和预测它所指代的那个系统。

最好的例子可能是这样一项研究,我们可以姑且称作“量子模拟”。一些系统由相互作用的、类似原子云的复合客体构成,物理学家操纵这些客体的相互作用,因而系统就类似于有一些基本粒子在相互作用。例如在量子电动力学电路中,研究人员用细微的超导电路模拟原子,研究这些虚拟的原子如何与光子相互作用。又如,在慕尼黑的一个实验室里,物理学家们用超冷原子的超流去解决类希格斯(Higgs-like)粒子能否存在于二维空间的争论(得出了肯定答案)。

这些模拟不仅有助于我们克服已知理论中的数学障碍,也能用来探索新理论的结论,这些新理论我们以前尚未研究过也不知道其中的关系。

当计算机模拟用于时空自身的量子行为时(这一领域我们一直没有好的理论),就具有了特别的意义。譬如在最近的实验中,位于加拿大安大略的滑铁卢大学量子计算研究所的物理学家雷蒙德﹒拉夫勒蒙(Raymond Laflamme)和他的团队用量子模拟研究叫做自旋网的结构,在某些理论中这种结构从基础上编织时空。慕尼黑大学的一位物理学家吉雅﹒德瓦利(Gia Dvali)一直计划用超冷原子气模拟黑洞的信息过程。

类似的想法也正在模拟引力上推行,物理学家用流体模拟粒子在引力场中的行为。杰夫﹒斯坦豪尔(Jeff Steinhauer)宣称已经在黑洞模拟中测得霍金辐射,就像他的宣称(一直稍微有些争论)那样,黑洞时空模拟也已经引起大量关注。研究者也一直用流体模拟引力来研究叫做“暴涨”的早期宇宙的快速膨胀。

另外,物理学家们通过观察叫做准粒子的替代物来研究假设的基本粒子。这些准粒子的行为像基本粒子,但是它们从大量的其它粒子的集体运动中涌现。理解它们的属性使得我们可以更多的了解它们的行为,因而也有助于我们寻找观察真实事例的方式。

这一研究进路也带来了某些大的疑问。首先,如果我们用复合的准粒子模拟我们现在认为是基本的东西,那么我们当前认为基本的东西——空间、时间和粒子物理标准模型中的25种基本粒子——也可能有着更底层的结构。量子模拟也让我们疑虑,解释一个系统的行为首先意味着什么。使用精简后的版本对系统做观察、测量、预测,等价于解释吗?

对我来说,这一进展的最有意思的方面是,它从根本上改变了我们做物理的方式。对量子模拟来说,数学模型是次要的。我们当前使用数学甄别合适的系统,因为数学告诉我们应该关注哪些特性。但严格来说这不是必须的。或许随着时间的推移,实验物理学家将会理解的是系统,而这个系统反映的是另外的系统,就像他们已经知道哪个系统对应于什么样的数学描述一样。也许有一天我们不是通过计算,而是凭借对精简了的系统的观察而做出预测。

现在,我确信我的许多同事会对这样的未来景象感到惊愕。但在我心中,在实验室中建立系统的精简模型,从观念上就是与物理学家已经做了几个世纪的工作完全不同的:以数学语言写下物理系统的精简模型。

原文链接:

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多