Другое представление "теории всего"
В 1964 году во время лекции в Корнеллском университете физик Richard Feynman сформулировал загадку о физическом мире. Он попросил представить два объекта, каждый из которых притягивался друг к другу.
Как, мы должны прогнозировать их движения?
Richard Feynman определил три подхода, каждый из которых фактически выражал разные взгляды на мир:
• Первый подход использовал закон тяготения Ньютона, согласно которому объекты оказывают влияние друг на друга.
• Второй представлял гравитационное поле, распространяющееся через пространство, которое искажают объекты.
• Третий применяет принцип наименьшего действия, который гласит, что каждый объект движется по пути, который занимает наименьшее количество энергии за наименьшее время.
Все три подхода дали одно и то же правильное предсказание. Это были три одинаково полезных описания того, как работает гравитация.
Одна из удивительных характеристик природы - это разнообразие схем интерпретации. Более того, это многообразие применимо только к истинным законам природы, оно не работает, если законы искажены. Я всегда находил это таинственным, и я не знаю причину, по которой правильные законы физики можно выразить таким огромным разнообразием способов.
/Richard Feynman/
Традиционно физики были редукционистами. Они искали «теорию всего», которая описывает реальность в терминах ее самых фундаментальных компонентов. При таком способе мышления известные законы физики являются предварительными, приближаясь к еще более неизвестному, более подробному описанию.
Стол (например) действительно ансамбль атомов; атомы при ближайшем рассмотрении являются кластерами протонов и нейтронов; каждый из них - трио кварков; а кварки, в свою очередь, предположительно состоят из чего-то еще более фундаментального. Редукционисты думают, что они играют в "поломанный телефон": по мере того, как послание реальности движется вверх, от микроскопического до макроскопического масштаба оно искажается и им приходится спускаться вниз, чтобы восстановить истину.
Гравитация разрушает эту наивную схему, формируя вселенную в больших и малых масштабах. И эффект Rashomon также предполагает, что реальность не структурирована таким редуцирующим, восходящим способом.
Во всяком случае, пример Richard Feynman преуменьшил загадку эффекта Rashomon, который на самом деле является двойным.
Существует множество достоверных способов описания многих физических явлений. Но еще более странный факт заключается в том, что при наличии конкурирующих описаний одно часто оказывается более правдивым, чем другие, потому что оно распространяется на более глубокое или более общее описание реальности.
/Richard Feynman/
Например, из трех способов описания движения объектов подход, который оказывается более верным - принцип наименьшего действия, выглядит сомнительным. В повседневной реальности странно представить, что объекты движутся, «выбирая» самый простой путь. Но сто лет назад когда физики начали делать экспериментальные наблюдения о странном поведении элементарных частиц, только интерпретация движения с наименьшим действием оказалась концептуально совместимой. Необходимо было разработать совершенно новый математический язык - квантовую механику, чтобы описать вероятностную способность частиц разыгрывать все возможности и чаще всего идти по простейшему пути. Из различных классических законов движения, только принцип наименьшего действия распространяется и на квантовый мир.
Снова и снова случается так, что когда существует много возможных описаний физической ситуации, но один оказывается предпочтительным, поскольку он распространяется на основную реальность, которая кажется, объясняет больше вселенной одновременно.
Это новое описание, в свою очередь, может иметь несколько формулировок и одна из этих альтернатив может применяться еще более широко. Как будто физики играют в "поломанный телефон", в которой с каждым шагом сообщение переводится на другой язык. Языки описывают разные масштабы или области одной и той же реальности, но не всегда этимологически связаны. В этой модифицированной игре цель не, или не только найти фундаментальное уравнение, управляющее мельчайшими частичками реальности.
Эта сеть законов создает ловушки для физиков.
Предположим, вы исследователь стремящийся глубже понять вселенную. Вы можете застрять, используя тупиковое описание - цепляясь за принцип, который кажется правильным, но является лишь одной из проявлений природы.
Именно по этой причине крайне важно переформулирование существующих теорий, путем поиска новых путей описания известных явлений.
Сегодня различные загадки и парадоксы указывают на необходимость переформулировать теории современной физики на новый математический язык.
Общая теория относительности Эйнштейна прекрасно объединяет пространство и время в четырехмерную ткань, известную как "пространство-время" и приравнивает гравитацию к деформациям в этой ткани. Но теория Эйнштейна и концепция "пространства-времени" распадаются внутри черных дыр и в момент большого взрыва. Другими словами, "пространство-время" может быть переводом некоторого другого описания реальности, которое, хотя и является более абстрактным или незнакомым, может иметь большую объяснительную силу.
В настоящее время, чтобы предсказать, как частицы изменяются и рассеиваются при столкновении в "пространстве-времени", физики используют сложную схему, изобретенную Richard Feynman. Так называемые диаграммы Feynman показывают вероятности или «scattering amplitudes» различных исходов столкновения частиц.
В 2013 году Nima Arkani-Hamed и Jaroslav Trnka обнаружили переформулировку «scattering amplitudes», в которой не упоминаются ни пространство, ни время. Они обнаружили, что амплитуды столкновений некоторых частиц закодированы в объеме геометрического объекта, похожего на брилиант, который они назвали amplituhedron.
Физики знают, что теория Эйнштейна неполна, но тем не менее, это впечатляющее устройство с упругой математической структурой.
Оказывается если вы хотите открыть более глубокий способ объяснения вселенной, вы не можете взять уравнения существующего описания и слегка их доработать/исказить. Вместо этого вы должны совершить прыжок к совершенно другой, совершенной математической структуре.
Общая концепция состоит в том, что законы физики подобны машине, которую строят люди, чтобы предсказать, что произойдет в будущем.
«Теория всего» похожа на машину предсказания - единственное уравнение, из которого следует все.
Но эта перспектива игнорирует существование множества других различных машин, созданных другими способами, которые дают нам эквивалентные прогнозы.
По мнению Arkani-Hamed, многообразие законов предполагает иное представление о том, что такое физика.
Мы не строим машину, которая рассчитывает ответы, вместо этого мы задаем вопросы. Законы изменения формы природы, являются ответом на математический вопрос. Вот почему Arkani-Hamed и его коллеги считают свои исследования amplituhedron такими многообещающими. Расчет объема amplituhedron - это вопрос геометрии, который математики могли бы обдумать, если бы сначала обнаружили объект.
Каким-то образом, ответ на вопрос об объеме amplituhedron описывает поведение частиц - и этот ответ, в свою очередь, можно переписать с точки зрения пространства и времени.
Arkani-Hamed видит конечную цель физики в выяснении математического вопроса, из которого вытекали бы все ответы.
Ведь ответы уже окружают нас.
/Источник/