分享

我们所知道的理论物理学“终结”?

 kanglanlan 2018-09-03

计算机模拟和定制量子模拟正在改变寻找自然规律的意义。理论物理学以复杂著称,以数学形式“书写”自然规律,这意味着我们所处理的规律非常简单,至少比其他科学学科要简单得多。不幸的是,解开方程并不是件易事。例如有一个完美理论可以描述基本粒子夸克和胶子,但没有人能计算出是如何聚集在一起形成质子。目前这些方程还无法用已知的方法求解。

图片:James O’Brien for Quanta Magazine

博科园-科学科普:类似地,黑洞合并甚至是山溪流动都可以用看似简单的术语来进行描述,但要描述出在特定情况下将会发生什么极为困难。当然,研究人员正在坚持不懈地突破极限,寻找新的数学策略。但近年来,复杂的数学并未推动这一进程,反而是强大的计算机能力推动了这一进程。上世纪80年代,第一个数学软件问世,它所做的不过是帮人们搜索大量打印出来的积分而已。

但是一旦物理学计算机触手可及,就不再需要解出积分,只需要画出解。20世纪90年代,许多物理学家反对这种“画图”方法。由于许多人没有受过计算机分析训练,所以他们有时无法从编码工件中分辨出物理现象。这就是为什么研讨会上将它降级为“数字”。但在过去20年里,这种态度发生了显著转变得益于新一代物理学家,新一代物理学家认为编码是数学技能的自然延伸。

因此理论物理学现在有许多子学科都在致力于研究计算机模拟真实世界的系统。现在已经在使用计算机模拟来研究星系的形成和超星系结构,从而计算出粒子质量是由几个夸克组成,并且找出原子核碰撞的原因,进一步理解太阳周期,目前一些研究研领域主要以计算机为基础。这种纯数学建模转变正在不断向前发展,物理学家们设计实验室系统来代替理解其他系统。

研究人员只需在实验室里观察模拟系统,进而得出结论并对系统进行预测。名为“量子模拟”研究领域之最为鲜明的例子,这一系统由相互作用的复合物体组成,类似于基本粒子之间的相互作用,这些物体间的相互作用由科学家们掌控。在电路量子电动力学中,研究人员使用微型超导电路来模拟原子,然后研究人造原子如何与光子相互作用。

另外在慕尼黑实验室里,物理学家们用超冷原子组成的超流体来解决关于类似希格斯粒子是否能在二维空间中的争论。这些模拟不仅有助于克服我们已经了解的理论中的数学障碍,也可以用它来探索没从未研究过的新理论,加深了解新理论的相关性。当谈到空间和时间本身的量子行为时,我们仍没有合适的理论对它作出解释。量子计算研究所的物理学家Raymond Laflamme利用量子模拟来研究自旋网络。在一些理论中,这种结构构成了时空基本结构。

慕尼黑大学的物理学家吉亚·德瓦利提出了利用超冷原子气体模拟黑洞信息处理的方法。物理学家使用流体来模拟粒子在重力场中的行为被运用到引力领域。黑洞时空已经吸引了大量关注,正如杰夫·史泰因豪尔所说:在黑洞模拟物测量到了霍金辐射一样。研究人员研究早期宇宙的快速膨胀,就运用了流体模拟引力这一方法。此外物理学家通过观察准粒子的替代物来研究基本粒子。准粒子的行为很像基本粒子,但它们由许多其他粒子集体运动产生。

了解其特性可以更多地了解它们的行为,从而帮助我们找到观察真实事物的方法。如果可以基本采用复合粒子,或许能够创建出基本的空间、时间和25个粒子组成粒子物理学的标准模型。量子模拟也让我们想知道如何解释系统行为。这个发展最有趣的方面是它最终改变了研究物理的方式。在量子模拟中,数学模型是次要的。目前使用数学来确定一个合适的系统,因为数学告诉我们应该寻找什么特性。

但严格来说,这并不是必须的。随着时间的推移,实验者或许会知道系统间如何相互映射。也许有一天,会用对简化系统的观察来做出预测,而不是通过计算做出预测。目前有科学家会对未来的愿景感到震惊,但在实验室里建立一个简化的系统模型在概念上与物理学家们几个世纪以来所做的没有多大区别:用数学语言描绘物理系统的简化模型。

博科园-科学科普|文:Sabine Hossenfelder/Quanta magazine/Quanta Newsletter

博科园-传递宇宙科学之美

    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