Где основы?

[Windzorro]

Проникая всё дальше вглубь строения материи, мы думаем, что приближаемся изучением к основам устройства Природы.
Однако, основы кажется должны быть просты и немногочисленны, а квантовомеханические теории становятся чем дальше - тем сложнее: как в описаниях, так и в понимании.
Не означает ли это, что на самом деле мы не приближаемся к основам, а удаляемся от них?

[warlock66613]

Основы никому ничего не должны.

[Ende]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Гум)» в форум «Беседы на околонаучные темы»
Причина переноса: в теме нет ничего гуманитарного.

[mathpath]

Каковы основные особенности современных квантовомеханических теорий ?
Принцип суперпозиции — состояние есть вектор в гильбертовом пространстве, а не набор определённых значений.
Нелокальность и запутанность , которые нельзя объяснить локальными скрытыми параметрами (теорема Белла).
Вероятностный характер — фундаментальная роль амплитуд вероятности, а не детерминированных траекторий.
Ренормализация — параметры теории зависят от масштаба энергии; «константы» не постоянны.
Калибровочная симметрия — взаимодействия диктуются требованиями симметрии.
Контекстуальность — результат измерения зависит от полного контекста эксперимента.
Дуальность — волна-частица, дуальности в теориях струн и т.д.
Голографический принцип - информация о объёме закодирована на границе.

[Anton_Peplov]

"Основы должны быть простыми". Какие старые грабли. Как давно человечество разбило себе о них лоб.

"Аксиома - это утверждение, которое принимается без доказательства в силу своей очевидности". Примерно так мне говорили в школе на уроках геометрии. И было время, когда взрослые не только глупеньким детям так говорили, но и сами так думали. И какие взрослые - умнейшие люди своих эпох! Что любое знание должно выводиться из аксиом, а аксиомы должны быть очевидными и, следовательно, простыми (сложное не бывает очевидным). Эта точка зрения была порождена величием евклидовых "Начал". Будучи первым и в течение двух тысяч лет непревзойденным образцом аксиоматического метода, они, конечно, поразили воображение современников. Философы стали думать, что и природу можно постичь так же, как геометрию - начав с простых аксиом и выводя из них следствия, в уме, без экспериментов. Вайнберг в книге "Объясняя мир" пишет о том, что даже такой великий экспериментатор как Архимед не признавался, что получил свой закон путем экспериментов. В его сочинении "О плавающих телах" нет и намека на эксперименты, вместо этого Архимед подобрал аксиомы, чтобы вывести из них свой закон. Эти аксиомы не были очевидными - единственная уступка, на которую пошел Архимед. Очевидных аксиом, из которых он мог бы вывести свой закон, ему подобрать не удалось.

В другом месте Вайнберг пишет об одном из возражений против закона всемирного тяготения, высказанном сторонниками Декарта и Лейбница. Они говорили: неизвестны причины, по которым может существовать сила, действующая через пустоту на огромные расстояния, и пока такая причина не найдется, эту гипотезу нельзя принимать. Вайнберг видит в этом возражении отголосок античного стремления вывести все из немногих самоочевидных положений, которое мешало утвердиться новому подходу: "наше дело – создать математическую модель, предсказывающую результаты наблюдений".

Гюйгенс в "Трактате о свете" уже декларирует, что утверждения трактата не выводятся, как в геометрии, из аксиом, принятых в силу своей очевидности. Сделанные предположения подтверждаются наблюдаемыми следствиями из них. Но обратим внимание, что Гюйгенсу приходится это декларировать. Значит, его современникам это не очевидно.

В целом Вайнберг рассматривает подход "все должно быть выведено из простых и самоочевидных аксиом" как сильный тормоз на пути развития научной мысли. И я склонен с ним согласиться.

Вы говорите - квантовая механика сложна? А что делать, если эксперименты показывают, что свет излучается дискретными порциями, а электроны дифрагируют на кристаллах? Придумывать сто способов скрестить ужа с ежом (классическую волну с классической частицей)? Ну так с этих попыток квантовая механика и начиналась. И к современному математическому аппарату она, наверное, пришла не зря, хотя отдельные ниасилившие гильбертовы пространства утверждают (в основном в интернете), что надо было продолжать попытки скрещивания.

А теперь философический вопрос. По какой, собственно, причине мир в своих основах должен быть прост и понятен для сообразительных приматов с маленькой планетки на периферии рядовой галактики, чей разум эволюционировал ради завоевания половых партнеров и избегания хищников? Понятно, почему проста истина "если бросить камень сильнее, он полетит дальше". Наши предки миллионы лет бросали камни, так что т.н. интуитивная физика - практически предустановленный софт в нашей голове. А с чего бы поведению элементарных частиц быть для нас простым и понятным, если до XX века мы с этими частицами никогда дела не имели? Скорее нужно удивляться, что людям хватило ума придумать квантовую механику. "Самое непонятное в нашем мире то, что он все-таки понятен" - фраза приписывается Эйнштейну, хотя ему каких только фраз не приписывается.

Тренд, который действительно наблюдается в истории физики: при продвижении вглубь вещества "действующих лиц" становится меньше, но их поведение становится сложнее. От не поддающегося точному подсчету числа веществ - к сотне с небольшим химических элементов. От сотни элементов - к паре десятков фундаментальных частиц. И от зоопарка сил - к четырем, а на самом деле трем, фундаментальным взаимодействиям. Но по мере того как "кирпичиков" становится меньше, законы их поведения становятся все более математически сложными и менее интуитивными. Уже нерялитивистская квантовая механика намного сложнее классической механики, а в квантовой теории поля я, например, даже не пытаюсь разобраться.

[ozheredov]

Anton_Peplov в сообщении #1735462 писал(а):

Понятно, почему проста истина "если бросить камень сильнее, он полетит дальше". Наши предки миллионы лет бросали камни

Я правильно понимаю, что если бы движение камня НЕ описывалось простыми уравнениями, то за осмысленное время приматы бы не научились бросать его по наперед заданной траектории => не смогли бы убить животных и их съесть => умерли бы. Антропный принцип: уравнения простые потому, что в случае сложных нас бы не было?

[Ghost_of_past]

Windzorro в сообщении #1735417 писал(а):

Не означает ли это, что на самом деле мы не приближаемся к основам, а удаляемся от них?

Это может означать все, что угодно. Начиная от того, что никаких основ нет и заканчивая тем, что понятными и простыми они быть не обязаны, о чем сказали уважаемые warlock66613 и Anton_Peplov.

[Anton_Peplov]

ozheredov в сообщении #1735465 писал(а):

Я правильно понимаю, что если бы движение камня НЕ описывалось простыми уравнениями, то за осмысленное время приматы бы не научились бросать его

Если бы да кабы. Для начала, будь законы механики другими, образовались бы вообще звезды и планеты? Реки бы текли, дождь шел, воздух циркулировал? Сердца стучали? Деревья гоняли сок от корней к верхушке?

Если законы макромира таковы, что живые организмы могут существовать, то они и таковы, что живые организмы могут ими пользоваться. Даже одноклеточная водоросль хламидомонада умеет плыть на свет, шевеля жгутиками, и плевать ей, что у нее всего одна клетка и та не нервная. Это первая ступень лестницы к коту, прыгающему на стол, и примату, берущемуся за палку, еще даже не умея говорить. Если физические законы разрешают первые ступени этой лестницы, не вижу, как они могут запрещать последние. В конце концов, все мы в некотором смысле тесно интегрированные колонии одноклеточных. Впрочем, мало ли чего я не вижу. Для начала, я никогда не видел мира с другими физическими законами.

Так что да, антропный принцип. Но в более жесткой формулировке: будь законы другими, боюсь, не было бы не только нас, но и хламидомонады.

[mathpath]

Обычно выделяют т.н. шорт-лист базовых констант, которые действительно критичны для структуры Вселенной:
постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137
константа сильного взаимодействия α_s
отношение масс протона и электрона μ = m_p/m_e
константа гравитационного взаимодействия (или G в планковских единицах)
космологическая постоянная Λ
отношение масс кварков (особенно m_u/m_d)
амплитуда первичных флуктуаций Q

Некоторые из этих констант в квантовой теории поля зависят от масштаба энергии (бегут).

Постоянная тонкой структуры α:
Если α увеличить на ~4%, углерод не мог бы синтезироваться в звёздах (резонанс Хойла сдвинулся бы).
Если α уменьшить сильно — атомы стали бы слишком «рыхлыми», химия усложнилась бы.
При α ≳ 0.1 звёзды не могли бы существовать устойчиво.

Константа сильного взаимодействия α_s:
Если увеличить - водород сгорел бы в гелий в ранней Вселенной.
Если уменьшить — нуклоны не связывались бы, не было бы ядер.

Существует немало моделей, показывающие последствия изменения констант.

1. Антропный ландшафт струнной теории (Susskind, Bousso, Polchinski):
Ландшафт из ~10^500 вакуумов с разными значениями констант.
Наша Вселенная — один из островков, где возможно возникновение жизни.

2. Численные симуляции структурообразования (например, работы Tegmark, Rees, Adams):
Меняя α, α_s, Λ, Q в симуляциях, смотрят, образуются ли галактики, звёзды, тяжёлые элементы.
Область допустимых значений узка, но не бесконечно узка.

3. Работы по настройке ядерных резонансов (Hoyle, Livio, Oberhummer):
Показано, что синтез углерода в звёздах крайне чувствителен к параметрам ядерных сил.
Небольшие изменения — и углеродная жизнь невозможна.

4. Квантовая гравитация и мета-законы (Smolin, Woit, другие):
Гипотезы, что константы не случайны, а определяются динамикой на планковском уровне.

Вообще наблюдения за квазарами например показывают, что изменение константы α за космологическое время маловероятно.

[Ende]

Особое мнение YVB выделено в тему «Еще раз об основаниях квантовой механики»